93杂环化合物

Chapter15杂环化合物Heterocycliccompounds主讲：唐伟方杂环化合物(HeterocyclicCompounds)是指构成环的原子除了碳原子之外还有其它原子的环状化合物。杂环中除碳原子以外的原子都叫做杂原子。最常见的杂原子是氮、氧和硫概述本章讨论比较稳定、具有一定程度芳香性（π键电子数：4n＋2）的杂环化合物，这类化合物具有芳香性，通称为芳（香）杂环化合物（aromaticheterocycles）NNHO苯吡啶吡咯呋喃一、分类和命名杂环化合物可按环的大小：五元杂环和六元杂环按杂环中杂原子数目的多少：含有一个杂原子和含有两个以上杂原子的杂环按环的形式：单杂环和稠杂环1.分类NNHNNN1.分类2.命名杂环化合物的命名按IUPAC命名原则规定,保留特定的45个杂环化合物的俗名和半俗名并作为命名的基础。以此原则为准，我国多采用“音译法”，即按英文名称的读音，选用同音口字旁的汉字（“口”字旁表示为杂环）对杂环化合物进行命名命名时需要记住母环名称，编号时不同的母环有不同的编号方法呋喃(furan)噻吩(thiophene)吡咯(pyrrole)O1234αβ5αβS12345αββα5NH1234ααββ（1）含一个杂原子的五元环当环上有取代基时，对环上的原子编号，从杂原子开始，使取代基位号尽可能小。5－硝基－2－呋喃甲醛2－噻吩磺酸SSO3HOO2NCHO（2）含两个杂原子的五元环异噻唑(isothiazole)吡唑(pyrazole)异噁唑(isoxazole)编号从杂原子开始，选择杂原子的顺序为：－O－＞－S－＞－NH－＞－N=12345NO12345NSNNH12345噁唑(oxazole)噻唑(thiazole)咪唑(inidazole)NO12345NS12345NNH12345NSC2H5NNHO2N2－乙基噻唑5－硝基咪唑（3）含一个杂原子的六元环吡啶(pyridine)吡喃(pyran)γ-吡喃酮(γ-pyrone)α-吡喃酮(α-pyrone)N123456O123456123456OO123456OOαβγαβγγγααββNCOOHNCH32－甲基吡啶α－甲基吡啶4－吡啶甲酸γ－吡啶甲酸（4）含两个杂原子的六元环哒嗪(pyridazine)嘧啶(pyrimidine)吡嗪(pyrazine)123456NNNN123456123456NNNNNH2NNOHOH2－氨基嘧啶2,4－二氨基嘧啶（5）稠杂环命名喹啉(quinoline)异喹啉(isoquinoline)苯并吡喃(benzopyran)苯并--吡喃酮(benzo--pyrone)嘌呤(purine)吲哚(indole)N12345678N1234567812345678OOONH1234567NNNHN123456789αβNHCH2COOHNSO3HIOH2－吲哚乙酸7－碘－8－羟基－5－喹啉磺酸（6）几点说明*有的环有两种或多种异构体，为了区别，还必须标明环上一个或多个氢原子所在的位置，即在名称前面加上标位的阿拉伯数字及斜体大写的“H”。这种氢则称为“指示氢”或“标氢”NHNOONHN1H－吡咯3H－吡咯4H－吡喃2H－吡喃1H－吲哚3H－吲哚*含活泼氢的杂环及其衍生物，可能存在互变异构体，结构不同，名称也异，命名时需要标明其两种可能的位号9H－嘌啉7H－嘌啉5－甲基吡唑3－甲基吡唑2,4－二羟基嘧啶2,4－嘧啶二酮NNNHNNNNHNNHNH3CNNHH3CNNHOOHHNNHOO一、分类和命名二、六元杂环化合物1.吡啶（1）电子结构和芳香性氮的电负性较强，使环上电子云不是完全平均化；靠近N周围电子云密度较大。芳香性比苯小。N1.430.841.01087.1.001.00N=2.20D=1.17DNHN吡啶具有较大的极性，吡啶氮原子上的未共用电子对可以与水形成氢键，与水能以任意比例混溶，又能溶解大多数极性或非极性有机化合物，甚至许多无机盐类，是一个良好的有机溶剂（2）物理性质（3）化学性质a.