第十四章 杂环化合物.ppt

1、第十四章 杂环化合物,杂环化合物（ 含杂原子的环状化合物）的类型：,芳香族杂环 （本章重点）,普通杂环,符合Hckel规则（i. 环状, ii. 共平面, iii. 垂直平面的p轨道, iv. 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=69ppm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,杂原子: sp2杂化,问题：分析各杂原子未共用电子对的状况,分类的几种方式: i. 杂原子的类型和数目 ii. 环的大小 （五元环或六元环） iii. 环的个数,例：,杂环的种类和名称,(1) 含 一 个杂原子的五元芳杂环,五

2、元芳杂环衍生物,吡咯 pyrrole,呋喃 furan,噻酚 thiophene,3-乙基吡咯 （b-乙基吡咯）,吡咯烷 pyrrolidine,2, 5-二氢吡咯,2, 3-二氢吡咯,四氢呋喃(THF) tetrahedrofuran,（3）含 1 个杂原子的六元环,（2）含 2 个以上杂原子的五元环,吡唑 Pyrazole 1, 2- 唑,咪唑 Imidazole 1, 3- 唑,噁唑 Oxazole 1, 3- 唑,异噁唑 Isoxazole 1, 2- 唑,1, 2, 4-三唑,吡啶 pyridine,2-甲基吡啶 （a-甲基吡啶）,六氢吡啶（哌啶） piperidine,（4）含 2

3、 个以上杂原子的六元环,哒嗪 pyridazine,嘧啶 pyrimidine,吡嗪 pyrazine,1, 3, 5-三嗪,2-嘧啶酮,尿嘧啶,胸腺嘧啶,胞嘧啶,（5） 多环杂环,吲哚 indole,苯并呋喃 benzofuran,苯并噻酚 benzothiophene,苯并咪唑 benzoimidazole,喹啉 quinoline,异喹啉 isoquinoline,嘌啉 purine,本章主要要求掌握以下几类化合物的主要性质： 含一个杂原子的五元芳杂化合物（吡咯、呋喃、噻酚） 含一个杂原子的六元芳杂化合物（吡啶） 含一个杂原子的双环芳杂化合物（吲哚、喹啉、异喹啉）,含一个杂原子的五元芳杂

4、化合物的性质,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,五元芳杂化合物的亲电取代反应,亲电取代反应相对活性,a-取代,b-取代,主要产物,取代位置,31018,61011,5109,1,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，较稳定,哪个共振式贡献最大？,ii. 取代在b位,中间体有二个主要共振式，较不稳定,对亲电取代反应活性的解释,i. 由五元杂环的结构分析,环上的电荷密度比苯环大,ii. 由反应中间体的稳定性分析,满足八隅体,对比：苯环亲电取代中间体的稳定性,亲电取代反应举例,提示：五元杂环较活泼，遇酸不稳定,HNO3

5、/H2SO4（硝化） 或 H2SO4 （磺化）,解决办法：用温和试剂替代,氧化 聚合 分解,反应剧烈,强酸,A = NH,O,S,五元杂环的硝化反应,硝化试剂,吡咯和噻酚发生正常亲电取代反应,硝基乙酰酯,呋喃发生加成反应（呋喃的特殊性：共轭烯烃性质）,机理,加成,消除,磺化试剂：,五元杂环的磺化反应,吡啶-SO3加合物,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,溶解于硫酸中,（少量）,反应快,其它亲电取代,卤代反应,FriedelCrafts反应,与重氮盐偶联,较弱的Lewis酸,环上已有取代基对亲电取代取向的影响,四种单取代情况,(给电子基),(吸电子基),(给电

6、子基),(吸电子基),a 位有取代基,b 位有取代基,反应举例,a 位给电子基,a 位吸电子基,a 位吸电子基,主要产物,例外：,呋喃的特殊性,b 位给电子基,b 位吸电子基,主要产物,主要产物,(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

7、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,五员芳杂环的其它反应,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 C-S键易还原脱硫,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,一种还原羰基至亚甲基的方法,Diels-Alder反应（共轭二烯性质）,呋喃的几个特殊反应,2, 5-二取代呋喃的酸性开环,合成上进一步应用 制备环戊烯酮衍生物,芳香性最小,36,2

8、9,2122,16,(kcal/mol),共振能对比,1, 4-二酮,呋喃酸性开环机理,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）：,例：,2, 5-二甲氧基-2, 5-二氢呋喃,对比：,加成,消除,亲电取代,2, 5-二甲氧基二氢呋喃的形成机理：,合成上的应用举例,琥珀醛 1, 4-丁二醛,缩酮结构,呋喃 a-H 的弱酸性及其相关反应和应用,例,a-烷基取代呋喃,思考题1：写出此步转变的机理,思考题2：写出此步反应的产物。 参考：教材p880,习题19-4, xiv,？,吡咯的一些特殊性质,吡咯N的碱性很弱,吡咯的质子化发生在环上（主要是a位），不在N上,正

9、电荷分散在多个原子上,Kb,10-14,10-4,正电荷集中在N原子上,吡咯在酸性条件下发生聚合,聚合机理:,吡咯N-H的弱酸性,吡咯钾盐的生成,pKa, 35,17.5,17,10,吡咯钾盐的性质,吡咯负离子的结构特点,吡咯负离子的共振式,烯胺负离子片断,环上每个位置的负电荷密度均增大,对比,吡咯负离子的一些典型反应,这三个反应与哪些反应相似？,酚类化合物： Kolbe-Schmitt反应 Reimer-Tiemann反应 Fries重排,本次课小结: 五元芳杂环化合物的亲电取代（反应活性、反应位置、一些特殊 的反应试剂） 已有取代基对五元芳杂环化合物的亲电取代取向的影响 五元芳杂环化合物的

