14芳香杂环化合物

1、第十五章第十五章 杂环化合物杂环化合物 环状化合物中含有碳以外的环状化合物中含有碳以外的杂原子杂原子的一类化合物的一类化合物 常见的常见的杂原子杂原子有有氧氧、硫硫和和氮氮： 这些化合物的性质与相应的脂肪族化合物相近。这些化合物的性质与相应的脂肪族化合物相近。 本章介绍的是具有不同本章介绍的是具有不同芳香性芳香性的杂环化合物。的杂环化合物。 已经学过的杂环化合物：已经学过的杂环化合物： O O O O N H OO O O 一一、分类和命名分类和命名 按骨架分类按骨架分类:五元杂环、六元杂环五元杂环、六元杂环;单杂环和稠杂环等。单杂环和稠杂环等。 命名命名按英文音译。常见的杂环有：按英文音译。

2、常见的杂环有： 五元杂环五元杂环 编号从编号从杂原子杂原子开始，开始，用阿拉伯数字；用阿拉伯数字； 或从或从旁边的碳原子旁边的碳原子开始用希腊字母。开始用希腊字母。 O 1 34 52 呋喃呋喃 S 1 34 52 N H 1 34 52 噻吩噻吩吡咯吡咯 按骨架分类按骨架分类:五元杂环、六元杂环五元杂环、六元杂环;单杂环和稠杂环等。单杂环和稠杂环等。 命名命名按英文音译。常见的杂环有：按英文音译。常见的杂环有： 五元杂环五元杂环 编号从编号从杂原子杂原子开始，开始，用阿拉伯数字；用阿拉伯数字； 或从或从旁边的碳原子旁边的碳原子开始用希腊字母。开始用希腊字母。 一一、分类和命名分类和命名 按骨

3、架分类按骨架分类:五元杂环、六元杂环五元杂环、六元杂环;单杂环和稠杂环等。单杂环和稠杂环等。 命名命名按英文音译。常见的杂环有：按英文音译。常见的杂环有： 五元杂环五元杂环 编号从编号从杂原子杂原子开始，开始，用阿拉伯数字；用阿拉伯数字； 或从或从旁边的碳原子旁边的碳原子开始用希腊字母。开始用希腊字母。 一一、分类和命名分类和命名 O Br NO2 2-硝基硝基-4-溴呋喃溴呋喃 五元杂环中含五元杂环中含两个或两个两个或两个(至少有一个至少有一个氮原子氮原子) 以上以上的杂的杂 原子的体系称原子的体系称唑唑。若杂原子不同若杂原子不同, 编号按编号按 O、S、N 顺序。顺序。 N N H 1 3

4、4 52 N S 1 3 4 52 噻唑噻唑 吡唑吡唑 N N H 1 34 52 咪唑咪唑 N O 1 34 52 噁噁唑唑 一一、分类和命名分类和命名 五元杂环中含五元杂环中含两个或两个两个或两个(至少有一个氮原子至少有一个氮原子) 以上以上的杂的杂 原子的体系称原子的体系称唑唑。若杂原子不同若杂原子不同, 编号按编号按 O、S、N 顺序。顺序。 一一、分类和命名分类和命名 五元杂环中含五元杂环中含两个或两个两个或两个(至少有一个氮原子至少有一个氮原子) 以上以上的杂的杂 原子的体系称原子的体系称唑唑。若杂原子不同若杂原子不同, 编号按编号按 O、S、N 顺序。顺序。 一一、分类和命名分类

5、和命名 S SO3H 2-噻吩磺酸噻吩磺酸 六元杂环六元杂环 吡啶吡啶 1 3 4 5 2 N 6 哒嗪哒嗪 嘧啶嘧啶 1 3 4 5 2 N N 6 1 3 4 5 2 N N 6 1 3 4 5 2 N N 6 吡嗪吡嗪 一一、分类和命名分类和命名 吡啶吡啶 六元杂环六元杂环 1 3 4 5 2 N 6 一一、分类和命名分类和命名 N COOH 3-吡啶甲吡啶甲酸酸 稠杂环稠杂环 喹啉喹啉 吲哚吲哚 1 3 45 2 6 7 8 N 1 3 4 5 2 6N H 7 嘌呤嘌呤 一一、分类和命名分类和命名 1 3 4 5 2 6 N N N H N 7 8 9 喹啉喹啉 稠杂环稠杂环 1 3

