第四章含氧五员杂环及其稠环体系

1、第四章,含氧五员杂环及其稠环体系,4 含氧五员杂环及其稠环体系,4.1 五元杂环的简介 4.2 呋喃 4.2.1结构和物理性质 4.2.2化学性质和反应 4.2.3合成方法 4.3 苯并呋喃 4.4 四氢呋喃,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,3,五元杂环,呋喃,噻吩,吡咯,噁唑,噻唑,咪唑,吡唑,4.1 五元杂环的简介,4.1.1 五元杂环的命名,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,4,五元杂环苯并体系,苯并呋喃 (benzofuran),苯并噻吩 (benzothiophene),苯并吡咯 吲哚 (indole),第四章 含氧五元杂环及稠环体系,5,4.1.2 五元杂环的结构,呋喃、噻吩、吡咯的

2、结构,呋喃 噻吩 吡咯,呋喃、噻吩、吡咯电子数符合休克尔规则（4n+2），因此具有芳香性。,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,6,呋喃,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,7,噻吩,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,8,吡咯,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,9,在呋喃、噻吩、吡咯分子中，是由5个原子，6个电子组成的共轭体系，使环上碳原子的电子云密度增加，所以称为富电子芳杂环或多电子芳杂环。 进行亲电取代反应比苯和吡啶容易。 吡咯分子中的氮原子上连有一个氢原子，由于氮原子的p电子参与了环上共轭，降低了对这个氢原子的吸引力，使得氢原子变得比较活泼，具有弱酸性。,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,10,由此可

3、见，苯分子中的键长完全平均化，而五元杂环化合物分子中的键长只是有一定程度的平均化。因此，五元杂环化合物的芳香性比苯差。,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,11,离域能： 150.5 117 88 67 kJ / mol,芳香性次序是：,稳定性不如苯环； 呋喃和吡咯在强质子酸环境中，都容易开环。,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,12,五元杂环化合物具有芳香性的另一个标志就是环上的氢受离域电子环流的影响，其核磁共振信号都出现在低场区。- H 由于受杂原子吸电子诱导效应的影响，其值较大。,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,13,五元杂环化合物的化学性质,呋喃、吡咯和噻吩容易进行亲电取代反应。 它们的亲电

4、取代反应都比苯活泼(吡咯呋喃噻吩苯)，其活泼性同苯酚、苯胺相似。 由于它们的高度活泼性以及呋喃和吡咯对于无机强酸的敏感性，其亲电取代反应需要比较温和的条件。,4.2 呋喃,4.2.1 结构和物理性质,所有原子都在一个平面上，形成一个略微变形的正五角形。 四氢呋喃的偶极矩为1. 75 D，而呋喃只有0.75 D,说明呋喃环上氧的负电荷远不如四氢呋喃的氧，在组成大键时它确实失去部分负电荷。,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,15,呋喃环碳净得到一些负电荷,a-碳比-碳略多。这可解释呋喃易发生亲电反应，a-位又易于-位。,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,16,呋喃环中单双键的这种平均化程度还是较小的，

5、2-3和4-5间还较接近双键。事实上，呋喃环有明显的共轭双烯的化学性质。,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,17,1.亲电取代反应 呋喃发生亲电取代反应的速度要比苯快。原因如下: 呋喃的共振能比苯低； 呋喃环上每个原子的电子密度大于1，而苯环上每个原子的电子密度等于1。,4.2.2化学性质和反应,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,18,4.2.2化学性质和反应,呋喃很容易发生卤化反应，而且往往得到多卤化物。呋喃在温和条件下(如溶剂稀释及低温)反应可得一卤代产物；,(1) 卤化,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,19,(2) 硝化,呋喃通常用较温和的硝化试剂硝酸乙酰酯在低温下进行反应；,呋喃在此反应中

6、先生成稳定或不稳定的2,5-加成产物,然后加热或用吡啶除去乙酸,得硝化产物。,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,20,(3)磺化,呋喃常用较温和的磺化试剂吡啶与三氧化硫加合物进行反应,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,21,(4) 酰化,呋喃可用酸酐或酰氯在傅-克催化剂作用下发生酰化反应；,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,22,2. 金属化反应,正丁基锂的己烷溶液可使呋喃2-位金属化。,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,23,3. 加成反应,催化氢化 呋喃较易氢化,生成四氢呋喃；呋喃可用一般催化剂。,THF,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,24,1,4-加成反应 在某些加成反应中，呋喃的性质类似于1

