第十四章杂环化合物.ppt

1、第十四章 杂环（芳香族）化合物,1. 杂环芳香族化合物（类型，命名） 2.五员芳杂环的亲电取代（活性比较，反应取向，已 有取代基对亲电取代取向的影响）；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。,3.吡啶的碱性和亲核性亲电取代，亲电取代活性和取向； 吡啶的亲核取代；吡啶的还原和氧化（氧化剂及氧化产物） N-氧化吡啶的性质（亲电性和亲核性）；吡啶2和4位侧链上的反应（亲核加成和取代）。,4.苯并五员杂环的亲电取代 5.喹啉和异喹啉的性质（亲电取代，亲核取代，取代的取向，氧化和还原及取向，侧链上的反应）；喹啉的Skraup合成法及

2、机理,学习要求,杂环化合物（heterocyclic compounds）是指构成环的原子除碳原子外还有其它原子的环状有机化合物。碳原子以外的原子，称为杂原子（heteroatoms），常见的杂原子有氧、硫、氮等。在自然界存在大量的杂环化合物，加上人工不断合成新的杂环，实际上杂环化合物是有机化合物中数量最庞大的一类，此类化合物已引起化学家越来越多的重视。,大多数杂环化合物具有芳香性，符合Hckel规则，是一种稳定的环状共轭体系，但也有些杂环化合物不具有芳香性，如：,四氢呋喃 六氢吡啶 二噁烷 -吡喃 咪唑啉,对于一些从形式上看是含杂原子的有机化合物，但其性质与相应的开链化合物极相似，则不看作是

3、杂环化合物。如环状内酯，环状酰胺成环状酰亚胺等。,N,H,O,O,O,N,N,H,O,杂环化合物分类: 单杂环与稠杂环两大类； 根据是几元环可以把杂环分为三元、四元、五元、六元等杂环； 根据杂原子数目又可以分为含一个杂原子、含两个杂原子或含三个杂原子等杂环； 还可以根据杂原子种类分为含氧杂环、含硫杂环、含氮杂环和含磷杂环等。,含一个杂原子,呋喃 噻吩 吡咯,含二个杂原子,含一个杂原子,含二个杂原子,单杂环,五元杂环,六元杂环,咪唑 吡唑 噻唑 噁唑,吡啶 r-吡喃 -吡喃,嘧啶 吡嗪 哒嗪,苯并呋喃 吲哚 苯并噻唑,五元杂环与 苯环稠合体系,六元杂环与 苯环稠合体系,杂环与杂环 稠合体系,喹啉

4、 异喹啉,嘌呤 蝶呤,稠杂环,常见杂环化合物的分类、命名,(indole),当环上连有烷基、硝基、卤素、羟基、氨基等取代基时，以杂环为母体； 当环上连有醛基、羧基、磺酸基等时，将杂环作为取代基，取代基位置用数字编号，杂原子编号应最小，如有不同种类杂原子，则按O，S，N的顺序由小到大编号。例如：,5-乙基噻唑 4-氨基嘧啶 2-甲基-5苯基噁唑,2-呋喃甲醛 3-吡啶甲酸,芳香族杂环,本章重点,符合Hckel规则（1. 环状, 2. 共平面, 3. 垂直平面的p轨道, 4. 4n+2 p电子） 共振能：1629 千卡/mol 均能发生芳香族化合物的典型反应亲电取代反应 1H NMR在 d=69p

5、pm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：,第一节 含一个杂原子的五员芳杂化合物,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,由于在氧、氮、硫三种原子中，氧原子电负性较大，呋喃环中氧原子周围电子云密度较大，削弱了电子的共轭，故呋喃的芳香性最小，实际上它已表现出部分二烯的性质。硫原子电负性较小，原子半径又大，硫原子对电子的吸引力因而较小，故噻吩环上电子共轭程度增强，电子云分布较均匀，所以具有较强的芳香性，氮原子介于氧和硫之间，使得吡咯的芳性也介于呋喃和噻吩之间。从以上分析可知有下面的芳香性顺序：,芳香性：苯 噻吩 吡咯 呋喃,1 五员芳杂化合物的亲电取代反应,

6、反应相对活性,a-取代,b-取代,主要产物,取代位置,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,中间体较稳定,ii. 取代在b位,中间体只有二个主要共振式,中间体较不稳定,对亲电取代反应活性的解释,i. 由五员杂环的结构分析,杂原子起给电子基的作用，环上的电荷密度比苯环大,ii. 由中间体的稳定性分析,比较：苯的亲电取代,满足八隅体 （较稳定）,未满足八隅体 （较不稳定）,亲电取代反应举例,注意：五员杂环较活泼，遇酸不稳定,硝化：HNO3/H2SO4 磺化：H2SO4,用温和试剂代替,（1） 五员杂环的硝化反应,硝化试剂,吡咯和噻酚发生正常亲电取

