▏有机化学 杂环类[教学学习]

1、第二十章 杂环化合物 heterocyclic compound,exit,1,上课使用,本 章 提 纲 第一节 杂环化合物的分类和命名 第二节 含一个杂原子的五元杂环 吡咯、呋喃、噻吩 第三节 含一个杂原子的苯并五元杂环-吲哚 第四节 含两个杂原子的五元杂环体系 第五节 含一个杂原子的六元杂环-吡啶 第六节 含两个和三个氮原子的六元杂环体系 第七节 含一个杂原子的苯并六元杂环 喹啉和异喹啉 第八节 嘧啶和嘌呤,2,上课使用,第一节 杂环化合物的分类和命名,一 杂环化合物分类 二 五元杂环化合物的命名 三 六元杂环化合物的命名,3,上课使用,一 杂环化合物的分类,1 脂杂环 没有芳香特征的杂环

2、化合物称为脂杂环。,在环上含有杂原子（非碳原子）的有机物称为杂环化合物。,4,上课使用,2 芳杂环 具有芳香特征的杂环化合物称为芳杂环 ,5,上课使用,二 五元杂环化合物的命名,五元杂环 （音译命名）,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 (benzothiophene),苯并吡咯 吲哚 (indole),6,上课使用,四 六元杂环化合物的命名,六元杂环,吡啶(pyridine),吡喃(pyran),-吡喃酮 (-pyrone),-吡喃酮 (-pyrone),哒嗪(pyridazine),嘧啶(p

3、yrimidine),吡嗪(pyrazine),7,上课使用,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,8,上课使用,一 呋喃、噻吩、吡咯的结构 二 呋喃、噻吩、吡咯的制备 三 呋喃、噻吩、吡咯的反应,第二节 含有一个杂原子的五元杂环体系,9,上课使用,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。 56 平面共轭体系 富电子芳香杂环化合物 反应：碱性较弱，环易发生亲电取代反应，环上相当于有一个邻对位

4、定位基。,共轭效应是给电子的。诱导效应是吸电子的。,一吡咯、呋喃、噻吩的结构,呋喃、噻吩的结构请同学自己分析。,10,上课使用,吡咯： 存在于煤焦油、骨焦油中。无色液体，沸点130-131。鉴定：蒸汽遇盐酸浸湿的松木片显红色。 呋喃： 存在于松木焦油中。无色液体，沸点32。鉴定：蒸汽遇盐酸浸湿的松木片显绿色。 3. 噻吩： 与苯共存在于煤焦油中。无色液体，沸点84。 鉴定：与吲哚醌在硫酸作用下发生墨绿色反应。,吡咯、呋喃、噻吩的物理性质及鉴定,偶极矩 ：吡咯指向杂环，呋喃、噻吩指向杂原子 质子化学位移: 类似苯环，在 6.22-7.29之间,11,上课使用,主要化学反应 吡咯、呋喃、噻吩的亲电

5、取代反应 吡咯、呋喃、噻吩的加成反应,吡咯、呋喃、噻吩 的化学性质,12,上课使用,1. 吡咯、呋喃、噻吩的亲电取代反应 重点,*1 亲电取代反应的活性顺序为：,吸电子诱导：O(3.5) N(3.0) S(2.6) 给电子共轭：N O S 综合：N贡献电子最多，O其次，S最少,八隅体结构 最稳定,无最稳定结构,（1）概述,13,上课使用,*2 取代反应主要发生在-C 即2-位上；,*3 吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感，选择试剂 时需要注意；,*4 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，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。,

6、离域能：噻吩：121.3 kJmol-1吡咯：87.8 kJmol -1 共振能 呋喃：66.9 kJmol -1 苯： 150 kJmol -1 试问它们的稳定性顺序如何？,芳香性、稳定性： 苯噻吩吡咯呋喃,14,上课使用,*5 杂原子和取代基的定位效应,A 杂原子的定位效应：邻位,B 取代基的定位效应：,第一取代基进入到杂原子的-位。,3位上有取代基时，呋喃、吡咯、噻吩的定位效应一致。,15,上课使用,6 吡咯的特殊反应 -氮原子上的取代反应,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，使环上电荷密度增高，亲电取代反应更易进行。,16,上课