10、还原和Diel-Alder反应 呋喃的一些特殊性质（酸性开环和加成反应） 吡咯的酸性聚合，吡咯钾盐的反应,吡啶（六元芳杂化合物）的性质,吡啶的结构,共振能：23卡/mol,sp2轨道有未共用电子对,与苯相似 有芳香性 可亲电取代,不饱和性 可加氢还原,象叔胺 有亲核性和碱性 N可被氧化,有亚胺片断 有亲电性 与亲核试剂反应,吡啶的碱性和亲核性,吡啶的碱性,合成上作为有机碱,Knoevenagel反应,其它应用制备吡啶盐试剂,如磺化试剂,例,吡啶的亲核性,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,酰基化试剂,吡啶充当一个好的离去基团,吡啶环上的亲电取代

11、,取代位置和反应活性（例：吡啶的硝化）,起强吸电子基作用,对比：,钝化 b取代,其它亲电取代反应,给电子基使亲电取代反应较易进行,钝化 b取代,(i) 由吡啶的共振式分析:,环上带正电, 不利于亲电取代 b 位的正电荷密相对较低，相对较为活泼,对反应取向及钝化现象的解释,(ii) 反应中间体的稳定性分析,取代在 a 位（取代在 g 位类似）,贡献最小，为什么？,中间体有两个主要共振式,取代在 b 位,中间体有三个主要共振式，较稳定,环上已有给电子基的定位作用,归纳一下，有什么规律？,吡啶环上的亲核取代反应,通过氧化去氢 或其它途径,亚胺结构,吡啶的亲电性,吡啶的亲核取代通式,亲核加成,负氢消除

12、,NaNH2与吡啶的亲核取代 Chichibabin 反应,机理:,另一解释,PhLi 与吡啶的亲核取代,机理,a 或 g 卤代吡啶的亲核取代,机理：,制备a-吡啶酮的其它方法,例：,好离去基,a-吡啶酮,（仍有芳香性）,反应易进行,其它取代例子,取代机理,吡啶的还原和氧化,吡啶的还原,吡啶环比苯环易被还原,喹啉,1, 2, 3, 4-四氢喹啉,十氢喹啉,吡啶的氧化,氧化在侧链上,氧化在 N 上,尼古丁(烟碱),烟酸,N-氧化吡啶,对比：叔胺的H2O2氧化,胺氧化合物,N-氧化吡啶的性质,（比吡啶）易发生亲电取代反应（有亲核性）,对比,反应活性不同 取代位置不同,主要产物,（比吡啶）易发生亲核

13、加成（有亲电性）,对比：,反应较快,为什么N-氧化吡啶既有亲电性又有亲核性？,(a),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,有相似性,保留吡啶的特点 邻对位负电荷密度较大,(b),有相似性,(2) 反应的中间体较稳定,(a) 亲电取代机理,八隅体，较稳定,(b) 亲核加成及进一步消除,中间体比较稳定,亲电性较强,消除较易进行,吡啶 a 和 g 位侧链上的反应,吡啶 a 和 g 位氢有弱酸性,烯胺负离子,共轭烯胺负离子,有亲核性,性质类似烯醇负离子,(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

14、的加成反应,机理：,Lewis 酸加强了a氢的酸性,本次课小结 吡啶的碱性及应用，吡啶的亲核性（烷基化及加热重排， 酰基化吡啶作为酰基化试剂） 吡啶的亲电取代（反应活性，反应取向及解释） 吡啶的亲核取代（ Chichibabin 反应，与PhLi的反应） 吡啶的还原合氧化（侧链氧化及N上的氧化） N-氧化吡啶的双重性质（亲电性和亲核性） 吡啶 a 或 g 位侧链上的反应,含一个杂原子的苯并五元杂环体系,三种苯并五元杂环体系,亲电取代反应：,吲哚,苯并呋喃,苯并噻吩,亲电取代在杂环上，为什么？,亲电取代中间体分析：,苄基型正碳离子 较稳定,有两个主要共振式 较稳定,两种中间体均有一定的稳定性,亲

15、电取代反应举例：,含一个杂原子的六员杂环苯并体系,喹啉和异喹啉,亲电取代 氧化和还原反应,结构和性质分析,喹啉,异喹啉,碱性和亲和性 亲电取代 亲核取代 氧化和还原反应 支链上的反应,杂环部分象吡啶,碳环部分象萘,喹啉的共振式分析：,喹啉的性质,不存在芳环,保留一个芳环,两个芳环,(1) 喹啉的亲电取代反应,通常 5 位与 8 位活性相当，为什么？,从结构特点解释：,苯环比吡啶环活泼 结构类似萘环（萘的a位易取代）,问题：5位带有dd+，为何 与8位活性相当？,例,机理分析,亲电取代反应举例,由反应中间体的稳定性解释反应取向,两个反应中间体稳定性差别不大，故5和8位活性相当。,反常的取代现象及解释（了解）,可能机理（非亲电取代机理）:,(2) 喹啉的亲核取代反应,反应与吡啶类似,Chichibabin反应,取代卤素,(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,请写出反应的机理,还原： 在较不稳定的环上,异喹啉的性质,异喹啉的共振式分析,(1) 异喹啉的亲电取代反应,反常的取代取向（了解）,机理,试解释： 为什么不取代3 位的Cl？,(2) 异喹啉的亲核取代反应,取代卤素,(3) 侧链的反应,3 位上侧链不活泼，为什么?,对比,喹啉的合成 Skraup喹啉合成法,反应机理,(i)