7、代反应,呋喃发生加成反应（特殊，共轭烯烃性质）,机理：,磺化试剂：,（2） 五员杂环的磺化反应,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,（3）其它亲电取代,卤代,FriedelCrafts反应,与重氮盐偶联,2 环上已有取代基对亲电取代取向的影响,四种单取代情况,反应举例,a 位给电子基,a 位吸电子基,b 位给电子基,b 位吸电子基,(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

8、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,3. 五员芳杂环的其它反应,（1） 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）,THF（常用溶剂）,吡咯烷,用Raney Ni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

9、亚甲基的方法,（2） Diels-Alder反应（共轭二烯性质）,（3） 呋喃的几个特殊反应,(i) 2, 5-二取代呋喃的酸性开环反应（成 1, 4-二酮）,合成上进一步应用制备环戊烯酮衍生物,呋喃的芳香性较小,呋喃酸性开环机理:,(ii) 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）：,比较,例：,2, 5-二甲氧基-2, 5-二氢呋喃,2, 5-二甲氧基二氢呋喃的形成机理：,合成上的应用举例,（1）吡咯N的碱性很弱，不能与质子结合,吡咯的质子化发生在环上（主要是a位）,4. 吡咯的一些特殊性质,正电荷仅集中在氮原子上,正电荷分散在多个原子上,（2）吡咯在酸

10、性条件下发生聚合,聚合机理:,（3） 吡咯N-H的弱酸性,吡咯钾盐的生成,（4） 吡咯钾盐的性质,吡咯负离子 的结构特点,共振式,有烯胺负离子片断,烯胺,环上每个位置均带负电荷,吡咯负离子的一些典型反应,这些反应与那几个反应相似？,几个相似的反应（酚类的反应）,吡咯负离子与苯氧基负离子有相似性,烯醇负离子片断,烯胺负离子片断,呋喃、吡咯和噻吩环的制备方法，常采用1,4-二羰基化合物为原料。,5. 呋喃、吡咯和噻吩环的制法,吡咯环还常用克诺尔（knorr）合成法来合成，此法是由-氨基酮与-二羰基化合物（如-酮酸酯）发生缩合反应。,H,2,C,+,N,H,2,H,3,C,C,O,H,2,C,C,O

11、,O,C,2,H,5,C,O,C,H,3,H,+,N,H,C,H,3,C,O,O,C,2,H,5,H,3,C,6、含两个杂原子的五元杂环,环中含有二个杂原子的体系称为唑（azole），根据杂原子的位置不同，可以分为1,2-唑与1,3-唑。当杂环化合物含有不同的杂原子时，按氧、硫、氮的顺序编号，并使杂原子的编号最小。,1,2-唑,异噁唑 异噻唑 吡唑,(isoxazole) (isothiazole) (pyrazole),b.p 95 b.p 113 b.p 118 m.p 70,1,3-唑,噁唑 噻唑 咪唑,(oxazole) (thiazole) (imidazole),b.p 70 b.

12、p 117 b.p 263 m.p 96,咪唑的分子结构,在噁唑、异噁唑分子中，由于氧原子的吸电子效应，使氮原子供电能力减弱，故碱性下降，尤其是异噁唑的碱性最弱。它们的共轭酸pKa数据证明了这一点。,pKa -2.03 1.3 2.4 2.5 7.0,1,3-唑及1,2-唑与呋喃、噻吩、吡咯类似，都可以发生亲电取代反应，但由于唑分子中增加了一个吸引电子的氮原子，降低了环上的电子云密度，因而唑的亲电取代的反应活性较呋喃、噻吩、吡咯为低。1,2-唑与1,3-唑的亲电取代反应的活性顺序有：,1,2-唑,1,3-唑,唑发生亲电取代反应时，取代的位置与呋喃、噻吩、吡咯有所差别。1,2-唑取代位置都在4-

13、位，咪唑环的取代位置也在4-位，而噻唑环的取代位置都以 5-位为主。,N,N,H,N,H,N,N,N,H,N,H,N,B,r,O,2,N,B,r,2,A,c,O,H,-,H,2,O,H,N,O,3,H,2,S,O,4,N,H,N,O,2,N,第二节 含一个杂原子的六员芳杂化合物（吡啶）的性质,吡啶的结构,共振能：23卡/mol,sp2轨道,象叔胺 有亲核性和碱性 N可被氧化,吡啶性质的初步分析,亚胺结构片断 有亲电性 与亲核试剂反应,不饱和性 可加氢还原,与苯相似 有芳香性 可亲电取代,1 吡啶的碱性和亲核性,（1） 碱性,合成上作为有机碱,Knoevenagel反应（p711）,其它应用制备