碱性与成盐pKb3.364.758.89.3CH3NH2NH3NH2N通过氮原子上的未共用电子对，吡啶可以与酸及其它亲电试剂发生反应。与许多质子酸生成结晶的盐，可用作碱性溶剂和脱酸剂（缚酸剂）N+CH3INCH3IN+SO3NSO3»òNSO3N+HClNHCl或NHCla.碱性与成盐b.亲电取代反应N20%NNO2浓HNO3,浓H2SO4300ºC，24h70%NSO3H发烟H2SO4,HgSO4220ºCNBr39%300ºCBr2,沸石a.碱性与成盐b.亲电取代反应c.亲核取代反应亲核取代优先在α位上发生，如果α位上有取代基，则反应在γ位上发生。常需用强碱性的亲核试剂（如NaNH2,RLi等）NNNH2NH3heat+NaNH2N+LiPhNPha.碱性与成盐b.亲电取代反应c.亲核取代反应d.氧化还原反应吡啶环本身不易被氧化，但它的侧链很容易被氧化成醛或羧酸NCH3KMnO4OH,heatNCOOH吡啶与过氧羧酸或过氧化氢作用时，可得到合成上很有用的中间体吡啶Ｎ-氧化物吡啶Ｎ-氧化物与吡啶不同，它进行亲电取代反应比较容易，同时也能进行亲核取代反应，且取代反应都发生在a－位或γ－位Ｎ-氧化物常用来活化吡啶和起定位作用，为合成某些取代吡啶提供了一条可行的途径NH2O2/AcOH,65C°orCH3CO3HNONOHNO3,H2SO490C°NONO2PCl3NNO2HOC2H5NOOC2H5PCl3NOC2H5NaOC2H5吡啶缺电子，加氢还原比苯容易，既可被催化加氢还原，还可被化学试剂还原pKa：8.811.2NH2,Pt°25C,0.3MPaNH1.吡啶2.喹啉和异喹啉（1）结构与物理性质喹啉和异喹啉可看成是萘的含氮类似物。二者分子中氮原子上的未共用电子对均位于sp2杂化轨道，碱性与吡啶相近。喹啉的pKa为4.9，异喹啉的pKa为5.4。（1）结构与物理性质（2）亲电取代反应N浓HNO3浓H2SO40C°NN+NO2NO2浓H2SO4NNSO3H（1）结构与物理性质（2）亲电取代反应（3）亲核取代反应（4）氧化还原反应NKMnO4H,heatHOOCHOOCNNH2,PtNHH2,PtNH（1）结构与物理性质（2）亲电取代反应（3）核亲取代反应（4）氧化还原反应（5）喹啉合成－斯克劳普(Skraup)法苯胺、甘油、硫酸和硝基苯等氧化剂一起作用，生成喹啉的反应称为斯克劳普反应H2SO4NH2+CHOHCH2OHCH2OHNNO2+FeSO4反应过程包括如下步骤：H＋CHOHCH2OHCH2OHH2SO4FeSO4CHCHOCH2NH2+CHCHCH2ONHOHNHONHHOHNHOHHNHOH2H1，2－二氢喹啉-H2ONH+NO2NHNH+NH21.吡啶2.喹啉和异喹啉3.含两个N原子的六元杂环（二嗪类）NNNNNN哒嗪嘧啶吡嗪(pyridazinepyridinepyrazine)NNNNNNOHHONH2HOOHHOCH3尿嘧啶胞嘧啶胸腺嘧啶(RNA)(RNA/DNA)(DNA)1.吡啶2.喹啉和异喹啉3.含两个N原子的六元杂环（二嗪类）4.含O原子的六元杂环OO4H－吡喃2H－吡喃OOOOα－吡喃酮β－吡喃酮OOOOCH3ICH3IOOH3CCH3CH3IOOCH3H3CCH3IOOOO香豆素色酮OO黄酮呋喃(furan)噻吩(thiophene)吡咯(pyrrole)O1234αβ5αβS12345αββα5NH1234ααββ三、含一个杂原子的五元环当环上有取代基时，对环上的原子编号，从杂原子开始，使取代基位号尽可能小。由于环上原子电负性不同，键长不是完全平均化，其芳香性不如苯环；杂原子共轭效应是给电子的。诱导效应是吸电子的。