第二十章-杂环化合物

第二十章_杂环化合物第一节杂环化合物得分类成环得原子(即环上得原子)除C原子外,还有其她原子(叫杂原子)得环状化合物,叫“杂环化合物”。常见得杂原子有N、O、S,其中以N为最多。杂原子可以就是1个也可以就是多个。杂环化合物根据结构和性质得不同。可以分两类:芳香性杂环:环比较稳定,具有一定程度得芳香性。比如:吡啶。脂杂环:没有芳香性,她们得性质与杂原子有关。非芳香性杂环虽有杂原子,但她们很易开环,性质和相应得链状化合物很相似,一般不放在杂环化合物中讨论,而本章主讨论前一类。(非芳香性杂环)一、脂杂环没有芳香特征得杂环化合物称为脂杂环。三元杂环四元杂环五元杂环七元杂环(氮杂环丙烷)(β-丙内酯)(β-丙内酰胺)(顺丁烯二酸酐)(氧杂)(1H-氮杂)(环氧乙烷)二、芳杂环

具有芳香特征得杂环化合物称为芳杂环五元杂环六元杂环呋喃噻吩吡咯吡啶嘧啶吡喃(无芳香性)苯并杂环杂环并杂环吲哚喹啉异喹啉嘌呤一、杂环母体得命名

常用音译法,就是按照英文名称得音译,选用同音汉字在加“口”字旁,表示环状化合物。第二节杂环化合物得命名9大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流二、环上有取代基编号原则:(1)从杂原子开始依次用1、2、3…表示(异喹啉例外),或依次用α、β来表示。(2)当环上含有二个或两个以上得杂原子时,则按O→S→N得顺序编号,并使杂原子得位次之和尽可能得小。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)六元杂环吡啶(pyridine)吡喃(pyran)杂环并杂环喹啉(quinoline)异喹啉(isoquinoline)嘌呤(purine)六元杂环苯并环系2-呋喃甲醛3-吲哚乙酸(α-呋喃甲醛)

(β-吲哚乙酸)

一、结构:第三节呋喃、噻吩、吡咯得结构和物性吡咯得结构N原子sp2杂化,孤电子对在p轨道上。富电子π体系结构:吡咯N就是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,环上相当于有一个邻对位定位基。吡咯得结构:呋喃得结构:形成5原子6电子共轭体系,符合(4n+2)规则,具有一定得芳香性,并且环上电子云密度比苯高,比苯更易发生亲电取代反应,尤其就是在α位上。亲电取代活性次序为:

吡咯>呋喃>噻吩>苯五元芳香杂环得结构特点及其特性:2、由于环上电子云分布不如苯环均匀,所以芳香性较差,其芳香性次序就是:

离域能:150、51178867kJ/mol二、物性偶极矩方向:1、呋喃、噻吩、吡咯得质子化反应2、呋喃、噻吩、吡咯得亲电取代反应3、呋喃、噻吩、吡咯得加成反应 第四节呋喃、噻吩、吡咯得反应一、呋喃、噻吩、吡咯得质子化反应分子接受一个质子得反应称为质子化反应、(1)呋喃、噻吩、吡咯在酸得作用下可质子化;(2)质子化反应主要发生在C-2上;α-C质子化β-C质子化N-质子化(3)由于α-C得质子化反应,吡咯在强酸作用下会因聚合而被破坏;(4)在稀得酸性水溶液中,呋喃得质子化在氧上发生并导致水解开环。二、呋喃、噻吩、吡咯得亲电取代反应*1亲电取代反应得活性顺序为:π电子密度:1、概述吸电子诱导:O(3、5)>N(3、0)>S(2、6)给电子共轭:N>O>S综合:N贡献电子最多,O其次,S最少八隅体结构最稳定无最稳定结构σ-络合物得稳定性*2取代反应主要发生在杂原子得α-C上;*3杂原子和取代基得定位效应(P883)杂原子得定位效应:第一取代基进入到杂原子得α-位。取代基得定位效应:(1)

3位上有取代基时,呋喃、吡咯、噻吩得定位效应一致。(2)2位上有取代基时,吡咯、噻吩得定位效应一致,情况如下:2-取代得呋喃,原有得任何基团都使得第二基团定位进入C－5位:2、呋喃、噻吩、吡咯得硝化反应呋喃,噻吩和吡咯易氧化,一般不用硝酸直接硝化;通常用比较温和得非质子硝化试剂,如:硝酸乙酰酯,反应在低温下进行。硝酸乙酰酯呋喃比较特殊,先生成稳定得或不稳定得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、吡咯得磺化反应吡咯、呋喃不太稳定,所以须用温和得磺化试剂磺化。常用得温和得非质子得磺化试剂有:吡啶与三氧化硫得加合化合物。噻吩比较稳定,既可以直接磺化(产率稍低),也可以用温和得磺化试剂磺化。常用此法除去苯中含有得少量噻吩3、呋喃、噻吩、吡咯得卤化反应反应强烈,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。4、呋喃、噻吩、吡咯得傅氏酰基化反应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、噻吩得酰化反应在α-C上发生,而吡咯得酰化反应(不用催化剂)既能在α

