2020年高中化学竞赛有机化学 第20章杂环

第20章杂环化合物,20.1杂环化合物的分类20.2杂环化合物的命名杂环化合物的结构和性质20.3呋喃、噻吩、吡咯的结构和物理性质20.4呋喃、噻吩、吡咯的反应20.5吡啶的结构和物理性质20.6吡啶的反应20.7吡啶N-氧化物的反应20.8唑的结构和物理性质20.9唑的反应20.10二嗪的反应20.11五元杂环苯并体系的芳香亲电取代反应20.12六元杂环苯并体系的反应,本章提纲,杂环化合物的制备20.13呋喃、噻吩、吡咯环系的合成20.14吡啶环系的合成20.151,2-唑和1,3-唑环系的合成20.16二嗪环系的合成20.17吲哚环系的合成20.18喹啉和异喹啉环系的合成20.19嘌呤和嘌呤环系的合成,本章提纲,将非碳原子统称为杂原子（hetero-atom），最常见的杂原子是氮原子、硫原子和氧原子。环上含有杂原子的有机物称为杂环化合物,杂环化合物可分为脂杂环和芳杂环两大类。没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂环化合物。有芳香特征的杂环化合物称为芳杂环化合物。,20.1杂环化合物的分类,下面所列的三元至七元的杂环化合物均为脂杂环化合物。,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,下面所列的杂环化合物均为芳杂环化合物,单杂环,稠杂环,20.2.1杂环母核的命名20.2.2杂环母核的编号,20.2杂环化合物的命名,20.2.1杂环母核的命名,五元杂环,呋喃(furan),噻吩(thiophene),吡咯(pyrrole),五元杂环苯并体系,苯并呋喃(benzofuran),苯并噻吩(benzothiophene),苯并吡咯吲哚(indole),异噻唑(isothiazole),吡唑(pyrazole),异噁唑(isoxazole),1,2-唑,噁唑(oxazole),噻唑(thiazole),咪唑(imidazole),1,3-唑,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,IUPAC的置换命名法,茂,20.2.2杂环母核的编号,（1）杂环母核编号时，通常将杂原子定为1号，杂原子旁边的碳原子可以按数字依次排序，也可以依次编为、等。例如：,4-溴-2-呋喃甲酸,5-氯-2-呋喃甲醛,（2）含两个或多个杂原子的杂环化合物命名时的编号原则是：*1让杂原子的位号尽可能小；*2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；*3价数相等时，原子序数小的在前，大的在后。*4如果两个都是氮原子，则氮上有氢的氮编号为1。,OSN,2价,3价,原子序数小,原子序数大,O、S、N的次序如左：,（3）当母核上有两个或多个杂原子同时还有取代基时，首先要使杂原子编号尽可能小，然后再按最低系列原则考虑取代基的编号。例如下面的化合物应命名为4,5-二甲基嘧啶。,（4）苯并杂环的稠杂环化合物，编号方式与稠环芳烃相同，但编号一般从杂环开始，然后再编苯环。例如：,（5）少数稠杂环化合物有另外的编号顺序。例如：,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,呋喃、噻吩的结构请同学自己分析。物理性质自学,20.3呋喃、噻吩、吡咯的结构和物理性质,20.4.1质子化反应20.4.2芳香亲电取代反应20.4.3加成反应,20.4呋喃、噻吩、吡咯的反应,20.4.1.质子化反应,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,20.4呋喃、噻吩、吡咯的反应,吡咯吡咯与质子成盐吡咯盐,（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。,（5）在一般情况下，噻吩既发生-c质子化反应。也发生硫的质子化反应，但它与呋喃不同，不会因为硫的质子化而导致碳碳键的断裂开环。这被认为是与噻吩环的张力较小有关，根据测定，呋喃、噻吩、吡咯中各键角如下所示：,（1）概述（2）呋喃、噻吩、吡咯的硝化反应（3）呋喃、噻吩、吡咯的磺化反应（4）呋喃、噻吩、吡咯的卤化反应（5）呋喃、噻吩、吡咯的傅氏酰基化反应（6）呋喃、噻吩、吡咯的傅氏烷基化反应（7）吡咯的特殊反应,20.4.2.芳香亲电取代反应,*1亲电取代反应的活性顺序,吸电子诱导：O(3.5)N(3.0)S(2.6)给电子共轭：NOS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,20.4.2.芳香亲电取代反应,（1）概述,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。,噻吩：121.3kJmol-1吡咯：87.8kJmol-1呋喃：66.9kJmol-1,离域能,*1要用比较温和的亲电试剂*2吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感，选择试剂时需要注意；,*2反应条件,*3杂原子和取代基的定位效应,A、杂原子的定位效应：,B、取代基的定位效应：,第一取代基进入到杂原子的位。