杂环化合物教学ppt课件

1、第十六章第十六章 杂环化合物杂环化合物 第一节第一节 杂环化合物的分类和命名杂环化合物的分类和命名第二节第二节 五元杂环化合物五元杂环化合物第三节第三节 六元杂环化合物六元杂环化合物第四节第四节 稠杂环化合物稠杂环化合物1、杂环化合物的概念、杂环化合物的概念(氮杂环丙烷)(-丙内酯)(-丙内酰胺)(顺丁烯二酸酐)(氧杂)(1H-氮杂)OHN(环氧乙烷)OONHOOOOONH第一节第一节 杂环化合物的分类和命名杂环化合物的分类和命名一、分类一、分类2、常见的杂环化合物、常见的杂环化合物 二、命名二、命名 杂环的命名常用音译法，是按外文名词音译成带杂环的命名常用音译法，是按外文名词音译成带“口字旁

2、的同音汉字。口字旁的同音汉字。NHOSNNN(pyrrole)(furan)(thiophene)(pyridine)(pyrimidine)NNNNHNNH(quinoline)(indole)(purine)吡咯呋喃噻吩吡啶嘧啶喹啉吲哚嘌呤 编号从杂原子开场。遇两一样杂原子, 那么由带取代基(或H)的杂原子开场。含多个不同杂原子, 那么按 O S N 顺序编号。 咪唑咪唑 噻唑噻唑 噁唑噁唑 嘧啶嘧啶 稠杂环的编号稠杂环的编号 吲哚吲哚 嘌呤嘌呤 喹啉喹啉5-硝基硝基-2-呋喃甲醛呋喃甲醛 N,N-二乙基二乙基-3-吡吡 啶甲酰胺啶甲酰胺1,3,7-三甲基嘌呤三甲基嘌呤-2,6-二酮二酮

3、将取代基称号连同位号置杂环名前或名后。将取代基称号连同位号置杂环名前或名后。 环上有取代基的杂环环上有取代基的杂环 噻吩并吡咯噻吩并吡咯 萘并呋喃萘并呋喃 5-苯基咪唑并苯基咪唑并2,1-b噻唑噻唑噻吩并噻吩并3,2-b吡咯吡咯 萘并萘并1,2-b呋喃呋喃第二节第二节 五元杂环化合物五元杂环化合物 呋喃、噻吩、吡咯在构造上具有共同点，即构成环的五个原子都为sp2杂化，故成环的五个原子处在同一平面，杂原子上的孤对电子参与共轭构成共轭体系，其电子数符合休克尔规那么电子数 = 4n+2，所以，它们都具有芳香性:OSNHSONH56为共轭体系电子= 6符合4n + 2具有芳性富电子芳环离域能:一、呋喃

4、、噻吩、吡咯杂环的构造一、呋喃、噻吩、吡咯杂环的构造二、呋喃、噻吩、吡咯的性质二、呋喃、噻吩、吡咯的性质一存在与物理性质一存在与物理性质 都能溶于有机溶剂都能溶于有机溶剂,水溶解度都小于六元杂环吡啶水溶解度都小于六元杂环吡啶溶解度顺序为：吡咯呋喃噻吩溶解度顺序为：吡咯呋喃噻吩 吡咯几乎不显碱性吡咯几乎不显碱性, 相反具有弱酸性相反具有弱酸性 偶极矩偶极矩二化学性质二化学性质1亲电取代反响亲电取代反响 从构造上分析，五元杂环为从构造上分析，五元杂环为56共轭体系，电荷密度比苯大，如以苯共轭体系，电荷密度比苯大，如以苯环上碳原子的电荷密度为规范作为环上碳原子的电荷密度为规范作为0，那么五元杂环化合

5、物的有效电荷，那么五元杂环化合物的有效电荷分布为：分布为： 亲电取代反响的活性为：亲电取代反响的活性为： 吡咯吡咯 呋喃呋喃 噻吩噻吩 苯，主要进入苯，主要进入-位。位。阐明：吡咯、呋喃、噻吩的亲电取代反响，对试剂及反响条件必需有所阐明：吡咯、呋喃、噻吩的亲电取代反响，对试剂及反响条件必需有所选择和控制。选择和控制。OSNH000000+ 0.1- 0.03- 0.02+ 0.20- 0.06- 0.04+ 0.32- 0.10- 0.06*1 亲电取代反响的活性顺序为：亲电取代反响的活性顺序为：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奉献电子最