14、吡啶盐试剂,如磺化试剂,（2）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,2. 吡啶环上的亲电取代,待解答的两个问题:,取代位置：哪个为主？ 反应活性：比苯快? 还是比苯慢?,一些实验事实,钝化 b取代,起强吸电子基作用,对比：,其它钝化现象,有给电子基时反应较易进行,(i) 由吡啶的共振式分析:,结论: 1. 环上带正电, 不利于亲电取代 2. b 位的正电荷密相对较低（较 易反应的位置,对反应取向及钝化现象的解释,(ii) 由反应的中间体稳定性分析,取代在 a 位,不稳定 正电荷在电负性大的原子上,中间体有两个主要共振式,取代在 b 位,中

15、间体有三个主要共振式，较稳定,取代在 g 位,不稳定 正电荷在电负性大的原子上,中间体有两个主要共振式 （与a位反应类似）,环上已存在的给电子基对反应的定位作用,3. 吡啶环上的亲核取代反应,通过氧化去氢 或 与负氢接受体结合,亚胺片断,亲核加成负氢消除过程,（1） NaNH2与吡啶的亲核取代 反应,机理:,（2） PhLi 与吡啶的亲核取代,机理,（3） a 或 g 位有离去基团时的亲核取代（取代易进行）,机理：,制备a-吡啶酮的其它方法,例：,好离去基,其它取代例子,（d）的取代机理,4. 吡啶的还原和氧化,（1） 还原,吡啶环比苯环易被还原,（2） 氧化,氧化在侧链上,氧化在 N 上,对

16、比：,5. N-氧化吡啶的性质,(1) 有亲电性（易与亲电试剂发生亲电取代）,对比：,反应活性不同 取代位置不同,(2) 有亲核性（易与亲核试剂进行亲核加成）,对比：,反应较快,为什么N-氧化吡啶既有亲电性又有亲核性？,(i),结构上有相似性,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,保留吡啶的特点 邻对位正电荷密度较大,(ii),结构上有相似性,（2） 反应的中间体较稳定,(i) 亲电取代机理,(ii) 亲核加成及进一步机理,比较稳定,亲电性较强,6. 吡啶 2 和 4 位侧链上的反应,吡啶 2 和 4 位的a氢 有弱酸性,醛酮的类似性质,有亲核性,对比,烯醇负离子,共轭烯

17、醇负离子,反应举例:,(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,合成吡啶环最重要的方法是韩奇（AHantzsch）合成法。由二分子-酮酸酯，一分子醛和一分子氨发生缩合反应即得到吡啶环。,7. 吡啶环的合成,此反应过程可能是：一分子醛与一分子-酮酸酯先发生缩合反应，接着与另一分子-酮酸酯加成，再与氨发生缩合。,1. 含一个杂原子的苯并五员杂环体系,三种苯并五员杂环体系,亲电取代反应：,吲哚,苯并呋喃,苯并噻吩,芳香性比苯环差 负电荷密度校大,第三节 稠杂环化合物,

18、亲电取代中间体分析：,苄基型正碳离子,（有两个主要共振式）,满足八隅体,两种中间体均有一定的稳定性,（一个主要共振式）,亲电取代反应举例：,取向类似,取向不同,2. 含一个杂原子的苯并六员杂环体系,喹啉和异喹啉：,亲电取代（反应取向） 氧化和还原反应,结构和性质分析,喹啉,异喹啉,象萘（碳环部分）,由共振式分析环 上的电荷分布：,2.1 喹啉的性质:,（1） 亲电取代,通常 5 位与 8 位活性相当,从结构特点解释：,苯环比吡啶环活泼,结构类似萘环 （5, 8位易取代）,问题：5位带有正电荷，为何与8位活性相当？,亲电取代反应举例,用反应机理解释反应取向：,结论： 均有两个主要的共振式，稳定性差别不大。,（2）喹啉的亲核取代：,反应与吡啶类似,Chichibabin反应,Chichibabin反应,（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,反应机理？,还原：在较不稳定的环上,酰基化,2.2 异喹啉的性质,由共振结构分析 环上的电荷分布,（1）亲电取代,（2）亲核取代,试解释： 为什么异喹啉的亲核取代发生在主要在 1 位, 而几乎不发生在 3 位