亲电取代活性和取向

主要内容杂环化合物的分类和命名五元杂环化合物的亲电取代（活性比较，反应取向，已有取代基对亲电取代取向的影响）五元芳杂环的还原反应和Diels-Alder反应呋喃的酸性开环，呋喃的加成反应及其应用吡咯的酸性聚合，吡咯钾盐的反应吡啶N的碱性和亲核性吡啶环上的亲电取代（亲电取代活性和取向）吡啶的亲核取代喹啉和异喹啉的性质喹啉的Skraup合成法及机理第十五章杂环化合物目标要求1.掌握杂环化合物的分类和命名2.掌握五元杂环化合物的亲电取代反应3.掌握五元芳杂环的还原反应和Diels-Alder反应4.掌握呋喃的酸性开环，呋喃的加成反应及其应用5.掌握吡咯的酸性聚合，吡咯钾盐的反应6.掌握吡啶N的碱性和亲核性7.掌握吡啶环上的亲电取代8.掌握吡啶的亲核取代9.掌握喹啉和异喹啉的性质10.了解喹啉的Skraup合成法及机理杂环化合物（含杂原子的环状化合物）的类型：

芳香族杂环（本章重点）

普通杂环一、杂环化合物的分类和命名符合Hückel规则（i.环状,ii.共平面,iii.垂直平面的p轨道,

iv.4n+2p电子）共振能：16~29千卡/mol

均能发生芳香族化合物的典型反应——亲电取代反应

1HNMR在d=6~9ppm处有芳香族化合物的特征吸收杂环芳香族化合物的芳香性杂原子:sp2杂化问题：分析各杂原子未共用电子对的状况(1)

含一个杂原子的五元芳杂环五元芳杂环衍生物吡咯pyrrole呋喃furan噻酚thiophene3-乙基吡咯（b-乙基吡咯）吡咯烷pyrrolidine2,5-二氢吡咯2,3-二氢吡咯四氢呋喃(THF)

tetrahedrofuran分类的几种方式:i.

杂原子的类型和数目

ii.

环的大小（五元环或六元环）

iii.

环的个数例：杂环的种类和名称（3）含1个杂原子的六元环（2）含2个以上杂原子的五元环吡唑Pyrazole1,2-唑咪唑Imidazole1,3-唑噁唑Oxazole1,3-唑异噁唑Isoxazole1,2-唑1,2,4-三唑吡啶pyridine2-甲基吡啶（a-甲基吡啶）六氢吡啶（哌啶）piperidine（4）含2个以上杂原子的六元环哒嗪pyridazine嘧啶pyrimidine吡嗪pyrazine1,3,5-三嗪2-嘧啶酮尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶（5）多环杂环吲哚indole苯并呋喃benzofuran苯并噻酚benzothiophene苯并咪唑benzoimidazole喹啉quinoline异喹啉isoquinoline嘌啉purine

杂原子的性质杂原子对环的影响芳香性共轭二烯性质不饱和性二、含一个杂原子的五元芳杂化合物的性质（一）五元芳杂化合物的亲电取代反应亲电取代反应相对活性a-取代b-取代主要产物取代位置3×10186×10115×1091对取代位置的解释（分析反应中间体的相对稳定性）i.

取代在a位中间体有三个主要共振式，较稳定哪个共振式贡献最大？

ii.

取代在b位中间体有二个主要共振式，较不稳定

对亲电取代反应活性的解释

i.

由五元杂环的结构分析环上的电荷密度比苯环大

ii.

