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氨及其衍生物

表现出碱性的氨及其衍生物主要包括脂肪胺、氨、芳香胺、酰胺、酰亚胺、季铵碱。脂肪胺、芳香胺又分为一级、二级及三级的脂肪胺、芳香胺。这些含氮化合物大都具有碱性，这类物质碱性的判断、比较往往需结合电子效应、空间效应、氢键理论。氮原子上的电子密度越高、结合质子后生成的铵正离子越稳定，物质的碱性则越强。

1、氨及其衍生物的碱性比较

碱性强弱排序：季铵碱＞脂肪胺＞氨＞芳香胺＞酰胺＞酰亚胺。这几类含氮化合物中，碱性最强的为季铵碱，季铵碱为离子型化合物，其碱性强度与氢氧化钠相当，碱性远强于其它物质。碱性第二强的为脂肪胺，脂肪胺的氮原子连脂肪烷基，氮原子的电负性值(3.1)大于碳原子的电负性值(2.5)，所以烷基表现出给电子的诱导效应。由于烷基的给电子作用，氮原子上的电子密度增加，能够更好的结合质子表现出碱性。氨的碱性弱于脂肪胺的碱性，但强于芳香胺的碱性。芳香胺的芳基为吸电子基团，其吸电子的共轭效应强于其给电子的诱导效应。芳基的吸电子效应降低了氮原子上的电子密度，使其结合质子、表现出碱性的能力变弱。一般认为酰胺是中性物质，其原因是酰基具有较强的吸电子效应，酰基的吸电子作用强于芳基，使得酰胺类化合物一般不表现出碱性。酰亚胺的氮原子连有两个吸电子的酰基，氮原子上的电子密度进一步降低，导致酰亚胺化合物表现出弱酸性，能与氢氧化钠的水溶液生成盐。

2、脂肪胺碱性的比较

(1)气相条件下，脂肪胺的碱性强弱排序：三级脂肪胺＞二级脂肪胺＞一级脂肪胺。在气相条件下，只考虑取代基电子效应对脂肪胺碱性的影响，烷基为给电子基团，氮原子连的烷基越多，氮原子上的电子密度越高，其碱性越强。

(2)脂肪胺在水相中的碱性强弱通过胺结合质子生成的铵正离子的稳定性来判断，铵正离子越稳定，对应胺的碱性越强。铵正离子的稳定性需综合考虑电子效应、溶剂效应和空间效应的影响。首先，氮原子上的烷基越多，氮原子上的电子密度越高，更易结合质子，碱性越强。其次，生成的铵正离子与溶剂水生成分子间氢键越多(氮原子连的氢越多，与水生成氢键的个数越多)，则稳定性越好，相应胺的碱性就越强。最后，氮原子上的取代基越多，氮原子结合质子所受到的空间阻碍就越大，碱性越弱。综合上述三者的共同影响，水相中脂肪胺碱性强弱排序一般为：二级胺＞三级胺＞一级胺，如(C₂H₅)₂NH＞(C₂H₅)₃N＞ C₂H₅NH₂。但有时一级胺的碱性也强于三级胺，如(CH₃)₂NH＞CH₃NH₂＞(CH₃)₃N，说明尽管取代基都是烷基，但其取代基效应仍有差异。

3、芳香胺碱性的比较

芳香胺的碱性强弱排序：一级芳香胺＞二级芳香胺＞三级芳香胺。芳香胺中，氮原子与苯环组建了P－P共轭体系，对胺来说，苯基是吸电子基团，氮原子上的电子向苯环偏移，氮原子上的电子密度随之降低，与质子结合的能力下降，碱性减弱。氮原子上连的苯基越多，氮原子上的电子密度越低，碱性越弱。

苯环上的取代基也会影响芳香胺的碱性，通过取代基的电子效应和空间效应可以判断芳香胺的碱性强弱。如下图所示，甲氧基为强给电子基团，甲基是弱给电子基团，能不同程度的提高氮原子上的电子密度，胺的碱性增强。硝基为吸电子基团，会降低氮原子上的电子密度，胺的碱性减弱。此外，由于互为间位的取代基之间没有共轭效应，间硝基苯胺的碱性略强于对硝基苯胺的碱性。

除了电子效应外，取代基的空间效应也会影响芳香胺的碱性。如下图所示，N，N－二甲基－2，6－二叔丁基苯胺的碱性强于N，N－二甲基苯胺的碱性。

在N，N－二甲基－2，6－二叔丁基苯胺的结构中，叔丁基为体积大的基团，其空间效应的影响破坏了氨基与苯环的共轭体系，苯基不能通过共轭效应降低氮原子上的电子密度，使得其氮原子上的电子密度比N，N^－二甲基苯胺中氮原子上的电子密度更高，碱性更强。类似的，N，N－二甲基－2，4，6－三硝基苯胺的碱性远强于2，4，6－三硝基苯胺，前者的碱性约为后者的40000倍，其原因同样是取代基的空间效应影响到了取代基的共轭效应。二甲氨基体积比氨基大，与邻位硝基之间存在非常大的空间位阻作用，导致氮原子与苯环不共平面，破坏了苯环与氨基间的共轭体系，苯基及苯环上的硝基不再通过共轭效应降低氮原子上的电子密度，胺的碱性相对较强。而2，4，6－三硝基苯胺中的氨基体积相对较小，从而不会引起空间位阻的限制，同时硝基氧原子与氨基氢原子之间的氢键会帮助维持这些基团在一定的平面和方向，氨基与苯环的共轭体系未被破坏。由于硝基的强吸电子共轭效应，2，4，6－三硝基苯胺中氮原子上的电子密度急剧降低，碱性随之减弱。

