《杂环化合物》PPT课件.pptVIP

范大民,杂环化合物,“杂环”就是组成环的原子除 C 外，还含有其它元素的原子，这些非碳原子统称为杂原子。原则上二价以上的元素都可成为杂原子, 但最常见的是 O、S和N。,杂环化合物,六元杂环:,五元杂环:,杂环化合物的分类,杂环化合物的命名：,Imidazole Pyrazole Oxazole,呋喃,噻吩,吡咯,噻唑,咪唑 吡唑 噁唑,Furan Thiophene Pyrrole Thiazole,Pyridine Pyrimidine Pyridazine 吡啶 嘧啶 哒嗪,Quinoline Isoquinoline 喹啉 异喹啉,Indole Purine 吲哚 嘌呤,环中仍然有饱和的碳原子或氮原子时，则这个饱和的原子上所连接的氢原子称为“标氢”或“指示氢”。用其编号加H（大写斜体）表示。例如：,1H-吡咯 2H-吡咯 2H-吡喃 4H-吡喃,1. 单杂环的编号从杂原子开始。,呋喃 吡啶 吡咯,4 3(b) 5 1 2(a),4 3(b) 5 1 2(a),2-甲基呋喃,3-硝基吡咯,4-乙基吡啶,(-甲基呋喃) (-硝基吡咯) (-乙基吡啶),2.有多个杂原子时,按O、S、NH、N 顺序编号,4-甲基咪唑,5-甲基噻唑,4-甲基嘧啶,1-甲基吡唑,3. 具有特定名称的稠杂环的编号一般和稠环芳烃相同,但少数有例外(比如 嘌呤),喹啉 吖啶 嘌呤,4.无特定名称稠杂环的命名,(1) 首先选择基本环，原则大致如下:,苯环和杂环时选择杂环为基本环,都是杂环时按照N;O;S 顺序选择基本环,选择较大的杂环为基本环,选择杂原子数目较多的杂环为基本环,选择杂原子种类较多的杂环为基本环,若环系大小和环上杂原子数目、种类均相同，则选择两个环系稠合前杂原子编号较低的杂环为基本环,若含有共用杂原子，则视两个稠合环均含有该杂原子来选择基本环,(2) 稠合边的表示方法,命名时，基本环写在后面，附加环写在前面，用并字将两者连接，同时表示稠合边的数字在前，英文字母在后。,基本环将各边分别编为a(编号为1，2原子之间的边为a)，b，c，d，；当有选择时，应使稠合边的位号尽可能小。,附加环按照编号1，2，3，进行编号，当有选择时，应使稠合边的位号尽可能小。,为表明取代基的位置，还需要对稠杂环的周边给与编号，编号原则是基本环用英文字母编号，附加环要用数字编号。,(3)周边编号的方法,然后对稠杂环进行整体编号，共用碳原子不参与编号，共用杂原子参与编号。,4-羟基-1H-吡唑并5,4-d嘧啶,(一) 吡啶,六元杂环化合物,吡啶的结构,吡啶中五个碳原子和氮原子在同一个平面内，形成芳香共轭体系。,由于吡啶环中氮原子上的一对孤对电子占据sp2轨道中，不参与环状共轭体系，所以这一对孤对电子可以结合质子从而表现出碱性。,吡啶的结构可用共振论表示为：,吡啶的物理性质,吡啶的熔点，沸点? 吡啶的水溶性?,自学,氮原子的电负性较大,使吡啶有较大极性,其偶极距数值较大,=2.20D,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。,1 碱性：,吡啶的化学性质,2 吡啶氮原子参与的一系列反应,由于吡啶氮原子上的未共用电子对具有亲核性，所以可以和卤代烷，酰卤，酸酐发生反应。,请写出吡啶和酰卤，酸酐的反应式,吡啶环上氮原子为吸电子基，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。,3. 芳环上的亲电取代反应,-硝基吡啶,-溴吡啶,-吡啶磺酸,如果取代在 a 位,亲电取代反应为什么主要发生在-位上?,如果取代在 位,如果取代在 g 位,中间体较为稳定,环上有给电子基时反应相对较易进行,4 芳环上的亲核取代反应,亲核取代比苯容易，主要发生在位上。,5. 氧化与还原,-吡啶甲酸 (烟酸),六氢吡啶 (哌啶),由于氮原子的吸电性，吡啶环的氧化很困难，一般需要在强氧化剂存在下才能进行。氧化经常发生在侧链上。但还原反应较容易。,氧化还可以发生在氮原子上,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?,由共振结构式分析,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。,用PCl3或者其他试剂,(二) 喹啉和异喹啉,喹啉和异喹啉分子都是具有芳香性的共轭体系。,喹啉和异喹啉分子都具有弱碱性，与吡啶的碱性接近。,喹啉在常温时是无色油状液体，有类似吡啶的恶臭。异喹啉为固体。 它们都与大多数有机溶剂混溶，难溶于冷水，但溶于热水。 它们的熔点和沸点都比较高 与吡啶相比溶解度下降，因为有苯环的存在。,物理性质：,杂环部分性质和吡啶相似，具有碱性能发生亲电取代，亲核取代，氧化反应，还原反应，支链上的反应。 碳环部分性质和萘相似，可以发生亲电取代反应。,化学性质：,（1）亲电取代反应:,反应主要发生在苯环上，因为苯环的电子云密度高于吡啶环。喹啉主要发生在C-5与C-8位，而异喹啉以C-5产物为主。,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,喹啉和异喹啉与绝大多数氧化剂不发生反应；,与高锰酸钾能发生反应：,喹啉与异喹啉在过酸的作用下均可形成N-氧化物。