中南大学理工类专业有机化学教案17杂环化合物

1第十七章杂环化合物授课对象：应用化学、化学工程与工艺，制药工程、药学学时安排：4h教材：有机化学（第四版），高等教育出版社，高鸿宾主编，2005年一、教学目的和要求：1.掌握：杂环化合物的分类、结构和命名（包括衍生物的命名）。结构与芳香性。五员杂环的化学性质，常见五员杂环：呋喃和糠醛、吡咯和吲哚、噻吩的结构和性质。六员杂环化合物：吡啶和嘧啶、喹啉和异喹啉的结构和性质。2.熟悉：咪唑、嘧啶的结构3.了解：嘌呤、烟碱的结构。二、教学重点：杂环化合物的结构和命名（包括衍生物的命名）。结构与芳香性。三、教学难点：杂环化合物的结构和芳香性。四、教学方法：讲授法为主，辅以启发和讨论。17.1杂环化合物的分类和命名杂环大体可分为：单杂环和稠杂环两类。1.分类：2稠杂环是由苯环与单杂环或有两个以上单杂环稠并而成。2．命名：杂环的命名常用音译法，是按外文名称的音译，并加口字旁，表示为环状化合物。如杂环上有取代基时，取代基的位次从杂原子算起用1，2，3，4，5……（或可将杂原子旁的碳原子依次编为α,β,γ,δ…）来编号。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：3五元杂环中含有两个杂原子的体系叫唑（azole）17.2五元杂环化合物一.含有一个杂原子的五元杂环单环体系:呋喃，噻吩，吡咯（1）呋喃，噻分，吡咯的电子结构和光谱性质。电子结构：这三个杂环化合物中，碳原子和杂原子均以sp2杂化轨道互相连接成σ健，并且在一个平面上，每个碳原子及杂原子上均有一个p轨道互相平行，在碳原子的p轨道中有一个p电子，在杂原子的p轨道中有两个p电子，形成一个环形的封闭的π电子的共轭体系。这与休克尔的4n+2规则相符，因此这些杂环或多或少的具有与苯类似的性质，故称之为芳香杂环化合物。芳香性大小,试验结果表明:光谱性质：IR:νc-H=3077~3003cm-1,νN-H=3500~3200cm-1(在非极性溶剂的稀溶液中，在3495cm-1，有一尖峰。在浓溶液中则于3400cm-1,有一尖峰。在浓和淡的中间浓度时，两种谱带都有),杂环C＝C伸缩振动:1600~1300cm-1（有二至四个谱带）。NMR：这些杂环化合物形成封闭的芳香封闭体系，与苯环类似，在核磁共振谱上，由于外磁场的作用而诱导出一个绕环转的环电流，此环电流可产生一个和外界磁场方向相反的感应磁场，在环外的质子，处在感应磁场回来的磁力线上，和外界磁场方向一致，在去屏蔽区域，故环上氢吸收峰移向低场。化学位移一般在7ppm左右。呋喃：α－Hδ=7.42ppmβ－Hδ=6.37ppm噻吩：α－Hδ=7.30ppmβ－Hδ=7.10ppm吡咯：α－Hδ=6.68ppmβ－Hδ=6.22ppm4二．呋喃，噻吩，吡咯的制备1.玉米心，稻糠，花生壳，大麦壳，高粱秆等用稀硫酸处理得戊糖，戊糖失水得糠醛，再在400℃下加热，同时在催化剂ZnO,Cr2O3存在下，失去一氧化碳而得呋喃。2.工业上制备噻吩是用丁烷，丁烯或丁二烯与硫磺混合，在600℃反应得到：3.噻吩也可用琥珀酸钠盐与五硫化二磷一起加热反应制得：4.帕尔——克诺尔（C.Paal—L.Knorr）合成法：1，4—二羰基化合物常在无水的酸性条件下，得到呋喃及其衍生物。1，4—二羰基化合物与氨或硫化合物反应，可制备噻吩，吡咯及他们的衍生物，这个方法称为帕尔—克诺尔合成法：55.取代吡咯的另一个一般的合成法，称为克诺尔合成法，即用氨基酮与有α－亚甲基的酮进行缩合。例如用氨基酮酸酯与酮酸酯或1，3—二酮缩合，氨基酮酸脂由相应的β－羰基酯制得。α—氨基酮α—亚甲基酮（三）呋喃，噻吩，吡咯的反应1.亲电取代反应：（1）呋喃，噻吩，吡咯亲电取代活泼顺序呋喃，噻吩，吡咯亲电取代反应很容易进行。这是由于环上五个原子共有六个π电子，6故π电子出现的几率密度比苯环大。换句话说，环上的杂原子有给电子的共轭效应，能使杂环活化。所以，在亲电取代反应中的速度比苯环快的多。亲电取代反应活泼顺序为：杂原子给电子共轭效应愈强，环上电子云密度愈大，亲电取代愈易进行。N电负性3.0,O电负性3.5,S电负性2.4,N、O与碳在同一周期，S在第三周期，其p轨道与碳的p轨道重叠较小。（2）亲电基团容易进入杂环的2，5位（即α,α′位），若杂环的2，5位已有基团存在，则进入3位。α位比较活泼的原因是因为在反应中形成的中间体正离子有三个共振式参与共振。如果在β位发生反应，形成的中间体正离子只有两个共振式参与共振，参与共振的共阵式愈多，杂化体愈稳定，故在α位发生反应的中间体正离子比较稳定，稳定的中间体正离子的过渡态能量低，反应速度快。