6、多，O其次，S最少ONHSNHEHNHEHNHEHEHEHEH电子密度电子密度-络合物络合物八隅体构造最稳定八隅体构造最稳定无最稳定构造无最稳定构造*2 取代反响主要发生在-C上；*3 吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感，选择试剂时需求留意；*4 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。 取代呋喃、噻吩、吡咯的定位效应 试写出试写出5-甲基甲基-2-甲氧基噻吩和甲氧基噻吩和3-硝基吡咯的一硝化产物的构造式并解释之。硝基吡咯的一硝化产物的构造式并解释之。1 呋喃、噻吩、吡咯的卤化反响呋喃、噻吩、吡咯的

7、卤化反响 反响剧烈，易得多卤取代物。为了得一卤代(Cl, Br)产物，要采用低温、溶剂稀释等温暖条件。OOOClClClCl2-40+OBrOOBr2, 0稀释(86 %)SSBrSIBr2AcOHI2, HgOC6H6, 0(78 %)碘不活泼，要用催化剂才干发生一元取代Br2, 0NHNHClNHBrBrBrBrEtOHSOCl2 (1 mol)Et2O, 0(80 %)2 呋喃、噻吩、吡咯的硝化反响呋喃、噻吩、吡咯的硝化反响 呋喃, 噻吩和吡咯易氧化, 普通不用硝酸直接硝化; 通常用比较温暖的非质子硝化试剂，如：硝酸乙酰酯。反响在低温下进展。CH3COCCH3 + HNO3O OCH3C

8、ONO2 + CH3COOHOSAcONO2O oCAc2O/AcOHSNO2SNO2+NHAcONO2O oCAc2O/AcOHNHNO2NHNO2+60 %10 %51 %13 % 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。ONHNO2OOHNO2HNO2HAcOAcONO2-5 - -30oC+Pyridine3 呋喃、噻吩、吡咯的磺化反响呋喃、噻吩、吡咯的磺化反响 吡咯、呋喃不太稳定，所以须用温暖的磺化试剂磺化。常用的温暖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，也可以用温暖的磺化试剂磺化

9、。N+ SO3CH2Cl2室温NSO3(固体，含量90 %)O+ NSO3ClCH2CH2Clr. t. 3 daysOSO3-NHOSO3-O3SNHNHS+ NSO3ClCH2CH2Clr. t.SSO3-Ba(OH)22Ba2+NH+ NSO3100 oCNHSO3-NHHClNHSO3H4 呋喃、噻吩、吡咯的傅氏酰基化反响呋喃、噻吩、吡咯的傅氏酰基化反响(60 %)NH+ Ac2O150 - 200 NHCCH3O(70 %)NHNa或 NaOH(浓)PhCClNNa+ONCOPhSAc2O 与 AlCl3 的混合体系SCCH3OEg 1Eg 4Eg 3Eg 2OBF3+ Ac2OOC

10、CH3O(75%-92 %)NHENHEsp2杂化杂化sp3杂化杂化碳上酰化，正电荷处在碳上酰化，正电荷处在离域范围内，较稳定。离域范围内，较稳定。氮上酰化，正电荷不处氮上酰化，正电荷不处在离域范围内。在离域范围内。NHOO+ H2SO4 +S墨绿色 呋喃、噻吩的酰化反响在呋喃、噻吩的酰化反响在-C上发生，而吡咯的酰化反响不用上发生，而吡咯的酰化反响不用催化剂既能在催化剂既能在 -C上发生，又能在上发生，又能在N上发生。在上发生。在 -C上发生比在上发生比在N上发生容易。上发生容易。2加氢反响加氢反响ONHSH2, Ni or PdH2, Ni or PdH2, NiONHS四氢呋喃四氢吡咯(

11、 THF )不能用 催化因噻吩能 使中毒PdPd3呋喃、吡咯的特性反响呋喃、吡咯的特性反响(1) Diels-Alder反响 呋喃最易发生Diels-Alder反响90 %OOOO+OOOO76 %O+O+NCH3H3CCOCH3COOCH3COOCH3NCOCH3CH3H3CCOOCH3COOCH3AlCl3AlCl3NHCCH3H3CCOOCH3COOCH3OCH32吡咯的弱酸性和弱碱性吡咯虽然是一个仲胺，但碱性很弱。NHNHNH2Kb3.8 10-102 10-42.5 10-14原因： 上的未共用电子对参与了环的共轭体系，减弱了与 的结合力。NH吡咯具有弱酸性，其酸性介与乙醇和苯酚之间

