有机化学课件：第20章 杂环化合物

1、Hetrocyclic compounds第二十章 杂环化合物Organic Chemistry A (2)By Prof. Li Yan-MeiTsinghua UniversityContents 20.1 杂环化合物的分类、命名和结构第一部分 五元杂环化合物 20.2 含一个杂原子的五元杂环体系 20.3 含一个杂原子的五元杂环苯并体系 20.4 含两个或两个以上杂原子的五元杂环体系 20.5 含卟啉环的化合物第二部分 六元杂环化合物 20.6 含一个杂原子的六元杂环体系 20.7 含一个杂原子的六元杂环苯并体系 20.8 含两个或两个以上杂原子的六元杂环体系第三部分 其它杂环化合物 2

2、0.9 三元、四元、七元杂环体系由C原子和至少一个其它原子（如: O、S、N等）所组成的环。杂原子（Hetroatom）杂环 （Hetrocycle）杂环化合物20.1 杂环化合物的分类、命名和结构通常具有芳香性自然界中的杂环化合物Hemoglobin-subunit of hemoglobinVitamin B12Studies on synthesis of Vitamin B12, please see attached files.吗啡碱海洛因可待因一些其它含杂原子的环状化合物这些化合物性质与相应的脂肪族化合物相近，环系不稳定，且无芳香性，一般不归入杂环化合物。20.1.1 杂环化合物

3、的分类杂环三元环四元环五元环六元环含一个杂原子含两个杂原子含三个杂原子Type, and number of coupled ringsChemical bonds in coupling rings含S杂环含O杂环含N杂环20.1.2 杂环化合物的命名“译音法”环上有取代基时的命名 以杂环为母体 一般从杂原子开始，沿着环编号当环上含多个相同杂原子时，编号时应使杂原子所在的位次最小环上有不同杂原子时，按O、S、N次序编号当杂原子上有取代基时，从含取代基的原子开始编号根据相应的碳环来命名茂氧(杂)茂硫(杂)茂氮(杂)茂1,4-二氮苯氮苯1,3-二氮苯1,2-二氮苯萘2-氮萘1-氮萘 环上只有一个

4、杂原子时，有时也把靠近杂原子的位置叫位，其次是位，再次为位。1.371.421.71噻吩 Thiophene20.1.3 杂环化合物的结构1.371.351.44 呋喃 Furan1.371.381.43吡咯 PyrroleC=C 1.34C-O 1.43C-N 1.47C-S 1.82键长平均化分子极性方向：指向芳环环上亲电反应性高吡咯的碱性与弱酸性sp2杂化每个杂原子给出2个电子参与共轭杂环具有芳香性、富含电子1.341.391.402.22 Debye less electrophilic reactivity, substitution occurs on sites, if any;

5、 shows some baisicity, while pyrrol does not, basicity stronger than benzyl amine; accessible by nucleophilic reagents, substitution occurs on sites;键长平均化分子极性方向：指向杂原子环上亲电反应性低环上可亲核反应吡啶的碱性sp2杂化每个杂原子给出1个电子参与共轭杂环具有芳香性、缺电子电荷分布的定量状态以苯环碳原子的电荷密度为标准（定为0正值表示电荷密度（有效电荷）比苯小，负值表示电荷密度比苯大 。 环碳上净电荷增加，有利于亲电；净电荷减少，有利于

6、亲核。第一部分 五元杂环化合物20.2 Five membered heterocyclic compounds with one heteroatom含有一个杂原子的五元杂环化合物20.2.1 Physical and spectroscopic properties of furan, thiophene, and pyrrole20.2.2 Chemical properties of furan, thiophene, and pyrrole20.2.3 Preparation of furan, thiophene, and pyrrole20.2.4 -furanformaldeh

7、yde20.2.1 呋喃、噻吩、吡咯的物理性质与光谱性质 （Learn on your own）20.2.2 呋喃、噻吩、吡咯的化学性质1.371.351.44 呋喃 Furan键长平均化分子极性方向：指向芳环环上亲电反应性高吡咯的碱性与弱酸性20.2.2.1 亲电取代反应 室温下乙酸溶液中，噻吩与溴发生取代反应的速率为苯的109倍。 取代反应一般发生在位，若 、位已经有基团存在，则进入 位。亲电性比较Question 1:Try to explain the sequence: pyrrole, furan, thiophene.思考：解释呋喃、噻吩和吡咯的亲电取代反应活性顺序 Electr

8、onegativie of N is smaller than that of oxygen; S atom in thiophene has a weaker conjugating effect with carbon, and contributes less electric density to the ring.Answer 1:1、卤化室温下，与Cl2、Br2反应，一般得到多卤代物。在温和的条件下，如溶剂稀释及低温，可以得到一取代物。与碘的反应 碘不活泼，需要催化剂2、硝化和磺化 Pyrrol and furan easily polymerizes in acidic solu

9、tion. Ring breaking reaction may also take place under that condition. So in nitration and sulfonation reactions, proper reagents should always be chose to avoid the reactions.乙酰基硝酸酯吡啶三氧化硫噻吩较稳定，可以在室温下直接磺化。S95% H2SO425oCSSO3H3、傅-克酰基化反应 F-C acylation 4、傅-克烷基化反应 F-C alkylation很难得到一烷基取代产物，常常得到混合的多烷基取代物。