含氮芳香杂环化合物

表现出碱性的芳香杂环化合物一般为含氮杂环，常见的含氮杂环有吡咯、吡啶、喹啉等。其碱性强弱常通过共轭酸的pK_a值进行判断，共轭酸的pK_a值越小，对应含氮芳香杂环的碱性越弱。

表1常见含氮芳香杂环的pK_a值或共轭酸的pK_a值

注：除吡咯、吲哚外，其它pK_a值均为对应共轭酸的pK_a值。

表1列出了吡咯、吲哚的PK_a值，常见含氮芳香杂环、氨、甲氨及苯胺的共轭酸的PK_a值。需要指出的是，吡咯的碱性很弱，要使吡咯质子化，必须在强酸作用下才可以进行，而且质子化的位点不在氮原子上，而在α碳上，因此未列出其共轭酸的pK_a值。吡咯中的氮原子为sp²杂化，p轨道上的一对电子参与构建大π键，氮原子上没有孤对电子，难以与质子结合表现出碱性，相反，吡咯氮原子上的氢却有微弱的酸性，能与固体氢氧化钾加热生成相应钾盐。

吲哚的结构与吡咯相似，氮原子P轨道上的一对电子参与构建大π键，电子在更大范围内离域，吲哚的碱性比吡咯的碱性更弱。

吡啶氮原子也为sp²杂化形式，P轨道上的一对电子参与构建大π键，一个sp²杂化轨道上有一对未共用的电子，没有成键，可以结合质子，表现出碱性。另外由于氮原子的电负性强于碳原子，环上的P电子向氮原子偏移，氮原子上的电子密度增强，其碱性强于苯胺的碱性，但弱于氨的碱性。吡啶的碱性弱于氨的碱性的原因是氮原子的杂化形式不同，氨中的氮原子为sp³杂化，吡啶的氮原子为sp²杂化，sp³杂化的氮原子对电子的束缚小于sp²杂化的氮原子，更易结合质子表现出碱性。

咪唑、吡唑、噁唑、异噁唑、噻唑等唑类的一个氮原子sp²杂化轨道中保留一对未共用电子，可以结合质子表现出碱性。上述这些唑类化合物的碱性都强于吡咯，其中咪唑的碱性比吡啶的碱性还要强。

上述的1，3－唑类化合物中，1号位的杂原子具有吸电子的诱导效应和给电子的共轭效应。氧原子的电负性值较大，有相对较强的吸电子诱导效应和相对较弱的给电子共轭效应，总的结果是降低了3号位氮原子上的电子密度，因此噁唑的碱性较弱，远弱于吡啶的碱性。咪唑中，氮原子电负性值较小，它的吸电子诱导效应较弱而给电子共轭效应较强，总的结果是提高了3号氮原子上的电子密度，因此咪唑表现出较强的碱性。噻唑中硫原子参与构建大π键的p轨道为3p轨道，轨道的原子半径较大，与环上其它原子p轨道的匹配度较差，给电子的共轭效应相对较弱，使其碱性弱于咪唑的碱性。

噁唑与异噁唑有相同的杂原子，但异噁唑中氧原子与氮原子处于邻位，氧原子的吸电子诱导效应更强，使得异噁唑的碱性比噁唑的碱性更弱。类似的，吡唑的碱性也弱于咪唑的碱性。

吡嗪、哒嗪及嘧啶属于二嗪类化合物，二嗪类化合物虽含有两个氮原子，但其碱性比吡啶弱。二嗪化合物中两个氮原子的吸电子作用互相影响，使其电子密度降低，减弱了与质子的结合能力。另外，它们虽然含有两个氮原子，却是一元碱，因为一个氮原子结合质子变成正离子后，吸电子能力大大增强，致使另一个氮原子上的电子密度大大降低，很难与质子结合表现出碱性。上述三个二嗪化合物中，碱性最强的是哒嗪，碱性最弱的是吡嗪。哒嗪的两个氮原子处于1号位与2号位，分子偶极矩最大，环上的P电子会向两个氮原子的方向偏移，增加氮原子周围的电子密度。吡嗪的两个氮原子处于1号位与4号位，分子偶极矩为零，环上的P电子也会向两个氮原子偏移，但两个氮原子处于相反的方向，吡嗪氮原子上电子密度的提高不及哒嗪中的氮原子，碱性最弱。

喹啉与异喹啉由苯环与吡啶环稠合而成，具有与吡啶相当的碱性，其中喹啉的碱性略弱于吡啶的碱性，异喹啉的碱性略强于吡啶的碱性。与吡啶相比，异喹啉中的氮原子处于更大的共轭体系中，有更多的P电子偏向氮原子，使其碱性比吡啶的碱性略强。与异喹啉、吡啶中氮原子sp²杂化轨道到邻位氢的空间距离相比，喹啉中氮原子sp²杂化轨道与8号位氢原子的空间距离更短，氢原子的空间位阻作用相对较强，不利于氮原子结合质子，因此，喹啉的碱性弱于异喹啉和吡啶的碱性。