徐寿昌有机化学第十七章 杂环化合物

第十七章杂环化合物本章主要内容1.杂环化合物的定义、分类与命名.2.杂环化合物的结构与芳香性.3.五元杂环化合物呋喃、噻吩、吡咯及其衍生物的化学性质.4.六元杂环化合物吡啶及其衍生物的化学性质.5.稠环化合物吲哚、喹啉及其衍生物的化学性质.◆杂环化合物是指分子中含有一个或多个杂原子（非碳原子）的环状化合物.常见杂原子有氧、硫和氮：17.0杂环化合物的定义◆杂环化合物由于杂原子、环大小、环数的不同而种类繁多，约占全部已知有机化合物的三分之一。◆下列环状化合物的性质与相应的脂肪族化合物相近.本章介绍具有芳香性的杂环化合物（芳杂化合物）.◆按杂环骨架分类:五元杂环、六元杂环;单杂环和稠杂环等。◆命名——按英文音译。常见的杂环有：喹啉呋喃噻吩吡咯吡啶吲哚噻唑嘧啶17.1杂环化合物的分类和命名◆系统命名：a.含取代基的杂环化合物，以杂环为母体，从杂原子开始顺环编号；b.当环上含有两个或以上相同的杂原子时，应使杂原子所在位次和最小；c.环上有不同杂原子时，按O、S、N的次序编号：◆含有两个或以上的相同杂原子的单杂环衍生物，编号从连有取代基（或氢原子）的杂原子开始，顺序定位，使另一个杂原子的位次保持最小：◆环上只有一个杂原子时，有时也把靠近杂原子的位置叫位，其次为位，再次为位：123αβγ◆根据相应的碳环来命名：把杂环看作相应碳环中的碳原子被杂原子取代而形成的化合物，命名时在相应的碳环名称前加上杂原子的名称：（1）五元杂环化合物——呋喃、噻吩、吡咯的结构17.2杂环化合物的结构与芳香性◆五元杂环化合物中碳原子、杂原子均以sp2杂化，其中杂原子未杂化的P轨道上的共用电子对参加了六电子体系的形成。五个原子处于同一平面组成一个闭合的共轭体系。体系符合4n+2休克尔规则，因此具有芳香性.◆芳香性程度的比较：芳香性强弱的次序：苯噻吩吡咯呋喃离域能：1521178867KJ/mol吡咯呋喃噻吩苯-0.10-0.03-0.060位电子云密度:◆呋喃、吡咯、噻吩环中杂原子上的未共用电子对参与了环的共轭体系，使环上的电子云密度增大，故比苯容易发生亲电取代反应，取代通常发生在-位。取代反应活性的次序：◆由于杂原子电负性不同：O(3.5)＞N(3.0)＞S(2.5)，芳杂化合物环上电荷分布不均匀：氮原子与碳原子处在同一平面。吡啶的结构与苯相似，符合休克尔规则，具有芳香性.•吡啶在发生亲电取代反应较苯困难，主要发生在位。•相对来说，吡啶较易发生亲核取代反应，取代基往往进入位。未杂化的P上有1电子参加成环.（2）六元杂环化合物——吡啶N:sp2杂化◆环上碳原子电荷密度比苯大的称为多芳杂环，通常为五元芳杂环；电荷密度比苯小的，称为缺芳杂环，如六元杂环。为什么噻吩、吡咯、呋喃比苯容易发生亲电取代反应，而吡啶却比苯难于进行亲电取代反应？和苯类似，吡啶只有一个电子参与六元环共轭，由于电负性N＞C，环上电荷密度降低，且分布不均匀，难于发生亲电取代反应；噻吩、吡咯、呋喃则有电子对参与五元环的共轭，增加了环上电子云密度，故易于进行亲电取代反应.电子数=6电子数=8电子数=6非共轭体系电子数=6电子数=6N有3个键的,如-NH-,则N为SP2（1,1,1）,剩余P=2电子(电子)N有2个键的,如-N=,则N为SP2（1,1,2）,剩余P=1电子(电子)下列化合物哪些具有芳香性？有芳香性有芳香性有芳香性有芳香性反芳香性无芳香性存在于松木焦油中，为无色液体，难溶于水，易溶于有机溶剂。其蒸汽遇有被盐酸浸过的松木时，即呈绿色（叫松木反应，鉴别呋喃的存在）。工业上用糠醛（-呋喃甲醛）制备：实验室采用糠酸加热脱羧制得：17.3五元杂环化合物17.3.1呋喃（1）呋喃的制备呋喃具有芳香性，较苯活泼，容易发生取代反应；还有一定程度的不饱和化合物的性质(发生加成反应)。溴代：硝化（缓和试剂）：磺化（缓和试剂）：吡咯与SO3的络合物（2）呋喃的化学性质（A）取代反应——位取代傅-克酰基化反应（使用缓和路易斯酸催化剂）◆呋喃具有共轭双键的性质(双烯合成):◆在催化剂作用下,呋喃加氢生成四氢呋喃:无芳香性（B）加成反应四氢呋喃（1）糠醛的制法（麦杆、花生壳、甘蔗渣等含多缩戊糖的物质）：17.3.2糠醛(-呋喃甲醛)◆糠醛在醋酸存在下与苯胺作用显红色—检验糠醛；◆糠醛可发生银镜反应；◆糠醛具有一般醛基的性质：（2）糠醛的性质和用途Ag(NH3)2OHCH=CHCHOCH3CHO/稀OH-◆糠醛为无-氢的醛，其性质与苯甲醛或甲醛相似：普尔金反应（Perkin）A：坎尼扎罗反应（歧化反应）B：生成-呋喃丙烯酸(Perkin反应)噻吩存在于煤焦油的粗苯中，约为粗苯含量的0.5%噻吩的结构：（1）噻吩的制法—烷烃、烯烃或炔烃等的硫化17.3.3噻吩方法1方法2方法3——实验室制法位亲电取代傅-克反应（2）噻吩的性质（A）弱酸性17.3.4吡咯（1）吡咯的制备（2）吡咯的性质吡咯可看成环状亚胺，由于N上未共用电子对参与了杂环的共轭体系，吡咯显弱酸性(PH=5),与N相连的H可被碱金属取代.