,(H2O2/HOAc),（4）还原反应,反十氢喹啉,顺十氢喹啉,喹啉及其衍生物的合成,(1)斯克劳普(Skraup, Z.H.)反应 苯胺、甘油、硫酸和硝基苯一起作用，生成喹啉的反应称为斯克劳普反应。,一般认为首先是甘油受到硫酸的作用失水生成丙烯醛，其次丙烯醛与苯胺发生麦克尔加成，并烯醇化。然后在酸催化下发生失水作用，关环生成二氢喹啉。最后二氢喹啉受到氧化剂的氧化作用，芳构化为喹啉。,OH,OH,喹啉衍生物的合成,一些不饱和的醛酮或者普通的醛酮都可以代替甘油与苯胺作用生成喹啉的衍生物。,(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),哒嗪(pyridazine),嘧啶(pyrimidine),吡嗪(pyrazine),这类化合物是否有芳香性?,这类化合物的结构是怎样的?,这类化合物的碱性是怎样的?,它们的化学性质，物理性质?,二嗪类环上的两个氮原子，其电子构型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，这类化合物具有芳香性。 二嗪类化合物都是一元碱,而且碱性都比吡啶弱 请问为什么?,请总结物理性质,（1）亲电取代反应,化学性质,NH2,反应最易在2位发生，其次是4,6位,取代卤素要比取代氢更容易,（2）亲核取代反应,二嗪不易被氧化。若用过酸氧化，得嘧啶单N-氧化物,（3）氧化反应,羟醛缩合型,烷基化反应,（4）侧链-H反应,5 4 3 6 1 2,嘧啶(Pyrimidine),由于两个N的强吸电子作用, 使嘧啶的碱性(pKb11.3)比吡啶(pKb8.8 )弱得多，也比吡啶难于发生亲电取代反应，而亲核取代反应则比吡啶容易；嘧啶难以被氧化。,嘧啶(C4H4N2)及其衍生物的合成,嘧啶的衍生物分布范围广，如维生素、生物碱、核酸、蛋白质及许多药物都含有嘧啶结构。,胞嘧啶 (cytosine),胸腺嘧啶 (thymine),尿嘧啶 (uracil),这些嘧啶衍生物存在酮式和烯醇式互变异构:,5-氟尿嘧啶 (抗肿瘤药),吡喃及其衍生物无芳香特性,吡喃酮的钅,羊盐是芳香体系。,(四)含氧原子的六元杂环,吡喃环系,四 芳香五元杂环,(一) 呋喃、噻吩、吡咯的结构,三个化合物中，每个化合物的原子都在一个平面；每个原子都有一个未参与杂化的p 轨道, 它们侧面重叠形成大 键。其中四个碳原子各贡献 1个 p 电子，杂原子分别贡献2个 p电子, 形成 6电子环状共轭大键。 与苯环比较, 呋喃、噻吩、吡咯为 5原子共用6个电子, 故环上电子云密度比苯环大,属于“富芳杂环”。,上述杂环中的电子云不象苯环那样分布均匀，因而环的稳定性不如苯。 O的电负性(3.5)较大, 故呋喃环电子共轭程度较弱, 芳香性最小。 S 的电负性(2.5)在三者中为最小, 故噻吩环电子共轭程度较大，芳香性在三者中最大。 N的电负性(3.0) 在O、S之间，故吡咯的芳香性介于呋喃与噻吩之间。,芳香性 (环的稳定性): 苯 噻吩 吡咯 呋喃,（二）吡咯、呋喃和噻吩的性质,1吡咯的碱性,吡咯N上孤电子对因参与环的共轭, 故碱性极弱, 比苯胺还弱得多, 不能与酸形成稳定的盐。,pKb: 3.7 4.7 9.6 13.6,另一方面，吡咯 N上的H 却有微弱的酸性(pKa=17.5 ), 与醇相当，而比酚弱。吡咯在无水条件下可以与固体氢氧化钾加热生成钾盐。,CHCl3 25%NaOH,(NH4)2CO3 130oC,C6H5N2+X- C2H5OH-H2O AcONa,RMgX,1 CO2 2 H2O,RCOCl,RX,2. 亲电取代反应,由于环上的电子云密度比苯大，因此吡咯、呋喃和噻吩亲电取代反应比苯容易发生。吡咯的活泼度与苯胺或苯酚相当。亲电取代反应主要发生在位。,（1）卤代反应,（2）硝化反应,遇强酸时, 杂原子能质子化, 芳香大键被破坏, 所以不能用强酸进行硝化和磺化反应, 需选用较温和的非质子性试剂。例如吡咯硝化需用硝酸乙酰基酯。,（3）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。,（4）F-C酰基化反应,3. 加成反应,（1）加氢反应,（2） Diels-Alder反应,呋喃最易发生Diels-Alder反应,1 糠醛（呋喃甲醛）,命名：最初由米糠与稀酸共热而得，故名糠醛。 性质：糠醛具有典型的无H的醛的性质：,（三）衍生物,吡咯衍生物在自然界分布很广，植物中的叶绿素和动物中的血红素都是吡咯衍生物。它们都具有重要的生理活性。,卟吩 (Porphin),血红素 (Heme),2 吲哚-苯并吡咯,亲电取代反应主要发生在3位。,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。,吲哚合成的反应机理,N的孤电子对处于p轨道,N 的孤电子对处于sp2杂化轨道,(四) 唑类化合物,1 结构,咪唑中N上的氢可以转移到另一个氮原子上, 因而存在互变异构. 这种情况在环上有取代基时很容易辨别。,3 5 1 2,5 1 3 2,5-甲基咪唑 4-甲基咪唑,甲基咪唑可发生下列互变异构:,2 化学性质,（1）碱性,1,2-唑与1,3-唑都有碱性。