第二十章_杂环化合物.

第二十章杂环化合物exit本章提纲1.杂环化合物的分类2.杂环化合物的命名3.呋喃、噻吩、吡咯的结构和物性4.呋喃、噻吩、吡咯的反应5.吡啶的结构和物理性质6.吡啶的反应第一节杂环化合物的分类成环的原子(即环上的原子)除C原子外，还有其它原子（叫杂原子）的环状化合物，叫“杂环化合物”。常见的杂原子有N、O、S，其中以N为最多。杂原子可以是1个也可以是多个。杂环化合物根据结构和性质的不同。可以分两类：芳香性杂环：环比较稳定，具有一定程度的芳香性。比如：吡啶。脂杂环：没有芳香性，它们的性质与杂原子有关。非芳香性杂环虽有杂原子，但它们很易开环，性质和相应的链状化合物很相似，一般不放在杂环化合物中讨论，而本章主讨论前一类。(非芳香性杂环)一、脂杂环没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂环。三元杂环四元杂环五元杂环七元杂环(氮杂环丙烷)(β-丙内酯)(β-丙内酰胺)(顺丁烯二酸酐)(氧杂)(1H-氮杂)O(环氧乙烷)NHOHNOOOOOONH单杂环五元杂环：六元杂环：稠杂环二环：三环：芳香杂环ONHSNNNNN二、芳杂环具有芳香特征的杂环化合物称为芳杂环五元杂环六元杂环呋喃噻吩吡咯吡啶嘧啶吡喃(无芳香性)NHSONNNO苯并杂环杂环并杂环吲哚喹啉异喹啉嘌呤NHNNNNNHN一、杂环母体的命名常用音译法，是按照英文名称的音译，选用同音汉字在加“口”字旁，表示环状化合物。NHOSN(pyrrole)(furan)(thiophene)(pyridine)吡咯呋喃噻吩吡啶第二节杂环化合物的命名NN(pyrimidine)N(quinoline)嘧啶喹啉NNNHNNH(indole)(purine)吲哚嘌呤二、环上有取代基编号原则：(1)从杂原子开始依次用1、2、3…表示（异喹啉例外），或依次用α、β来表示。(2)当环上含有二个或两个以上的杂原子时，则按O→S→N的顺序编号，并使杂原子的位次之和尽可能的小。N(isoquinoline)异喹啉12345678五元杂环呋喃(furan)噻吩(thiophene)吡咯(pyrrole)O1234αβ5S1234αβ55NH1234αβ五元杂环苯并体系O1234567S1234567NH1234567苯并呋喃(benzofuran)苯并噻吩(benzothiophene)苯并吡咯吲哚(indole)Nαβ123456γOαβ123456γ六元杂环吡啶(pyridine)吡喃(pyran)N12345678N12345678NNNHN123456789杂环并杂环喹啉(quinoline)异喹啉(isoquinoline)嘌呤(purine)六元杂环苯并环系OCH3NCOCH32－甲基呋喃α－甲基呋喃2－乙酰基吡咯α－乙酰基吡咯NNNO2CH33－硝基吡啶4－甲基吡啶2-呋喃甲醛3-吲哚乙酸（α-呋喃甲醛）（β-吲哚乙酸）OCHONCH2COOH一、结构：第三节呋喃、噻吩、吡咯的结构和物性吡咯的结构NHNHN原子sp2杂化，孤电子对在p轨道上。富电子π体系π56CCCNCHπ56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，环上相当于有一个邻对位定位基。吡咯的结构:CCCOCO呋喃的结构:1.形成5原子6电子共轭体系，符合(4n+2)规则，具有一定的芳香性，并且环上电子云密度比苯高，比苯更易发生亲电取代反应，尤其是在α位上。亲电取代活性次序为：吡咯呋喃噻吩苯五元芳香杂环的结构特点及其特性：π562.由于环上电子云分布不如苯环均匀，所以芳香性较差，其芳香性次序是：SNHO离域能：150.51178867kJ/mol二、物性NHSO偶极矩方向：1.