中国药科大学有机化学课件—第十四章杂--环--化--合--物.ppt

1、第十四章 杂 环 化 合 物,主要内容,第一节 杂环化合物的分类和命名 第二节 六元杂环化合物 第三节 五元杂环化合物,第一节 杂环化合物的分类和命名,1、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),(-丙内酯),(-丙内酰胺),(顺丁烯二酸酐),(氧杂),(1H-氮杂),(环氧乙烷),（一）分类,2 、芳杂环 具有芳香特征的杂环化合物称为芳杂环,苯并杂环,杂环并杂环,五元杂环,六元杂环,呋喃,噻吩,吡咯,噁唑,噻唑,咪唑,吡唑,吡啶,嘧啶,吡喃(无芳香性),吲哚,喹啉,异喹啉,嘌呤,(二) 命名,命名原则:,杂环的命名常用音译法，是按

2、外文名词音译成带“口”字旁的同音汉字。,当环上有取代基时，取代基的位次从杂原子算起依次用1,2,3, (或,)编号。 如杂环上不止一个杂原子时，则从O、S、N顺序依次编号。编号时杂原子的位次数字之和应最小。,五元杂环,五元杂环苯并体系,呋喃(furan),噻吩(thiophene),吡咯(pyrrole),苯并呋喃 (benzofuran),苯并噻吩 (benzothiophene),苯并吡咯 吲哚 (indole),实例:,六元杂环,吡啶(pyridine),吡喃(pyran),-吡喃酮 (-pyrone),-吡喃酮 (-pyrone),哒嗪(pyridazine),嘧啶(pyrimidin

3、e),吡嗪(pyrazine),杂环并杂环,喹啉 (quinoline),异喹啉 (isoquinoline),苯并吡喃(benzopyran),苯并-吡喃酮 (benzo-pyrone),嘌呤(purine),六元杂环苯并环系,(一) 吡啶,共轭效应和诱导效应都是吸电子的,孤电子对在sp2杂化轨道上。,结构：吡啶N是sp2杂化，孤电子对不参与共轭。 反应：碱性较强。环不易发生亲电取代反应但易发生亲核 取代反应。发生亲电取代反应时，环上N起间位定 位基的作用。发生亲核取代反应时，环上N起邻对 位定位基的作用。,1 电子结构,第二节 六元杂环化合物,2 物理性质,氮原子的电负性较大,使吡啶有较大

4、极性,其偶极距数值较大.,=2.20D =1.17D,吡啶能与水以任意比例混溶,又能溶解大多数极性或非极性 有机化合物,甚至许多无机盐类,是一个良好的溶剂。,3 碱性,吡啶N是sp2杂化，孤电子对不参与共轭，可以与质子 结合或给出电子，显弱碱性。利用它的碱性，可从混 合物中分离吡啶类化合物，在化学反应中还可用作催 化剂和除酸剂。,4 化学反应,(1) 氮原子上的反应,(2) 亲电取代反应,吡啶环上氮原子为吸电子基，故吡啶环属于缺电子的芳杂环，和硝基苯相似。其亲电取代反应很不活泼，反应条件要求很高，不起傅-克烷基化和酰基化反应。亲电取代 反应主要在-位上。,由吡啶的共振式分析:,结论: 1. 环

5、上带正电, 不利 于亲电取代 2. b 位的正电荷密相 对较低,解释原因:,由取代反应的中间体稳定性分析,1. 取代在 a 位,2. 取代在 b 位,3. 取代在 g 位,中间体较为稳定,实验事实：钝化和 b取代,其它反应现象,环上有给电子基时反应相对较易进行,(3) 亲核取代反应,取代主要发生在 a 位,当 a 或 g 位有其它离去基团时，反应易发生,(4) 氧化和还原反应,氧化在侧链上,氧化在 N 上,复习：叔胺的氧化,吡啶的类似反应,N-氧化吡啶的性质：比吡啶易与亲电试剂或亲核试剂反应,(a) 与亲电试剂的亲电取代,(b) 与亲核试剂的亲核加成,为什么N-氧化吡啶既有亲电性又有亲核性,(

