第十六章杂环化合物2.

第十六章杂环化合物（heterocycliccompounds）环状有机化合物中，成环原子除碳原子外还含有其他原子，这种环状化合物称为杂环化合物。杂环化合物非芳香性杂环化合物,如：芳香性杂环化合物ONH、内酯、环状酸酐等。本章讨论的是那些环为平面型，环内π电子数符合4n+2规则，具有一定芳香性的芳杂环化合物。16.1杂环化合物的分类与命名一、杂环化合物的分类杂环化合物单杂环五元杂环,如ONHS六元杂环,如N稠杂环苯环与单杂环稠并,如NHN两个以上单杂环稠并常见的杂环化合物五元杂环化合物的命名五元杂环五元杂环苯并体系O1234567S1234567NH1234567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)O1234αβ5S1234αβ55NH1234αβ唑的命名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。OSN2价3价原子序数小原子序数大O、S、N的次序如左：12345NO12345NSNNH12345异噻唑(isothiazole)吡唑(pyrazole)异噁唑(isoxazole)1,2-唑NO12345NS12345NNH12345噁唑(oxazole)噻唑(thiazole)咪唑(inidazole)1,3-唑六元杂环化合物的命名Nαβ123456γOαβ123456γ123456OO123456OONN123456123456NN123456NN六元杂环吡啶(pyridine)吡喃(pyran)γ-吡喃酮(γ-pyrone)α-吡喃酮(α-pyrone)哒嗪(pyridazine)嘧啶(pyrimidine)吡嗪(pyrazine)N12345678N1234567812345678OOONNNHN123456789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)六元杂环苯并环系是一无色有恶臭液体，与水及许多有机溶剂，如乙醇、乙醚等混溶，是良好的溶剂。吡啶氮上有一对电子未参与共轭，易接受质子，具有碱性。碱性：脂肪胺＞氨＞吡啶＞芳香胺NN：sp2杂化16.2吡啶一.结构和物理性质二.化学性质Nδδδαβγ碱性与成盐亲核试剂进攻部位亲电试剂进攻部位1.吡啶环上亲电取代反应与苯环比较吡啶环是缺电子芳香杂环，性质类似于硝基苯，不能进行傅氏烷基化和酰基化反应。亲电取代位置在3-或5-位进行，为什么？NBr2,H2SO4(SO3)130℃NBr3-溴吡啶265℃H2SO4(SO3),HgCl2NNNSO3H3-吡啶磺酸NNO2300℃KNO3,H2SO4(SO3)3-硝基吡啶NNH220℃Br2,HOAcNNH2Br吡啶亲电取代反应发生在β-位，除用电子理论解释外，还可以用中间体的稳定性加以说明：NHE+NHE+NHE+N+E+NN+NHE+HE+HE特不稳定NNN+HE+HEHE特不稳定β位γ位进攻进攻进攻α位显然，当吡啶环上连有供电子基团时，将有利于亲电取代反应的发生；反之，就更加难以进行亲电取代反应。NNO2CH3CH3HNO3,H2SO4100℃NCH3CH3吡啶环也象硝基苯一样，不能发生F―C烷基化和酰基化反应。吡啶环的亲核取代反应主要发生在α-位和γ-位，被取代的可以是氢原子，也可以是易于离去的基团。如：NCl220℃NH3,ZnCl2NNH2NBrBrNH3,H2O160℃NBrNH2NClNaOMeCH3OHNOMe2.吡啶环上亲核取代反应NHNaNH2NNHNaH2++NNHNa+H2ONNH2NaOH+NH+C6H5LiNC6H5+LiH除吡啶环2,4,6位上卤素容易被亲核试剂取代外，吡啶环2位的负氢离子也能被取代。