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、吡咯的加成反应第四节呋喃、噻吩、吡咯的反应一、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α-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。OOOH2SO4-H2OHOAc,△90%二、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：π电子密度：1.概述ONHS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NHEHNHEHNHEHEHEHEH八隅体结构最稳定无最稳定结构σ-络合物的稳定性*2取代反应主要发生在杂原子的α-C上；*3杂原子和取代基的定位效应(P883)杂原子的定位效应：第一取代基进入到杂原子的α-位。取代基的定位效应：(1)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)2位上有取代基时，吡咯、噻吩的定位效应一致，情况如下：2-取代的呋喃，原有的任何基团都使得第二基团定位进入C－5位：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。硝酸乙酰酯CH3COCCH3+HNO3OOCH3CONO2+CH3COOHOSSNO2SNO2+NHAcONO2OoCAc2O/AcOHNHNO2NHNO2+60%10%51%13%Ac2O/AcOHOoCAcONO2ONHNO2OOHNO2HNO2HAcOAcONO2-5--30oC+Pyridine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。3.呋喃、噻吩、吡咯的磺化反应吡咯、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。N+SO3CH2Cl2室温NSO3O+NSO3ClCH2CH2Clr.t.3daysOSO3-NHOSO3--O3SNHNH+NH+NSO3100oCNHSO3-NHHClNHSO3HSSSO3HS+25oCH2SO4H2OH2SO4常用此法除去苯中含有的少量噻吩3.呋喃、噻吩、吡咯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。OOOClClClCl2-40℃+OBrOOBr2,0℃(86%)NHNHClSO2Cl2(1mol)Et2O,0℃SSBrSIBr2AcOHI2,HgOC6H6,0℃(78%)4.呋喃、噻吩、吡咯的傅氏酰基化反应(60%)NH+Ac2O150-200℃NHCCH3O(75%-92%)OBF3+Ac2OOCCH3OSAc2O/AlCl3SCCH3ONHENHEsp2杂化sp3杂化碳上酰化，正电荷处在离域范围内，较稳定。氮上酰化，正电荷不处在离域范围内。呋喃、噻吩的酰化反应在α-C上发生，而吡咯的酰化反应（不用催化剂）既能在α-C上发生，又能在N上发生。在-C上发生比在N上发生容易。5.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。补：吡咯的弱酸性和弱碱性(1)吡咯虽然是一个仲胺，但碱性很弱。只能很慢地溶解在稀酸溶液中，此溶液稍微加热则成为吡咯红（聚合物）；浓酸则使其树脂化。上的未共用电子对参与了环的共轭体系，减弱了与的结合力。NHNHNHNH2Kb×3.810-10210-42.510-14××(2)吡咯具有弱酸性，（其酸性介与乙醇和苯酚之间）OHKa=×1.310-10110-18110-15××CH3CH2OHNHNHNK+Na或K或浓NaOHpKa≈17.5(1)(2)故吡咯能与固体氢氧化钾加热成为钾盐，与格氏试剂作用放出RH而生成吡咯卤化镁。NH+KOHNK+H2O固体热NH+RMgXN+H2OMgX干乙醚NMgX1CO22H2O/H+NCOOH吡咯钾盐和吡咯卤化镁都可用来合成吡咯衍生物。