第十七章杂环化合物.

第十七章杂环化合物(一)杂环的分类、命名和结构(二)五元杂环（呋喃、噻吩、吡咯）(三)六元杂环(吡啶）(四)稠杂环（喹啉）杂环化合物种类很多，广泛存在于自然界中，与动植物的生理作用及药物、染料等关系密切。(1)分类和命名杂环化合物是指含环上有杂原子、有一定芳香性的环状化合物。根据有无芳香性，可将杂环化合物分为非芳香性杂环和芳香性杂环。非芳香性杂环化合物具有与相应脂肪族化合物相类似的性质,不在讨论之列。(一)杂环的分类、命名和结构OSNHNNHNNHNONS五元杂环化合物：呋喃Furan噻吩Thiophene吡咯Pyrrole吡唑Pyrazole咪唑Idmiazole噁唑Oxazole噻唑Thiazole甲、常见的杂环化合物如下：五元稠杂环化合物：OSNH苯并呋喃Benzofuran苯并噻吩Thionaphene吲哚（苯并吡咯）Indole吡啶PyridineNN喹啉Quinoline六元（稠）杂环化合物：乙、命名：杂环化合物的命名常用音译法。例如：NCH2COOH吲哚乙酸b-NCH3甲基吡啶g-5（以OSN为序！）OCHO呋喃甲醛a-糠醛imidazole咪唑NN1234(2)结构和芳香性(甲)五元杂环的结构呋喃、噻吩、吡咯分子中所有的原子共平面，具有与苯环类似的结构。吡咯()：sp2杂化轨道psp2轨道p轨道s轨道Np轨道HN:2s2p23N-H呋喃()：OO:2s2p24杂化轨道p轨道p轨道s轨道p轨道sp2sp2O杂化轨道sp2噻吩()具有与呋喃相似的结构。S杂原子上的一对p电子与σ平面垂直，与未参与杂化的p轨道平行，形成π56的大π键，这种大π键符合休克尔4n+2规则的要求，它们具有一定的芳香性；由于环上的5个原子共享6个π电子，电子云密度比苯环大，发生亲电取代反应的速度也比苯快得多。下列实验事实都说明呋喃、噻吩、吡咯具有芳香性：①键长数据呋喃、噻吩、吡咯都具有一定程度的键长平均化：注：普通C＝C键长0.133nm；普通C－C键长0.154nm。②环流效应：它们的核磁共振吸收均出现在低场：③离域能数据NHOSCH2以上的数据或实验事实说明芳香性：NHSO与苯的性质接近具有部分共轭二烯的性质(乙)六元杂环的结构吡啶中氮原子采取不等性sp2杂化：结果是：Nsp2psp2pN①由于吡啶环中有6中心6电子的大π键，符合休克尔4n+2规则，所以吡啶环亦有芳香性。但由于键长未完全平均化，其芳香性不及苯。0.147正常值(单位：nm)C-NC=CC-CC=NN0.134nm0.139nm0.140nm0.140nm0.140nm0.1280.1330.154吡啶分子的偶极矩数据(D＝7.4×10-30C•m)也表明吡啶分子中电子去不是完全平均分布的。NNN-+N+-N+-能量最低，贡献最大电荷分离，氮带负电荷④吡啶环也有环流效应，说明吡啶有芳香性：N②由于吡啶环中氮原子上的一对孤对电子与苯环共平面（填入sp2轨道中），不参与环状共轭体系，所以这一对孤对电子很容易给出，从而表现出碱性。N③吡啶的结构可用共振论表示为：(二)五元杂环（呋喃、噻吩、吡咯）(1)亲电取代比苯快，新引入基上α－位。O+卤代Br2OBr+HBr。1,4-二氧六环25C，75%硝化O+CH3COONO2ONO2CH3COONO2+SNO2S醋酸硝酰一种弱的硝化试剂，或噻吩开环聚合！不用强酸，否则呋喃1.通用化学性质HH！不能用强酸NC5H5NSO3NSO3HOSO3HC5H5NSO3O磺化吡啶三氧化硫，一种温和的磺化剂SSSO3H室温H2SO4浓（苯在室温下不能磺化！）说明：①噻吩环芳性比呋喃环和吡咯环强，较稳定；②噻吩环上电子云密度比苯环大，更容易磺化。利用磺化反应可分离苯和噻吩：.Cb.p81。Sb.p84C。(())室温H2SO4浓SSO3H酸层）（（苯层）分液蒸馏无噻吩苯NHNCOCH3H+(CH3CO)2O60%150-200C。付氏酰基化：(2)加成O+H2ONH2+NPdPdHHTHF,重要溶剂吡咯烷，R2NH的性质（（））SH2,MoS2200C,20MPa。