第二十章-杂环化合物详解

第二十章_杂环化合物详解演示文稿当前1页，总共90页。优选第二十章_杂环化合物当前2页，总共90页。第一节杂环化合物的分类成环的原子(即环上的原子)除C原子外，还有其它原子（叫杂原子）的环状化合物，叫“杂环化合物”。常见的杂原子有N、O、S，其中以N为最多。杂原子可以是1个也可以是多个。当前3页，总共90页。杂环化合物根据结构和性质的不同。可以分两类：芳香性杂环：环比较稳定，具有一定程度的芳香性。比如：吡啶。脂杂环：没有芳香性，它们的性质与杂原子有关。

非芳香性杂环虽有杂原子，但它们很易开环，性质和相应的链状化合物很相似，一般不放在杂环化合物中讨论，而本章主讨论前一类。(非芳香性杂环)当前4页，总共90页。一、脂杂环

没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂环。三元杂环四元杂环五元杂环七元杂环(氮杂环丙烷)(β-丙内酯)(β-丙内酰胺)(顺丁烯二酸酐)(氧杂)(1H-氮杂)(环氧乙烷)当前5页，总共90页。二、芳杂环

具有芳香特征的杂环化合物称为芳杂环当前6页，总共90页。五元杂环六元杂环呋喃噻吩吡咯吡啶嘧啶吡喃(无芳香性)当前7页，总共90页。苯并杂环杂环并杂环吲哚喹啉异喹啉嘌呤当前8页，总共90页。一、杂环母体的命名

常用音译法，是按照英文名称的音译，选用同音汉字在加“口”字旁，表示环状化合物。第二节杂环化合物的命名当前9页，总共90页。当前10页，总共90页。二、环上有取代基编号原则：(1)从杂原子开始依次用1、2、3…表示（异喹啉例外），或依次用α、β来表示。

(2)当环上含有二个或两个以上的杂原子时，则按O→S→N的顺序编号，并使杂原子的位次之和尽可能的小。当前11页，总共90页。五元杂环呋喃(furan)噻吩(thiophene)吡咯(pyrrole)当前12页，总共90页。五元杂环苯并体系苯并呋喃(benzofuran)苯并噻吩(benzothiophene)苯并吡咯吲哚(indole)当前13页，总共90页。六元杂环吡啶(pyridine)吡喃(pyran)当前14页，总共90页。杂环并杂环喹啉(quinoline)异喹啉(isoquinoline)嘌呤(purine)六元杂环苯并环系当前15页，总共90页。当前16页，总共90页。2-呋喃甲醛3-吲哚乙酸（α-呋喃甲醛）

（β-吲哚乙酸）

当前17页，总共90页。一、结构：第三节呋喃、噻吩、吡咯的结构和物性吡咯的结构N原子sp2杂化，孤电子对在p轨道上。富电子π体系当前18页，总共90页。结构：吡咯N是sp2杂化，孤电子对参与共轭。反应：碱性较弱，环易发生亲电取代反应，环上相当于有一个邻对位定位基。吡咯的结构:当前19页，总共90页。呋喃的结构:当前20页，总共90页。形成5原子6电子共轭体系，符合(4n+2)规则，具有一定的芳香性，并且环上电子云密度比苯高，比苯更易发生亲电取代反应，尤其是在α位上。亲电取代活性次序为：

吡咯>呋喃>噻吩>苯五元芳香杂环的结构特点及其特性：当前21页，总共90页。2.由于环上电子云分布不如苯环均匀，所以芳香性较差，其芳香性次序是：

离域能：150.51178867kJ/mol当前22页，总共90页。二、物性偶极矩方向：当前23页，总共90页。1.呋喃、噻吩、吡咯的质子化反应2.呋喃、噻吩、吡咯的亲电取代反应3.呋喃、噻吩、吡咯的加成反应 第四节呋喃、噻吩、吡咯的反应当前24页，总共90页。一、呋喃、噻吩、吡咯的质子化反应分子接受一个质子的反应称为质子化反应.（1）呋喃、噻吩、吡咯在酸的作用下可质子化；（2）质子化反应主要发生在C-2上；α-C质子化β-C质子化N-质子化当前25页，总共90页。（3）由于α-C的质子化反应，吡咯在强酸作用下会因聚合而被破坏；（4）在稀的酸性水溶液中，呋喃的质子化在氧上发生并导致水解开环。当前26页，总共90页。二、呋喃、噻吩、吡咯的亲电取代反应*1亲电取代反应的活性顺序为：π电子密度：1.概述吸电子诱导：O(3.5)>N(3.0)>S(2.6)给电子共轭：N>O>S综合：N贡献电子最多，O其次，S最少当前27页，总共90页。八隅体结构最稳定无最稳定结构σ-络合物的稳定性*2取代反应主要发生在杂原子的α-C上；当前28页，总共90页。*3杂原子和取代基的定位效应(P883)杂原子的定位效应：第一取代基进入到杂原子的α-位。取代基的定位效应：

