沈阳药科大学有机化学电子教案第十四章.ppt

1、第十四章 杂环化合物,主要内容,第一节 杂环化合物的分类 第二节 杂环化合物的命名 第三节 杂环化合物结构与芳香性 第四节 五元杂环化合物 第五节 六元杂环化合物,在环状化合物中，构成环的原子除了碳原子外还有其他原子的，这种环状化合物称为杂环化合物。组成杂环的原子除碳原子外都叫做杂原子。最常见的杂原子有氮、氧、硫。 前面一些章节中学习过的一些化合物虽然含有杂原子组成的杂环，但是由于其性质与其相应的链状化合物类似，因此在有关章节中，不在这里学习。,(-丙内酯),(-丙内酰胺),(顺丁烯二酸酐),(氧杂),(1H-氮杂),(环氧乙烷),本章主要讨论的杂环化合物，其环系稳定并具有一定程度的芳香性，它

2、们统称为芳杂环化合物。,呋喃,吡啶,第一节 杂环化合物的分类,杂环化合物种类繁多，数量庞大，在自然界中分布很广。,第二节 杂环化合物的分类,杂环化合物的命名包括基本母环的命名和环上取代基的命名，取代基的命名与前面学习的有机化合物的命名一致。而对于杂环母环的命名比较复杂。,第二节 杂环化合物的命名,一、杂环母环的命名,1. IUPAC的Hantzch-Widman引伸命名法,以指定词干代表成环原子数目； 以指定词首代表杂原子的类别； 以指定词尾代表环的不饱和程度。,基本内容：在保留常见基本杂环母体基础上，其它杂环母体按照下列原则：,aziridine,1,3-thiazole,第二节 杂环化合物

3、的命名,一、杂环母环的命名,2. 中国化学会命名原则,目前采用的音译法。即根据IUPAC保留的基本杂环母环的外文俗名和半俗名的读音，选择两个或三个口字旁同音汉字为名（口字旁作为杂环的标志）。例如，呋喃，吡啶。 一些常见杂环母环的名称见教材。,第二节 杂环化合物的命名,3. 标氢（额外氢）,杂环母环在具有最高非累计双键前提下，仍存在异构体。为了区别，标示环上饱和原子上氢原子所在位置，命名时在母体名称前加上标位的阿拉伯数字和斜体字H，这种氢原子称为标氢（额外氢）。,1H-吡咯,3H-吡咯,一、杂环母环的命名,第二节 杂环化合物的命名,3. 标氢（额外氢）,2H-吡喃,4H-吡喃,一、杂环母环的命名

4、,第二节 杂环化合物的命名,4. 杂环母环的命名原则,（1）从杂原子开始编号； （2）如有不止一个相同杂原子时，则使它们有尽可能低的编号； （3）如有不同杂原子时，则按照O、S、NH、N顺序先后进行编号； （4）具有特定名称的稠杂环母环的编号，按照稠芳环编号原则进行编号； （5）个别具有特定名称的稠杂环母环有其独特编号的例外。例如：嘌呤,一、杂环母环的命名,第二节 杂环化合物的命名,5. 含有杂环母环的化合物命名,一、杂环化合物的命名：,第二节 杂环化合物的命名,二、无特定名称稠杂环的命名,在稠杂环中只有少数杂环母环具有特定名称，其余的依据IUPAC原则进行命名，得到能够反映其结构的名称。,第

5、二节 杂环化合物的命名,二、无特定名称稠杂环母环的命名原则,1. 基本环和附加环,以含氮杂环为母体，仍有选择余地，选择环数较多，且有特定名称的芳环为基本环；,第二节 杂环化合物的命名,二、无特定名称稠杂环母环的命名原则,2. 基本环的确定,(1) 以含氮杂环为母体，仍有选择余地，选择环数较多，且有特定名称的芳环为基本环；,第二节 杂环化合物的命名,二、无特定名称稠杂环母环的命名原则,2. 基本环的确定,(2) 如果没有含氮杂环，则按照含有优先杂原子的杂环为基本环；杂原子的优先次序：O，S，Se，Te，P，As，Sb，Si，Ge，Sn，Pb，B，Al，Ga，In，Tl,第二节 杂环化合物的命名,

6、二、无特定名称稠杂环母环的命名原则,2. 基本环的确定,(3) 选择较大的杂环为基本环；,第二节 杂环化合物的命名,二、无特定名称稠杂环母环的命名原则,2. 基本环的确定,(4) 选择杂原子数目较多的杂环为基本环；,第二节 杂环化合物的命名,二、无特定名称稠杂环母环的命名原则,2. 基本环的确定,(5) 选择杂原子种类较多的杂环为基本环；,第二节 杂环化合物的命名,二、无特定名称稠杂环母环的命名原则,2. 基本环的确定,(6) 若环系大小和环上杂原子数目、种类均相同，则选择两个环系稠合前杂原子编号较低的杂环为基本环；,第二节 杂环化合物的命名,二、无特定名称稠杂环母环的命名原则,2. 基本环的

