第17章 杂环化合物(2012)

第17章杂环化合物 Heterocycliccompounds 17 1杂环化合物 若有机环状分子中除了C H二元素外 还有其他原子如O S N等 则称为杂环化合物 依据上述定义 杂环化合物应该包括酸酐 内酯 环内酰胺等 但由于它们与一般的酯 酸酐等性质上无不同 故习惯上不把它们看作杂环化合物 酸酐 内酯 内酰胺 1 杂环化合物的分类与命名 分类杂环化合物一般可分为单环和稠环二类 单环化合物由可依据环中的原子数分为五元杂环和六元杂环等 单环 六元环 含一个杂原子 吡啶吡喃 含两个杂原子 哒嗪嘧啶吡嗪 稠杂环 喹啉异喹啉蝶啶吖啶 吲哚嘌啉咔唑 2 命名 音译名 同音汉字加 口 字旁 2 环上原子的编号顺序 从杂原子开始1 2 3 4 不止一个杂原子 按O S N顺序编号 取代基位次之和最小原则 1 五元杂环化合物的命名 Furan呋喃 Pyrrole吡咯 Thiophene噻吩 Imidazole咪唑 Thiazole噻唑 音译法 2 唑的命名 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 命名时的编号原则是 a 让杂原子的位号尽可能小 b 当两个杂原子不相同时 编号的次序是 价数小的在前 大的在后 c 价数相等时 原子序数小的在前 大的在后 OSN 2价 3价 原子序数小 原子序数大 O S N的次序如左 吡唑 pyrazole 1 3 唑 注意 杂环上有取代基时 取代基的位次从杂原子开始 依次用1 2 3 4 或a b g 编号 2 5 二甲呋喃a a 二甲呋喃 3 甲基噻吩b 甲基噻吩 2 乙酰基吡咯a 乙酰基吡咯 3 系统命名法 依据相应的碳环来命名 如五元环相应碳环为 茂 六元环相应是苯 2 六元杂环 吡啶 pyridine 吡喃 pyran 吡喃酮 pyrone 吡喃酮 pyrone 哒嗪 pyridazine 嘧啶 pyrimidine 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 17 2五元杂环化合物 1 结构与芳性 结构特点 成环的所有原子在一个平面上 是一个环闭的共扼体系 5原子6电子体系 p电子数符合休克尔规则 因此 具有芳性 但因O S N原子电负性的不同 参与芳构化的能力也不同 其芳性强若之顺序为 芳香性顺序 电负性ONS3 53 02 5 杂原子电负性比C大 周围电子云密度较大 环上电子云分布不均 芳香性不如苯 O电负性最大 呋喃芳香性最差 NMR化学位移低 环电流的存在 各向异性去屏蔽 偶极矩 芳香性证据 芳香性不如苯 键长不完全平均化 电子云密度分布不均 饱和化合物 2 五元杂环化合物的性质 物理性质A 呋喃 无色液体 存于松木焦油中 b p 31 36oC 遇盐酸浸湿的松木片呈绿色 B 噻吩 无色有特殊气味的液体 存于煤焦油中 b p 84 16oC 与吲哚醌在硫酸作用下显兰色 C 吡咯 无色液体 存于煤焦油和骨焦油中 b p 130 131oC 遇盐酸浸湿的松木片呈红色 2 化学性质五元杂环化合物是5原子6电子的体系 环上电子云密度比苯环上的大 故比苯更容易发生亲电取代反应 且一般发生在a 位上 总的反应活性如此 吡咯 呋喃 噻吩 苯 a 亲电取代活性 反应速度以苯为1 以若 则 反应活性太高 环稳定性差 需在温和条件下进行 否则产物复杂 A 亲电取代反应 环上电子云密度比苯大 亲电取代反应的活性大于苯 亲电取代反应的活性顺序为 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 原子半径大 电子密度 络合物 八隅体结构最稳定 无最稳定结构 取代反应主要发生在 C上 吡咯 呋喃对酸及氧化剂比较敏感 选择试剂时需要注意 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 3kJ mol 1吡咯 87 8kJ mol 1呋喃 66 9kJ mol 1 b 亲电取代的定位规则 i 杂原子的定位效应 邻位定位效应 p 共轭 邻位电子云密度最大 生成的中间体正离子稳定性大小 位取代 位取代 ii 当环上已有一个取代基 取代 取代 c Diels Alder反应 Br2 0oC二恶烷 CH3CO2NO2 5 30oC C5H5N SO3 ClCH2CH2Cl