6、 45 2 6 7 8 N N CH3 Cl 一一、分类和命名分类和命名 吲哚吲哚 1 3 4 5 2 6N H 7 稠杂环稠杂环 喹啉喹啉 1 3 45 2 6 7 8 N 吲哚吲哚 1 3 4 5 2 6N H 7 一一、分类和命名分类和命名 杂原子均以杂原子均以sp2杂化杂化(未杂化的未杂化的P上有上有2个电子参加成环）个电子参加成环） 五个原子处于同一平面；有一个闭合的共轭体系。五个原子处于同一平面；有一个闭合的共轭体系。 体系符合体系符合4n+2休克尔规则休克尔规则 (一一)五元杂环化合物五元杂环化合物呋喃、噻吩、吡咯呋喃、噻吩、吡咯的结构的结构 O O 呋喃呋喃 p(2), sp2

7、(1,1,2) S S 噻吩噻吩 N H N H 吡咯吡咯 p(2), sp2(1,1,1)p(2), sp2(1,1,2) 二、二、 杂环化合物的结构与化学性质杂环化合物的结构与化学性质 相比苯相比苯电子云密度增大电子云密度增大，故容易发生，故容易发生亲电取代反应亲电取代反应， 取代通常发生在取代通常发生在 -位。位。 取代反应活性的次序取代反应活性的次序 吡咯吡咯 呋喃呋喃 噻吩噻吩 苯苯 O O 呋喃呋喃 S S 噻吩噻吩 N H N H 吡咯吡咯 (一一)五元杂环化合物五元杂环化合物呋喃、噻吩、吡咯呋喃、噻吩、吡咯的结构的结构 二、二、 杂环化合物的结构与化学性质杂环化合物的结构与化学

8、性质 （109倍）倍） 取代通常发生在取代通常发生在 -位；位；反应活性类似于反应活性类似于苯酚苯酚和和苯胺苯胺 X H E X H E X H E 1 进攻进攻 -位位 X H E X H E 2 进攻进攻-位位 (1)亲电取代反应亲电取代反应 X X= -NH-, -O-,-S- E (一一)五元杂环化合物五元杂环化合物呋喃、噻吩、吡咯呋喃、噻吩、吡咯的化学性质的化学性质 呋喃呋喃和和吡咯吡咯很易被氧化，不能用很易被氧化，不能用硝酸硝酸硝化。通常用比较温和硝化。通常用比较温和 的非质子硝化试剂，如用的非质子硝化试剂，如用硝酸乙酰酯硝酸乙酰酯 X X= -NH-, -O-, X SO3 N

9、SO3 磺化磺化 (1)亲电取代反应亲电取代反应 (一一)五元杂环化合物五元杂环化合物呋喃、噻吩、吡咯呋喃、噻吩、吡咯的化学性质的化学性质 思考：如何除去思考：如何除去粗苯粗苯中的中的噻吩噻吩（噻吩噻吩mp:84C,苯苯mp:80C)? 硝化硝化 X X= -NH-, -O-,S H3CONO2 O X NO2 由于较稳定由于较稳定 SS SO3H H2SO4(95%)H2O S (1)亲电取代反应亲电取代反应 (一一)五元杂环化合物五元杂环化合物呋喃、噻吩、吡咯呋喃、噻吩、吡咯的化学性质的化学性质 卤代卤代 N H N H Br BrBr Br Br2 0 C o O O Br Br2 0

10、C o OO S S Br Br2 CH3COOH /RT 不需要不需要催化剂催化剂，往往采用温和的条件（如，往往采用温和的条件（如溶剂稀释溶剂稀释和和低温低温），）， 为避免多为避免多卤代卤代 (1)亲电取代反应亲电取代反应 (一一)五元杂环化合物五元杂环化合物呋喃、噻吩、吡咯呋喃、噻吩、吡咯的化学性质的化学性质 不活泼的不活泼的碘碘在催化剂的作用下，可直接取代在催化剂的作用下，可直接取代 N H N H I II I I2/NaOH o 0 C S S I I2/HgO 傅克酰基化傅克酰基化 S Ac2O H3PO4 S CCH3 O O Ac2O BF3 O CCH3 O N H Ac2