7、使用,C6H5N2+X- C2H5OH-H2O AcONa,或K+NH2-,17,上课使用,（2） 呋喃、噻吩、吡咯的硝化反应,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。,18,上课使用,呋喃比较特殊,先生成稳定的或不稳定的2,5加成产物, 然后加热或用吡啶除去乙酸,得到硝化产物。,19,上课使用,（3） 吡咯、呋喃、噻吩的磺化反应,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。,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。,(固

8、体，含量90 %),20,上课使用,21,上课使用,（4） 吡咯、呋喃、噻吩的卤化反应,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（NBS溴化剂）。,碘不活泼，要用催化剂才能发生一元取代,22,上课使用,（5） 吡咯、呋喃、噻吩的傅氏酰基化反应,N-酰基吡咯,23,上课使用,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。,24,上课使用,（6） 呋喃、噻吩、吡咯的傅氏烷基化反应,总体看，在合成上无实用价值。,25,上课使用,3. 呋喃、吡咯、噻吩的加成反应,（1） 加氢反应 噻吩在镍催化下加氢

9、生成丁烷,（2） Diels-Alder反应,呋喃最易发生Diels-Alder反应,26,上课使用,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。,27,上课使用,四 呋喃、噻吩、吡咯的制备请同学们自学,1. 工业制备（略）,2. 实验室制备,(1)帕尔-克诺尔(Paal, C.-Knorr, L.)合成法,1，4 二酮,28,上课使用,三种化合物的相互转化(有氧化铝存在的情况下),（2）诺尔合成法,氨基酮酸酯,29,上课使用,五、 呋喃、吡咯、噻吩的衍生物,(1) 糠醛,30,上课使用,31,上课使用,小 结,1.亲电取代反应活性顺序 三者是

10、富电子的芳香化合物，亲电取代活性比苯大。 吡咯呋喃噻吩 苯 2.环的稳定性顺序 （根据离域能的大小） 苯噻吩吡咯呋喃 150 122 90 68 遇氧化剂或酸不稳定,32,上课使用,3 吡咯的反应,33,上课使用,34,上课使用,4 呋喃的反应,35,上课使用,4 噻吩的主要反应,如何除去苯中少量噻吩？,36,上课使用,一 吲哚的反应 二 吲哚的合成（自学）,第三节 含有一个杂原子的五元杂环苯并体系,吲哚的结构共振式,37,上课使用,一 吲哚的反应,亲电试剂易进攻3位,38,上课使用,一 吲哚的反应,常用的亲电试剂,硝化： (HNO3 + HOAc),磺化：,卤化： (低温、稀释条件下进行，常

11、用，HOAc稀释，试剂为X2),酰基化： (酸酐、酰卤。AlCl3 , ZnCl2 ，BF3为催化剂),氯甲基化：(CH2O, HCl, ZnCl2),醛基化：+ POCl3 ,避免用强酸,39,上课使用,下面四种情况，取代基均进入苯环。进入哪个位置，具体分析。,试分析 亲电取代发生在苯环还是杂环上? 并指出具体位置。,40,上课使用,3-吲哚甲醛,2-乙酰基3-甲基吲哚,5-硝基2-甲基吲哚,41,上课使用,二 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。,42,上课使用,利血平,-吲哚乙酸,色氨酸,43,上课使用,一

12、唑的命名 二 唑的结构 唑的反应 唑的合成,第三节 含有两个杂原子的五元杂环体系,44,上课使用,一 唑的命名 azole,含有两个杂原子的五元杂环，若至少有一个杂原子是氮，则该杂环化合物称为唑。,命名时的编号原则是： 1） 让杂原子的位号尽可能小； 2）当两个杂原子不相同时，编号的次序是：价数小的在前，大的在后； 3）价数相等时，原子序数小的在前，大的在后。,O S N,2价,3价,原子序数小,原子序数大,O、S、N的次序如右：,45,上课使用,异噻唑(isothiazole),吡唑(pyrazole),异噁唑(isoxazole),1,2-唑,噁唑(oxazole),噻唑(thiazole