7、确定,(7) 若含有共用杂原子，则视两个稠合环均含有该杂原子来选择基本环。,第二节 杂环化合物的命名,二、无特定名称稠杂环母环的命名原则,3. 稠合位置的表示,基本环按照稠合以前原杂环编号将各边分别编为a，b，c，d，； 附加环仍按照稠合以前原杂环编号1，2，3，进行编号； 将基本环稠合边的置于后面，附加环编号置于前面，两者用短线“-”隔开，将稠合边编号置于方括号 内，列在母体名称中“并”字后面。,第二节 杂环化合物的命名,二、无特定名称稠杂环母环的命名原则,3. 稠合位置的表示,第二节 杂环化合物的命名,二、无特定名称稠杂环母环的命名原则,3. 稠合位置的表示,第二节 杂环化合物的命名,二、

8、无特定名称稠杂环母环的命名原则,4. 稠杂环体系的周边编号,从右上角最远自由角开始，按照顺时针依次编号，共用碳原子不编号，共用杂原子参与编号。 按照上述原则仍有选择余地，按照下列原则来决定： (1)使所有杂原子编号最低； (2)使优先杂原子编号最低； (3)使共用碳原子和标氢标号尽可能低。,第二节 杂环化合物的命名,二、无特定名称稠杂环母环的命名原则,4. 稠杂环体系的周边编号,第二节 杂环化合物的命名,二、无特定名称稠杂环母环的命名原则,5.书写化合物名称,第三节 杂环化合物结构与芳香性,一、 五元杂环化合物,第三节 杂环化合物结构与芳香性,第三节 杂环化合物结构与芳香性,呋喃环上四个碳原子

9、为sp2杂化，三个sp2杂化轨道与其它三个原子形成键，还有一个未参与杂化的p轨道，O也是sp2杂化，六个价电子分布情况是两个在两个sp2杂化轨道上，与相邻的碳成键，两个在另一个sp2杂化轨道上，还有两个价电子在未杂化的p轨道上。四个碳和一个氧原子的P轨道侧面交盖形成共轭体系（封闭键）， 电子数为6。符合Huckel规则，具有芳香性。 噻吩结构与呋喃相同。 吡咯的氮原子为五个价电子，三个在三个sp2杂化轨道，与其它原子形成三个键，未杂化的P轨道上也是两个价电子，组成封闭键， 电子数为6 ，具有芳香性。,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

10、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。,(1) 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。其芳香性次序是：,离域能： 150.5 117 88 67 kj / mol,第三节 杂环化合物结构与芳香性,(2) 五元杂环化合物是富电子体系，而苯环为等电子体系，故环上的电子云密度比苯高，其亲电取代反应比苯容易，尤其易发生在- 位。杂原子的存在相当于在环上引入了 NH2、OH、 SH 等活化基团而使环活化，故进行亲电取代反应的活泼顺序是：,第三节 杂环

11、化合物结构与芳香性,第三节 杂环化合物结构与芳香性,噁唑,噻唑,咪唑,吡唑,第三节 杂环化合物结构与芳香性,二、 六元杂环化合物,第三节 杂环化合物结构与芳香性,第三节 杂环化合物结构与芳香性,二、 六元杂环化合物,吡啶环的键长也发生了较大程度的平均化，C C键虽与苯相似，但C N键变化很大，因此，其芳香性也比苯差。吡啶和苯虽然都属等电子体系，但因氮原子的电负性较大，从而使环上的电子云密度降低 ，故其亲电取代反应性能不但比苯差，且亲电取代反应发生在电子云密度较高的-位。这一特性很类似于硝基苯。,第三节 杂环化合物结构与芳香性,嘧啶,吡喃(无芳香性),吲哚,喹啉,异喹啉,第三节 杂环化合物结构与

12、芳香性,嘌呤,综上所述，五元、六元杂环化合物虽然都具有芳香性，但其环上的电子云的密度是不同的，其电子云密度由高到低的顺序是：,第三节 杂环化合物结构与芳香性,第四节 五元杂环化合物,一、呋喃、噻吩、吡咯,一、呋喃、噻吩、吡咯,（一） 物理性质,第四节 五元杂环化合物,呋喃、噻吩、吡咯都能溶于有机溶剂，水溶解度都小于六元杂环吡啶。 吡咯几乎不显碱性, 相反具有弱酸性,一、呋喃、噻吩、吡咯,（二） 化学性质,第四节 五元杂环化合物,1. 亲电取代反应,亲电取代反应主要发生在-C上； 吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感，选择试剂时需要注意； 噻吩、吡咯的芳香性较强，所以易取代而不易加成；呋喃的芳香性较弱

13、，虽然也能与大多数亲电试剂发生亲电取代，但在强亲核试剂存在下，能发生亲核加成。,对取代位置的解释 （对反应中间体的相对稳定性的分析）,取代在a位,取代在b位,第四节 五元杂环化合物,1. 亲电取代反应,（1）卤代反应,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。,第四节 五元杂环化合物,1. 亲电取代反应,（1）卤代反应,第四节 五元杂环化合物,1. 亲电取代反应,（1）卤代反应,第四节 五元杂环化合物,1. 亲电取代反应,（2）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