S四氢噻吩KMnO4SOO环丁砜，重要溶剂含硫，可使催化剂中毒!+OOOOOCCOOO23411432呋喃环具有共轭双烯的性质！(3)颜色反应呋喃绿色松木片HCl-吡咯红色松木片HCl-噻吩蓝色靛红-H2SO4糠醛红色醋酸－苯胺用于区别检验五元杂环2.吡咯的特殊性质吡咯分子中氮原子上虽然带有孤对电子，但是由于其参与了环状π56的共轭，为整个环状共轭体系所共享，从而使氮上电子云密度降低，孤对电子难以表现碱性。所以，吡咯的碱性弱于苯胺的碱性。吡咯（pKa=17）的酸性远远小于酚(pKa=10)。碱性：苯胺吡咯能与强酸成盐不能与强酸成盐，遇酸分解HN+N+H2OKOH(S)K+-H2O3.糠醛（α－呋喃甲醛）的特殊性质最初由米糠与稀酸共热而得，故名糠醛。糠醛具有典型的无α－H的醛的性质：OCHO构造：岐化：NaOH浓OCOONaOCH2OH+糠酸糠醇CHOO钠CHOO+(CH3CO)2ONaOAcOCH=CHCOOH+HOAc缩合：呋喃丙烯酸a-氧化：CHOOKMnO4,OH-OCOOH还原：CHOOCH2OHOH2/NiCHOOOCH2OHH2/Cu,铬铁矿(三)六元杂环化合物（吡啶）由于氮上孤对电子与苯环共面，不参与环体系的共轭，所以吡啶有碱性和亲核性，且碱性大于苯胺：(1)碱性与亲核性碱性：R3NNNH2Kb6.2105-2.3109-3.91010-:NNHNH2NH碱性：吡啶的化学性质+N+HClNCl-+H吡啶盐酸盐）（NNCH3+CH3II-吡啶季铵盐）（NN+SO3SO3+-（吡啶三氧化硫，温和磺化剂）?(2)亲电取代似硝基苯，新引入基上β－。N0.820.950.85电负性：NC①氮原子上电子云密度大，吡啶环上电子云密度小；吡啶不易发生芳环上的亲电取代反应②N的m-电子云密度比o-、p-大。如果发生芳环上的亲电取代反应，新引入基上m-位。N+Br2以上C。300NBrNN+H2SO4C。350SO3HNNC。NO2+混酸30024hb-吡啶磺酸b-溴代吡啶b-硝基吡啶（产率很低）6％，约例：(3)亲核取代N+NaNH2NNH2a-氨基吡啶NOHN+KOHa-羟基吡啶N0.820.950.85电负性：NC(4)氧化与还原NCH3V2O5，O2NCOOH吡啶甲酸b-烟酸NCH3V2O5，O2NNH2NH2HClNCOOHCONHNH2吡啶甲酸g-异烟酸异烟肼氧化还原NNHH2/NiorNa+C2H5OH哌啶，六氢吡啶典型仲胺性质NNOCH3CO3H吡啶在是一种常用的溶剂，它能溶解许多有机化合物和部分无机盐；吡啶及其衍生物在自然界分布较广，在药物中常见吡啶及其衍生物：NCH2OHCH2OHHOH3CNNCH3NCONHNH2NCH3COCHC6H5CH2OHO维生素B6烟碱异烟肼抗结核药阿托品解毒药）（（）尼古丁，杀虫剂（）用途(四)稠杂环化合物吲哚在自然界中广泛存在；（如天然精油及动物粪便中）喹啉是一种治疗“打摆子”的特效药；8－羟基喹啉是一种常用的金属离子络合剂，可与“较硬的”离子如Al3+、Mg2+等络合。NOH1234578NN7654321H吲哚喹啉羟基喹啉8-6(1)喹啉的化学性质①喹啉的碱性与吡啶相当NN9.18.8PKb②亲电取代在苯环，亲核取代在吡啶环：NN+NaNH2二甲苯100C。NH2NNNO2+NNO2混酸③苯环比吡啶环更稳定，加氢还原在吡啶环：NNNNa+C2H5OHH2/Pt四氢喹啉十氢喹啉(2)喹啉及其衍生物的制法——Skraup合成法历程(以喹啉的制备为例)：NH2RCH2OHCHOHCH2OH+浓H2SO4，氧化剂NRCH2CHCH2OHOHOHH2SO4,-2H2OCH2=CH-CH=ONCH2CH2COHNH2H麦克尔加成HONCH2CHCHH-2H2OH2SO4NHNC6H5NO2[O]本章小结：1、环上电子云密度大于苯，亲电取代反应活性大于苯，新引入基上α-位；2、吡啶环上电子云密度小于苯，亲电取代反应活性小于苯，新引入基上β-位。3、芳香性：4、碱性：ONNH、、SON＞＞HN＞＞NH2HNNNH2N＞＞＞＞