因此亲电取代反应容易在α位发生。稳定（3）呋喃，噻吩，吡咯，遇强酸及氧化剂很容易使环破坏，因此进行取代反应须在较温和的条件下进行。7(a)硝化呋喃，噻吩，吡咯很容易被氧化，甚至也能被空气氧化。硝酸是强氧化剂，因此一般不用硝酸直接氧化。通常用比较温和的非质子的硝化试剂—硝酸乙酰酯进行硝化，反应还须在低温进行：乙酐乙酰基硝酸酯（硝酸乙酰酯）杂环亲电取代反应的活泼性越强，反应温度控制的越低。呋喃比较特殊，在此反应中首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，得硝化产物：呋喃易生成2，5—加成物，与反应物的离域能大小有关。离域能大，过渡态已具有稳定的芳香族化合物的部分性质，能量也就较低，活化能小，容易发生亲电取代反应。呋喃的8离域能较小（呋喃66.9kJ/mol，噻吩121.3kJ/mol，吡咯87.8kJ/mol）易与乙酰氧基负离子发生亲核加成反应，而吡咯具有较高的芳香性，因此，易于失去质子发生亲电取代反应。但必须注意到呋喃与大多数亲电试剂发生亲电取代反应，只有在强的亲核试剂存在时，才发生亲核加成反应（邢其毅等《基础有机化学》第二版874页）噻吩可以用一般的硝化试剂进行硝化，但反应非常猛烈。（b）磺化呋喃，噻吩，吡咯也需避免直接用硫酸进行磺化，常用温和的非质子磺化试剂，如用吡啶与三氧化硫加成物作为磺化剂进行反应：吡咯—2—磺酸9反应首先得到吡啶的磺酸盐，在用无机酸转为游离的磺酸。由于噻吩比较稳定（芳香性强），可以用硫酸直接进行磺化，但产率不如上述试剂所得到的高。从煤焦油中得到的苯通常含有少量的噻吩。可在室温下反复用硫酸提取，由于噻吩比苯容易磺化，磺化的噻吩溶于浓硫酸内，可以与苯分离。然后水解，将磺酸基去掉，可得到噻吩：噻吩—2—磺酸69~76%（溶于浓H2SO4）(c)卤化呋喃，噻吩在室温与氯或溴反应很强烈，得到多卤代的产物。如希望得到一氯代和一溴代的产物，须在温和的条件下（如用溶剂稀释）及低温下进行反应。不活泼的碘则须在催化剂作用下进行：10吡咯卤代常得到四卤化物。2—氯吡咯很不稳定，是唯一能直接卤化制得的2—卤吡咯。(d)傅氏酰基化呋喃用酸酐或酰氯在傅氏催化剂作用下发生酰基化反应，酸酐如用三氟化硼做催化剂产率最高：呋喃，吡咯，噻吩亲电取代反应小结：呋喃，吡咯遇强酸容易开环或产生聚合物。故所使用的亲电试剂一般比较温和。噻吩很稳定，与酸不发生上述反应。11噻吩傅氏酰基化反应非常有用，但需要小心控制反应条件，如用无水三氯化铝，氯化锡等催化剂易于噻吩产生树脂状物质。必须将三氯化铝等先与酰化试剂反应生成活泼的亲电试剂，然后在与噻吩反应。吡咯可用乙酸酐在150～200℃直接酰化：(e)傅氏烷基化呋喃，噻吩，吡咯进行烷基化反应很难得到一烷基取代的产物。常得到混合的多烷基取代物。甚至不可避免的产生树脂状物质，因此用处不大。2．加成反应：(a)D－A反应呋喃的离域能较小，芳香性较差，故环的稳定性较低。可以看作是1，3—二烯。具有共轭双烯的性质，可以发生双烯加成类型的反应：12吡咯与顺丁烯酸酐不发生D—A反应，可能是氮原子的未共用电子对参加了共轭体系，典型的亲二烯试剂丁炔二酸（或酯）与之发生迈克尔加成反应。吡咯能发生下列加成反应：噻吩发生上述加成反应的倾向性很小。噻吩与乙炔的亲二烯试剂加成的研究较多，双烯加成产物通常不稳定，失硫而得苯的衍生物。噻吩和吡咯中，由于硫和氮原子的电负性较小，芳香性较强，共轭二烯的性质较差。（b）催化氢化反应呋喃，噻吩，吡咯均可进行催化氢化反应，失去芳香特性而得到饱和杂环化合物。呋喃和吡咯可用一般催化剂还原，噻吩能使一般催化剂中毒，需使用特殊催化剂：133．吡咯的弱碱性和弱酸性从结构上看，吡咯是环状第二胺，但因氢原子上的未共用电子对参与了环的共轭体系，使氮原子上的电子出现的几率密度降低。减弱吸引H+的能力，故吡咯的碱性极弱，Kb=2.5×10-14,比苯胺弱的多，苯胺Kb=3.8×10-10.另一方面，吡咯氮原子上的氢原子却有极微弱的酸性，其酸性电离常数Ka=10-15，较醇强而较酸弱。苯酚Ka=1.3×10-10,乙醇Ka≈10-18。故吡咯能与固体氢氧化钾加热成为钾盐：吡咯也能与格氏试剂作用放出烃（RH）而成吡咯卤化镁：吡咯卤化镁吡咯钾盐及吡咯卤化镁都可以用来合成吡咯衍生物。N—苯甲酰基吡咯70%144．吡咯的其它反应：吡咯的性质与酚很类似，可发生下列反应：2—吡咯甲醛（瑞穆尔—梯曼反应）2—吡咯甲酸铵盐（柯尔柏反应）