杂环芳烃讲解课件

4.7杂环芳烃

杂环化合物是一类具有环状结构，成环原子除碳原子外，还有其它元素的化合物。分子中含有的环状骨架叫做杂环。参与杂环组成的非碳原子叫做杂原子，常见的杂原子有氮，氧，硫三种原子。根据杂环化合物的定义，前面讨论过的如环醚，内酯，交酯，内酸酐和内酰胺等都属于杂环化合物。但这些化合物通常是由同一分子中的两个官能团，通过脱水或脱氨等反应环合而成的，容易开环变成原来的链状化合物，它们在性质上与相应的链状化合物相似，因此一般不把这些化合物放在杂环化合物中讨论，本章主要介绍具有芳香性的、结构和性质上与芳香族化合物相似的芳香杂环化合物。杂环化合物广泛存在于自然界中。如植物的叶绿素和动物的血色素分子中；石油，煤焦油中含有含硫、含氮及含氧的杂环化合物；许多药物如治疟疾的双磷酸伯氢喹，止痛的吗啡，抗结核的异菸肼。抗癌的喜树碱，抗菌素如青霉素，染料如靛蓝等都是杂环化合物。此外在工业上用作抽提芳烃，分离丁二烯的环丁砜和精制润滑油的糠醛以及高分子化学中出现的一些含有杂环结构耐高温的高聚物如聚苯并噻唑，聚苯并咪唑均属杂环化合物。4.7.1分类和命名(1)分类：杂环化合物的种类繁多，为了研究方便，常按杂环母体所含环的数目将其分为单杂环和稠杂环两大类。最常见的单杂环是五元环和六元环。稠杂环是由苯环与单杂环或者是由两个以上的单杂环稠合而成的。另外，在单杂环中根据所含杂环原子数目的多少分为：含一个杂原子的单杂环，含多个杂原子的单杂环等，而且杂原子可以相同或不同。(2)命名：杂环化合物的命名采用译音法。即把不带取代基的杂环英文名称直接音译后，选用同音汉字，再在左边加“口”字旁以表示环状化合物。杂环化合物的标号从杂原子开始，它们的衍生物的命名是将取代基名称放在相应杂环母核名称前，结构复杂的杂环化合物可将杂环当作取代基来命名。那种将杂环看作是相应碳环化合物中的碳原子被杂原子取代后的产物命名的方法，如将嘧啶看作是苯环上的碳原子被氮原子取代而成的化合物，称为“1,3-二氮杂苯的命名已被取消。4.7.2呋喃、噻吩、吡咯(1)呋喃、噻吩、吡咯的结构：五元杂环中比较重要的是呋喃、噻吩、吡咯，从它们的结构式中可以看出，它们都含有一个顺式共轭双键，均以1,3-环戊二烯为碳核。但环戊二烯很不稳定，在常温下能自发聚合成二聚体，而呋喃、噻吩和吡咯通常情况下都很稳定。

