第十七章杂环化合物v4.

第十七章杂环化合物主要内容五元芳杂环的亲电取代（活性比较，反应取向，已有取代基对亲电取代取向的影响）五元芳杂环的还原反应和Diels-Alder反应，呋喃的酸性开环，吡咯的弱酸性吡啶环上的亲电取代（亲电取代活性和取向）吡啶的亲核取代，吡啶N的碱性和亲核性，17.1杂环化合物的分类和命名单杂环稠杂环五元杂环六元杂环OSNH含一个杂原子含二个杂原子NONSNONS含一个杂原子含二个杂原子NONNNN苯骈五元环苯骈六元环SONHNNN以杂环的骨架为基础，按还的大小，环中杂原子的数目的多少分类。NHO,,,OOOOOO杂环化合物不包括极易开环的含杂原子的环状化合物.•杂环化合物是一大类有机物，占已知有机物的三分之一。•本章所讨论的杂环化合物：环系比较稳定，且都具有不同程度的芳香性。杂环化合物在自然界分布很广、功用很多。———杂环染料，有机导体、超导体，贮能材料，生物活性、广泛存在于生物体中。SSSSNNCH3PhCH3NNPhCH3CH3hrSNOHHCO2HNHHCH3CH3CC6H5CH2OPenicillinG有机导体、超导体，贮能材料NNCH3HCH2SNHCH2CH2COCH3HNCimentidineAntibiotic（抗生素）Penicillin（青霉素）Antiulceragent（抗溃疡药）Cimetidine（甲氰咪胍）杂环化合物的命名•杂环化合物的命名多采用英文译音NHOSNNN(pyrrole)(furan)(thiophene)(pyridine)(pyrimidine)NNNNHNNH(quinoline)(indole)(purine)吡咯呋喃噻吩吡啶嘧啶喹啉吲哚嘌呤•带有取代基的杂环化合物，以杂环为母体。(p410)编号:①从杂原子开始顺着环编号；②环上含有两个或以上相同的杂原子时，应使杂原子所在位次的数字最小；③环上有不同杂原子时，按O、S、N的次序编号;连有H原子或取代基的杂原子位次最小；④环上只有一个杂原子时，有时也把靠近杂原子的位置叫位，其次为位，再次为位。2-甲基-5-乙基呋喃α-甲基-α`-乙基呋喃4-甲基吡啶γ-甲基吡啶OC2H5CH3NCH3OO2NCHOCH3BrCH3NN5-硝基-2-呋喃甲醛α`-硝基-α-呋喃甲醛1,4-二甲基-5-溴咪唑CH3SN5-甲基噻唑17.2杂环化合物的结构与芳香性OSO(S)：2s22p4sp2杂化Π56，富电子的芳环一对未共用电子对占据未杂化p轨道，另一对未共用电子对占据一个sp2杂化轨道O含一个杂原子的五元芳杂化合物(p412)NHN：2s22p3sp2杂化一对未共用电子对占据未杂化p轨道，另一个未共用电子占据一个sp2杂化轨道Π56，富电子的芳环NH•五元芳杂环化合物具有芳香性①键长发生了平均化②环上H-NMR信号都出现在低场，位于芳香族化合物区域内。③呋喃、吡咯、噻吩都有很高的离域能，分别为67,88,117kJ/mol。从键长数据说明它们在一定程度上仍具有不饱和化合物的性质。解释：呋喃、吡咯、噻吩环中的杂原子上的未共用电子对参与了环的共轭体系(Π56)--富电子的芳环，环上的电子云密度比苯高，故比苯容易发生亲电取代反应，取代通常发生在-位。亲电取代反应活性顺序：NHOS•五元芳杂环化合物芳香性程度的比较芳香性强弱的次序：苯噻吩吡咯呋喃1521178867kJ/mol(离域能)-0.10-0.03-0.060(α位电子云密度)N吡啶（六元芳杂化合物）(p413)N：2s22p3sp2杂化：一个未共用电子占据未杂化p轨道，另一个一对未共用电子对占据一个sp2杂化轨道Π66，缺电子的芳环CCCCCNHHHHH•吡啶具有芳香性①键长发生了平均化②环上H-NMR信号都出现在低场，位于芳香族化合物区域内。从键长数据说明吡啶环上的电子云并非完全平均化。