12、。NHOHKa =1.3 10-101 10-181 10-15CH3CH2OHpKa=10OH-OOHNHNK+Na 或 K或浓NaOHpKa 17.5三、重要的五元杂环衍生物三、重要的五元杂环衍生物一糠醛一糠醛- 呋喃甲醛呋喃甲醛1制备制备 由农副产品如甘蔗杂渣、花生壳、高粱杆、棉子壳由农副产品如甘蔗杂渣、花生壳、高粱杆、棉子壳用稀酸加热用稀酸加热蒸煮制取。蒸煮制取。(C5H8O4)n35%H2SO4HO CHCH OHCH2OHCH CHOOHH2SO4稀CHO多聚戊糖戊糖呋喃甲醛水蒸气 糠醛是良好的溶剂，常用作精练石油的溶剂，以溶解含硫物质及环烷烃等。可用于精制松香，脱出色素，溶解硝酸

13、纤维素等。糠醛广泛用于油漆及树脂工业。 2糠醛的性质糠醛的性质 同有同有-H的醛的普通性质。的醛的普通性质。1氧化复原反响氧化复原反响OCHO KMnO4弱碱性CuO, Cr2O315010MPa,V2O5 - MoO320 ,O2,OCH2OHOCOOHOOO+ CO2 + H2O2歧化反响歧化反响3羟醛缩合反响羟醛缩合反响4安息香缩合反响安息香缩合反响OCHOOCH2OHOCOOH+浓碱OCHOOCH=CHCHO+稀碱CH3CHOOCHOOCH醇溶液KOHCOOHO 给出以下反响的产物构造、称号及反响类型。二吡咯的重要衍生物二吡咯的重要衍生物 最重要的吡咯衍生物是含有四个吡咯环和四个次甲基

14、(-CH= )交替相连组成的大环化合物。其取代物称为卟啉族化合物。12345678NHNHNN 卟啉族化合物广泛分布与自然界。血红素，叶绿素都是含 环的卟啉族化合物。在血红素中 环络合的是Fe，叶绿素 环络合的是Mg。 灵菌红素 卟吩胆色素原(2) 叶绿素、血红素和维生素叶绿素、血红素和维生素B12电致发光资料四、噻唑和咪唑四、噻唑和咪唑1噻唑噻唑 噻唑是含一个硫原子和一个氮原子的五元杂环，无色，有吡啶臭味噻唑是含一个硫原子和一个氮原子的五元杂环，无色，有吡啶臭味的液体，沸点的液体，沸点117，与水互溶，有弱碱性，是稳定的化合物。，与水互溶，有弱碱性，是稳定的化合物。 一些重要的天然产物几合成

15、药物含有噻唑构造，如青霉素、维生素一些重要的天然产物几合成药物含有噻唑构造，如青霉素、维生素B1等。等。青霉素青霉素SNCHC ONHC ROHOOCCH3CH3R =CH2CH2OCH CH CH2S CH3R =R =GVO常用青霉素为青霉素为青霉素为青霉素维生素维生素B1VB1NNCH2NSCH3CH2CH2OHNH3ClCH3Cl噻唑环对糖类的新陈代谢有显著的影响，人体缺乏时可以引起脚气病第三节第三节 六元杂环化合物六元杂环化合物 六元杂环化合物中最重要的有吡啶、嘧啶和吡喃等。NNNO吡啶嘧啶吡喃一、吡啶一、吡啶 (一一) 来源、制法和运用来源、制法和运用 吡啶存在于煤焦油页岩油和骨焦

16、油中，吡啶衍生物广泛存在于自吡啶存在于煤焦油页岩油和骨焦油中，吡啶衍生物广泛存在于自然界，例如，植物所含的生物碱不少都具有吡啶环构造，维生素然界，例如，植物所含的生物碱不少都具有吡啶环构造，维生素PP、维生素维生素B6、辅酶、辅酶及辅酶及辅酶也含有吡啶环。吡啶是重要的有机合成原也含有吡啶环。吡啶是重要的有机合成原料如合成药物、良好的有机溶剂和有机合成催化剂。料如合成药物、良好的有机溶剂和有机合成催化剂。 吡啶的工业制法可由糠醇与氨共热吡啶的工业制法可由糠醇与氨共热500制得，也可从乙炔制制得，也可从乙炔制备。备。 吡啶为有特殊臭味的无色液体，沸点吡啶为有特殊臭味的无色液体，沸点115.5，相对

17、密度，相对密度0.982，可，可与水、乙醇、乙醚等恣意混和。与水、乙醇、乙醚等恣意混和。二吡啶的构造二吡啶的构造NNNH上的孤电子对在 轨道上，参与环内共轭，为富电子芳环。上的孤电子对在 轨道上，在环外未参与环内共轭。成环原子共平面体系C_ sp2N_ sp2 66NPsp2N由于吡啶环的N上在环外有一孤对电子，故吡啶环上的电荷分布不均。 N1.430.841.010.87电荷分布亲电取代亲核取代N ，位位三吡啶的性质三吡啶的性质1碱性与成盐碱性与成盐 吡啶的环外有一对未作用的孤对电子，具有碱性，易接受亲电试吡啶的环外有一对未作用的孤对电子，具有碱性，易接受亲电试剂而成盐。剂而成盐。 吡啶的碱