按照轨道杂化理论，呋喃、噻吩、吡咯分子中的碳原子为sp2杂化，杂原子也为sp2杂化，碳原子π轨道与杂原子上垂直于环平面的p轨道相互平行重叠，形成一个闭合的p－π共轨体系。其中，每个碳原子提供一个p电子，杂原子提供两个p电子，这种p－π共轭体系属于π56的多π电子环系。且X射线衍射测得呋喃、噻吩、吡咯的键长如下：与典型的键长数据相比较，可知呋喃、噻吩、吡咯分子中的C=C比典型的双键长，而碳与杂原子形成的单键缩短，分子中键长趋于平均化证明了它们分子中存在着环状大Л键的共轭体系。在结构上它们都符合休克尔的4n+2规则，即环上原子都共平面，四个碳原子各有一个电子在p轨道上，杂原子原有两个电子在p轨道上，且这些p轨道都垂直于键所在的平面，相互重叠形成闭合大Л键共轭体系，因此，这些五元环都具有芳香性。能发生芳香烃分子的特征反应亲电取代反应。但是，由于它们环中杂原子的电负性和电子结构不同于碳原子，使杂环上π电子云分布不均匀，键长虽有一定程度的平均化，但不象苯那样完全平均化，因此它们的芳香性比苯小，稳定性比苯差，而且芳香性随杂原子电负性的增大而减小，其芳香性顺序为：从电子结构上看，呋喃、噻吩、吡咯等都是多π电子共轭体系，杂原子实际上是给电子基，相当于取代苯中的致活基团，使环中碳原上的电云密度比苯大，比苯的性质活泼。比苯更容易发生亲电取代反应，尤其容易发生在α位；比苯容易氧化。它们在亲电取代反应中活泼性大小顺序为：在呋喃、噻吩、吡咯分子中都有大π键，说明它们有一定程度的不饱和性。因此，在一定条件下能发生加成反应，例如，发生加氢反应，生成饱和的杂环化合物，同时还能像1,3－丁二烯一样发生D-A反应等。（2）呋喃、噻吩、吡咯的性质：呋喃、噻吩、吡咯环系，广泛存在于各种生物体中，可以从天然物中提取制得，例如从稻草，玉米棒等植物茎中制取呋喃衍生物糠醛，糠酸等。工业上分馏煤焦油可得到噻吩和吡咯，但更常用的方法是人工合成这些杂环化合物。

①物理性质：呋喃存在于松木焦油中，无色液体，有氯仿的气味，难溶于水，易溶于乙醇、乙醚等有机溶剂，将它的蒸汽通过被盐酸浸饱过的松木时呈绿色，此反应叫木片反应，可以用来鉴定呋喃的存在。噻吩主要存在于煤焦油的粗苯（约含0.5%）中，石油中也含有少量的噻吩。噻吩是无色液体，有难闻的气味，难溶于水，易溶于乙醇，乙醚等有机溶剂。在浓酸存在下，它与靛红发生蓝色反应，反应很灵敏，可用于鉴定噻吩的存在。吡咯存在于煤油和柴油中，无色油状液体，有苯胺的气味，难溶于水，易溶于乙醇、乙醚等有机溶剂。它的蒸汽与盐酸浸湿的松木片反应，呈红色，可用来鉴定吡咯的存在。

吡咯极易发生卤化反应：硝化反应：呋喃、吡咯很容易被氧化，在与强氧化剂反应时，环本身被破环生成焦油，因此硝化反应一般用弱硝化试剂硝酸乙酰酯在温和的条件下进行。

噻吩比较稳定，可以用一般的硝化试剂进行硝化。

磺化反应：呋喃、吡咯对酸很敏感，强酸条件下能开环聚合，所以不能用硫酸直接磺化，常采用吡啶与三氧化硫的络合物作磺化剂进行反应：噻吩对酸较稳定，在室温下它能与浓硫酸发生磺化反应。付氏酰化反应:

B催化加氢：呋喃、噻吩、吡咯分子中都有一个顺式的丁二烯结构，具有不饱和性，能发生与H2加成反应。噻吩进行加氢反应时，需要特殊的催化剂如MoS2，因大多数催化剂容易被硫“毒化”而失效。

C环加成反应(cyclicaddition)

呋喃、吡咯分子中“顺丁二烯”部分，能作为双烯组份与亲双烯体发生Dids-Alder加成反应，即〔2+4〕型环加成反应。噻吩也可与特别活泼的炔化物发生类似的反应.

