20 杂环化合物.ppt

1、第二十章 杂环（芳香族）化合物 （1）,主要内容 杂环芳香族化合物（类型，命名） 五员芳杂环的亲电取代（活性比较，反应取向，已 有取代基对亲电取代取向的影响） 五员芳杂环的还原反应和Diels-Alder反应 呋喃的酸性开环，呋喃的加成反应及其应用,20-1,杂环化合物（ 含杂原子的环状化合物）的类型：,芳香族杂环,普通杂环,本章重点,符合Hckel规则（1. 环状, 2. 共平面, 3. 垂直平面的p轨道, 4. 4n+2 p电子） 共振能：1629 千卡/mol 均能发生芳香族化合物的典型反应亲电取代反应 1H NMR在 d=69ppm处有芳香族化合物的特征吸收,1. 杂环芳香族化合物的芳

2、香性：,分类的几种方式: i. 杂原子的类型和数目 ii. 环的大小 （5员环或6员环） iii. 环的个数,例：,2. 杂环的种类和名称,(1) 含 1 个杂原子的五员芳杂环,五员芳杂环衍生物,（3）含 1 个杂原子的六员环,（2）含 2 个以上杂原子的五员环,（4）含 2 个以上杂原子的六员环,（5） 多环杂环,嘌呤类化合物的编号：,腺嘌呤,鸟嘌呤,6-巯基嘌呤,杂环芳香族化合物的性质,本章主要要求掌握以下几类化合物的主要性质： 含一个杂原子的五员芳杂化合物（吡咯、呋喃、噻酚） 含一个杂原子的六员芳杂化合物（吡啶） 含一个杂原子的双环芳杂化合物（吲哚、喹啉、异喹啉）,3. 含一个杂原子的五

3、员芳杂化合物的性质,杂原子的性质 杂原子对环的影响,芳香性 共轭二烯性质 不饱和性,Resonance,Orbitals,Relative to benzene: Electron rich,3.1 五员芳杂化合物的亲电取代反应,反应相对活性,a-取代,b-取代,主要产物,取代位置,对取代位置的解释（分析反应中间体的相对稳定性）,i. 取代在a位,中间体有三个主要共振式,中间体较稳定,ii. 取代在b位,中间体只有二个主要共振式,中间体较不稳定,对亲电取代反应活性的解释,i. 由五员杂环的结构分析,杂原子起给电子基的作用，环上的电荷密度比苯环大,ii. 由中间体的稳定性分析,比较：苯的亲电取代

4、,满足八隅体 （较稳定）,未满足八隅体 （较不稳定）,亲电取代反应举例,注意：五员杂环较活泼，遇酸不稳定,硝化：HNO3/H2SO4 磺化：H2SO4,用温和试剂代替,（1） 五员杂环的硝化反应,硝化试剂,吡咯和噻酚发生正常亲电取代反应,呋喃发生加成反应（特殊，共轭烯烃性质）,机理：,磺化试剂：,（2） 五员杂环的磺化反应,噻吩还可直接用硫酸磺化（活性大，较稳定）,应用：除去苯或甲苯中的噻吩,（3）其它亲电取代,卤代,FriedelCrafts反应,与重氮盐偶联,3.2 环上已有取代基对亲电取代取向的影响,四种单取代情况,反应举例,a 位给电子基,a 位吸电子基,b 位给电子基,b 位吸电子基

5、,(i) a 位有给电子基,从中间体稳定性分析取代基对反应取向的影响,二个共振式 推电子基使 稳定,二个共振式 推电子基未 起作用,三个共振式 推电子基使 稳定,较稳定,不稳定,最稳定,(ii) a 位有吸电子基,二个共振式 吸电子基使 不稳定,二个共振式 吸电子基未 起作用,三个共振式 推电子基使 不稳定,较稳定,不稳定,最稳定,(iii) b 位有给电子基,三个共振式 推电子基使 稳定,二个共振式 推电子基未 起作用,三个共振式 推电子基未 起作用,较稳定,不稳定,最稳定,(iv) b 位有吸电子基,三个共振式 吸电子基使 不稳定,二个共振式 吸电子基未 起作用,三个共振式 吸电子基未 起