6、a) 由共振结构分析（有两种形式的共振式）,有苯氧基负离子特点，环上的 2, 4, 6 三个位置负电荷密度较大,保留吡啶的特点，氧负离子使环上的正电荷密度增大,(b) 由反应过程分析（中间体的稳定性分析）,亲电取代及进一步的反应过程,对比：吡啶的直接亲电取代,不稳定,(二） 喹啉和异喹啉,喹啉和异喹啉：,1 结构与物理性质：,结构： *杂环部分性质象吡啶(碱性和亲和性、亲电取代、 亲核取代、氧化反应、还原反应、支链上的反应) *碳环部分性质象萘(亲电取代及其取代定位作用),碱性强弱：喹啉吡啶异喹啉,喹啉在常温时是无色油状液体，有类似吡啶的恶臭， 沸点238，异喹啉为低熔点的固体，气温类似于 苯

7、甲醛，熔点26，沸点243。,物理性质：,（1） 亲电取代反应:,反应产物受介质的影响。若反应在酸性介质中进行，取代主要在苯环上发生。喹啉主要发生在C-5与C-8位，而异喹啉以C-5产物为主。,若反应在有机溶剂中进行，取代在杂环上发生。,2 化学反应,从反应中间体的稳定性解释反应结果：,（2） 亲核取代反应,亲核取代反应主要在吡啶环上发生，喹啉的反应位置 在2位和4位(2位为主)，异喹啉在1位；,实例：,（3） 氧化反应,*1 喹啉和异喹啉与绝大多数氧化剂不发生反应；,*2 与高锰酸钾能发生反应：,*3 喹啉与异喹啉在过酸的作用下均可形成N-氧化物。,（4） 还原反应,反十氢喹啉,顺十氢喹啉,

8、3 喹啉及其衍生物的合成,1 斯克劳普(Skraup, Z.H.)反应：苯胺、甘油、硫酸和基苯等氧化剂一起作用，生成喹啉的反应称为斯克劳普反应。,实 例,eg 2,eg 1,eg 4,eg 3,2 弗里德伦德(Friedlander)反应：,eg 1,eg 2,芳香族邻氨基羰基化合物发生缩合反应，得到喹啉或它的衍生物，这称为弗里德伦德反应。,(三） 含二个氮原子的六元杂环,含有两个氮原子的六元杂环体系称作二嗪类，因氮原子 在环中的相对位置不同，二嗪类有三种异构体：哒嗪、 嘧啶、吡嗪。,哒嗪(pyridazine),嘧啶(pyrimidine),吡嗪(pyrazine),1 结构与物理性质,二嗪

9、类环上的两个氮原子，其电子构形与吡啶中的氮原子 相同，各有一对未共用电子对，位于sp2杂化轨道上，能与 水经氢键缔合。哒嗪与嘧啶因结构的不对称性，分子有一 定的极性，可与水混溶，吡嗪因分子极性小而水溶性略小。 二嗪类化合物都是一元碱,而且碱性都比吡啶弱.,2 化学反应,（1）. 亲电取代反应,反应最易在2位发生，其次是4,6位,取代卤素要比取代负氢更容易,（2）. 亲核取代反应,利用亲核取代反应可制取烃基取代的二嗪。,二嗪不易被氧化。若用过酸氧化，得嘧啶单N-氧化物,（3） 氧化,（4） 侧链-H反应,羟醛缩合型,烷基化反应,吡喃环系,吡喃及其衍生物无芳香特性,吡喃酮的钅,羊盐是芳香体系。,(

10、四) 含氧原子的六元杂环,(一 ) 呋喃、噻吩、吡咯的结构 (二) 吲哚 (三) 含两个杂原子的五元杂环,第三节 五元杂环化合物,吡咯的结构,孤电子对在p轨道上。,吡 咯 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 有一个邻对位定位基。,共轭效应是给电子的。诱导效应是吸电子的。,(一) 呋喃、噻吩、吡咯的结构,呋喃、噻吩的结构请同学自己分析。,1 电子结构及芳香性,呋喃、噻吩、吡咯在结构上具有共同点，即构成环的五个原子都为sp2杂化，故成环的五个原子处在同一平面，杂原子上的孤对电子参与共轭形成共轭体系，其电子数符合休克尔规则（电子数 = 4n+