D吡咯的弱酸性:

从结构上看，吡咯是环状仲胺，但由于氮原子上的末共用电子对参与了环的共轭体系，使氮原子上电子云密度降低，因而减弱了与H+结合能力，其碱性比苯胺还弱。另外，由于氮原子上电子云密度大大降低，使得氮原子的氢显弱酸性，其酸性介于乙醇与苯酚之间。(3)呋喃、噻吩、吡咯的制法：呋喃的工业制法：α－呋喃甲醛（糠醛）和水蒸汽通过加热至400-450℃的催化剂（ZnO－Cr2O3-MnO2），糠醛即脱去羰基而生成呋喃。实验室则采用糠酸在铜催化剂和喹啉介质中加热脱羰而得。工业上，噻吩可以用丁烷、乙炔或丁二烯和硫迅速通过600-650℃的反应器然后迅速冷却制得。实验室则用丁二酸钠盐或1,4-二羰基化合物与三硫化二磷作用而得。

工业上可以用氧化铝作催化剂，用呋喃氨化在气相中反应制得吡咯，也可用乙炔与氨通过红热的铁管来合成。4.7.3吡啶（1）吡啶的结构：从结构上看，可认为吡啶是苯分子中的一个CH基团被N原子所取代。按照轨道杂化理论，吡啶分子中的五个碳原子和一个氮原子经过sp2杂化成键，分子中所有原子都在一个面上，每个原子都由一个未杂化的p轨道相互平行交盖，形成闭合的π－π共轭体系。吡啶的结构符合休克尔规则，所以它具有芳香性，能发生芳香烃的亲电取代反应。由于吡啶氮上的一对末共用电子不参与共轭，而氮原子有吸电子的诱导作用，使吡啶分子中各原子上的电子云密度降低，故它发生的亲电取代反应较苯要难，且主要进入了β位；吡啶可发生亲核取代反应，主要进入α及г位。正是由于吡啶环上氮原子的吸电子诱导作用，使吡啶的活泼性比苯小，对氧化剂较稳定，环上有侧链时，侧链被氧化，也难于发生开环反应。(2)吡啶物理性质：吡啶是无色且具有特殊臭味的液体，能与水、乙醇、乙醚等有机溶剂互溶，并能溶解很多有机化合物和无机盐，因此，有机合成中常用作溶剂。其1HNMR和13CNMR如下：图4-21吡啶的1HNMR和13CNMR图谱(3)化学性质:①取代反应：由于吡啶环上氮原子有吸电子作用，使环上电子云密度降低，亲电反应活性比苯难，类似于硝基苯，且主要发生在β位上。另外，在酸性介质中，吡啶首先与酸形成盐，使氮原子带正电荷（共轭酸离子），增加了吸电子的能力，亲电反应更加难以进行，甚至有的亲电反应不能发生，如付氏烷基化及酰基化反应。此外，吡啶还可以发生亲核取代反应，与强亲核试剂反应，主要生成α位取代物。②氧化与还原反应：吡啶较苯稳定，不易被氧化剂氧化，但吡啶的烃基侧链α位碳原子上的氢很活泼，由于吡啶环缺电子，所以α位碳原子的氢比苯环苄位上的氢更活，容易被氧化。吡啶经催化加氢或用乙醇-钠还原，可得到六氢吡啶。六氢吡啶又叫哌啶，为无色有氨臭的液体，易溶于水，乙醇和乙醚，具有二级胺的特性，碱性比吡啶强，常用作溶剂及有机合成原料。③吡啶的弱碱性：吡啶氮原子上有一对末共用的电子在SP2杂化轨道上,且末参与共轭体系，可以和质子结合，表现出碱性。吡啶是一个弱碱（Kb＝2.14×10-9）比脂肪族叔胺碱性弱得多（Kb=10-4），但比苯胺强（Kb=4.6×10-10）。它能与强酸反应生成盐，也可与卤代烃结合生成相当于季铵盐的产物。这种盐能发生分子重排，烷基从氮原子转移到α或г碳原子上。吡啶的工业制法：吡啶的主要工业来源是从煤焦油分馏中得到的。近年来，随着石油工业的发展，吡啶及其取代衍生物主要是以石油产品为原料，通过合成方法来制得，乙炔和氨反应是工业上制备烷基吡啶的好方法。4.7.4其它杂环化合物(1)呋喃甲醛：α－呋喃甲醛俗称糠醛，是呋喃的重要衍生物之一，纯α－呋喃甲醛为无色液体，可溶于水，在空气中放置过久则氧化为黑色，α－呋喃甲醛可发生银镜反应，在醋酸存在下，与苯胺作用显红色，可用来检验α－呋喃甲醛。工业上α－呋喃甲醛可用农副产品如米糠，秆，玉米芯，棉子壳等来制取。这些化合物中所含的多缩戊糖在稀硫酸作用下水解为戊糖，戊糖再进一步脱水环化得呋喃甲醛。α－呋喃甲醛具有醛基常见的性质。将之进一步反应，可得到有用的中间体。在α－呋喃甲醛分子中，与醛基相连的碳原子上没有α－H原子，可以发生坎尼扎罗反应。糠醛是常见的优良溶剂，是有机合成的重要原料，可用来生产酚醛树酯，糠醛树酯，药物等化工产品。(2)甲基吡啶：甲基吡啶有3个同分异构体，它们都是重要的化工原料。α和γ-甲基吡啶中甲基上的氢很活泼，有一定的酸性，可以进行缩合，如：