,3位上有取代基时，呋喃、吡咯、噻吩的定位效应一致。,2位上有取代基时，吡咯、噻吩的定位效应一致，情况如下：,呋喃与大多数亲电试剂可以发生亲电取代反应，但2-取代呋喃在有强亲核试剂存在下易发生2,5-加成反应：,*1氮上的烷基化反应*2氮上的酰基化反应,*4反应机理,一般情况下，反应机理与苯一致。当有强亲核试剂存在时，呋喃的反应机理有所不同。,*5杂原子在反应中的竞争,（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，所以需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。,噻吩相对比较稳定，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,（5）呋喃、噻吩、吡咯的傅氏酰基化反应,Eg1,Eg4,Eg3,Eg2,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。,（6）呋喃、噻吩、吡咯的傅氏烷基化反应,*1,*2,（7）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)2POCl3,CHCl325%NaOH,(NH4)2CO3130oC,C6H5N2+X-C2H5OH-H2OAcONa,RMgX,1CO22H2O,CO2加热加压,RCOCl,RX,20.4.3加成反应,（1）加氢反应,呋喃、噻吩、吡咯均可进行催化氢化反应，失去芳香特性而得到饱和杂环化合物。呋喃与吡咯可用一般催化氢化反应的催化剂还原，噻吩会使一般的催化剂中毒，需使用特殊的催化剂：,噻吩在兰尼镍作用下，可进行脱硫反应（desulfuration）形成烃类化合物：,脱硫时，羰基化合物一般不受影响。,（2）Diels-Alder反应,呋喃的Diels-Alder反应,吡咯的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。,噻吩的Diels-Alder反应,20.5吡啶的结构和物理性质,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。,吡啶结构：吡啶N是sp2杂化，孤电子对不参与共轭。反应：碱性较强。环上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。,=3.3310-30Cm=1.75510-30Cm,20.6.1芳香亲电取代反应20.6.2芳香亲核取代反应20.6.3氧化反应20.6.4还原反应20.6.5侧链-H的反应,20.6吡啶的反应,吡啶吡啶盐吡啶N-氧化物,20.6吡啶的反应,(1)亲电试剂与吡啶N的反应（成盐反应）,20.6.1芳香亲电取代反应,NO2+BF4+乙醚室温,CH3I,RCOCl,H+,SO3,Br2CCl4,石油醚,吡啶盐的两个十分有用的用途：,*1可用来作温和的磺化、硝化、卤化、烷基化、酰基化的试剂,*2利用吡啶N的烷基化反应制备醛,(2)在C上发生亲电取代反应,反应特点,*1不能发生傅氏烷基化、酰基化反应。*2硝化、磺化、卤化必须在强烈条件下才能发生；*3吡啶环上有给电子基团时，反应活性增高；*4吡啶N可以看作是一个间位定位基。,（3）取代反应位置的控制,浓度低,浓度高,在温和条件下，亲电试剂主要与N反应；在强烈条件下，C上的取代反应为主。,20.6.2芳香亲核取代反应,（1）置换氢的亲核取代反应,一般机制,*1负氢不易离去，一般需要一个氧化剂作为负氢的接受体；,*2亲核取代优先在位上发生，如果位上有取代基，则反应在位上发生。,实例：烷基化、芳基化反应,实例：齐齐巴宾(Chichibabin,A.E.)反应氨化,定义：吡啶与氨基钠作用生成2-氨基吡啶的反应称为齐齐巴宾反应。,H2O,+NaNH2,100oC,C6H5N(CH3)2,（2）置换易离去基团的亲核取代反应,如在,位有好的离去基团，如Cl、-NO2、Br，可以与氨（或胺）、烷氧化物、水等亲核试剂发生亲核取代反应（在亲核取代反应中，吡啶N对邻、对位有活化作用）。,20.6.3氧化反应,吡啶环本身不易被氧化，但它的侧链很容易被氧化成醛或羧酸。,(吡啶氧化物),20.6.4还原反应,20.6.5侧链-H的反应,2,4,6-位烷基的-H与羰基-H相似,醇醛缩合型,N-烷基吡啶盐的侧链H更活泼,醇醛缩合型,20.7吡啶N-氧化物的反应,*1需要时，氧能提供电子，使整个环上的电荷密度增高；*2不需要时，氧不提供电子，整个环系相当于吡啶盐；*3吡啶的N-氧化物为亲核试剂，可以将卤代烃变成醛。,从动态的角度看，与氮相连的氧可以看作是一个电子储存库。,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。,20.8唑的结构和物理性质,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,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),吡啶N与吡咯N均为sp2杂化。