α-H(8.5);β-H(6.98);γ-H(7.36)CCCCCNHHHHH共振能：23卡/molsp2轨道有未共用电子对N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（六元芳杂化合物）的结构及性质分析①由于N原子的电负性较大，使得环上碳原子的电子云密度有所减低。因此吡啶在发生亲电取代反应较苯困难，主要发生在位。相对来说，吡啶较易发生亲核取代反应，取代基往往进入位。②N原子未共用电子对不参与形成大π键，有较强的碱性。NNNNHsp2杂化，p轨道：1esp2杂化，p轨道：2eΠ56sp2杂化，p轨道：1esp2杂化，p轨道：1eΠ66含两个杂原子的芳杂化合物电子数=6电子数=8电子数=6非共轭体系电子数=6电子数=6N有3个键的,如-NH-,则N为sp2（1,1,1）,剩余p=2电子(电子)N有2个键的,如-N=,则N为sp2（1,1,2）,剩余p=1电子(电子)(p430)第8题:下列化合物哪些具有芳香性？有芳香性有芳香性有芳香性有芳香性反芳香性无芳香性•也可用共振式的叠加来表示，如吡咯：•芳香族化合物的电荷分布：杂环化合物分类：多芳杂环(环上碳原子电荷密度比苯大)；缺芳杂环(环上碳原子电荷密度比苯小，通常为五元芳杂环)。作为杂环骨架分类法的补充。•由于芳杂环中电子的离域作用，环中的单、双键与孤立的单、双键不同，因此，可用下列式子表示：1.亲电取代反应亲电取代反应相对活性-取代-取代主要产物取代位置AEAEAE+NHOS3×10186×10115×109117.3五元芳杂化合物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位中间体有三个主要共振式，较稳定AEAEAEAEH-H+AEHH哪个共振式贡献最大？AEAEAAEHEH-Hii.取代在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AAAAAii.由反应中间体的稳定性分析AEH-H+AEAE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/H2SO4（硝化）或H2SO4（磺化）解决办法：用温和试剂替代A氧化聚合分解反应剧烈强酸A=NH,O,S(1)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AcONO2AcONO2Ac2O+HNO3+硝基乙酰酯NHAcONO2Ac2O,-10oCNHNO2NHNO251%13%+SAcONO2Ac2O-AcOH,0oCSNO2SNO260%10%+•呋喃发生加成反应（呋喃的特殊性：共轭烯烃性质）机理OAcONO2-5~-30oCONO2AcO碱或ONO2-HOAc加成消除OONO2AcOHHBONO2AcOONO2NO2HOAc+磺化试剂：(2)五元杂环的磺化反应NSO3NSO3+CH2Cl2吡啶-SO3加合物NH100oCNHSO3HSSH+r.t.SO32Ba2+OH+OSO3H+OSO3HHO3S41%15%90%86%Ba(OH)2NSO3NSO3NSO3r.t.•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SSSO3HH2SO4r.t.SH2SO4r.t.SSO3H&溶解于硫酸中（少量）反应快OOCSSCH3OPhCClOPhCOSnCl2Ac2OBF3(3)其它亲电取代•卤代反应•Friedel－Crafts反应•与重氮盐偶联NHNHNNPhPhN2X较弱的Lewis酸OBr2/0oC稀溶液OBrSSBrHOAcBr2(1)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OSNHH2/PdH2/PdOSNHH2/MoS22.