13、),咪唑(inidazole),1,3-唑,46,上课使用,（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),一 唑的结构,47,上课使用,（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。,强于,48,上课使用,（3）碱性,1. 1,2-唑与1,3-唑都有吡啶N，所以都有碱性。 2. 1

14、,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 亲电取代活性：咪唑噻唑 噁唑 由综合电子效应决定。,49,上课使用,三 唑的反应 主要讨论亲电取代反应,1 反应性,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。,2 1,2-、1,3-唑的硝化、磺化、卤化,（1） 进入环的位置及活性顺序,（2） 反应试剂：一般的硝化、磺化、卤化试剂即可。,实 例,eg 1,50,上课使用,eg 2,eg 3,51,上课使用,eg 4,磺化须强烈条件,eg 5,硝化、卤化须有给电子取代基,52,上课

15、使用,3 1,2-唑、1,3-唑的傅氏烷基化反应,常用的烷基化试剂是RX,烷基化反应的几点说明：,（1） 唑的吡啶N上的电子云密度较大，所以在一般情况 下，烷基化反应总是吡啶N上发生；,53,上课使用,（2） 咪唑上有两个N，烷基化反应首先在吡啶N上发生 一 烷基化产物经互变异构又产生一个吡啶N，可进 一步产生二烷基化产物，因此咪唑烷基化时经常得 到一烷基化产物和二烷基化产物；,54,上课使用,4 1,2-唑、1,3-唑的傅氏酰基化反应,常用的酰基化试剂是,一般情况下，酰基化反应主要在吡啶N上发生。酰基是一个吸电子基，所以反应能控制在一元酰基化阶段。,例如：咪唑的酰基化反应,N-酰基咪唑,55

16、,上课使用,1 1,2-唑的合成(只介绍吡唑与异噁唑的合成),(1)用1,3-二羰基化合物合成吡唑和异噁唑,(2)用1,3-偶极环加成反应制吡唑和异噁唑,四 唑的合成,56,上课使用,2 1,3-唑的合成,(噁唑类),(咪唑类),(噻唑类),57,上课使用,青霉素,噻唑环,青霉素是噻唑的衍生物。,58,上课使用,一 吡啶环系 1. 吡啶的结构 2. 吡啶的亲电取代反应 3. 吡啶的亲核取代反应 4. 吡啶环系的合成 5. 吡啶的氧化还原反应 6. 吡啶侧链-H的反应 7. 吡啶N-氧化物的反应 二 吡喃环系,第四节 含有一个杂原子的六元杂环体系,重点,59,上课使用,1. 吡啶的结构,共轭效应

17、和诱导效应都是吸电子的,孤电子对在sp2杂化轨道上。,=2.20D =1.17D,比较三甲基胺、吡啶、苯胺和吡咯的碱性大小,pKb 4.7 8.75 9.4 16.5 pKa 5.23,60,上课使用,吡 啶 结构：吡啶N是sp2杂化，孤电子对不参与共轭。环上电子云 密度小于苯环，是缺电子芳香杂环。 反应：弱碱性。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。类似硝基苯的反应。,61,上课使用,(1) 吡啶N的亲核性：与亲电试剂生成吡啶鎓盐或络合物,2. 吡啶的亲电取代反应,NO2+BF4- 乙醚 室温

18、,CH3I,RCOCl,H+,SO3,Br2 CCl4,石油醚,62,上课使用,吡啶盐的两个十分重要的用途：,*1 可用来做温和的磺化、硝化、卤化、烷基化、酰基化的试剂,*2 利用吡啶N的烷基化反应制备醛,63,上课使用,(2) 在C上发生亲电取代反应 N吸电子，类似硝基苯，反应活性低， 在 位上即3-位碳上反应。,64,上课使用,反 应 特 点,*1 不能发生傅氏烷基化、酰基化反应。 *2 硝化、磺化、卤化必须在强烈条件下才能发生； *3 吡啶环上有给电子基团时，亲电反应活性增高； *4 吡啶N可以看作是一个间位定位基。,进攻2位,进攻3位,进攻4位,更稳定,65,上课使用,（1） 置换易离