18、性小于氨大于苯胺。吡啶的碱性小于氨大于苯胺。CH3NH2NH3NNH2pKb3.384.768.809.42吡啶易与酸和活泼的卤代物成盐。N+ HClN HClNNH3N+ SO3CH2Cl2N SO3(90%)此反应常用于在反应中吸收生成的气态酸室温吡啶三氧化硫络合物是常用的缓和磺化剂NNNRIR I300INI+RROHNNRROH制取烷基吡啶的一种方法2亲电取代反响亲电取代反响NNClNBrNNO2NSO3HCl2, AlCl3Br2,H2SO4HgSO4100300浮石催化气相浓220混酸300催化，氯吡啶溴吡啶硝基吡啶吡啶 磺酸3333吡啶环容易发生亲核取代反响。 、位，以位为主。实

19、验现实：钝化和实验现实：钝化和 b取代取代N发发烟烟 H2SO4发发烟烟 HNO3 /无无反反应应发发生生发发烟烟 H2SO4发发烟烟 HNO3 /NNO2取取代代在在 位位N(CH3)3发发烟烟 H2SO4发发烟烟 HNO3 /N(CH3)3NO2起起吸吸电电子子基基作作用用300oC / 24h其它反响景象其它反响景象NNSO3HNBr浓浓 H2SO4 / HgSO4220oC300oCBr2 / 浮浮石石无无反反应应发发生生Friedel-Crafts 反反应应环上有给电子基时反响相对较易进展NKNO3 / 浓浓 H2SO4110oCNNO2H3CCH3H3CCH3NNH220oCBr2

20、 / HOAcNNH2Br3氧化复原反响氧化复原反响1氧化反响NNNN吡 啶 甲 酸 （ 烟 酸 ）CH3KMnO4 / HHNO3COOHCOOH吡 啶 甲 酸NNCH3C-OOHOONHNO3ONONO2H2SO490PCl3NNO2+ POCl32复原反响 吡啶比苯易复原，用钠加乙醇、催化加氢均使吡啶复原为六氢吡啶即胡椒啶。4亲核取代亲核取代NNaNH2NH2ONHNaNNH2二甲苯胺中回流取代主要发生在 a 位NPhLiNPhO2 or PhNO2,( (氧氧化化) )二、嘧啶及其衍生物二、嘧啶及其衍生物NN 嘧啶本身不存在于自然界，其衍生物在自然界分布很广，脲嘧啶、胞嘧啶、胸腺嘧啶是

21、遗传物质核酸的重要组成部分，微生素B1也含有嘧啶环。合成药物的磺胺嘧啶也含这种构造。NNNNNNOHHOOHHOHOCH3NH2尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶( U )( T )( C )第四节第四节 稠杂环化合物稠杂环化合物 稠杂环化合物是指苯环与杂环稠合或杂环与杂环稠合在一同的化合物。常见的有喹啉、吲哚和嘌呤。NNHNNNHN234567891112233445566778喹啉吲哚嘌呤( Quioline )( indole )( Purine ) 一、吲哚 吲哚是白色结晶，熔点52.5。极稀溶液有香味，可用作香料，浓的吲哚溶液有粪臭味。NHCH2CH COOHNH2NHCH3色氨酸构成蛋白质的重要

22、成分甲基吲哚（粪臭素）很稀时有茉莉香味分解NHCH2CH2NHAcCH3O脑白金MelatonineNHCH2COOH吲哚乙酸植物激素，少量能调节植物生长，量大则杀伤植物。如在侧链多一个 就失去生理效能。CH2吲哚的性质与吡咯类似，也可发生亲电取代反响，取代基进入-位。色氨酸利血平二、喹啉二、喹啉1喹啉的性质喹啉的性质1取代反响取代反响NNNNNNNO2NO2BrBrNSO3HNHNaNNH2+H2O浓HNO3H2SO4浓浓+H2SO4浓+Br2Ag2SO4H2SO4, 220KNH2.二甲苯10002氧化复原反响氧化复原反响NNNH100KMnO4CH3CH2OH, NaCOOHCOOH2喹啉环的合成法喹啉环的合成法斯克劳普斯克劳普Skraup法：法： 喹啉的合成方法有多种，常用的是斯克劳普法。是用苯胺与甘油、浓硫酸及一种氧化剂如硝基苯共热而生成。NNH2 CH2-CH-CH2OHOH OH+H2SO4硝基苯8491%2喹啉环的合成法喹啉环的合成法斯克劳普斯克劳普Skraup法：法：3喹啉的衍生物喹啉