五员芳杂环的其它反应(2)Diels-Alder反应（共轭二烯性质）O+CO2CH3CO2CH3OH3CO2CH3CO2CFBrLiOONHHN(3)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ONHS362921~2216(kcal/mol)•共振能对比1,4-二酮ORCH2CH2RH2O/H+ORCH2CH2RORRCH2OOH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）：SAcONO2Ac2O-AcOH,0oCSNO2SNO260%10%+OAcONO2-5~-30oCONO2AcO碱或ONO2-HOAc对比：加成消除亲电取代•生成-呋喃丙烯酸(普尔金反应Perkin)•坎尼扎罗反应（歧化反应）糠醛为没有-氢的醛，其性质与苯甲醛或甲醛相似(p417)吡咯N-H的弱酸性•吡咯钾盐的生成NHNRRHROHPhOHpKa~35~17.5~17~10NHNK+KH2(4)吡咯的一些特殊性质CCCCCNHHHHH吡啶的结构及性质分析共振能：23卡/molsp2轨道有未共用电子对N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17.4吡啶（六元芳杂化合物）(1)吡啶的碱性合成上作为有机碱Knoevenagel反应ROTs+TsClNROH+NHClRCH+NC(CO2C2H5)2RCHOCH2(CO2C2H5)21.吡啶的碱性和亲核性吡啶的碱性较吡咯、苯胺强(p414)NR3NNKb~10-9~10-4~10-14HNH2~10-9.3其它应用——制备吡啶盐试剂如磺化试剂NSO3NSO3+CH2Cl2NSO3NHSO3H(1)(2)HClNClH+NHSO3H+NNSO3例(2)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NCH3NCH3II+NCH3300oCHINaOHNCH3NCH3HINCH3NaOH重排NCH3I吡啶的酰基化及其应用酰基化机理NRCClONRCOClR'OHRCOR'ONClH+NRCOR'OHNRCOR'OHRCOOR'HN+RCOR'ONH+酰基化试剂吡啶充当一个好的离去基团取代位置和反应活性（例：吡啶的硝化）N(CH3)3N(CH3)3NO2发烟H2SO4发烟HNO3/常温N发烟H2SO4发烟HNO3/NoReaction发烟H2SO4发烟HNO3/NNO2300oC/24h常温起强吸电子基作用对比：钝化取代2.吡啶环上的亲电取代其它亲电取代反应给电子基使亲电取代反应较易进行NNSO3HNBr浓H2SO4/HgSO4220oC300oCBr2/浮石Friedel-Crafts反应NoReaction钝化取代NKNO3/浓H2SO4110oCNNO2H3CCH3H3CCH3NNH220oCBr2/HOAcNNH2Br(i)由吡啶的共振式分析:环上带正电,不利于亲电取代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NNNNNN-EENENENENEHHH-HNE位(ii)反应中间体的稳定性分析•取代在位（取代在位类似）贡献最小，为什么？中间体有两个主要共振式E位NNEHNEHNEHNE-H•取代在位中间体有三个主要共振式，较稳定NGNGNGNG（弱）（强）环上已有给电子基的定位作用EEEEEE归纳一下，有什么规律？NNHNuNNuNu=NH2,PhNu-HN-通过氧化去氢或其它途径亚胺结构NuNuNu•吡啶的亲电性•吡啶的亲核取代通式亲核加成负氢消除3.吡啶环上的亲核取代反应(1)NaNH2与吡啶的亲核取代——Chichibabin反应NNNH2+NaNH2H2NH3或PhNMe2(2)PhLi与吡啶的亲核取代NPhLiNPhO2orPhNO2,(氧化)(3)或卤代吡啶的亲核取代•制备-吡啶酮的其它方法例：NClNOHNaOHNHO异构化NHO-吡啶酮（仍有芳香性）反应易进行NNH2(1)NaNO2,HCl(2)H2O,NOHNHO异构化NNaNH2NH2,Pt0.3MPNHNNHNHSn/HClorNa/EtOHH2