19、去基团的亲核取代反应,如在,位有好的离去基团，如Cl、-NO2、Br，可以与氨（或胺）、烷氧化物、水等亲核试剂发生亲核取代反应（在亲核取代反应中，吡啶N对邻、对位活化）。,3. 吡啶的亲核取代反应,4-吡啶酮,66,上课使用,分析中间体的共振结构 亲核试剂进攻位：,617页 2或4位取代的氯代吡啶的亲核取代反应活性大 生成的活性中间体稳定,67,上课使用,（2） 置换氢的亲核取代反应,一般机制：,*1 负氢不易离去，一般需要一个氧化剂作为负氢的接受体；,*2 亲核取代优先在位上发生，如果位上有取代基，则 反应在位上发生。,68,上课使用,实例：烷基化、芳基化反应,69,上课使用,实例：齐齐巴宾

20、(Chichibabin, A.E.)反应氨化,定义：吡啶与氨基钠作用生成2-氨基吡啶的反应称为齐齐巴宾反应。,H2O,+ NaNH2,100oC,C6H5N(CH3)2,70,上课使用,4. 吡啶环系的合成,汉栖(Hantzsch, A.)合成法,由二分子-羰基酸酯、一分子醛、一分子氨经缩合反应制备吡啶同系物的方法称为汉栖合成法。,71,上课使用,5. 吡啶的氧化还原反应,吡啶环本身不易被氧化，但它的侧链很容易被氧化成醛或羧酸。,(吡啶氧化物),还原反应,72,上课使用,6. 吡啶侧链-H的反应,2,4,6-位烷基的 -H与羰基 -H相似,羟醛缩合型,73,上课使用,N-烷基吡啶盐的侧链 -

21、H更活泼,羟醛缩合型,74,上课使用,吡啶的衍生物烟酸、烟碱等,烟碱(尼古丁) 烟酸 烟酰胺,75,上课使用,二 吡喃环系,吡喃及其衍生物无芳香特性,吡喃及吡喃酮的钅,羊盐是芳香体系。,苯并-吡喃酮的衍生物 : 黄酮、黄酮色素、花色素等,76,上课使用,一 喹啉和异喹啉的反应 二 喹啉和异喹啉的合成,第六节 含有一个杂原子的苯并六元杂环环系,注意异喹啉的编号,77,上课使用,一 喹啉和异喹啉的反应,1. 成盐：,碱性强弱：喹啉吡啶异喹啉,成盐反应：,78,上课使用,2. 氧化反应,*1 喹啉和异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：,79,上课使用,3. 亲电取代反应:

22、 ,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5，8位反应。,若反应在有机溶剂如硝基苯中进行，取代在杂环上发生， 得到3位或4位取代产物。,80,上课使用,4. 亲核取代反应 ,*1 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；,81,上课使用,*2 常用的亲核试剂有RLi, ArLi, RMgX, NaNH2, RONa等。 负氢比较难以取代。Cl, NO2等基团较易取代。,82,上课使用,喹啉和异喹啉可发生齐齐巴宾反应,83,上课使用,5. 侧链 -H的反应:,产率很高,84,上课使用,6. 还原:,反十氢喹啉,顺十氢喹啉,85,上课使用,二 喹啉和异喹啉的合成,斯克洛普(Skraup, Z.H.)反应：苯胺、甘油、硫酸和硝基苯等氧化剂一起作用，生成喹啉的反应称为斯克洛普反应。 ,eg 2,eg 1,86,上课使用,eg 4,eg 3,87,上课使用,一 嘧啶的反应 二 嘧啶的衍生物,第七节 含两个