《杂环化学》PPT课件.ppt

1、杂 环 化 学,杂环化学与其他学科的关系,量子化学 无机化学 分子生物学 有机合成化学 医药化学 配位化学 染料化学 高分子化学 农药化学,脂杂环：饱和环烃 芳杂环：非饱和环烃，即不饱和环烃 大 环：冠醚、环番、环糊精、杯芳烃和C60等,1.1 杂环化合物的分类,第一章 概述,三元杂环,四元杂环,五元杂环,七元杂环,(氮杂环丙烷),(-丙内酯),(-丙内酰胺),(顺丁烯二酸酐),(氧杂),(1H-氮杂),(环氧乙烷),1、脂杂环 没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂环。,小环,中环,八元杂环 十二元杂环,大环,超大环,大于十三元杂环,2 、芳杂环 具有芳香特征的杂环化合物称为芳杂环,苯并杂环,杂环

2、并杂环,五元杂环,六元杂环,呋喃,噻吩,吡咯,噁唑,噻唑,咪唑,吡唑,吡啶,嘧啶,吡喃,吲哚,喹啉,异喹啉,嘌呤,3. 大环,冠醚,环糊精,杯芳烃,环番,C60,1.2 杂环化合物的命名,命名原则: 杂环的命名常用音译法，是按外文名词音译成带“口”字旁的同音汉字。 当环上有取代基时，取代基的位次从杂原子算起依次用1,2,3, (或,)编号。 如杂环上不止一个杂原子时，则从O、S、N顺序依次编号。编号时杂原子的位次数字之和应最小。,五元杂环,五元杂环苯并体系,呋喃(furan),噻吩(thiophene),吡咯(pyrrole),苯并呋喃 (benzofuran),苯并噻吩 (benzothio

3、phene),苯并吡咯 吲哚 (indole),实例:,六元杂环,吡啶(pyridine),吡喃(pyran),-吡喃酮 (-pyrone),哒嗪(pyridazine),嘧啶(pyrimidine),吡嗪(pyrazine),杂环并杂环,喹啉 (quinoline),异喹啉 (isoquinoline),苯并吡喃(benzopyran),苯并-吡喃酮 (benzo-pyrone),嘌呤(purine),六元杂环苯并环系,第二章 五元杂环化合物,含有一个杂原子的五元环体系 呋喃、噻吩、吡咯 含两个杂原子的五元杂环,2.1 含有一个杂原子的五元环体系,芳香性：4n+2体系,0.70D,0.51D

4、,1.81D,呋喃、噻吩、吡咯在结构上具有共同点，即构成环的五个原子都为 sp2杂化，故成环的五个原子处在同一平面，杂原子上的孤对电子 参与共轭形成共轭体系，其电子数符合休克尔规则 （电子数 = 4n+2），故它们都具有芳香性。,吡咯的结构,孤电子对在p轨道上。,吡 咯 结构：吡咯N是sp2杂化，孤电子对参与共轭。 反应：环易发生亲电取代反应，环上相当 有一个邻对位定位基。,共轭效应是给电子的。诱导效应是吸电子的。,呋喃、噻吩、吡咯的结构,1 电子结构及芳香性,物理性质：诱导效应和共轭效应相反 键长未完全平均化 都能溶于有机溶剂,水溶解度都小于六元杂环吡啶 溶解度顺序为：吡咯呋喃噻吩 吡咯几乎

5、不显碱性, 相反具有弱酸性,呋喃、噻吩、吡咯在结构上具有共同点，即构成环的五个原子都为sp2杂化，故成环的五个原子处在同一平面，杂原子上的孤对电子参与共轭形成共轭体系，其电子数符合休克尔规则（电子数 = 4n+2），所以，它们都具有芳香性。,化学性质 易发生亲电取代反应：反应活性 芳香性,2.1.1 呋喃及衍生物2.1.1.1呋喃,A：1,4-环合法,B：Pacl-knorr合成法,烯醇式,酮式,C：1,4-丁二醇衍生物,D：-卤代羧基化合物,A：加氢反应,B：Anti-pacl-knorr反应,C：Diels-Alder反应（双稀合成）,呋喃容易发生Diels-Alder反应,D：安息香反应