14、应在低温下进行。,第四节 五元杂环化合物,1. 亲电取代反应,（2）硝化反应,第四节 五元杂环化合物,1. 亲电取代反应,（2）硝化反应,第四节 五元杂环化合物,1. 亲电取代反应,（3）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。,第四节 五元杂环化合物,1. 亲电取代反应,（3）磺化反应,第四节 五元杂环化合物,1. 亲电取代反应,（3）磺化反应,第四节 五元杂环化合物,1. 亲电取代反应,（3）磺化反应,噻吩比较稳定，既可以直接磺化（产率稍低），也可以用温和的磺化试剂磺化。,第四节 五元杂环化合物,1. 亲电取代反

15、应,（4）F-C酰基化反应,第四节 五元杂环化合物,2. 加成反应,（1）加氢反应,第四节 五元杂环化合物,2. 加成反应,（2） Diels-Alder反应,呋喃最易发生Diels-Alder反应,第四节 五元杂环化合物,2. 加成反应,（2） Diels-Alder反应,第四节 五元杂环化合物,2. 加成反应,（2） Diels-Alder反应,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。,第四节 五元杂环化合物,3. 吡咯的特殊反应,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。吡咯与苯胺也有类似性质。,吡咯成盐后，使环上电荷密

16、度增高，亲电取代反应更易进行。,第四节 五元杂环化合物,3. 吡咯的特殊反应,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,二、吲哚,第四节 五元杂环化合物,亲电取代反应主要发生在3位。,二、吲哚,第四节 五元杂环化合物,吲哚的合成：苯肼与醛、酮类化合物在酸性条件下加热生成吲哚及其衍生物的反应称为费歇尔(Fischer, E.)合成法。,三、唑类化合物,第四节 五元杂环化合物,1. 结构,吡咯N(孤电子对参与共轭，所以碱性

17、较弱),吡啶N(孤电子对不参与共轭，所以碱性较强),三、唑类化合物,第四节 五元杂环化合物,1. 结构,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,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。,三、唑类化合物,第四节 五元杂环化合物,1. 结构,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),三、唑类化合物,第四节 五元杂环化合物,2. 物理性质,沸点,三、唑类化合物,第四节 五元杂环化合物,3. 化学性质,（1）碱性,1,2-唑与1

18、,3-唑都有吡啶N，所以都有碱性。 1,3-唑的碱性比1,2-唑强。因为两个杂原子互相影响大。 咪唑的碱性噻唑的碱性噁唑的碱性。由综合电子效应决定。,三、唑类化合物,第四节 五元杂环化合物,3. 化学性质,（2）亲电取代反应,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。 1,2-、1,3-唑的硝化、磺化、卤化,三、唑类化合物,第四节 五元杂环化合物,（2）亲电取代反应,磺化须强烈条件,硝化、卤化须有给电子取代基,四、嘌呤,第四节 五元杂环化合物,尿嘧啶(U),胞嘧啶(C),胸腺嘧啶(T),嘌呤是一对互变异构体的平衡体系,腺嘌呤

19、(A),鸟嘌呤(G),(6-氨基嘌呤),(2-氨基-6-羟基嘌呤),第五节 六元杂环化合物,一、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。,结构：吡啶N是sp2杂化，孤电子对不参与共轭。 性质：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。发生亲电取代反应时，环上N起间位定 位基的作用。发生亲核取代反应时，环上N起邻对 位定位基的作用。,一、吡啶,第五节 六元杂环化合物,1. 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

20、好的溶剂。,一、吡啶,第五节 六元杂环化合物,2. 化学性质,（1）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。,一、吡啶,第五节 六元杂环化合物,2. 化学性质,（1）碱性,一、吡啶,第五节 六元杂环化合物,2. 化学性质,（2）作为亲核试剂,(3) 亲电取代反应,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，和硝基苯相似。其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。,由吡啶的共振式分析:,结论: 1. 环上带正

21、电, 不利 于亲电取代 2. b 位的正电荷密相 对较低,解释原因:,i. 取代在 a 位,由取代反应的中间体稳定性分析,ii. 取代在 b 位,3. 取代在 g 位,中间体较为稳定,实验事实：钝化和 b取代,其它反应现象,环上有给电子基时反应相对较易进行,(4) 亲核取代反应,取代主要发生在 a 位,当 a 或 g 位有其它离去基团时，反应易发生,(5) 氧化和还原反应,i. 氧化在侧链上,ii. 氧化在 N 上,复习：叔胺的氧化,吡啶的类似反应,N-氧化吡啶的性质：比吡啶易与亲电试剂或亲核试剂反应,(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

22、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,iii. 还原反应,二、 喹啉和异喹啉,喹啉和异喹啉：,1. 结构,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) *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,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，气温类似于 苯甲醛，熔点26，沸点243。,2. 物理性质：,（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。,若反应在有机溶剂中进行，取代在杂环上发生。,3. 化学性质,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,*i. 喹啉和异喹啉与绝大多数氧化剂不发生