CH3 2C CH2ZnCl2 170oC CH3CO 2OSnCl4 R T Br2 25oCHOAc CH3CO2NO2HOAc 0oC H2SO4 R T C6H5COClAlCl3 R T I2 NaOH CH3CO2NO2 10oC C5H5N SO3 ClCH2CH2Cl SO2Cl2 0oC C6H5N2ClNaOAc B 加成反应 H2 Ni100oC 50atm Br2 50oC 顺丁烯二酸酐 R T HCl140oC Cl CH2 4Cl 2NaCN NC CH2 4CN H3PO4 CH2 CH CH CH2 H2O THF Na EtOH Na Hg EtOH Cl2 RO2CC CCO2R Zn HOAc H2 Ni 200oC HCCl3 OH H2O C 吡咯的弱酸 弱碱性 3 五元杂环化合物的合成 帕尔 克诺尔法 用1 4 二酮为原料 P2O5 P2S5 R NH2 R R H或烷基等 4 糠醛 a 呋喃甲醛 制备 糠醛是呋喃的重要衍生物和有机原料 由米糠制得而得名 米糠 玉米芯 杆等含有多聚戊糖 在稀酸作用下水解 脱水环化即成糠醛 B 性质a 氧化 b 加氢 Cr2O3 CuO150oC 100atm Raney镍180oC 100atm c 歧化 d 脱羰 e 与酚缩合 酚醛树脂 5 噻唑与咪唑噻唑 又称1 3 硫氮杂茂 其衍生物广泛存于自然界中 如VB1 噻唑为无色有吡啶气味的液体 b p 117oC 与水混溶 环上的氮原子有碱性 化学性质稳定 不易发生亲电取代反应 硫脲 氯乙醛 B 咪唑 是吡唑的同分异构体 又称1 3 二氮杂茂 许多重要的天然产物是咪唑的衍生物 如组氨酸 a 氨基 b 4 咪唑基 丙酸 咪唑因分子间可形成氢键 故熔点 沸点较高 且与水互溶 同时分子具有碱性 化学性质稳定 有互变异构现象 4 甲基咪唑与5 甲基咪唑是同一化合物 6 吲哚 又称氮杂茚或称苯并吡咯 其衍生物在自然界中分布很广 吲哚 色氨酸 b 吲哚乙酸 吲哚为结晶固体 能溶于热水 纯吲哚有臭味 但稀释10000倍后则具有香味 可用于香料 但 粪臭素 C6H5CO2NO2CH3CN 0oC C5H5N SO3 C6H6 Zn H3PO4 DMF POCl3H2O Br2 0oC二恶烷 H 重要代表物 b 羟基吲哚和靛蓝 indigoblue b 羟基吲哚在空气中可被氧化成靛蓝 靛蓝是我国古代重要的兰色染料 其人工合成方法为 O2 O 7 雷族化合物 叶绿素 17 3六元杂环化合物 六元杂环化合物中最重要的是吡啶和嘧啶 吡啶来源和制备吡啶又称氮杂苯 最初由干馏动物的骨骼得到 其衍生物广泛存于自然界 一些生物碱中常含有吡啶或氢化吡啶环 烟碱 新烟碱 古柯碱 可卡因 制备 2 结构 与苯相似N原子的一个sp2杂化轨道上有一对孤电子对 结构参数与电荷分布 数据表明吡啶环中键长是高度平均化的 但电荷分布不均匀 可预见吡啶环相当稳定 因氮原子上电子云密度大而具有碱性 3 性质 具有特殊臭味的无色液体 b p 115oC 能与水混溶 A 碱性 其碱性强弱有以下次序 pKb3 64 758 89 3 故可以与酸成盐 可用活泼甲基化合物与I2来进行 B 亲电取代反应 活性比苯低的多 不发生F C反应 且亲电取代发生在 位 Br2 300oC AlCl3100oC KNO3 H2SO4300oC HgNO3 H2SO4220oC a 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 解释原因 b 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 较为稳定 C 亲核取代 吡啶炔 D 还原反应 六氢吡啶 又称呱啶 E 氧化反应 N 氧化吡啶 F 与SO3反应 磺化剂 4 重要的衍生物 a 正丙基呱啶 毒芹碱 2 嘧啶 无色结晶 m p 22oC 溶于水 碱性比吡啶弱 不易发生亲电取代反应 吡啶衍生物存于自然界中 是VB1主要成分 脲嘧啶 胸腺嘧啶 胞嘧啶 尿嘧啶 U 胞嘧啶 C 胸腺嘧啶 T 一对互变异构体的平衡体系 核酸的重要组成部分 食用香精20多种 我们每天都在吃喝 3 喹啉 喹啉 异喹啉 又名氮杂萘 存于煤焦油中 具有抗癌作用的喜树碱分子中就含有喹啉环 喜树碱 喹啉本身具有抗疟疾作用 1 制法 常用斯克洛普法 2 性质