6、（Aldol缩合）,E：砍尼扎罗反应（歧化反应）,Perkin反应：脂肪酸酐在相应的脂肪酸碱金属盐的催化作用下与杂环芳醛（或不含-H的脂肪醛）缩合生成-芳基丙烯酸类化合物。 反应历程：酸酐对醛的亲核取代反应历程,G：脱羧反应,H：亲电取代反应,亲电反应活性顺序,a：硝化反应,呋喃, 噻吩和吡咯易氧化, 一般不用硝酸直接硝化; 通常用比较温和的非质子硝化试剂，如：硝酸乙酰酯。 反应在低温下进行。,b：磺化反应,吡咯、呋喃不太稳定，所以须用温和的磺化试剂磺化。常用的温和的非质子的磺化试剂有：吡啶与三氧化硫的加合化合物。,c：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

7、用低温、溶剂稀释等温和条件。,d：F-C反应,86%,2.1.1.2 呋喃衍生物,苯并呋喃,苯并b呋喃,苯并c呋喃,-卤代酮,A：,B：Perkin 重排,-2HBr,只有一个稳定共振式,两个主要共振式,二位被取代的呋喃衍生物，发生亲电取代反应是，先进入三位，三位被占时，进入二位，二三为均被占，进入苯环。,2.1.1.3天然存在的活性呋喃及衍生物,苯并呋喃衍生物,呋喃香料,面包香料,烤肉香料,链状呋喃萜,-呋喃甲酸,2.1.2噻吩及衍生物2.1.2.1噻吩,A：Paal-knorr法,B：Hinsberg法,C：Gewald法,机理：,D：Fisselmann反应(与Gewald生成物方位相反

8、),对取代位置的解释,取代在位,取代在位,A：卤化,碘不活泼，要用催化剂才能发生一元取代,B：酰化反应,C：硝化反应,2,2,E：还原反应,F：脱硫反应,D：乙腈化反应,此外，噻吩基本上不发生双烯加成，即使在个别情况下生成也是一个不稳定的中间体，直接失硫转化为别的产物。,2.1.2.2噻吩衍生物,2.1.2.3天然存在的具有生物活性的噻吩化合物,2.1.3吡咯及衍生物,2.1.3.1吡咯及衍生物的合成,A：工业合成法,B：Paal-knorr合成法,C：knorr合成法,2,4-二取代吡咯,2.1.3.2吡咯及衍生物的反应,吡咯的性质与苯酚类似，都具有酸性，但吡咯的酸性比苯酚小。吡咯与苯胺也有

9、类似性质。,吡咯成盐后，使环上电荷密度增高，亲电取代反应更易进行。,特殊性：吡咯的N原子上也可以发生亲电取代反应,八隅体结构最稳定,取代反应主要发生在-C上,HCON(CH3)2 POCl3,CHCl3 25%NaOH,(NH4)2CO3 130oC,C6H5N2+X- C2H5OH-H2O AcONa,RMgX,1 CO2 2 H2O,CO2 加热 加压,RCOCl,RX,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、噻吩的酰化反应在-C上发生，而吡咯的酰化反应（不用催化剂）既能在 -C上发生，又能在N上发生。在 -C上发生比在N

10、上发生容易。,酰化反应,A：亲电取代反应,卤化反应,硝化反应,磺化反应,F-C烷基化反应,B：与金属的反应,C：聚合反应,Cope重排是1,5-二稀及其衍生物在加热条件下的 3,3碳迁移反应。是通过环状过渡态的协同反应。 对于链状体系，其历程被认为是通过椅式的环状 过渡态。,2.1.3.3吲哚衍生物,3-羟基吲哚的合成,重要的染料中间体,路线一：,路线二：,2.1.3.4天然存在的具有生物活性的吡咯化合物,单吡咯化合物,吡咯香料,昆虫激素,植物激素,-吲哚乙酸,多吡咯化合物,卟啉,血红素,2.2含有两个杂原子的五元杂环体系,咪唑,吡唑,噻唑,异噻唑,4-咪唑啉,3-咪唑啉,咪唑烷,唑,命名：杂