11、2），所以，它们都具有芳香性。,2 物理性质,都能溶于有机溶剂,水溶解度都小于六元杂环吡啶 溶解度顺序为：吡咯呋喃噻吩 吡咯几乎不显碱性, 相反具有弱酸性,3 呋喃、噻吩、吡咯化学反应,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；,-C质子化,-C质子化,N-质子化,质子化反应,（3） 由于-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。,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：,吸电子诱导：O(3.5) N(3.0

12、) 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,电子密度-络合物,八隅体结构最稳定,无最稳定结构,（1）概述,*2 取代反应主要发生在-C上；,*3 吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感，选择试 剂时需要注意；,*4 噻吩、吡咯的芳香性较强，所以易取代而不易 加成；呋喃的芳香性较弱，虽然也能与大多数 亲电试剂发生亲电取代，但在强亲核试剂存在 下，能发生亲核加成。,离域能：噻吩：121.3 kJmol-1吡咯：87.8 kJmol -1 呋喃：66.9 kJmol -1,（1） 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

13、用低温、溶剂稀释等温和条件。,碘不活泼，要用催化剂才能发生一元取代,（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。,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。,（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。,(固体，含量90 %),（4） 呋喃、噻吩、吡咯的傅氏酰基化

14、反应,Eg 1,Eg 4,Eg 3,Eg 2,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-C上发生，而吡咯的酰化反应（不用催化剂）既能在 -C上发生，又能在N上发生。在 -C上发生比在N上发生容易。,（5） 吡咯的特殊反应,吡咯的性质与苯酚类似，都具有酸性，但吡咯的酸性比苯酚小。吡咯与苯胺也有类似性质。,吡咯成盐后，使环上电荷密度增高，亲电取代反应更易进行。,HCON(CH3)2 POCl3,CHCl3 25%NaOH,(NH4)2CO3 130oC,C6H5N2+X- C2H5OH-H2O AcONa,RMgX

15、,1 CO2 2 H2O,CO2 加热 加压,RCOCl,RX,(6) 呋喃、吡咯、噻吩的加成反应,（1） 加氢反应,（2） Diels-Alder反应,呋喃最易发生Diels-Alder反应,噻吩基本上不发生双烯加成，即使在个别情况下生成也是一个不稳定的中间体，直接失硫转化为别的产物。,对取代位置的解释（对反应中间体的相对稳定性的分析）,取代在a位,取代在b位,(二) 吲哚,三种五员杂环苯并体系,亲电取代反应：,从反应的中间体分析：,进攻3-位,反应易于进行,吲哚的合成,苯肼与醛、酮类化合物在酸性条件下加热生成吲哚及其衍生物的反应称为费歇尔(Fischer, E.)合成法。,（1）互变异构,

16、N-N(单键),N=N(双键),5-甲基咪唑,4-甲基咪唑,4(5)-甲基咪唑(因为4-甲基咪唑和5-甲基咪唑不可分离),1 唑的结构,(三) 含有两个杂原子的五元杂环体系,（2）结构,吡咯N(孤电子对参与共轭，所以碱性较弱),吡啶N(孤电子对不参与共轭，所以碱性较强),吡咯N的孤电子对处于p轨道,一般胺中的N是sp3杂化。 N 的孤电子对处于sp3杂化轨道,sp3轨道,碱性：,N 的孤电子对处于sp2杂化轨道,吡啶N与吡咯N均为sp2杂化。,（2）碱性,1. 1,2-唑与1,3-唑都有吡啶N，所以都有碱性。 2. 1,3-唑的碱性比1,2-唑强。 因为两个杂原子互相影响大。 3. 咪唑的碱性噻唑的碱性噁唑的碱性 由综合电子效应决定。,2 物理性质,(1) 熔沸点,唑的反应 主要讨论亲电取代反应,1 反应性,唑的反应性比呋喃、噻吩、吡咯差，这是因为分子中多了一个吡啶N，使共轭体系的电子云密