由反应中间体的稳定性分析满足八隅体对比：苯环亲电取代中间体的稳定性亲电取代反应举例提示：五元杂环较活泼，遇酸不稳定HNO3/H2SO4（硝化）或H2SO4（磺化）解决办法：用温和试剂替代氧化聚合分解反应剧烈强酸A=NH,O,S五元杂环的硝化反应硝化试剂吡咯和噻酚发生正常亲电取代反应硝基乙酰酯呋喃发生加成反应（呋喃的特殊性：共轭烯烃性质）机理加成消除磺化试剂：五元杂环的磺化反应吡啶-SO3加合物噻吩还可直接用硫酸磺化（活性大，较稳定）应用：除去苯或甲苯中的噻吩溶解于硫酸中（少量）反应快其它亲电取代

卤代反应

Friedel－Crafts反应

与重氮盐偶联较弱的Lewis酸环上已有取代基对亲电取代取向的影响四种单取代情况(给电子基)(吸电子基)(给电子基)(吸电子基)a位有取代基b位有取代基反应举例a位给电子基a位吸电子基a位吸电子基主要产物例外：呋喃的特殊性b位给电子基b位吸电子基主要产物主要产物

(i)a位有给电子基从中间体稳定性分析取代基对反应取向的影响二个共振式推电子基使稳定二个共振式推电子基未起作用三个共振式推电子基使稳定较稳定不稳定最稳定

(ii)

a

位有吸电子基二个共振式吸电子基使不稳定二个共振式吸电子基未起作用三个共振式推电子基使不稳定较稳定不稳定最稳定

(iii)

b

位有给电子基

三个共振式推电子基使稳定二个共振式推电子基未起作用三个共振式推电子基未起作用较稳定不稳定最稳定

(iv)

b位有吸电子基

三个共振式吸电子基使不稳定二个共振式吸电子基未起作用三个共振式吸电子基未起作用较稳定不稳定最稳定（二）五元芳杂环的其它反应还原成饱和杂环化合物使用特殊催化剂噻吩能使常用氢化催化剂中毒

C-S键易还原脱硫THF（常用溶剂）吡咯烷用RaneyNi催化氢化使噻酚还原脱硫其它脱硫的例子一种还原羰基至亚甲基的方法Diels-Alder反应（共轭二烯性质）呋喃的几个特殊反应

2,5-二取代呋喃的酸性开环合成上进一步应用——制备环戊烯酮衍生物芳香性最小362921~2216(kcal/mol)共振能对比1,4-二酮呋喃酸性开环机理呋喃的加成反应（呋喃的共轭二烯性质）例：与AcONO2的反应（前面已介绍）：例：2,5-二甲氧基-2,5-二氢呋喃对比：加成消除亲电取代

2,5-二甲氧基二氢呋喃的形成机理：

合成上的应用举例琥珀醛1,4-丁二醛缩酮结构呋喃a-H的弱酸性及其相关反应和应用例a-烷基取代呋喃思考题1：写出此步转变的机理思考题2：写出此步反应的产物。参考：教材p880,习题19-4,xiv？吡咯的一些特殊性质吡咯N的碱性很弱吡咯的质子化发生在环上（主要是a位），不在N上正电荷分散在多个原子上Kb~10-14~10-4正电荷集中在N原子上吡咯在酸性条件下发生聚合聚合机理:吡咯N-H的弱酸性吡咯钾盐的生成pKa~35~17.5~17~10吡咯钾盐的性质吡咯负离子的结构特点吡咯负离子的共振式烯胺负离子片断环上每个位置的负电荷密度均增大对比吡咯负离子的一些典型反应这三个反应与哪些反应相似？酚类化合物：Kolbe-Schmitt反应Reimer-Tiemann反应Fries重排吡啶的结构共振能：23卡/molsp2轨道有未共用电子对与苯相似有芳香性可亲电取代不饱和性可加氢还原象叔胺有亲核性和碱性N可被氧化有亚胺片断有亲电性与亲核试剂反应三、吡啶（六元芳杂化合物）的性质（一）吡啶的碱性和亲核性吡啶的碱性合成上作为有机碱Knoevenagel反应（p711）其它应用——制备吡啶盐试剂如磺化试剂例吡啶的亲核性吡啶的烷基化

N-甲基吡啶盐的重排N-甲基吡啶盐吡啶的酰基化及其应用酰基化机理酰基化试剂吡啶充当一个好的离去基团（二）吡啶环上的亲电取代取代位置和反应活性（例：吡啶的硝化）起强吸电子基作用对比：钝化

b取代其它亲电取代反应给电子基使亲电取代反应较易进行钝化

b取代(i)