7、,3一二烯烃。如呋喃的甲醇溶液在乙酸钾存在下和溴发生1,4-加成反应，生成2，5-二甲氧基-2，5-二氢呋喃。,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,25,Diels-Alder加成反应 呋喃和马来酸酐能发生Diels-Alder加成反应，进一步表明呋喃和1,3一丁二烯的性质类似。,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,26,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,27,4.开环反应,呋喃在质子酸的作用下，在2-位而不是在氧原子上发生质子化。,1,4-二碳基衍生物2,5-己二酮。,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,28,4.2.3 合成方法,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,29,在酸碱平衡中，酸加到1,4-二羰基体

8、系13中的一个羰基上，使第2个羰基能与其发生分子内亲核反应形成14；最后，在酸催化下，发生-消除反应。,1. 1,4-二羰基化合物 （Paal-Knorr反应）,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,30,2. Feist-Benary合成,a-卤代羰基化合物和-酮羧酸酯发生环缩合反应生成3-呋喃酸。,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,31,环状的1，3-二酮也可以与-卤代碳基化合物反应生成呋喃衍生物。,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,32,C烷基化(Paal-Knorr反应)和羟醛缩合(Feist-Benary反应)之间的竞争 。,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,33,3.噁唑环与活泼的炔烃进行Di

9、els-Alder反应,4-甲基一1 ，3 - 噁唑(20)和丁炔二酸二甲酯反应，经过不易分离的中间体21，生成呋喃-3，4一二羧酸酯(22)。,第一步是4+2环合反应，第二步是4十2开环反应。,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,34,4.3 苯并呋喃,4.3.1结构和物理性质,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,35,由于与苯环稠合，苯并呋喃比呋喃稳定得多。 苯并呋喃环仍然是富电子芳香环，以与亲电试剂反应为特征。 苯并呋喃与亲电试剂反应时，主要发生在a-位。 但2,3位上仍有较明显的双键性质，容易发生加成反应。,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,36,4.3.2 苯并呋喃的化学性质,1.亲电加成反应

10、 （1）硝化 苯并呋喃可直接用硝酸硝化得2-硝基苯并呋喃，同时产生少量的5-硝基苯并呋喃。,如-位已被其他基团所占，则反应发生在-位。,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,37,(2) 在Vilsmeier甲酰化条件下，生成苯并糠醛;,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,38,2. 2+2环加成反应,和呋喃不同的是，由于苯并呋喃中的苯环有很高的共振能，因而不会发生【4+2】环加成反应。 与丁炔二酸二甲酯反应生成环丁烯衍生物。,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,39,在-78时，2,3-二甲基苯并呋喃经光氧化生成二氧杂环丁烷衍生物，该衍生物在室温下可异构化成2一乙酰氧基苯乙酮。,第四章 含氧五元杂环及稠环

11、体系,40,4.3.3苯并呋喃的制备方法,1.苯并b呋喃最早是由从香豆素制得的； 反应中间体3,4-二溴-3，4-二氢香豆素在KOH作用下生成苯并b呋喃的反应叫Perkin重排反应。,苯并b呋喃曾经叫香豆酮。,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,41,由香豆素溴化后经开环再成环为苯并呋喃环。,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,42,2.苯并b呋喃也可由苯酚盐和卤代酮反应，然后在H2SO4、多聚磷酸或分子筛作用下发生环化脱水而生成:,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,43,3.在PdI2/硫脲/ CBr4共催化体系作用下，(邻-羟基芳基)乙炔可环化生成过渡金属中间体3,3在甲醇中羰基化生成苯并b呋喃-3

12、-羧酸酯。,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,44,4.4 四氢呋喃,4.4.1结构和物理性质,四氢呋喃中C-O及C-C间的键长为分别142.8pm和153.5pm，这些数值与二烷基醚中相应的键长接近。,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,45,四氢呋喃的氢原子和碳原子的核磁共振化学位移如下所示:,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,46,上述数值符合典型的二烷基醚结构，而与呋喃的数值明显不同。 与氧杂环丁烷相似，四氢呋喃可以发生亲核开环反应。,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,47,4.4.2 四氢呋喃的化学反应,1.四氢呋喃与盐酸一块加热得到4-氯丁基-1-醇。,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,48,2.烷基锂，如正丁基锂也会导致开环。 首先，形成四氢呋喃-2-锂，它在室温下会通过逆3+2环合过程缓慢分解，生成乙烯和乙醛的烯醇锂:,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,49,4.4.3四氢呋喃的制备方法,1.合成四氢呋喃衍生物的最简单方法是1,4-二醇脱水。,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,50,2.另一种合成四氢呋喃衍生物的方法是，-不饱和醇的关环。,第四章 含氧五元杂环及稠环体系,51,三、四章作业,1.以环庚烯(X)为起始原料依次发生下列反应： （1）X与间氯过氧苯甲酸发生反应，生成A; （2）A与C6H5SH在六氟