11、O 150-200 C S CCH3 O o 活泼活泼 (1)亲电取代反应亲电取代反应 2-乙乙酰基酰基噻吩噻吩 (一一)五元杂环化合物五元杂环化合物呋喃、噻吩、吡咯呋喃、噻吩、吡咯的化学性质的化学性质 一般采用一般采用温和催化剂温和催化剂 傅克烷基化反应由于副反应多，制备意义不大傅克烷基化反应由于副反应多，制备意义不大 吡咯的特殊反应吡咯的特殊反应 (1)亲电取代反应亲电取代反应 KOH N H C6H5N2Cl H N H N=NC6H5 N H CHCl3 N H CHO Reimer-Tiemann反应反应 吡咯吡咯-2-甲醛甲醛 (一一)五元杂环化合物五元杂环化合物呋喃、噻吩、吡咯呋

12、喃、噻吩、吡咯的化学性质的化学性质 完成反应：完成反应： 思考题：思考题： 噻 吩 Br2 MgCO2 N H HO3SN2Cl S CO2H N H N=NSO3H (2) 加成反应加成反应 (一一)五元杂环化合物五元杂环化合物呋喃、噻吩、吡咯呋喃、噻吩、吡咯的化学性质的化学性质 S O H2/Ni O N H 50 C o H2/Ni 200-250 C o N H H2/MoS2 S 催化加氢催化加氢 (2) 加成反应加成反应 (一一)五元杂环化合物五元杂环化合物呋喃、噻吩、吡咯呋喃、噻吩、吡咯的化学性质的化学性质 Diels-Alder反应反应 S O O O O (S) O O O

13、O (2) 加成反应加成反应 (一一)五元杂环化合物五元杂环化合物呋喃、噻吩、吡咯呋喃、噻吩、吡咯的化学性质的化学性质 Diels-Alder反应反应 NHO O O O O O N N O O O NH O O O (1)ClCH2ph (2) CH2ph 吡咯吡咯没有碱性没有碱性, 具有一定程度的具有一定程度的酸性酸性(pka=17.5 醇醇) (3) 吡咯的酸碱性吡咯的酸碱性 N H KOH N K N H CH3MgI N MgI Et2ON CH3I H3C (一一)五元杂环化合物五元杂环化合物呋喃、噻吩、吡咯呋喃、噻吩、吡咯的化学性质的化学性质 注：唑类注：唑类具有一定的具有一定的

14、碱性碱性 N H N H 吡咯吡咯没有碱性没有碱性, 具有一定程度的具有一定程度的酸性酸性(pka=17.5 醇醇) (3) 吡咯的酸碱性吡咯的酸碱性 (一一)五元杂环化合物五元杂环化合物呋喃、噻吩、吡咯呋喃、噻吩、吡咯的化学性质的化学性质 注：唑类注：唑类具有一定的具有一定的碱性碱性 N N H 1 34 52 N S 1 3 4 52 噻唑噻唑 吡唑吡唑 N N H 1 34 52 咪唑咪唑 N O 1 34 52 噁噁唑唑 (2) 吡咯的酸碱性吡咯的酸碱性 测试题：测试题： CH3I N N H N N H CH3 I (一一)五元杂环化合物五元杂环化合物呋喃、噻吩、吡咯呋喃、噻吩、吡咯

15、的化学性质的化学性质 吡咯吡咯没有碱性没有碱性, 具有一定程度的具有一定程度的酸性酸性(pka=17.5 醇醇) 1) 糠醛糠醛 (一一)五元杂环化合物五元杂环化合物呋喃、吡咯呋喃、吡咯的的重要衍生物重要衍生物 糠醛歧化（糠醛歧化（康尼查罗康尼查罗反应）反应） O NaOH CHO O CH2OH O CO2Na 糠醛偶联糠醛偶联 O KCN CHO O 醇 溶 液 CH OH C O O Furoin（类似安息香）类似安息香） 糠醛与酸酐缩合（糠醛与酸酐缩合（Perkin反应）反应） O CHO (CH3CO)2O CH3CO2Na O CH=CHCOOH 完成反应：完成反应： 思考题：思考

16、题： 糠醛糠醛+丙酮丙酮+碱碱 糠醛糠醛+乙酸乙酯乙酸乙酯+碱碱 O CH=CH CCH3 O O CH=CH COC2H5 O O CHO Cl2? 浓 NaOH O CHO Cl O CH2OHCl O CO2NaCl 2) 吲哚吲哚 (一一)五元杂环化合物五元杂环化合物呋喃、吡咯呋喃、吡咯的的重要衍生物重要衍生物 亲电取代反应亲电取代反应一般发生在一般发生在3位位 N H Br2 0 C OO o N H Br N H C6H5CO2NO2 0 C o N H NO2 CH3CN 杂 原 子 以杂 原 子 以 sp 2 杂 化 （杂 化 （ 未杂化的未杂化的P 上有上有1电子电子 参加成