NHNK（固体）热RCOClRINCORNRNHCORNHRKOH三、呋喃、吡咯、噻吩的加成反应1.加氢反应OH2/PdONH2/PdNHHSH2/MoS2S四氢呋喃(THF)四氢吡咯2.Diels-Alder反应呋喃最易发生Diels-Alder反应76%O+OOOO+30℃OOOO内式(90%)O补：糠醛OCHOOCHOα-呋喃甲醛1.制备：主要原料：农副产品、甘蔗渣、花生壳、高粱秆、棉子壳，用稀酸加热蒸煮制取(C5H8O4)n+nH2O(g)3~5%稀硫酸水解,加热nC5H10O5戊糖戊多糖CHCHCHCOHHOHHCHOOHOH稀H2SO43H2OoCHO2.糠醛的性质KMnO4OH-O2V2O5OCHOOCOOH糠酸,白色结晶,防腐剂,香料OOO+CO2+H2O顺丁烯二酸酐1.NaBH42.H2OOCH2OH糠醇浓NaOH岐化反应CH3CHO稀NaOHOCHOOCH2OH不含α-H的醛OCOONa+糠醇OCH=CHCHO缩合反应补、噻唑和咪唑SN123451.噻唑NNNH3Cl-CH2NSOH++Cl-嘧啶环噻唑环VitaminB1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。SNHOOCNHOCO噻唑环酰胺青霉素GNHNNHCOOCH3多菌灵(杀菌剂)NHN2.咪唑吲哚NHβ-甲基吲哚,粪臭素,浓度极稀,香料NHCH3αβ色氨酸,蛋白质的主要成分NHCH2CHCOOHNH3卟啉化合物——吡咯衍生物卟吩环：四个吡咯环和四个次甲基（—CH=）交替相联组成的大环NNHNHN12345678αβγδ卟啉化合物广泛地存在于自然界，如血红素、叶绿素卟吩环1.血红素:中心离子是Fe2+，功能：输送氧；CO与血红素的结合能力大于O2，故呼吸CO就会中毒。2.叶绿素:中心离子是Mg2+，1948年测定了它的结构，1960年全合成（30几步），Fisher测定了结构，Woodward全合成，死后拿了诺贝尔奖金。3.维生素B12：中心离子是Co，存在于动物肝脏中，暗红色针状结晶，是治疗抗恶性贫血的药物，是天然产物最复杂的结构之一。早在1926年就发现动物肝可以医治恶性贫血，从而生物化学家便开创了对肝中以医治恶性贫血的有效成分的研究。但由于它在肝中含量太少，而且在提纯过程中易分解，所以在较长时期无进展。直到1948年才分出了纯的暗红色B12晶体，因此，关于B12的结构又成为有机化学研究对象之一。至1954年，用X-射线衍射的方法才确定了上述结构。此后又经过十几年以及十几个国家科学工作者的努力，于1972年完成了VB12的全合成。VB12第五节吡啶的结构和物理性质NNHN原子上的孤电子对在sp2杂化轨道上。=2.22D=1.17Dπ66分子共平面闭壳层共轭体系(4n+2),具有芳香性,键孤对电子未参与共轭体系——碱性：电子云密度分布不均匀：Nβγαπ66亲电取代反应在β－位亲核取代反应在α－位或β－位NNNH2＞1.43N0.84(α)1.01(β)0.87(γ)吡啶结构：吡啶N是sp2杂化，孤电子对不参与共轭。反应：1.碱性较强。2.环不易发生亲电取代反应却能发生亲核取代反应。3.发生亲电取代反应时，环上N起间位定位的作用。4.发生亲核取代反应时，环上N起邻对位定位的作用。1.吡啶N碱性和亲核性的反应—————生成吡啶盐第六节吡啶的反应一、芳环亲电取代反应H+NH+N+CORN+CH3I-NN+BrBr-N+SO3-N+NO2BF4-SO3N吡啶盐的重要用途：可用来做温和的磺化、硝化、卤化、烷基化、酰基化的试剂+NSO3+NSO3H2.在C上发生亲电取代反应————β－位取代N浓H2SO4，HgSO4220oCNSO3H70%N浓HNO3，H2SO4300oC，1dNNO26%NH3CCH3浓H2SO4，KNO3100oCNNO2CH3H3C66%反应特点*1不能发生傅氏烷基化