α－呋喃甲醛经高温氯代反应，可生成一种氮肥增效剂。(3)4-(N，N-二甲氨基)吡啶：4-(N，N-二甲氨基)吡啶(DMAP)可由吡啶与二氯亚砜和二甲氨反应制得。

是近年来发现的非常好的酰化反应催化剂，反应条件温和，用量少，酰化产物收率高，已在制药、染料、香料等工业生产中使用。(4)喹啉：喹啉最早是1834年由Rungl从煤焦油中分离得到的，它存在于煤焦油和骨油中，是苯环与吡啶环稠合而成的化合物，无色油状液体，有特殊的臭味，难溶于水，易溶于有机溶剂。有弱碱性（pKb=9.1），与酸可以生成盐。

喹啉是很有用的高沸点溶剂及医药中间体。它及其衍生物的制备常用Skroup法合成，即用甘油在浓硫酸作用下脱水生成丙烯醛，丙烯醛再和苯胺加成生成β－苯基丙醛，再经环化脱水生二氢喹啉，最后被硝基苯氧化脱氢生成喹啉。此反应实际上是一步完成的。用其它芳胺及不饱和醛、酮代替苯胺和丙烯醛，可以制取各种喹啉的衍生物，例如：喹啉是苯并吡啶，由于氮原子的吸电子性质使吡啶环上电子云密度比苯环上要小，因此亲电子取代反应通常进攻苯环的５，８位,而亲核取代反应主要发生在吡啶环的２位上。

喹啉在发生还原反应时，一般是分子中的含氮环首先被还原，在乙醇溶液中用金属钠还原喹啉，可得到四氢化喹啉，进一步催化还原可得到十氢喹啉。强氧化剂使苯环被氧化，生成吡啶二酸。异喹啉是喹啉的同分异构体，也存在于煤焦油和骨油中，从煤焦油中得到的粗喹啉中异喹啉约占1%。由于异喹啉相当于苄胺的衍生物，故异喹啉的碱性（Pkb=8.6）比喹啉（Pkb=9.1）强，利用碱性的不同可将它们分开。工业上常利用喹啉的酸性硫酸盐溶于乙醇，而异喹啉不溶的性质将二者分离。异喹啉的化学与喹啉相似。Problems1NameeachoffollowingcompoundsbyIUPAC.2Writeastructureforeachcompound.2-methylpyridine5-methylquinnoline3-pyrodinecarboxylicacid2,5-dinethylpyrrole2-chloro-3-methylfuran3-methylindole2-ethylfuafural8-hydroxyquinnoline2,5-dichloropyridine3.outlineasynthesisforeachofthefollowingcompounds,startingfromnonhetrocyclicprecursors.

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