10、5、其它反应吡咯可与重氮盐起偶联反应2-吡咯偶氮苯6、定位效应Y=O, S, N G邻、对位定位基, 第二个基团进入与G相邻的位， 即C-2位。 G间位定位基, 第二个基团进入与G间位的位， 即C-5位。一般地：位规律性不太强无论G是什么基团，第二个基团均进入C-5位。 Y=S, N G邻、对位定位基, 第二个基团进入C-5位。 G间位定位基, 第二个基团进入C-4位。20.2.2.2 加成反应1、催化加氢2、Diels-Alder反应呋喃、噻吩均可与顺丁烯二酸酐反应吡咯只与苯炔反应20.2.2.3 吡咯的弱碱、弱酸性One pair of p electrons in nitrogen is

11、 involved in the conjugating system. So its basicity is even weaker than benzyl amine, with a Kb value around 2.5E-14.Pyrrole solves slowly in cold, diluted acid, and is converted to pyrrole red (a pyrrole complex) when heated. When coexist with strong acid, it is often oxidized.碱性酸性pKa=16.5pKa=15.9

12、ROHpKa=1020.2.3 Preparation of furan, thiophene, and pyrrole（Learn on your own）20.2.4 -呋喃甲醛制备性质 -呋喃甲醛是良好的溶剂，可以用作精练石油，以溶解含硫的物质及环烷等。 具有醛的性质1、催化加氢2、氧化3、银镜反应 无-H的醛1、歧化反应2、安息香缩合3、羟醛缩合（作为无H的醛）20.3 Five membered Benzo heterocyclic compounds with one hetroatom含一个杂原子的五元杂环苯并体系 吲哚（ Indole） 异吲哚（ Isoindole）色氨酸（T

13、rp, W）-甲基吲哚（粪臭素）20.3.1 化学性质 碱性极弱 在空气中颜色变浅 松木片反应呈红色 亲电取代反应 亲电试剂进攻3位保持苯环结构，稳定，贡献大Electrophilic reactions of indole吲哚的亲电取代反应20.3.2 制备 (learn on your own) Fischer吲哚合成法：醛、酮、酮酸、酮酸酯或二酮的芳基取代腙在氯化锌、聚磷酸或三氟化硼等Lewis酸的存在下加热，可制备吲哚。苯乙酮苯腙20.4 Five membered heterocyclic compounds with more than one heteroatoms含两个和两个以

14、上杂原子的五元杂环化合物20.4.1 Nomenclature20.4.2 Structure and properties20.4.3 thaizole and imidazole20.4.1 命名吡咯系杂环（azoles）异口恶唑苯并口恶唑口恶唑通常含氧通常含硫吡咯系杂环（azoles）20.4.2 结构和性质Take imidazole for example：以咪唑为例酸性比吡咯强 碱性比吡咯强 新增加的N原子上的孤对电子不参加共轭。为弱碱 未共用电子对不参与共轭 比吡咯酸性强 亲电反应活泼性比吡咯弱 环上引入了吸电子能力强的N原子 质子可在分子内的氮原子间迅速转移，但异构体无法分离。

15、20.4.3 噻唑和咪唑Thiazole 无色，有吡啶臭味。 稳定，空气中不会自动氧化 一些重要天然产物及合成药物均含有噻唑结构。Imidazole 碱性Imidazole has a stronger basicity than pyrrole and thiazole.弱酸性 互变异构 亲电取代Electrophilic occurs at site 4, its reactivity is between pyrrole and thiazole. 20.5 Porphyrin口口口口（音“雷”）族化合物广泛分布于自然界中：卟啉环NNNNOHOOOHFe第二部分 六元杂环化合物20.6

16、含一个杂原子的六元杂环体系20.7 含一个杂原子的六元杂环苯并体系20.8 含两个或两个以上杂原子的六元杂环体系20.6 Six membered hetrocyclic compounds with one hetroatom含有一个杂原子的六元杂环化合物20.6.1 Structure of pyridine20.6.2 Chemical reactions of pyridine The lone pair of nitrogen is not involved in the conjugating system. So pyridine itself shows some basici

17、ty and nucleophilic reactivity. The lone pair is on one of the three sp2 orbitals, and thus has a high s content. Thats why the basicity of pyridine is relatively weak. The N atom on the ring acts as a electron withdrawing group, making the electron density lower than benzene. So electrophilic react

18、ions on the ring are very difficult, while nucleophilic reactions undergoes readily.20.6.1 吡啶的结构20.6.2 吡啶的化学反应20.6.2 .1 碱性与亲核性 Basicity and nucleophilicity Nu:NucleophilicityBasicitypKb=8.8pKb=9.3pKb=4.76WeakStrongpKb=3.38Basicity亲核性 NucleophilicityN-酰基吡啶钅翁盐A good leaving groupMilder nucleophilic re

19、agents20.6.2.2 亲电取代反应20.6.2.3 亲核取代反应Chichibabin反应A、亲核取代反应ReactionMechanismReactivityB、与氯代吡啶的反应Intermediates20.6.2.4 氧化反应 More stable than benzene in acidic oxidant (eg. HNO3, K2Cr2O7+H2SO4, KMnO4+H+). 一般较耐氧化剂 比苯环稳定稳定的原因可用于合成特殊取代位置的衍生物 可被过氧化物氧化吡啶N-氧化物氧化吡啶亲核取代： 位亲电取代： 位20.6.2.5 还原反应 比苯容易被还原20.6.3 Prep

20、aration of pyridine（Learn on your own）20.7 Six membered Benzo heterocyclic compounds with one hetroatom含一个杂原子的六元杂环苯并体系20.7.1 化学性质 Electrophilic reactions在哪个环？5,8- 位5,8- 位 Nucleophilic reactions20.7.2 制备（Learn on your own）在哪个环？1- 位2-位（多）, 4- 位（少）20.8 Six membered hetrocyclic compounds with more than one hetroatom含两个或两个以上氮原子的六元杂环化合物20.8.1 Pyrimidine 嘧啶20.8.