6、作用,较稳定,不稳定,最稳定,3.3 五员芳杂环的其它反应,（1） 还原成饱和杂环化合物,使用特殊催化剂（噻吩能使常用氢化催化剂中毒）,THF（常用溶剂）,吡咯烷（二级胺）,用Raney Ni催化氢化使噻酚还原脱硫,其它脱硫的例子,一种还原羰基至亚甲基的方法,（2） Diels-Alder反应（共轭二烯性质）,（3） 呋喃的几个特殊反应,(i) 2, 5-二取代呋喃的酸性开环反应（成 1, 4-二酮）,合成上进一步应用制备环戊烯酮衍生物,呋喃的芳香性较小,呋喃酸性开环机理:,(ii) 呋喃的加成反应（呋喃的共轭二烯性质）,例：与AcONO2的反应（前面已介绍）：,比较,例：,2, 5-二甲氧基

7、-2, 5-二氢呋喃,2, 5-二甲氧基二氢呋喃的形成机理：,合成上的应用举例,(iii) 呋喃 a-H 的弱酸性及其相关反应和应用,例:,本次课小结: 芳杂环类型及命名 五员芳杂环化合物的亲电取代（反应活性、反应位置、 一些特殊的反应试剂） 已有取代基对五员芳杂环化合物的亲电取代取向的影响 五员芳杂环化合物的还原和Diel-Alder反应 呋喃的一些特殊性质（酸性开环和加成反应）,第二十章 杂环（芳香族）化合物 （2）,主要内容 吡咯的酸性聚合，吡咯钾盐的反应 吡啶的碱性和亲核性 吡啶的亲电取代，亲电取代活性和取向 吡啶的亲核取代 吡啶的还原和氧化（氧化剂及氧化产物） N-氧化吡啶的性质（亲

8、电性和亲核性）,复习：五员芳杂环的反应,(i) 亲电取代,取代位置 亲电试剂 已有取代基的定位,(iii) 呋喃的特殊性质,易起加成反应 酸性条件下开环,(ii) 还原反应,噻酚易脱硫,吡咯的一些特殊性质,（1）吡咯N的碱性很弱，不能与质子结合,吡咯的质子化发生在环上（主要是a位）,1. 五员芳杂环的性质（接前次课）,正电荷仅集中在氮原子上,正电荷分散在多个原子上,（2）吡咯在酸性条件下发生聚合,聚合机理:,（3） 吡咯N-H的弱酸性,吡咯钾盐的生成,（4） 吡咯钾盐的性质,吡咯负离子 的结构特点,共振式,有烯胺负离子片断,烯胺,环上每个位置均带负电荷,吡咯负离子的一些典型反应,这些反应与那几

9、个反应相似？,几个相似的反应（酚类的反应）,吡咯负离子与苯氧基负离子有相似性,烯醇负离子片断,烯胺负离子片断,呋喃、噻吩、吡咯的制备,1. 工业制备（略）,2. 实验室制备,(1)帕尔-克诺尔(Paal, C.-Knorr, L.)合成法,1,4-二酮,三种化合物的相互转化(有氧化铝存在的情况下),（2）克诺尔合成法,氨基酮酸酯,呋喃、吡咯、噻吩的衍生物,(1) 糠醛,(2) 叶绿素、血红素和VB12,卟吩是由四个吡咯和四个次甲基(=CH)，交替相连组成的共轭体系。,卟吩呈平面结构, 环中间空隙里四个氮原子可分别以共价键、配价键与不同的金属离子结合。叶绿素(镁), 血红素(铁)。,Biosyn