(1)

3位上有取代基时，呋喃、吡咯、噻吩的定位效应一致。当前29页，总共90页。(2)2位上有取代基时，吡咯、噻吩的定位效应一致，情况如下：2-取代的呋喃，原有的任何基团都使得第二基团定位进入C－5位：当前30页，总共90页。2.呋喃、噻吩、吡咯的硝化反应

呋喃,噻吩和吡咯易氧化,一般不用硝酸直接硝化;通常用比较温和的非质子硝化试剂，如：硝酸乙酰酯,反应在低温下进行。当前31页，总共90页。硝酸乙酰酯当前32页，总共90页。呋喃比较特殊,先生成稳定的或不稳定的2,5-加成产物，然后加热或用吡啶除去乙酸,得到硝化产物。当前33页，总共90页。3.呋喃、噻吩、吡咯的磺化反应吡咯、呋喃不太稳定，所以须用温和的磺化试剂磺化。常用的温和的非质子的磺化试剂有：吡啶与三氧化硫的加合化合物。噻吩比较稳定，既可以直接磺化（产率稍低），也可以用温和的磺化试剂磺化。当前34页，总共90页。当前35页，总共90页。当前36页，总共90页。常用此法除去苯中含有的少量噻吩当前37页，总共90页。3.呋喃、噻吩、吡咯的卤化反应反应强烈，易得多卤取代物。为了得一卤代(Cl,Br)产物，要采用低温、溶剂稀释等温和条件。当前38页，总共90页。当前39页，总共90页。4.呋喃、噻吩、吡咯的傅氏酰基化反应当前40页，总共90页。sp2杂化sp3杂化碳上酰化，正电荷处在离域范围内，较稳定。氮上酰化，正电荷不处在离域范围内。呋喃、噻吩的酰化反应在α-C上发生，而吡咯的酰化反应（不用催化剂）既能在α

-C上发生，又能在N上发生。在-C上发生比在N上发生容易。当前41页，总共90页。5.呋喃、噻吩、吡咯的傅氏烷基化反应总体看，在合成上无实用价值。当前42页，总共90页。补：吡咯的弱酸性和弱碱性

(1)吡咯虽然是一个仲胺，但碱性很弱。只能很慢地溶解在稀酸溶液中，此溶液稍微加热则成为吡咯红（聚合物）；浓酸则使其树脂化。当前43页，总共90页。(2)吡咯具有弱酸性，（其酸性介与乙醇和苯酚之间）

当前44页，总共90页。故吡咯能与固体氢氧化钾加热成为钾盐，与格氏试剂作用放出RH而生成吡咯卤化镁。1CO22H2O/H+当前45页，总共90页。吡咯钾盐和吡咯卤化镁都可用来合成吡咯衍生物。当前46页，总共90页。三、呋喃、吡咯、噻吩的加成反应1.加氢反应四氢呋喃(THF)四氢吡咯当前47页，总共90页。2.Diels-Alder反应呋喃最易发生Diels-Alder反应当前48页，总共90页。补：糠醛1.制备：主要原料：农副产品、甘蔗渣、花生壳、高粱秆、棉子壳，用稀酸加热蒸煮制取

当前49页，总共90页。2.糠醛的性质

当前50页，总共90页。当前51页，总共90页。补、噻唑和咪唑

含有两个杂原子的五元杂环，若至少有一个杂原子是氮，则该杂环化合物称为唑。当前52页，总共90页。当前53页，总共90页。吲哚当前54页，总共90页。卟啉化合物——吡咯衍生物卟吩环：四个吡咯环和四个次甲基（—CH=）交替相联组成的大环卟啉化合物广泛地存在于自然界，如血红素、叶绿素当前55页，总共90页。1.血红素:

中心离子是Fe2+，功能：输送氧；CO与血红素的结合能力大于O2，故呼吸CO就会中毒。2.叶绿素:

中心离子是Mg2+，1948年测定了它的结构，1960年全合成（30几步），Fisher测定了结构，Woodward全合成，死后拿了诺贝尔奖金。当前56页，总共90页。3.维生素B12：中心离子是Co，存在于动物肝脏中，暗红色针状结晶，是治疗抗恶性贫血的药物，是天然产物最复杂的结构之一。早在1926年就发现动物肝可以医治恶性贫血，从而生物化学家便开创了对肝中以医治恶性贫血的有效成分的研究。但由于它在肝中含量太少，而且在提纯过程中易分解，所以在较长时期无进展。直到1948年才分出了纯的暗红色B12晶体，因此，关于B12的结构又成为有机化学研究对象之一。至1954年，用X-射线衍射的方法才确定了上述结构。此后又经过十几年以及十几个国家科学工作者的努力，于1972年完成了VB12的全合成。当前57页，总共90页。VB12当前58页，总共90页。第五节吡啶的结构和物理性质N原子上的孤电子对在sp2杂化轨道上。=2.22D=1.17D当前59页，总共90页。分子共平面闭壳层共轭体系(4n+2),具有芳香性,键孤对电子未参与共轭体系——碱性：电子云密度分布不均匀：N>β>γ>α

亲电取代反应在β－位

亲核取代反应在α－位或β－位1.43当前60页，总共90页。吡啶结构：吡啶N是sp2杂化，孤电子对不参与共轭。反应：

1.碱性较强。2.环不易发生亲电取代反应却能发生亲核取代反应。3.发生亲电取代反应时，环上N起间位定位的作用。4.发生亲核取代反应时，环上N起邻对位定位的作用。当前61页，总共90页。吡啶N碱性和亲核性的反应—————生成吡啶盐第六节吡啶的反应一、芳环亲电取代反应CH3IRCOClH+石油醚当前62页，总共90页。NO2+BF4-

乙醚室温SO3Br2CCl4当前63页，总共90页。吡啶盐的重要用途：可用来做温和的磺化、硝化、卤化、烷基化、酰基化的试剂当前64页，总共90页。在C上发生亲电取代反应————β－位取代当前65页，总共90页。反应特点*1不能发生傅氏烷基化、酰基化反应。*2硝化、磺化、卤化必须在强烈条件下才能发生；亲电取代活性：*3吡啶环上有给电子基团时，反应活性增高；*4吡啶N可以看作是一个间位定位基。当前66页，总共90页。3.吡啶亲电取代的反应机理：在温和条件下，亲电试剂主要与N反应；在强烈条件下，C取代为主。当前67页，总共90页。二、吡啶的亲核取代反应1.置换氢的亲核取代反应一般机制：*1负氢不易离去，一般需要一个氧化剂作为负氢的接受体；*2亲核取代优先在α位上发生，如果α位上有取代基，则反应在γ位上发生。当前68页，总共90页。(1)烷基化、芳基化反应---------用RLi或PhLi作试剂当前69页，总共90页。(2)齐齐巴宾(Chichibabin,A.E.)反应——氨化吡啶与氨基钠作用生成2-氨基吡啶的反应称为齐齐巴宾反应。H2O+NaNH2100oCC6H5N(CH3)2当前70页，总共90页。2.置换易离去基团的亲核取代反应如在α,γ位有好的离去基团，如Cl、-NO2、Br，可以与氨（或胺）、烷氧化物、水等亲核试剂发生亲核取代反应（在亲核取代反应中，吡啶N对邻、对位活化）。当前71页，总共90页。当前72页，总共90页。三、吡啶的氧化还原反应吡啶环本身不易被氧化，但它的侧链很容易被氧化成醛或羧酸。当前73页，总共90页。(N－氧化吡啶)当前74页，总共90页。四、还原反应六氢吡啶当前75页，总共90页。五、吡啶侧链α-H的反应2,4,6-位烷基的-H与羰基-H相似当前76页，总共90页。醇醛缩合型当前77页，总共90页。当前78页，总共90页。第七～十一节