,吡咯N的孤电子对处于p轨道,吡啶N的孤电子对处于sp2杂化轨道,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),碱性：,互变异构,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),20.9.1碱性20.9.2芳香亲电取代反应,20.9唑的反应,20.9.1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。,20.9唑的反应,20.9.2芳香亲电取代反应,1反应性,唑的亲电取代反应性比呋喃、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度降低，后以亲电试剂不易进攻。,21,2-、1,3-唑的硝化、磺化、卤化,（1）进入环的位置及活性顺序,（2）反应试剂：一般的硝化、磺化、卤化试剂即可。,实例,eg1,eg2,5-硝基咪唑,4-硝基咪唑,eg3,eg4,磺化需强烈条件,eg5,硝化、卤化需有给电子取代基,31,2-唑、1,3-唑的傅氏烷基化反应,常用的烷基化试剂是RX,烷基化反应的几点说明：,（1）唑的吡啶N上的电子云密度较大，所以在一般情况下，烷基化反应总是吡啶N上发生；,（2）咪唑环上有两个N，烷基化反应首先在吡啶N上发生，一烷基化产物经互变异构又产生一个吡啶N，可进一步产生二烷基化产物，因此咪唑烷基化时经常得到两种烷基化产物。,一烷基化产物,二烷基化产物,（3）在强碱作用下，烷基化反应也能在噻唑的位甲基上发生。,41,2-唑、1,3-唑的傅氏酰基化反应,常用的酰基化试剂是,一般情况下，酰基化反应主要在吡啶N上发生。酰基是一个吸电子基，所以反应能控制在一元酰基化阶段。,例如：咪唑的酰基化反应,N-酰基咪唑,N-酰基咪唑的两种应用,应用一：N-酰基咪唑是吡咯的酰化试剂,应用二：酰卤经制成N-酰基咪唑可转化成醛,青霉素,噻唑环,青霉素是噻唑的衍生物。青霉素G疗效最好。,20.10.1氮上的质子化和烷基化反应（自学）20.10.2芳香亲电取代反应20.10.3芳香亲核取代反应20.10.4氧化20.10.5侧链-H的反应,20.10二嗪的反应,嘧啶的反应,20.10.2芳香亲电取代反应,20.10二嗪的反应,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,20.10.3芳香亲核取代反应,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,20.10.4氧化,羟醛缩合型,烷基化反应,20.10.5侧链-H的反应,名称,结构,用途,巴比妥(佛罗拿),苯巴比妥(鲁米那),异戊巴比妥(阿米妥),西可巴比妥钠,硫喷妥钠,长时间作用的镇静催眠药,长时间作用的镇静催眠药，又有抗癫痫作用,中时间作用的催眠药,短时间作用的镇静催眠药,超短时间的静脉麻醉药，可用于麻醉前给药,常用的亲电试剂,硝化：(HNO3+HOAc),磺化：,卤化：(低温、稀释条件下进行，常用，HOAc稀释，试剂为X2),酰基化：(酸酐、酰卤。AlCl3,ZnCl2为催化剂),氯甲基化：(CH2O,HCl,ZnCl2),醛基化：+POCl3,避免用强酸,20.11五元杂环苯并体系的芳香亲电取代反应吲哚的反应,定位规律,下面四种情况，取代基均进入苯环。进入哪个位置，具体分析。,20.12.1碱性20.12.2氧化反应20.12.3芳香亲电取代反应20.12.4芳香亲核取代反应20.12.5侧链-H的反应20.12.6还原,20.12六元杂环苯并体系的反应喹啉和异喹啉的反应,碱性强弱：喹啉吡啶异喹啉,成盐反应：,20.12.1碱性,20.12六元杂环苯并体系的反应喹啉和异喹啉的反应,*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：,20.12.2氧化反应,*3喹啉与异喹啉在过酸的作用下均可形成N-氧化物。,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。,若反应在有机溶剂中进行，取代在杂环上发生。,20.12.3芳香亲电取代反应,*1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；,20.12.4芳香亲核取代反应,*2常用的亲核试剂有RLi,ArLi,RMgX,NaNH2,RONa等。负氢比较难以取代。Cl,NO2等基团较易取代。,产率很高,20.12.5侧链-H的反应,反十氢喹啉,顺十氢喹啉,20.12.6还原,1.工业制备（略）,2.实验室制备,(1)帕尔-诺尔(Paal,C.-Knorr,L.)合成法,20.13呋喃、噻吩、吡咯环系的合成,HOAc,三种化合物的相互转化(有氧化铝存在的情况下),（2）诺尔合成法,氨基酮酸酯,20.14吡啶环系的合成,（1）韩奇(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韩奇合成法。,（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,11,2-唑的合成（只介绍吡唑与异噁唑的合成）,(1)用1,3-二羰基化合物合成吡唑和