10、thesis of vitamin B12 (cyanocobalamin) Biosynthesized from glycine and succinyl CoA by a route of about 60 steps,2. 含一个杂原子的六员芳杂化合物（吡啶）的性质,吡啶的结构,由于N 的电负性大，电荷分布不均匀。,sp2轨道,象叔胺 有亲核性和碱性 N可被氧化,吡啶性质的初步分析,亚胺结构片断 有亲电性 与亲核试剂反应,不饱和性 可加氢还原,与苯相似 有芳香性 可亲电取代,2.1 吡啶的碱性和亲核性,（1） 碱性,合成上作为有机碱,其它应用制备吡啶盐试剂,如磺化试剂,（2）亲核性,吡

11、啶的烷基化,N-甲基吡啶盐的重排,N-甲基吡啶盐,吡啶的酰基化及其应用,酰基化机理,2.2 吡啶环上的亲电取代,待解答的两个问题:,取代位置：哪个为主？ 反应活性：比苯快? 还是比苯慢?,一些实验事实,钝化 b取代,起强吸电子基作用,对比：,其它钝化现象,有给电子基时反应较易进行,(i) 由吡啶的共振式分析:,结论: 1. 环上带正电, 不利于亲电取代 2. b 位的正电荷密相对较低（较 易反应的位置,对反应取向及钝化现象的解释,(ii) 由反应的中间体稳定性分析,取代在 a 位,不稳定 正电荷在电负性大的原子上,中间体有两个主要共振式,取代在 b 位,中间体有三个主要共振式，较稳定,取代在

12、g 位,不稳定 正电荷在电负性大的原子上,中间体有两个主要共振式 （与a位反应类似）,环上已存在的给电子基对反应的定位作用,2.3 吡啶环上的亲核取代反应,通过氧化去氢 或 与负氢接受体结合,亚胺片断,亲核加成负氢消除过程,（1） NaNH2与吡啶的亲核取代 Chichibabin 反应,机理:,（2） PhLi 与吡啶的亲核取代,机理,（3） a 或 g 位有离去基团时的亲核取代（取代易进行）,机理：,制备a-吡啶酮的其它方法,例：,好离去基,其它取代例子,（d）的取代机理,2.4 吡啶的还原和氧化,（1） 还原,吡啶环比苯环易被还原,（2） 氧化,氧化在侧链上,氧化在 N 上,对比：,2.

13、5 N-氧化吡啶的性质,(1) 有亲电性（易与亲电试剂发生亲电取代）,对比：,反应活性不同 取代位置不同,(2) 有亲核性（易与亲核试剂进行亲核加成）,对比：,反应较快,为什么N-氧化吡啶既有亲电性又有亲核性？,(i),结构上有相似性,邻对位负电荷密度较大,（1）N-氧化吡啶有两种形式的共振式,保留吡啶的特点 邻对位正电荷密度较大,(ii),结构上有相似性,（2） 反应的中间体较稳定,(i) 亲电取代机理,(ii) 亲核加成及进一步机理,比较稳定,亲电性较强,本次课小结 吡咯的一些特殊反应（酸性聚合，吡咯钾盐的生成及其反应） 吡啶的碱性及应用，吡啶的亲核性（烷基化及加热重排，酰基 化吡啶作为酰

14、基化试剂） 吡啶的亲电取代（反应活性，反应取向及解释） 吡啶的亲核取代（ Chichibabin 反应，与PhLi的反应） 吡啶的还原合氧化（侧链氧化及N上的氧化） N-氧化吡啶的双重性质（亲电性和亲核性）,第二十章 杂环（芳香族）化合物 （3）,主要内容 吡啶2和4位侧链上的反应（亲核加成和取代） 苯并五员杂环的亲电取代 喹啉和异喹啉的性质（亲电取代，亲核取代，取 代的取向，氧化和还原及取向，侧链上的反应） 喹啉的Skraup合成法及机理,1. 吡啶 2 和 4 位侧链上的反应,吡啶 2 和 4 位的a氢 有弱酸性,醛酮的类似性质,有亲核性,对比,烯醇负离子,共轭烯醇负离子,反应举例:,(1

