第十四章杂环化合物

第十四章杂环（芳香族）化合物1.杂环芳香族化合物（类型，命名）2.五员芳杂环的亲电取代（活性比较，反应取向，已有取代基对亲电取代取向的影响）；还原反应和Diels-Alder反应；呋喃的酸性开环，呋喃的加成反应及其应用；吡咯的酸性聚合，吡咯钾盐的反应。3.吡啶的碱性和亲核性亲电取代，亲电取代活性和取向；吡啶的亲核取代；吡啶的还原和氧化（氧化剂及氧化产物）N-氧化吡啶的性质（亲电性和亲核性）；吡啶2和4位侧链上的反应（亲核加成和取代）。4.苯并五员杂环的亲电取代5.喹啉和异喹啉的性质（亲电取代，亲核取代，取代的取向，氧化和还原及取向，侧链上的反应）；喹啉的Skraup合成法及机理学习要求杂环化合物（heterocycliccompounds）是指构成环的原子除碳原子外还有其它原子的环状有机化合物。碳原子以外的原子，称为杂原子（heteroatoms），常见的杂原子有氧、硫、氮等。在自然界存在大量的杂环化合物，加上人工不断合成新的杂环，实际上杂环化合物是有机化合物中数量最庞大的一类，此类化合物已引起化学家越来越多的重视。大多数杂环化合物具有芳香性，符合Hückel规则，是一种稳定的环状共轭体系，但也有些杂环化合物不具有芳香性，如：四氢呋喃六氢吡啶二噁烷γ-吡喃咪唑啉对于一些从形式上看是含杂原子的有机化合物，但其性质与相应的开链化合物极相似，则不看作是杂环化合物。如环状内酯，环状酰胺成环状酰亚胺等。NHOOONNHO杂环化合物分类:单杂环与稠杂环两大类；根据是几元环可以把杂环分为三元、四元、五元、六元等杂环；根据杂原子数目又可以分为含一个杂原子、含两个杂原子或含三个杂原子等杂环；还可以根据杂原子种类分为含氧杂环、含硫杂环、含氮杂环和含磷杂环等。含一个杂原子呋喃噻吩吡咯含二个杂原子含一个杂原子含二个杂原子单杂环五元杂环六元杂环咪唑吡唑噻唑噁唑吡啶r-吡喃α-吡喃嘧啶吡嗪哒嗪OSNHNNHNHNNSNONOONNNNNN苯并呋喃吲哚苯并噻唑五元杂环与苯环稠合体系六元杂环与苯环稠合体系杂环与杂环稠合体系喹啉异喹啉嘌呤蝶呤稠杂环常见杂环化合物的分类、命名(indole)ONHSNNNNNNNNNNHN当环上连有烷基、硝基、卤素、羟基、氨基等取代基时，以杂环为母体；当环上连有醛基、羧基、磺酸基等时，将杂环作为取代基，取代基位置用数字编号，杂原子编号应最小，如有不同种类杂原子，则按O，S，N的顺序由小到大编号。例如：5-乙基噻唑4-氨基嘧啶2-甲基-5苯基噁唑2-呋喃甲醛3-吡啶甲酸NOCH3C6H5NSNNC2H5NH2NCOOHOCHO芳香族杂环本章重点NHNNONNHNNS•符合Hückel规则（1.环状,2.共平面,3.垂直平面的p轨道,4.4n+2p电子）•共振能：16~29千卡/mol•均能发生芳香族化合物的典型反应——亲电取代反应•1HNMR在d=6~9ppm处有芳香族化合物的特征吸收杂环芳香族化合物的芳香性：NNN:sp2杂化H第一节含一个杂原子的五员芳杂化合物CCCCAHHHHA•杂原子的性质•杂原子对环的影响ONHS•芳香性•共轭二烯性质•不饱和性由于在氧、氮、硫三种原子中，氧原子电负性较大，呋喃环中氧原子周围π电子云密度较大，削弱了π电子的共轭，故呋喃的芳香性最小，实际上它已表现出部分二烯的性质。硫原子电负性较小，原子半径又大，硫原子对π电子的吸引力因而较小，故噻吩环上π电子共轭程度增强，电子云分布较均匀，所以具有较强的芳香性，氮原子介于氧和硫之间，使得吡咯的芳性也介于呋喃和噻吩之间。从以上分析可知有下面的芳香性顺序：芳香性：苯＞噻吩＞吡咯＞呋喃1五员芳杂化合物的亲电取代反应反应相对活性AE+AEAE+a-取代b-取代主要产物NHOS310186101151091取代位置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a位AE+AEAEAE贡献最大（满足八隅体）a取代HH+AE中间体有三个主要共振式中间体较稳定ii.