-C上发生,又能在N上发生。在

-C上发生比在N上发生容易。5、呋喃、噻吩、吡咯得傅氏烷基化反应总体看,在合成上无实用价值。补:吡咯得弱酸性和弱碱性(1)吡咯虽然就是一个仲胺,但碱性很弱。只能很慢地溶解在稀酸溶液中,此溶液稍微加热则成为吡咯红(聚合物);浓酸则使其树脂化。(2)吡咯具有弱酸性,(其酸性介与乙醇和苯酚之间)

故吡咯能与固体氢氧化钾加热成为钾盐,与格氏试剂作用放出RH而生成吡咯卤化镁。1CO22H2O/H+吡咯钾盐和吡咯卤化镁都可用来合成吡咯衍生物。三、呋喃、吡咯、噻吩得加成反应1、加氢反应四氢呋喃(THF)四氢吡咯2、Diels-Alder反应呋喃最易发生Diels-Alder反应补:糠醛1、制备:主要原料:农副产品、甘蔗渣、花生壳、高粱秆、棉子壳,用稀酸加热蒸煮制取

2、糠醛得性质

补、噻唑和咪唑

含有两个杂原子得五元杂环,若至少有一个杂原子就是氮,则该杂环化合物称为唑。吲哚卟啉化合物——吡咯衍生物卟吩环:四个吡咯环和四个次甲基(—CH=)交替相联组成得大环卟啉化合物广泛地存在于自然界,如血红素、叶绿素1、血红素:

中心离子就是Fe2+,功能:输送氧;CO与血红素得结合能力大于O2,故呼吸CO就会中毒。2、叶绿素:

中心离子就是Mg2+,1948年测定了她得结构,1960年全合成(30几步),Fisher测定了结构,Woodward全合成,死后拿了诺贝尔奖金。3、维生素B12:中心离子就是Co,存在于动物肝脏中,暗红色针状结晶,就是治疗抗恶性贫血得药物,就是天然产物最复杂得结构之一。早在1926年就发现动物肝可以医治恶性贫血,从而生物化学家便开创了对肝中以医治恶性贫血得有效成分得研究。但由于她在肝中含量太少,而且在提纯过程中易分解,所以在较长时期无进展。直到1948年才分出了纯得暗红色B12晶体,因此,关于B12得结构又成为有机化学研究对象之一。至1954年,用X-射线衍射得方法才确定了上述结构。此后又经过十几年以及十几个国家科学工作者得努力,于1972年完成了VB12得全合成。VB12第五节吡啶得结构和物理性质N原子上得孤电子对在sp2杂化轨道上。=2、22D=1、17D分子共平面闭壳层共轭体系(4n+2),具有芳香性,键孤对电子未参与共轭体系——碱性:电子云密度分布不均匀:N>β>γ>α

亲电取代反应在β－位亲核取代反应在α－位或β－位1、43吡啶结构:吡啶N就是sp2杂化,孤电子对不参与共轭。反应:

1、碱性较强。2、环不易发生亲电取代反应却能发生亲核取代反应。3、发生亲电取代反应时,环上N起间位定位得作用。4、发生亲核取代反应时,环上N起邻对位定位得作用。吡啶N碱性和亲核性得反应—————生成吡啶盐第六节吡啶得反应一、芳环亲电取代反应CH3IRCOClH+石油醚NO2+BF4-

乙醚室温SO3Br2CCl4吡啶盐得重要用途:可用来做温和得磺化、硝化、卤化、烷基化、酰基化得试剂在C上发生亲电取代反应————β－位取代反应特点*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;亲电取代活性:*3吡啶环上有给电子基团时,反应活性增高;*4吡啶N可以看作就是一个间位定位基。3、吡啶亲电取代得反应机理:在温和条件下,亲电试剂主要与N反应;在强烈条件下,C取代为主。二、吡啶得亲核取代反应1、置换氢得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得接受体;*2亲核取代优先在α位上发生,如果α位上有取代基,则反应在γ位上发生。(1)烷基化、芳基化反应---------用RLi或PhLi作试剂(2)齐齐巴宾(Chichibabin,A、E、)反应——氨化吡啶与氨基钠作用生成2-氨基吡啶得反应称为齐齐巴宾反应。H2O+NaNH2100oCC6H5N(CH3)22、置换易离去基团得亲核取代反应如在α,γ位有好得离去基团,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、对位活化)。三、吡啶得氧化还原反应吡啶环本身不易被氧化,但她得侧链很容易被氧化成醛或羧酸。(N－氧化吡啶)四、还原反应六氢吡啶五、吡啶侧链α-H得反应2,4,6-位烷基得

-H与羰基

-H相似醇醛缩合型第七～十一节自习第十二节苯并六元杂环－喹啉喹啉就是由苯环和吡啶稠合而成得杂环化合物一、喹啉得结构所以:亲电取代主要进入5或8位亲核取代主要进入2或4位发生氧化时,在苯环上发生还原时,在吡啶环上二喹啉得反应1、成盐:碱性强弱:喹啉＜吡啶成盐反应:2、亲电取代:亲核取代反应3、氧化和还原反应4、亲核取代反应