15、) 与醛酮加成,机理：,类似于醛酮的什么反应？,(2) Michael加成,(3) 烷基化,(4) Lewis 酸作用下的加成反应,机理：,Lewis 酸加强了a氢的酸性,吡啶环系的合成,(1) 汉栖(Hantzsch, A.)合成法,由二分子-羰基酸酯、一分子醛、一分子氨经缩合反应制备吡啶同系物的方法称为汉栖合成法。,Arthur R. Hantzsch (1857-1935),Preparation of Pyridines,Mechanism:,硝苯地平合成,（2） -二羰基化合物与氰乙酰胺合成法,（3）-二羰基化合物和-氨基-,-不饱和羰基 化合物合成法,2. 含一个杂原子的苯并五员杂

16、环体系,三种苯并五员杂环体系,亲电取代反应：,吲哚,苯并呋喃,苯并噻吩,芳香性比苯环差 负电荷密度校大,亲电取代中间体分析：,苄基型正碳离子,（有两个主要共振式）,满足八隅体,两种中间体均有一定的稳定性,（一个主要共振式）,亲电取代反应举例：,取向类似,取向不同,二 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。,利血平,-吲哚乙酸,色氨酸,3. 含一个杂原子的苯并六员杂环体系,喹啉和异喹啉：,亲电取代（反应取向） 氧化和还原反应,结构和性质分析,喹啉,异喹啉,碱性和亲核性 亲电取代 亲核取代 氧化和还原反应 支链上的反应,

17、象吡啶（杂环部分）,象萘（碳环部分）,由共振式分析环 上的电荷分布：,3.1 喹啉的性质:,（1） 亲电取代,通常 5 位与 8 位活性相当,从结构特点解释：,苯环比吡啶环活泼,结构类似萘环 （5, 8位易取代）,问题：5位带有正电荷，为何与8位活性相当？,亲电取代反应举例,用反应机理解释反应取向：,结论： 均有两个主要的共振式，稳定性差别不大。,反常的取代现象及解释,可能机理（非亲电取代机理）:,（2）喹啉的亲核取代：,反应与吡啶类似,Chichibabin反应,Chichibabin反应,（3） 喹啉的氧化和还原,氧化：在负电荷密度大的环上,（4） 侧链的反应,反应机理？,还原：在较不稳定

18、的环上,酰基化,3.2 异喹啉的性质,由共振结构分析 环上的电荷分布,（1）亲电取代,反常的取代取向:,机理 ：,（2）亲核取代,试解释： 为什么异喹啉的亲核取代发生在主要在 1 位, 而几乎不发生在 3 位?,（3） 侧链的反应,3 位上侧链不活泼，为什么?,4. 喹啉的合成 Skraup喹啉合成法,机理：,甘油脱水成丙烯醛,环合和氧化芳构化,PhNO2：溶剂和弱氧化剂,Michael加成,F-C 反应,用Skraup法制备喹啉衍生物,通过a, b-不饱和醛制备喹啉衍生物,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

19、生物，这称为弗里德伦德反应。,苯乙胺与羧酸或酰氯形成酰胺，然后在失水剂作用下失水关环，再脱氢得1-取代异喹啉化合物。,3 毕歇尔-纳皮尔拉斯基(Bischler, A. Napieralski, B.)反应：,*1 当苯环上有吸电子基团时，反应几乎不能进行；,*2 苯环上有给电子基团时，若此基团处于间位，关环可 以在两个不同的位置进行，主要在给电子基团的对位 发生；,*3 母体异喹啉不宜用此法制备，因为 不存在。,以下喹啉衍生物可通过怎样的芳胺和不饱和醛制备？,以下芳胺与甘油、浓硫酸反应，进一步氧化芳构化后可得到 什么产物？,思考题：,一 嘧啶的反应 二 嘧啶的衍生物 三 嘧啶环的合成,含两个和三个氮原子的六元杂环体系,哒嗪(pyridazine),嘧啶(pyrimidine),吡嗪(pyrazine),一 嘧啶的反应,1. 亲电取代反应 活性小于吡啶,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 活性高于吡啶,3. 氧化,二嗪不易被氧化。若用过酸氧化，得嘧啶单N-氧化物,4. 侧链 -H反应,羟醛缩合型,烷基化反应,尿嘧啶(U),胞