取代在b位AEAEAE+AEHH+贡献最大（满足八隅体）中间体只有二个主要共振式中间体较不稳定对亲电取代反应活性的解释i.由五员杂环的结构分析杂原子起给电子基的作用，环上的电荷密度比苯环大AAAAAii.由中间体的稳定性分析AEHH+AEAE+a取代E+E-H+EH•比较：苯的亲电取代满足八隅体（较稳定）未满足八隅体（较不稳定）亲电取代反应举例注意：五员杂环较活泼，遇酸不稳定A强酸氧化聚合分解反应剧烈（吡咯，呋喃，噻吩）硝化：HNO3/H2SO4磺化：H2SO4用温和试剂代替（1）五员杂环的硝化反应AcONO2AcONO2+硝化试剂NHAcONO2Ac2O,10oCNHNO2NHNO251%13%+SAcONO2Ac2O-AcOH,0oCSNO2SNO260%10%+•吡咯和噻酚发生正常亲电取代反应•呋喃发生加成反应（特殊，共轭烯烃性质）OAcONO25~30oCONO2AcO碱或ONO2HOAc加成消除OONO2AcOHHBONO2AcOONO2NO2HOAc+机理：磺化试剂：（2）五员杂环的磺化反应NSO3（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.S（少量）H2SO4r.t.SSO3H溶解于硫酸中反应快&OOCSSCH3OPhCClO（较弱的Lewis酸）PhCOSnCl2Ac2ONHNHNNPhBF3PhN2XOBr2/0oC稀溶液OBrSSBrHOAcBr2,,（3）其它亲电取代•卤代•Friedel－Crafts反应•与重氮盐偶联2环上已有取代基对亲电取代取向的影响•四种单取代情况a位有取代基给电子基吸电子基AGAWAGAW给电子基吸电子基b位有取代基反应举例a位给电子基a位吸电子基SCH3HNO3/Ac2OSCH3SCH3O2NNO2+70%30%SNO2HNO3SNO2SNO2O2NO2N+85%15%ONO2HNO3ONO2O2N(AcONO2)主要产物（例外）SHNO3/Ac2OSNO2BrSBr2BrCOOHCH3COOHSCOOHBrb位给电子基b位吸电子基(i)a位有给电子基从中间体稳定性分析取代基对反应取向的影响AG345E+进入3位进入4位进入5位AGEAGEAGEAGEAGEAGEAGEE+E+•二个共振式•推电子基使稳定•二个共振式•推电子基未起作用•三个共振式•推电子基使稳定较稳定不稳定最稳定(ii)a位有吸电子基•二个共振式•吸电子基使不稳定•二个共振式•吸电子基未起作用•三个共振式•推电子基使不稳定AW345E+进入3位进入4位进入5位AWEAWEAWEAWEAWEAWEAWEE+E+较稳定不稳定最稳定(iii)b位有给电子基AG245E+进入2位进入4位进入5位AGEE+E+AGEAGEAGEAGEAGEAGEAGE•三个共振式•推电子基使稳定•二个共振式•推电子基未起作用•三个共振式•推电子基未起作用较稳定不稳定最稳定AW245E+进入2位进入4位进入5位AWEE+E+AWEAWEAWEAWEAWEAWEAWE(iv)b位有吸电子基•三个共振式•吸电子基使不稳定•二个共振式•吸电子基未起作用•三个共振式•吸电子基未起作用较稳定不稳定最稳定OSNHH2/PdH2/PdOSNHH2/MoS23.