第十四章 杂环化合物

ORGANICCHEMISTRY第十四章杂环化合物有机化学1.基本掌握杂环化合物的命名规则2.掌握五元杂环化合物的物理和化学性质3.掌握六元杂环化合物的物理和化学性质4.了解部分稠杂环化合物和生物碱的性质学习内容ORGANICCHEMISTRY在自然界中杂环化合物分布很广如：使植物中成绿色的叶绿素使血液成红色的血红素具有遗传作用的核酸许多中草药的有效成分大都含有含氮杂环化合物，部分维生素和抗菌素以及一些植物色素和植物染料都含有杂环，不少合成药物和合成染料也含杂环。它们都具有重要的生理作用。ONSHFuranPyrroleThiophene呋喃吡咯噻吩第一节杂环化合物的分类和命名杂环化合物是指一类环状有机化合物，构成环的原子除碳外还有其它原子（杂原子）。这种环状化合物具有芳香结构（闭合共轭体系）和一定程度的稳定性。通常杂原子有：O、N、S等从形式上看，它们都是含杂原子的环状化合物，但其性质与相应的开链化合物相似，不属于杂环化合物讨论的范畴。OO内酯ONH内酰胺OOO环状酸酐CH2—CH2O环氧化合物一、杂环化合物的分类和命名单环：五元环含一个杂原子呋喃吡咯噻吩含两个杂原子咪唑噻唑吡唑异噻唑ONSHFuranPyrroleThiophene1.音译名（同音汉字加“口”字旁）√√√六元环含一个杂原子：吡啶吡喃含两个杂原子：哒嗪嘧啶吡嗪NOPyridinePyranNNNNNNPyridazinePyrimidinePyrazine√√稠杂环NNNNNNNQuinolineIsoquinoline喹啉异喹啉喋啶吖啶吲哚嘌啉咔唑NNNHNHNNHIndolePurineCarbazole√√√√2.环上有取代基时，应以杂环为母体，将杂环母核编号编号原则①杂原子编号最小（即从杂原子开始编号）；②环上含两个以上相同杂原子时，应使杂原子的编号最小（一般从连有取代基的杂原子开始）；③环上有不同杂原子时，按O、S、N的顺序编号；④尽可能使连有取代基的碳原子编号最小。N-CH3N-CH2COOHCH3-NNNSCH3-NN-NH2NOHNCH38-羟基喹啉N-甲基吡咯或1-甲基吡咯4-甲基咪唑2-氨基嘧啶5-甲基噻唑3-甲基吡啶或β-甲基吡啶123456αβ234567812341523415123456123453-吲哚乙酸或β-吲哚乙酸2345671αβ典型的五元杂环是呋喃、吡咯、噻吩。它们是最重要的含一个杂原子的五元环化合物。它们的衍生物不单种类繁多，而且有些是重要的工业原料，有些具有重要的生理作用。第二节五元杂环化合物呋喃（Furan）是最简单的含氧五元杂环化合物。它存在于松木焦油中，为无色液体，沸点为32℃，具有类似氯仿的气味，难溶于水，易溶于有机溶剂，常用作溶剂。它有麻醉和弱刺激作用，极度易燃。吸入后可引起头痛、头晕、恶心、呼吸衰竭。呋喃具有毒性且致癌。呋喃环具有芳环性质，可发生卤化、硝化、磺化等亲电取代反应，常作为合成其他复杂有机物的起始原料。吡咯（Pyrrole）是最简单的含氮五元杂环化合物，主要存在于骨焦油中，煤焦油中存在的量很少。健康危害：吡咯属低毒类，虽然急性口服毒性不强，但有积蓄性毒性，注射于哺乳动物能使尿变色。对中枢神经系统有抑制麻醉作用，吸入蒸气可致麻醉，并可引起体温持续增高。吡咯在空气中加热能产生毒性强的气体，使用时需加注意。燃爆危险：易燃，其蒸气与空气可形成爆炸性混合物，遇明火、高热能引起燃烧爆炸。其蒸气比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇火源会着火回燃。噻吩(Thiophene)是最简单的含硫五元杂环化合物，存在于煤焦油和页岩油中。无色流动性、有难闻的臭味的液体，熔点-38.2℃，沸点84.2℃，易燃、有毒，经皮肤吸收或吸入蒸气会引起中毒。其蒸气与空气形成爆炸性混合物，遇明火、高热能引起燃烧爆炸。与氧化剂能发生强烈反应。其蒸气比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇火源会着火回燃。