17、环）参加成环） P(1), Sp2(1,1,2) 结构结构: 1 3 4 5 2 N 6 (二二) 六元杂环化合物六元杂环化合物吡啶吡啶 结构结构: 氮原子与碳原子处在同一平面。氮原子与碳原子处在同一平面。 吡啶的结构与苯相似，符合休克尔规则，具有吡啶的结构与苯相似，符合休克尔规则，具有芳香性芳香性 1 3 4 5 2 N 6 (二二) 六元杂环化合物六元杂环化合物吡啶吡啶 P(1), Sp2(1,1,2) 化学反应化学反应 亲电取代反应亲电取代反应 易发生易发生亲核取代反应亲核取代反应 碱性碱性 N 、 位置显正性位置显正性 (二二) 六元杂环化合物六元杂环化合物吡啶吡啶 化学反应化学反应

18、N 、 位置显正性位置显正性 NO2 性质类似性质类似 亲电取代反应亲电取代反应较苯困难，主要发生在较苯困难，主要发生在 位位。 较易发生较易发生亲核取代反应亲核取代反应，取代基往往进入，取代基往往进入 位位。 (二二) 六元杂环化合物六元杂环化合物吡啶吡啶 化学反应化学反应 吡啶不能起傅吡啶不能起傅-克反应克反应 (磺化、硝化和卤化磺化、硝化和卤化)困难困难, 需强条件需强条件 1.亲电取代反应亲电取代反应 (二二) 六元杂环化合物六元杂环化合物吡啶吡啶 化学反应化学反应1.亲电取代反应亲电取代反应 亲电取代亲电取代 位取代位取代 为什么不用为什么不用FeBr3催化催化？ (二二) 六元杂环

19、化合物六元杂环化合物吡啶吡啶 化学反应化学反应1.亲电取代反应亲电取代反应 位置位置 N Y H N Y H N Y H 中间体稳定中间体稳定 中间体不稳定中间体不稳定 - 位置位置 N H Y N H Y N H Y (二二) 六元杂环化合物六元杂环化合物吡啶吡啶 化学反应化学反应2.亲核取代反应亲核取代反应 Cl NO2 O2NNH3NH2 NO2 O2N NH3 NClNNH2 (二二) 六元杂环化合物六元杂环化合物吡啶吡啶 NH3 NN Br Br H2O o 160 C Br NH2 吡啶吡啶2,4,6位位的卤素容易被亲核试剂取代的卤素容易被亲核试剂取代 化学反应化学反应2.亲核取代

20、反应亲核取代反应 NClNOMe NaOMe/MeOH (二二) 六元杂环化合物六元杂环化合物吡啶吡啶 C6H5Li NN C6H5 LiH 齐齐巴宾（齐齐巴宾（A.E. Chichibabin)反应反应 NaNH2 NNNH2 NH3 化学反应化学反应3.碱性及相关反应碱性及相关反应 碱性：脂肪胺碱性：脂肪胺 氨氨 吡啶吡啶 苯胺苯胺 N NH3 Et3N pKb8.753.25 9.4 (二二) 六元杂环化合物六元杂环化合物吡啶吡啶 化学反应化学反应3.碱性及相关反应碱性及相关反应 N HCl N H Cl (二二) 六元杂环化合物六元杂环化合物吡啶吡啶 N C O RCl OHO C O

21、 R N H Cl 化学反应化学反应3.碱性及相关反应碱性及相关反应 N SO3 N SO3 (二二) 六元杂环化合物六元杂环化合物吡啶吡啶 N CH3I NI CH3 化学反应化学反应4.氧化还原反应氧化还原反应 HNO3 NN N CH3 COOH 尼古丁尼古丁尼古丁酸尼古丁酸(烟酸）烟酸） (二二) 六元杂环化合物六元杂环化合物吡啶吡啶 由于吡啶环上由于吡啶环上N 的吸电子性能，的吸电子性能，使环稳定使环稳定，只氧化，只氧化侧链侧链 氧 化 N N COOH CH3 烟酸烟酸 化学反应化学反应4.氧化还原反应氧化还原反应 测试题：测试题： KMnO4 N N COOH COOH (二二)