五员芳杂环的其它反应（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）THF（常用溶剂）吡咯烷•用RaneyNi催化氢化使噻酚还原脱硫•其它脱硫的例子SRRRRNiSSCCORORRaneyNiRaneyNiH2H2CCOROR+NiS+RCR'ORCR'SSSHHSRCR'HHH2RaneyNi一种还原羰基至亚甲基的方法（2）Diels-Alder反应（共轭二烯性质）O+CO2CH3CO2CH3OCO2CH3CO2CH3FBrLiOONHHN（3）呋喃的几个特殊反应(i)2,5-二取代呋喃的酸性开环反应（成1,4-二酮）•合成上进一步应用——制备环戊烯酮衍生物ORCH2CH2RH2O/H+ORCH2CH2RORRCH2OOHORRH2O/H+ORROONHS共振能(kcal/mol)1621~222936•呋喃的芳香性较小•呋喃酸性开环机理:ORRH+ORRHHORRORROH2OHRROHOHRROHOHRRO-H+H+OHRROORROH2O-H+(ii)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加成消除取代比较OBr2/CH3OHOH3COBrCH3OHOH3COOCH3例：2,5-二甲氧基-2,5-二氢呋喃•2,5-二甲氧基二氢呋喃的形成机理：Br2+2CH3OHCH3O+BrCH3Br+H2OOBrOBrCH3OOBrH3COBrOH3COOH3COOCH3OCH3•合成上的应用举例OBr2/CH3OHOH3COBrCH3OHOH3COOCH3H2/PdOH3COOCH3H2OH+OHOH琥珀醛1,4-丁二醛（1）吡咯N的碱性很弱，不能与质子结合吡咯的质子化发生在环上（主要是a位）4.吡咯的一些特殊性质NH+NHHHNHH+NHHHNHHHNHHH正电荷仅集中在氮原子上正电荷分散在多个原子上R3NNKb~10-4~10-14H（2）吡咯在酸性条件下发生聚合聚合机理:NHnH+NHHHnNHH+NHHHNHNHHHNHHNHHHNHHNHHNHHHH……NHHHn（3）吡咯N-H的弱酸性•吡咯钾盐的生成NHNK+KH2NHpKa~17.5NRRH~35ROH~17PhOH~10（4）吡咯钾盐的性质•吡咯负离子的结构特点•共振式NN有烯胺负离子片断烯胺NNNNN环上每个位置均带负电荷吡咯负离子的一些典型反应NKCO2H2OH+NHCOOHCHCl3KOHNHCHORCClONCOR150oCNHCORCH3INCH3150oCNHCH3这些反应与那几个反应相似？•几个相似的反应（酚类的反应）OAlCl3OHCROCROOHCRO+ONaOHCO2H+OHCO2H加压CO2OHOHOHCHO+OHCHOCHCl3Reimer-Tiemann反应Kolbe-Schmitt反应Fries重排ON吡咯负离子与苯氧基负离子有相似性烯醇负离子片断烯胺负离子片断呋喃、吡咯和噻吩环的制备方法，常采用1,4-二羰基化合物为原料。5.呋喃、吡咯和噻吩环的制法H2CCCCH2H3CCH3OCH3H3CNHCH3H3CSCH3H3CP2O5P2S5100(NH4)2SO4或NH3,△℃OO吡咯环还常用克诺尔（knorr）合成法来合成，此法是由α-氨基酮与β-二羰基化合物（如β-酮酸酯）发生缩合反应。H2C+NH2H3CCOH2CCOOC2H5COCH3H+NHCH3COOC2H5H3C6、含两个杂原子的五元杂环环中含有二个杂原子的体系称为唑（azole），根据杂原子的位置不同，可以分为1,2-唑与1,3-唑。当杂环化合物含有不同的杂原子时，按氧、硫、氮的顺序编号，并使杂原子的编号最小。1,2-唑异噁唑异噻唑吡唑(isoxazole)(isothiazole)(pyrazole)b.p95℃b.p113℃b.p118℃m.p70℃ONSNNHN1,3-唑噁唑噻唑咪唑(oxazole)(thiazole)(imidazole)b.p70℃b.p117℃b.p263℃m.p96℃NNHNSNO咪唑的分子结构HNN在噁唑、异噁唑分子中，由于氧原子的吸电子效应，使氮原子供电能力减弱，故碱性下降，尤其是异噁唑的碱性最弱。它们的共轭酸pKa数据证明了这一点。pKa-2.031.32.