一、呋喃、吡咯、噻吩的结构与芳香性物理方法证明：呋喃、吡咯、噻吩都是平面结构，环上所有原子都是SP2杂化，各原子均以SP2杂化轨道重叠形成σ键。碳原子未杂化的P轨道中有一个电子，杂原子的P轨道中有一对电子，P轨道互相平行重叠，形成闭合的共轭体系。噻吩侵入途径为吸入、食入、经皮吸收，具有引起兴奋和痉挛的作用，其蒸气刺激呼吸道粘膜，对造血系统亦有毒性作用(刺激骨髓中白细胞的生命)。急救方法：皮肤接触：脱去污染的衣服，立即用流动清水彻底冲洗。眼睛接触：立即提起眼睑，立即用流动清水彻底冲洗。吸入：迅速脱离现场至空气新鲜处。呼吸困难时给输氧，呼吸停止时，立即进行人工呼吸，就医。食入：误服者给饮大量温水，催吐，就医。符合休克尔4n+2规则，故三个杂环均具有芳香性体系中π电子数：4+2=6O········呋喃的分子结构N—H······吡咯的分子结构S········噻吩的分子结构S······S原子杂化轨道O······O原子杂化轨道N·····N原子杂化轨道sp2杂化轨道P轨道（富电子环）五中心六电子S噻吩N吡咯··HO呋喃····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，环上相当于有一个邻对位定位基。N共轭效应是给电子的。诱导效应是吸电子的。呋喃、噻吩的结构请同学自己分析。由于呋喃、噻吩、吡咯都是五中心六电子，属于富电子环三种杂环具有一定程度的芳香性，杂原子电负性大小：芳香性与稳定性:＞＞＞OSN若电负性,则对外层电子吸引力,孤电子离域性,故芳香性。O(3.5)＞N(3.0)＞S(2.5)π电子密度：稳定性：芳香性：反应活性：杂环＞苯环杂环＞苯环杂环＜苯环杂环＜苯环H呋喃、吡咯、噻吩分别存在于木焦油、骨焦油和煤焦油中，但含量不多。二、制备方法工业上常用糠醛（α-呋喃甲醛）脱羰基制备呋喃。O-CHO+H2OO+CO2ZnO-Cr2O3-MnO2400℃~415℃噻吩可用丁烷与硫、丁稀与二氧化硫在高温下反应制得S+4S+3H2SCH2—CH2CH3CH3600℃~650℃CH2=CH-CH2CH3CH3-CH=CH-CH3+SO2S高温呋喃遇到盐酸浸湿的松木片呈绿色，称为松木片反应噻吩在硫酸的作用下发生蓝色的反应呋喃和氨在高温下反应制得吡咯：NO+NH3+H2O430℃Al2O3吡咯的蒸气遇到盐酸浸湿的松木片呈红色，可以用来检验吡咯及其低级同系物。呋喃遇到盐酸浸湿的松木片呈绿色，称为松木片反应。噻吩在硫酸的作用下发生蓝色的反应。H1.亲电取代反应亲电试剂进攻发生在α-位和β-位，但α-位更容易些。吡咯、呋喃、噻吩能像苯一样发生一系列芳香族化合物的特征反应，由于它们是富电子杂环，所以比苯更容易发生亲电取代反应。三、化学性质XHYXHYXHYXHY正电荷分布在四个原子上稳定XHYXHYXHY正电荷分布在俩个原子上α-位β-位吡咯＞呋喃＞噻吩＞＞苯溴化反应相对速率3×10186×10115×1091反应活性相对次序是①卤代反应像苯酚和苯胺一样，吡咯、呋喃、噻吩很容易发生卤代反应。氯代、溴代不但不需催化剂，而且为避免多取代物，往往采用温和条件，如用溶剂稀释和采用低温。吡咯反应活性最大，在低温下进行，一般得多卤产物。N+Br20℃C2H5OHN-Br-BrBr-Br-四溴吡咯呋喃与Br2反应也很激烈，在0℃与Br2在二氧六环存在下反应得一溴代产物，与Cl2在–40℃下反应得混合产物。HH噻吩溴化可在室温下进行，得一溴代产物:SS+Br2-BrAcOH2-溴噻吩78%室温②硝化反应五元杂环化合物与硝酸（强氧化剂）反应，得不到预期产物，而是芳环被破坏。呋喃、吡咯和噻吩易被氧化,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，如乙酰基硝酸酯，反应在低温下进行。