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19.9 : 杂环芳香胺的碱度

杂环胺(其中 N 原子是脂环族系统的一部分)的碱性与烷基胺相似。 有趣的是,具有氮原子作为芳环一部分的杂环胺的碱性比其相应的脂环族对应物低得多。 因此,如图 1 所示,哌啶 (pKb = 2.8) 的碱性明显高于吡啶 (pKb = 8.8)。

Figure1

图1 哌啶和吡啶的碱度比较。

这种碱性差异可能归因于 N 原子上含有孤对电子的轨道杂化状态,如图 2 所示。对于哌啶,孤对电子位于具有较低 s 特征的 sp3 杂化轨道中,使得孤对电子更容易表现出对酸的碱性。 另一方面,在哌啶中,孤电子对位于包含更高 s 特征的 sp2 杂化轨道中,因此,孤对电子与芳基环的结合更紧密,并且不太容易表现出对酸的碱性。

Figure2

图 2. 杂化轨道对碱度的影响。

吡咯的碱性比吡啶低得多,pKb 值为 15。图 3 中所示的 N 原子上的孤对电子位于纯 p 轨道中,并且与 C 原子的 p 轨道完全对齐,参与环的芳香性。 因此,吡咯 N 原子上的孤对电子通过整个环的共振而离域。 相反,位于 sp2 杂化轨道中的吡啶 N 原子上的孤电子对与参与共振的 C 原子的其他 sp2 轨道垂直排列。 因此,吡啶N原子上的孤对电子比吡咯中的孤对电子更容易获得,从而导致吡啶的碱性更高。

Figure3

图 3. 吡咯的路易斯结构。

咪唑在五元环中含有两个 N 原子,是许多蛋白质中发现的重要杂环。 这种 pKb 为 7 的杂环胺的碱性比吡啶强 100 倍。类似于吡咯中的 N 原子是非碱性的。 另一个 N 原子是碱性的,它从酸中夺取 H,产生其共轭酸,该共轭酸通过共振而稳定,如图 4 所示。共轭碱的这种共振稳定作用导致咪唑相对于吡啶的碱性增加。

Figure4

图 4. 咪唑鎓离子的共振稳定性。

胺的碱性为从含有其他中性化合物的混合物中分离胺提供了一种有价值的实用工具。 这是通过将不纯的混合物溶解在乙醚中并在分液漏斗中与水一起摇动来实现的。 两层分离后,排出水层以除去盐和大多数无机杂质。 当向有机层中加入稀酸水溶液时,胺选择性质子化成相应的酸并溶解在水层中。 排出有机层去除中性有机杂质。 水层的缓慢碱化再次产生游离胺,可以使用干净的乙醚萃取游离胺。 随后蒸发乙醚得到纯胺。

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Heterocyclic AminesBasicityPiperidinePyridineHybridizationPyrroleImidazoleResonance Stabilization

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