由吡啶的共振式分析:环上带正电,不利于亲电取代b位的正电荷密相对较低，相对较为活泼对反应取向及钝化现象的解释

(ii)

反应中间体的稳定性分析取代在a

位（取代在g位类似）贡献最小，为什么？中间体有两个主要共振式取代在b

位中间体有三个主要共振式，较稳定环上已有给电子基的定位作用归纳一下，有什么规律？（三）吡啶环上的亲核取代反应通过氧化去氢或其它途径亚胺结构吡啶的亲电性吡啶的亲核取代通式亲核加成负氢消除NaNH2与吡啶的亲核取代——Chichibabin

反应机理:另一解释PhLi

与吡啶的亲核取代机理

a或g

卤代吡啶的亲核取代机理：制备a-吡啶酮的其它方法例：好离去基a-吡啶酮（仍有芳香性）反应易进行其它取代例子取代机理（四）吡啶的还原和氧化吡啶的还原吡啶环比苯环易被还原喹啉1,2,3,4-四氢喹啉十氢喹啉吡啶的氧化

氧化在侧链上

氧化在N上尼古丁(烟碱)烟酸N-氧化吡啶对比：叔胺的H2O2氧化胺氧化合物（五）N-氧化吡啶的性质（比吡啶）易发生亲电取代反应（有亲核性）对比反应活性不同取代位置不同主要产物（比吡啶）易发生亲核加成（有亲电性）对比：反应较快为什么N-氧化吡啶既有亲电性又有亲核性？(a)邻对位负电荷密度较大(1)N-氧化吡啶有两种形式的共振式有相似性保留吡啶的特点邻对位负电荷密度较大(b)有相似性(2)

反应的中间体较稳定(a)

亲电取代机理八隅体，较稳定(b)

亲核加成及进一步消除中间体比较稳定亲电性较强消除较易进行（六）吡啶a和

g

位侧链上的反应吡啶a和g位氢有弱酸性烯胺负离子共轭烯胺负离子有亲核性性质类似烯醇负离子(1)

与醛酮加成机理：类似于醛酮的什么反应？(2)Michael加成(3)

烷基化(4)Lewis酸作用下的加成反应机理：Lewis酸加强了a氢的酸性三种苯并五元杂环体系亲电取代反应：吲哚苯并呋喃苯并噻吩亲电取代在杂环上，为什么？四、含一个杂原子的苯并五元杂环体系亲电取代中间体分析：苄基型正碳离子较稳定有两个主要共振式较稳定

两种中间体均有一定的稳定性亲电取代反应举例：喹啉和异喹啉亲电取代氧化和还原反应结构和性质分析喹啉异喹啉碱性和亲和性亲电取代亲核取代氧化和还原反应支链上的反应杂环部分象吡啶碳环部分象萘五、含一个杂原子的六元杂环苯并体系喹啉的共振式分析：喹啉的性质不存在芳环保留一个芳环两个芳环(1)

喹啉的亲电取代反应通常5位与8位活性相当，为什么？从结构特点解释：苯环比吡啶环活泼结构类似萘环（萘的a位易取代）问题：5位带有dd+，为何与8位活性相当？例机理分析亲电取代反应举例由反应中间体的稳定性解释反应取向两个反应中间体稳定性差别不大，故5和8位活性相当。反常的取代现象及解释（了解）可能机理（非亲电取代机理）:(2)

喹啉的亲核取代反应

反应与吡啶类似Chichibabin反应取代卤素(3)

喹啉的氧化和还原氧化：在负电荷密度大的环上(4)

侧链的反应请写出反应的机理还原：在较不稳定的环上异喹啉的性质异喹啉的共振式分析(1)

异喹啉的亲电取代反应反常的取代取向（了解）机理试解释：为什么不取代3位的Cl？(2)

异喹啉的亲核取代反应取代卤素(3)

侧链的反应

3位上侧链不活泼，为什么