11、环命名按照O、S、N的顺序，含O的称为 含N称为唑，含S称为噻。部分双键的称为啉，饱和的称为烷。,结构,（1）互变异构,N-N(单键),N=N(双键),5-甲基咪唑,4-甲基咪唑,4(5)-甲基咪唑(因为4-甲基咪唑和5-甲基咪唑不可分离),（2）结构,吡咯N(孤电子对参与共轭，所以碱性较弱),吡啶N(孤电子对不参与共轭，所以碱性较强),吡咯N的孤电子对处于p轨道,一般胺中的N是sp3杂化。 N 的孤电子对处于sp3杂化轨道,sp3轨道,碱性：,N 的孤电子对处于sp2杂化轨道,吡啶N与吡咯N均为sp2杂化。,物理性质,（2）碱性,1. 1,2-唑与1,3-唑都有吡啶N，所以都有碱性。 2.

12、1,3-唑的碱性比1,2-唑强。 因为两个杂原子互相影响大。 3. 咪唑的碱性噻唑的碱性噁唑的碱性 由综合电子效应决定。,(1) 熔沸点,2.2.1吡唑,A：3C+2X（肼和,-不饱和醛酸的反应）,B：Pechman反应（佩希曼反应）,反应活性：唑的反应性比呋喃、噻吩、吡咯差，这是因为分子中多了一个吡啶N，使共轭体系的电子云密度降低，所以亲电试剂不易进攻。 进攻位置：亲电取代发生在N原子的间位，亲核取代发生在N原子邻位。,A：卤化反应,B：硝化反应,A：芳基取代的吡唑啉化合物具有优良的光导性质,B：药物中间体,C：颜料中间体,2.2.2 咪唑,A：3C+3X（-卤代酮与脒的反应）,脒,B：-羟

13、基酮与氨基醛的反应,C：类Paal-knorr反应,A：质子化反应,氮原子上的孤对电子易于质子酸成盐,B：烷基化反应,C：酰化反应,二咪唑酮，是实验室常用的酯化反应的催化剂,治疗癫痫病的药物,2.2.3 噻唑,硝化、卤化须有给电子取代基,磺化须强烈条件,青霉素,太阳能电池的一部分,2.2.4,唑,唑,唑,合成法,2.2.5 天然存在的重要生物活性化合物,拆分,噻唑香精化合物,第三章 六元杂环化合物,含有一个杂原子的六元环体系 含两个杂原子的六元杂环,3.1 吡啶,共轭效应和诱导效应都是吸电子的,孤电子对在sp2杂化轨道上。,电子结构,结构：吡啶N是sp2杂化，N原子含有两个孤对电子，并且孤对电

14、子不参与杂化 反应：碱性较强。环不易发生亲电取代反应但易发生亲核取代反应。发生亲电 取反应时，环上N其间位定位基的作用。发生亲核取代反应，环上N其邻位对为 定位的作用,3.1.1 结构与物性,物理性质,氮原子的电负性较大,使吡啶有较大极性,其偶极距数值较大.,=2.20D =1.17D,吡啶能与水以任意比例混溶,又能溶解大多数极性或非极性 有机化合物,甚至许多无机盐类,是一个良好的溶剂。,碱性,吡啶N是sp2杂化，孤电子对不参与共轭，可以与质子 结合或给出电子，显弱碱性。利用它的碱性，可从混 合物中分离吡啶类化合物，在化学反应中还可用作催 化剂和除酸剂。,3.1.2 合成方法,副产物多,历程：

15、,两分子-羰基化合物与一分子醛，在通氨气的条件下反应，生成对称取代的吡啶化合物的反应成为Hantzsch法。,三次脱水的过程,3.1.3 化学反应,吡啶环上氮原子为吸电子基，故吡啶环属于缺电子的芳杂环，而且由于氮原子上有未参与杂化的孤对电子，所以吡啶上的N原子比环上更容易进行亲电取代反应。与苯环上NO2的定位规则类似，其环上的亲电取代反应很不活泼，反应条件要求很高，不起傅-克烷基化和酰基化反应。亲电取代 反应主要在-位上。,-位取代,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. 位的正电荷密相对较低。,原因:,由取代反应的中间体稳定性分析,取代在位,取代在 b 位,中