（B）取代反应（C）偶合反应四碘吡咯常用来代替碘仿作伤口消毒剂.◆噻唑、吡唑的结构：17.3.5噻唑、吡唑及其衍生物NNHNNH噻唑吡唑咪唑青霉素维生素B1磺胺噻唑安替吡啉安乃近增白剂AD衍生物:达克宁阿司咪唑甲巯咪唑吲哚异吲哚NHNH17.3.6吲哚—苯并吡咯⑴吲哚的制备：CH3NH2HCHOCH3NHCH2OH[O]CH3NHCHONaNH2NH⑵吲哚的存在及应用在素馨花精油、动物粪便中含有天然吲哚；植物生长激素β-吲哚乙酸、生物碱利血平、麦角碱等都是吲哚衍生物.NHCH2COOHβ-吲哚乙酸◆存在和制取——存在于煤焦油和页岩油中。◆吡啶的性质①碱性—吡啶环上氮原子有一对未共用电子未参加环上共轭体系，能与质子结合，具有弱碱性：17.4六元杂环化合物17.4.1吡啶惯称傅酸剂和苯类似，吡啶只有一个电子参与六元环共轭，由于电负性N＞C，环上电荷密度降低，且分布不均匀，难于发生亲电取代反应；N上有未共轭的孤对电子存在，因而显碱性.◆吡啶与叔胺相似，可与卤烷结合生成相当于季铵盐的产物，受热则发生分子重排而生成吡啶的同系物：◆吡啶与酰氯作用生成盐，是良好的酰化剂：◆吡啶易和SO3结合生成N-磺酸吡啶，是缓和的磺化剂.②取代反应—亲电取代反应与硝基苯类似，发生在位；较苯难磺化、硝化和卤化，不能起傅-克反应。位亲电取代◆与硝基苯相似：吡啶与强的亲核试剂起亲核取代反应，主要生成取代产物（齐齐巴宾反应）：◆与2-硝基氯苯相似，2-氯吡啶与碱或氨等亲核试剂作用，可生成相应的羟基吡啶或氨基吡啶：强的亲核试剂位亲核取代◆吡啶的同系物被氧化时总是侧链先氧化而芳杂环不破坏，生成相应的吡啶甲酸：③氧化与还原—吡啶比苯稳定，不易被氧化剂氧化。◆吡啶用过氧羧酸氧化（或30%的H2O2和CH3COOH作用）时，生成吡啶N-氧化物或称氧化吡啶：◆吡啶经催化氢化或用乙醇和钠还原，可得六氢吡啶：完成下列反应：N(CH3)2N(CH3)3湿AgOH,Δ？CH3IAgOH/Δ？＋？尼古丁◆吡啶和哌啶的衍生物:17.4.2喹啉和异喹啉(1)结构：（2）喹啉的制备：Skraup合成法Skraup合成法：用取代芳胺代替苯胺，不饱和醛酮代替甘油，可制备喹啉衍生物.（3）喹啉的化学反应◆亲电取代，进入苯环的5，8-位（异环）◆亲核取代，进入吡啶环的α-位（同环）Why?苯环的破裂吡啶环的氢化苯环和吡啶环均氢化◆氧化反应：◆催化氢化：罂粟花◆异喹啉比较重要的衍生物——罂粟碱、黄连素◆喹啉的应用：许多天然或合成药物中含有喹啉结构，如抗疟疾药奎宁；抗癌药喜树碱；抗风湿药辛可劳等等.喜树碱17.5嘧啶、嘌呤及其衍生物（1）嘧啶的衍生物——广泛存在于生物体内，是核酸的重要组成部分。（2）嘌呤及其衍生物◆嘌呤的结构：◆嘌呤的衍生物核酸的重要组成部分咖啡碱尿酸比较下列化合物的碱性大小:①NH3②CH3NH2③(CH3)2NH④(CH3)3N⑤C6H5NH2⑥⑦⑦⑥⑤①③②④解释吡咯为弱酸性、吡啶为弱碱性的原因？毒理学分析和相关分子设计利用构-效关系设计安全的化学品利用基团贡献法构筑构效关系利用等电排置换设计更安全的化学品后代谢设计或软化学设计用另一类等效而无毒的物质替代有毒害的物质消除有毒辅助物品的使用应用示例：分子设计与有机合成（C）—C—C—C—CoOHN432Methods:Example:☺某些链状脂肪羧酸会引起畸胎及肝中毒,而以下结构的羧酸则是安全的：C2全部为H原子而无取代基或全部为取代基而无H原子。C2与C3之间或者C3与C4之间有双键存在。本章小结1.杂环化合物按杂原子种类、环大小、环数目等分类；杂环化合物根据母体的音译命名.2.杂环化合物中组成杂环的原子共平面，五元环有2个电子、六元环有1个电子参与环的共轭，符合Huckel规则，具有一定的芳香性.3.噻吩、吡咯、呋喃等五元杂环化合物杂原子活化共轭环，比苯易于进行亲电取代反应（α位）；吡啶显碱性，杂原子钝化共轭环，比苯难于进行亲电取代反应（β位）；相对易于在α位发生亲核取代.4.糠醛是无α-H的醛，具有醛的相关化学性质.5.喹啉及其衍生物因结构特性有同环或异环取代、氧化之分.