吡啶环2位负氢离子被强亲核性氨基负离子取代,同时放出氢气，称齐齐巴宾（Chichibabin）反应。3.吡啶环上氮的碱性及亲核性CH3NH2NH3NNH2pkb3.364.758.89.3NNHCH3≡CNNNHCH3≡CNsp3sp2spNNNO2+BF4Et2OHClSO3CH2Cl2Br2/CCl4CH3IPhCOCl石油醚NN+HNN+NO2NN+SO3NN+BrNN+CH3NN+PhCOClBF4Br+ICl吡啶既然是一个碱，遇酸形成稳定的盐。如用非质子硝化试剂、磺化试剂，或卤素、卤代烷、酰氯与吡啶反应，也将形成相应的吡啶盐：+NSO3+NSO3H吡啶盐的重要的用途：*可用来做温和的磺化、硝化、卤化、烷基化、酰基化的试剂NCH2CH3CH3+NaNH2NCH2CH3CH2CH3INCH2CH3CH2CH3NCH3HHOZnCl2NCH2CH2OHZnCl2的作用：NZnCl2吡啶环2,4,6位烷基的α-H具有一定酸性，其酸性与甲基酮的α-H相同。4.侧链α-H的反应NCrO3NCOOHCOOHNNCH3HNO3NCOOHNH3NCNH2O尼古丁（烟碱）尼古丁酸（烟酸）尼古丁酰胺（烟酰胺）a.氧化吡啶环电子云密度小，不容易被氧化。5.吡啶的氧化和还原注意：NO发烟HNO3,H2SO490℃NONO2PCl3NNO2应用：NNNO2NCH330%H2O270℃,24h.CH3COOHNCH3ONCH3COOHONOb.还原电子云密度大的环容易被氧化，电子云密度小的环容易被还原。H2/Ni25℃,3atm.NNH六氢吡啶（哌啶）NSn,HCl或Na,EtOHNH16.3喹啉与异喹啉N15862347N15862347quinoline喹啉异喹啉isoquinoline喹啉、异喹啉的性质与吡啶相似，具有弱碱性。1.Skraup合成：芳香族伯胺与甘油同硫酸和氧化剂（如：硝基苯、五氧化二砷、氧化铁等）一起加热，即可得喹啉及其衍生物。+NH2CH2CHCH2OHOHOH浓H2SO4As2O5N一.喹啉及其衍生物的合成反应过程：①.甘油在浓硫酸（或磷酸）作用下脱水生成丙烯醛，也可直接用α，β-不饱和醛或酮CHCHCH2OHOHCH2CHCH2OHOHOHH2SO4HCCHCH2OH2SO4HCCH2CH2OOH②.苯胺与丙烯醛发生迈克加成+NH2NHCH2CH2HCOCH2CHCHONHCH2CH2HCOHNHCH2CH2HCOHNHCH2CH2HCOHNHCH2CH2COHHHHNHCH2CH2COHHH2ONH+NHNO2NNH2③.质子化的醛对苯环进行亲电取代反应④.1,2-二氢喹啉氧化NH2Cl甘油,H2SO4NO2ClNCl（85-88%）例：NH2CH2CHCCH3O+FeCl3,ZnCl2或H2SO4NO2NCH3（73%）二.异喹啉的合成Bischler-Napieralski合成法CH2CH2NH2Ac2ONHOP2O5205oCNPd190oCNNHNO3,H2SO40℃NNO2NNO2+8-硝基喹啉（48%）5-硝基喹啉（52%）+NNNO2HNO3,H2SO40℃NNO210%90%1.亲电取代反应亲电取代反应主要发生在碳环的5位和8位。2.喹啉及异喹啉的反应NClClC6H5CH2CN,NaNH2NCHCNClC6H5NClCl140℃CH2(CO2C2H5)2,NaHNCH(CO2C2H5)2Cl亲核取代反应主要发生在吡啶环上。喹啉环上2位和4位，异喹啉环上1位的氯原子容易被亲核试剂取代。2.亲核取代反应NNaNH2NNH2NC2H5Mg150℃NC2H5NClCH3ONaCH3OHNOCH3NCH3COOEtCOOEtEtONa,EtOH室温12h.NCH2CCOOEtO90%NCH3CH3CHO+ZnCl2100℃NCHCH3CH喹啉和异喹啉类似于吡啶，在喹啉2与4位侧链及异喹啉1位侧链上有活泼的α-H，可进行缩合和亲核取代反应。