16、间体较为稳定,取代在 位,实验事实：钝化和取代,其它反应现象,环上有给电子基时反应相对较易进行,置换氢的亲核取代反应,置换易离去基团的亲核取代反应,由于吡啶的性质与硝基苯类似，其不易被氧化开环，其氧化反应主要发生在侧链和N原子上。,氧化在侧链上,氧化在N原子上,N-氧化吡啶的性质： 吡啶被氧化后O负的供电性，使吡啶环比吡啶易与亲电试剂和亲核试剂发生反应，但是反应的位置为，位。,(a) 与亲电试剂的亲电取代,(b) 与亲核试剂的亲核加成,为什么N-氧化吡啶既有亲电性又有亲核性,(a) 由共振结构分析（有两种形式的共振式）,有苯氧基负离子特点，环上的 2, 4, 6 三个位置负电荷密度较大,保留吡

17、啶的特点，氧负离子使环上的正电荷密度增大,(b) 由反应过程分析（中间体的稳定性分析）,亲电取代及进一步的反应过程,对比：吡啶的直接亲电取代,不稳定,3.1.4 天然存在的吡啶衍生物,烟碱,槟榔碱 毒芹碱 石榴皮碱 烟碱,arecoline coniine pelletierine nicotine,3.2 喹啉和异喹啉,喹啉和异喹啉：,苯并b吡啶 苯并c吡啶,喹啉在常温时是无色油状液体，有类似吡啶的恶臭， 沸点238，异喹啉为低熔点的固体，气味类似于 苯甲醛，熔点26，沸点243。,物理性质：,结构： *杂环部分性质象吡啶(碱性和亲和性、亲电取代、 亲核取代、氧化反应、还原反应、支链上的反应

18、) *碳环部分性质象萘(亲电取代及其取代定位作用),碱性强弱：喹啉吡啶异喹啉,3.2.1结构与物理性质,3.2.2.1喹啉的合成方法,类似物：,类似物：,不同催化剂条件下生成的产物结构不同,（1） 亲电取代反应:,反应产物受介质的影响。若反应在酸性介质中进行，取代主要在苯环上发生。喹啉主要发生在C-5与C-8位，而异喹啉以C-5产物为主。,2 化学反应,喹啉的化学反应,亲电取代，进入苯环的5，8-位（异环）,从反应中间体的稳定性解释反应结果：,（2） 亲核取代反应,亲核取代反应主要在吡啶环上发生，喹啉的反应位置 在2位和4位(2位为主)，异喹啉在1位；,实例：,（3） 氧化反应,*1 喹啉和异

19、喹啉与绝大多数氧化剂不发生反应；,*2 与高锰酸钾能发生反应：,*3 喹啉与异喹啉在过酸的作用下均可形成N-氧化物。,（4） 还原反应,反十氢喹啉,顺十氢喹啉,(5) 光化学反应,3 喹啉及其衍生物的合成,1 斯克劳普(Skraup, Z.H.)反应：苯胺、甘油、硫酸和氧化剂一起作用，生成喹啉的反应称为斯克劳普反应。,实 例,eg 2,eg 1,eg 4,eg 3,2 弗里德伦德(Friedlander)反应：,eg 1,eg 2,芳香族邻氨基羰基化合物发生缩合反应，得到喹啉或它的衍生物，这称为弗里德伦德反应。,（2）异喹啉,异喹啉比较重要的衍生物罂粟碱、黄连素,罂粟花,(三） 含二个氮原子的六元杂环,含有两个氮原子的六元杂环体系称作二嗪类，因氮原子 在环中的相对位置不同，二嗪类有三种异构体：哒嗪、 嘧啶、吡嗪。,哒嗪(pyridazine),嘧啶