芳香及饱和五元杂环的偶极矩方向及数值如下S-6.33x1030C.m-30.5.76x10Cm1.70x10-30C.m5.25x10-30C.mO6.03x10-30C.m-2.33x1030C.mOSNHNH三个五元杂环都能溶于有机溶剂，水溶解度都小于六元杂环吡啶，这是由于杂原子与水分子缔合的倾向减弱所致，它们的水溶解度顺序为：吡咯＞呋喃＞噻吩1.酸碱性吡咯虽具有仲胺结构，但几乎不具有碱性，相反，吡咯氮上的氢却因此变得较活泼，显示出弱酸性，其pKa=17.5。吡咯能与强碱如金属钾及固体氢氧化钾共热成盐：NH+KOHNK++H2ONHOOKOHNKOOpKa=7.41.酸碱性2.亲电取代反应这三个化合物是5原子6电子的富电子芳香体系，其亲电取代反应活性较强。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。亲电取代活性：ONHS三种五元芳杂环较易发生亲电取代反应，但它们对氧化剂、酸性介质也很敏感，特别是吡咯和呋喃遇强酸时，容易发生聚合、氧化、开环等副反应，必须用特殊的试剂。苯＞噻吩＞吡咯＞呋喃稳定性和芳香性顺序：（1）卤代反应OOClOClCl+Cl2-40C°SSBrBr2,AcOHSI2KIHgOOIIII呋喃与卤素反应几乎是爆炸式地完成，反应需在低温、试剂的浓度很低的条件下，才可以顺利进行。吡咯的活性与苯胺相似，容易生成多卤代物。与等摩尔的SOCl2进行氯化，也可得到一氯代吡咯NH+SOCl2NHCl80%0ºC（1）卤代反应（2）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+HNO3CH3COCCH3OOCH3CONO2+CH3COOHOSAcONO20oCAc2O/AcOHSNO2+SNO260%10%（1）卤代反应（2）硝化反应（3）磺化反应吡咯、呋喃不太稳定，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+SO3NSO3CH2Cl2室温NOOSO3HOSO3-N+HClSO3CH2Cl2室温S室温98%H2SO4SSO3H吡咯的性质与苯酚的性质很相似，如可以发生瑞默尔－梯门反应（Reimer-Tiemann）和与重氮盐偶合反应NHPhN2+Cl-CHCl325%KOHEtOH,H2ONHNHCHONHNNC6H5（1）卤代反应（2）硝化反应（3）磺化反应（4）傅克酰基化反应（5）呋喃的特殊反应呋喃的离域能较小，环的稳定性较低，其芳香性是几个芳杂环中最差的，所以呋喃具有明显的共轭二烯性质，可以发生双烯加成类型的反应（Diels-Alder反应）。吡咯也能发生类似的反应OSNHH2/NiorPdH2/MoS2H2/PdOSNH四氢呋喃THF呋喃、噻吩、吡咯均可催化氢化，得到饱和杂环化合物。由于噻吩能使催化剂中毒，需使用特殊催化剂1.酸碱性2.亲电取代反应3.催化加氢1.酸碱性2.亲电取代反应3.催化加氢4.糠醛Ag(NH3)2+OCHOCH3COONa(CH3CO)2O浓NaOHOCOOHOCHCHCOOH+OCH2OHOCOOH1.吡咯、呋喃、噻吩2.吲哚吲哚(indole)NH1.吡咯、呋喃、噻吩2.吲哚3.含两个杂原子的五元杂环吡唑(pyrazole)NNH噁唑(oxazole)NO噻唑(thiazole)NS异噁唑(isoxazole)NONNH咪唑（imidazole)互变异构:NNHNNHNNHH3CNHNH3C1一、分类和命名二、六元杂环化合物三、五元杂环化合物四、嘌呤NNNHNNNNHN1223456789134567899H－嘌呤7H－嘌呤（6）无特定名称的稠杂环没有上述特定名称的稠杂环命名时通常把稠杂环看作是二个单杂环并合在一起，一个环选定为基本环（或母体），它的名称作为“词尾”；另一个环则为附加环（或取代环），其名称作为“词首”，中间加一个“并”字.