与吡啶类似，形成季铵盐后，侧链α-H活性提高3.侧链α-H的反应NCH3CH3CH2INCH3CH2CH3IOHNCH2EtNCH2CH3INCH2CH2CH3INC2H5NCrO3NCOOHCOOH吡啶-2,3-二甲酸Sn,HCl或Na,ROHNNHH2/NiNH4.氧化及还原一呋喃、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。反应：碱性较弱，环易发生亲电取代反应，环上相当有一个邻对位定位基。NNH共轭效应是给电子的。诱导效应是吸电子的。一呋喃、噻吩、吡咯的结构呋喃、噻吩的结构请同学自己分析。二呋喃、噻吩、吡咯的制备1.工业制备（略）2.实验室制备(1)帕尔-诺尔(Paal,C.-Knorr,L.)合成法OOBu-tt-BuOHOBu-tt-BuH2SO4-H2O,HAcTsOH,甲苯,△SBu-tt-BuP2S5,170℃(1)NH2R(2)NH3(NH4)2CO3,100℃(~40%)Bu-tt-BuOHOHOBu-tt-Bu-H2OBu-tt-BuNHOHHOOBu-tt-BuHONH2NHBu-tt-Bu-2H2O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ROEtOOCROEtOOCNOHROEtOOCNH2ROCOOEtROEtOOCNH2NHCOOEtRREtOOCHNO2Zn-HOAc+氨基酮酸酯ONHSH2ONH3H2SNH3H2OH2S1.呋喃、噻吩、吡咯的质子化反应2.呋喃、噻吩、吡咯的亲电取代反应3.呋喃、噻吩、吡咯的加成反应三呋喃、噻吩、吡咯的反应1.呋喃、噻吩、吡咯的质子化反应分子接受一个质子的反应称为质子化反应.（1）呋喃、噻吩、吡咯在酸的作用下可质子化；（2）质子化反应主要发生在C-2上；NHHHNHNHHHNHHH+H+H+α-C质子化β-C质子化N-质子化（3）由于-C的质子化反应，吡咯在强酸作用下会因聚合而被破坏；（4）在稀的酸性水溶液中，呋喃的质子化在氧上发生并导致水解开环。OOHHOOHOH2OHOHOOH2SO4-H2OHOAc,△90%H2O-H+2.呋喃、噻吩、吡咯的亲电取代反应*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：NOS综合：N贡献电子最多，O其次，S最少ONHSNHEHNHEHNHEHEHEHEH①电子密度②σ-络合物八隅体结构最稳定无最稳定结构（1）概述*2取代反应主要发生在α-C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。离域能：噻吩：121.3kJ·mol-1吡咯：87.8kJ·mol-1呋喃：66.9kJ·mol-1*5杂原子和取代基的定位效应A杂原子的定位效应：B取代基的定位效应：第一取代基进入到杂原子的α-位。3位上有取代基时，呋喃、吡咯、噻吩的定位效应一致。ZG(o,p)ZG(m)2位上有取代基时，吡咯、噻吩的定位效应一致，情况如下：2-取代呋喃在强亲电试剂的作用下易发生2,5-加成反应：ZG(o,p)(主)(次)ZG(m)(主)(次)OG(o,p,m)（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。CH3COCCH3+HNO3OOCH3CONO2+CH3COOHOSAcONO2OoCAc2O/AcOHSNO2SNO2+NHAcONO2OoCAc2O/AcOHNHNO2NHNO2+60%10%51%13%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