22、 六元杂环化合物六元杂环化合物吡啶吡啶 化学反应化学反应 N CH3 30%H2O2 CH3COOH 70C, 24h N CH3 O PCl3 N O 发 烟 HNO3 发 烟 H2SO4 90C, 4h N O NO2 CHCl3 N NO2 4.氧化还原反应氧化还原反应 (二二) 六元杂环化合物六元杂环化合物吡啶吡啶 主要在主要在位位 化学反应化学反应4.氧化还原反应氧化还原反应 (二二) 六元杂环化合物六元杂环化合物吡啶吡啶 N H2/Ni 25C/3个 大 气 压 N H 还原还原 o 化学反应化学反应5.侧链侧链-氢氢的反应的反应 (二二) 六元杂环化合物六元杂环化合物吡啶吡啶 吡

23、啶吡啶2,4,6位位的烷基侧链的的烷基侧链的-氢氢具有酸性，酸性与具有酸性，酸性与甲基酮甲基酮酸性相当酸性相当 N CH3 CH2CH3 NaNH2 N CH2 CH2CH3 CH3I N CH2CH3 CH2CH3 NCH3 HCHO ZnCl2 NCH2CH2OH 完成反应：完成反应： 思考题：思考题： NCH3 ZnCl2 CH3 CHO N CH3I N H C6H5Li NCH3 CO2 H2O NCH=CH CH3 N N H CH3 I NCH2CO2H ( (三三) ) 稠杂环化合物稠杂环化合物 1. 喹啉及其衍生物的制备喹啉及其衍生物的制备 斯克柔普（斯克柔普（Skraup)

24、法法 NH2 CH2CHCH2 OH OHOH 浓 H2SO4 硝 基 苯 / N 由于反应比较剧烈，可加由于反应比较剧烈，可加FeSO4、硼酸硼酸作为缓解剂作为缓解剂 喹啉喹啉 1 3 45 2 6 7 8 N 反应历程：反应历程： 丙烯醛丙烯醛 CH2 CH OH CH2 OH OH H2O 浓 H2SO4 HC CH OH H2COH CHO CH2 CH2OH 浓 H2SO4 H2O CHO CH CH2 C CH CH2 NH2 H O NH CH2 CH H CHO NH CH2 CH2 CH O NH CH2 CH2 C H HO H H N H H OH H2O N H NH

25、CH2 CH2 CH O H NH CH2 CH2 CH HO NH CH2 CH2 CH HO 反应历程：反应历程： N H NO2 N NH2 喹啉衍生物的制备喹啉衍生物的制备 一般通过一般通过取代苯胺取代苯胺来制备来制备 NH2 N Cl H2SO4 甘 油 + H3AsO4 Cl N NH2 N H2SO4 甘 油 + Cl Cl NO2 Cl Cl 反应历程：反应历程： N H NO2 N NH2 喹啉衍生物的制备喹啉衍生物的制备 一般通过一般通过取代苯胺取代苯胺来制备来制备 NH2 浓 H2SO4 硝 基 苯 N O / CH2=CHCCH3 FeCl3,ZnCl2 CH3 N O

26、H NH2 OHNO2 甘 油H2SO4 OH 写出下列化合物与甘油、浓硫酸、硝基苯的反应写出下列化合物与甘油、浓硫酸、硝基苯的反应 产物：产物： 思考题：思考题： NH2 N NH2 H2N N N N N CH3 NH2 CH3 N CH3 N CH3 NH2 NH2 NaNO2 HCl H3PO2 CH3 NH2 N CH3 N 2. 喹啉及异喹啉的化学性质喹啉及异喹啉的化学性质 1)亲电取代反应亲电取代反应 对于喹啉主要发生在对于喹啉主要发生在5位位和和8位位 N HNO3/H2SO4 0 C/30分 o N NO2 N NO2 52% 48% N 浓 H2SO4 o 220 C SO3H Br2,浓 H2SO4 Ag2SO4, N Br N Br 2. 喹啉及异喹啉的化学性质喹啉及异喹啉的化学性质 1)亲电取代反应亲电取代反应 对于喹啉主要发生在对于喹啉主要发生在5位位和和8位位 N HNO3/H2SO4 0 C/30分 o N NO2 N NO2 90%10% 2)亲核取代反应亲核取代反应 N NaNH2 NNH2 N CH3