2-氯呋喃2,5-二氯呋喃(CH3CO)2O+HONO2CH3COONO2+CH3COOH乙酰基硝酸酯酸酐N-NO2N+CH3COONO2HH+N-NO2H83%17%Ac2O5℃O+CH3COONO2Ac2O-30℃~-5℃O-NO235%S-NO270%S+CH3COONO2Ac2O-10℃+S-NO25%③磺化反应呋喃、吡咯不能直接用硫酸磺化，因为它们在浓硫酸中不稳定，会发生聚合，通常用一种温和的磺化剂——吡啶三氧化硫进行磺化。HH！不能用强酸NC5H5NSO3NSO3HOSO3HC5H5NSO3O磺化吡啶三氧化硫，一种温和的磺化剂噻吩比较稳定，既可以用硫酸在室温下直接磺化（产率稍低），也可以用温和的磺化试剂磺化。说明：①噻吩环芳香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。.Cb.p81。Sb.p84C。(())室温H2SO4浓SSO3H酸层）（（苯层）分液蒸馏无噻吩苯SSSO3H室温H2SO4浓（苯在室温下不能磺化！）利用磺化反应可分离苯和噻吩：④傅克酰基化反应五元杂环化合物酰化时，需要在较温和催化剂甚至不用催化剂即可反应。吡咯不用催化剂可以直接酰化：N-COCH3N+(CH3CO)2OHH60%150℃~160℃2-乙酰基吡咯呋喃与酸酐或酰氯在催化剂作用下发生酰基化反应。O+(CH3CO)2OBF3O-COCH375%~92%2-乙酰基呋喃（或CH3COCl）噻吩酰化反应要用磷酸或氯化锡作催化剂。S-COCH370%S+(CH3CO)2OH2PO4或SnCl42-乙酰基噻吩加成反应是标志化合物不饱和性的最典型反应，它们能像环戊二烯分子一样催化加氢生成相应的饱和化合物。O+2H2NiO四氢呋喃（THF）N+2H2NiN四氢吡咯S+2H2NiS四氢噻吩2.加成反应HHNH..氮上电子云少，H易离解，显一定的酸性。氮上孤电子对参与环内共轭，减弱了对H+吸引能力。NHR-OH-OH＞＞酸性：pka：101518NH+KOH+H2O△NK+-吡咯钾盐3.吡咯的弱碱性、弱酸性吡咯表面上是个仲胺，但实际上吡咯是一个很弱的碱，碱性比苯胺弱得多，它只能慢慢地溶解在冷的稀酸溶液中。NMgBrCH3INCH3+MgIBr吡咯卤化镁四、呋喃衍生物——糠醛（α-呋喃甲醛）1.制备由米糠、甘蔗渣、高粱杆、玉米芯、花生壳等与酸共热、蒸馏制取。农业副产品含戊多糖打碎水解为戊糖进一步脱水糠醛稀H2SO4△糠醛是呋喃衍生物中最重要的一个，最初从米糠制得而得名。O-CHO(C5H8O4)n+nH2OnC5H10O53%~5%H2SO4△，水解戊多糖戊糖H-CHCH-CHO-3H2O△HO-CH—CH-OHOHOH戊糖O-CHO糠醛2.性质及用途糠醛是无色透明液体，沸点161.7℃,在空气中逐渐变为黄棕色，能溶于醇、醚及其它有机溶剂中，糠醛本身是一个良好的溶剂，在工业上有广泛的用途，常用于精炼石油、精制松香、溶解硝酸纤维等，在有机合成工业上也很重要，是油漆、树脂工业的重要原料。糠醛与苯甲醛具有类似结构，表现出无α-H的醛的性质。①催化加氢O-CHO+H2O-CH2OHCr2O3·CuO150℃，10MPa糠醇②氧化O-CHOO-COOHKMnO4中性或碱性糠酸③歧化反应O-CHOO-CH2OHO-COOH浓OH-2+④安息香缩合（糠醛偶合）O-CHOKCN醇溶液2O-CH—C-O=OOH糠偶姻O-CHO+O2V2O5-MoO3320℃+CO2+H2OOOO顺丁烯二酸酐20151127作业：P3421a、c、e、g、h、i；2；10a、b、e、f、g；11。一、吡啶1.来源和结构吡啶存在于煤焦油、页岩油和骨焦油中，它的衍生物广泛分布于自然界，如植物碱、维生素、辅酶Ⅰ和Ⅱ中都存在吡啶环。工业上吡啶主要有从糠醛制备法和乙炔制备法中制得。六元杂环化合物中最重要的有吡啶和嘧啶：NNN吡啶嘧啶··N······吡啶结构与苯相似：N··SP2杂化第三节六元杂环化合物1.吡啶的结构共轭效应和诱导效应都是吸电子的孤电子对在sp2杂化轨道上。吡啶结构：吡啶N是sp2杂化，孤电子对不参与共轭。反应：碱性较强。环不易发生亲电取代反应但易发生亲核取代反应。发生亲电取代反应时，环上N起间位定位基的作用。发生亲核取代反应时，环上N起