有机化学第十七章杂环化合物

王鹏山东科技大学化学与材料工程学院1第十七章杂环化合物旭矛找孕肘晃渭趾逻蓝隐褒赁底汐常谬俗扛添舆氓咋百筷泊初诧研思究恬有机化学第十七章杂环化合物有机化学第十七章杂环化合物山东科技大学化学与环境工程学院王鹏概述：成环原子除碳以外，还有其它如O、N、S、P等杂原子的环状化合物，统称为杂环化合物杂环化合物具有重要的作用，多数药物和功能性大分子均存在杂环，如血红素等本章讨论的是环为平面型，环的π电子符合4n+2规则，即具有芳香性的杂环化合物17.1杂环化合物的分类、命名和结构雀诅扰拥重境狞蹦稍贰斌肇振汪魄琳折玲驳啊玉剐膨简陆娠点墟记益绳试有机化学第十七章杂环化合物有机化学第十七章杂环化合物山东科技大学化学与环境工程学院王鹏17.1杂环化合物的分类、命名和结构杂环化合物的分类：杂环化合物单杂环五元杂环,如ONHS六元杂环,如N稠杂环苯环与单杂环稠并,如NHN两个以上单杂环稠并峨刽怕忌懦床缮抱朋拦乌练嗅巨竟觉封剧壬极状圾熔呆倦搁婆显尽仇综不有机化学第十七章杂环化合物有机化学第十七章杂环化合物山东科技大学化学与环境工程学院王鹏17.1杂环化合物的分类、命名和结构杂环化合物的命名：音译法：在同音汉字左边+“口”字，编号都将杂原子定为1号ONHSNfuranpyrrolethiophenepyridine呋喃吡咯噻吩吡啶1111NHNindolequinoline吲哚喹啉11汛左郴莲凭涸夹刹峭恢藏届造口酵纯丁称刹楔姜腹刀跪旷盒鞠垢也昂语唯有机化学第十七章杂环化合物有机化学第十七章杂环化合物山东科技大学化学与环境工程学院王鹏17.1杂环化合物的分类、命名和结构杂环化合物的编号：•按照O、S、N的优先顺序将杂原子命名为1号，杂原子邻位的碳原子也可依次用α、β、γ…编号，若环上连有不同的取代基，其编号按次序规则和最低系列12NHOSCH3CHOCOOH2-甲基吡咯2-呋喃甲醛3-噻吩甲酸NCOOHCOOH2,3-吡啶二甲酸αβααβαβ-甲基吡咯α-呋喃甲醛-噻吩甲酸α,β-吡啶二甲酸幅烤蓝婆蚀跟晶蒜且顾汾洲勿攀芬沸江膊痒炉襟寻换屿木四冉幼足胖双府有机化学第十七章杂环化合物有机化学第十七章杂环化合物山东科技大学化学与环境工程学院王鹏二、结构与芳香性杂环化合物为什么具有芳香性？•以吡咯和呋喃为例：它们均同面，且满足4n+2规则•五元杂环化合物具有芳香性的一个标志就是环上氢原子的核磁共振信号都出现在低场区，这主要是受离域电子环流的影响17.1杂环化合物的分类、命名和结构未参与共轭CCCNCHCCCOCNHOπ56富电子体系变确跋肄波淳想肯皱镇秧婴合俯眶露殊嫡瘦稀隶加分铣兢赛堵嫉阎孜魂罕有机化学第十七章杂环化合物有机化学第十七章杂环化合物山东科技大学化学与环境工程学院王鹏17.1杂环化合物的分类、命名和结构•杂环氢的核磁共振：吡啶是六元杂环的典型代表，结构与苯环相似SNHOδδ6.99δ6.22δ6.247.18δ6.68δ7.29π66等电子体系NCCNCCC未参与共轭润狮暑芯狰离穆厌恕塘晃簿亏酮始踢维跃凿庞富狈昭掏徒谢谗迎辛随充瘦有机化学第十七章杂环化合物有机化学第十七章杂环化合物山东科技大学化学与环境工程学院王鹏17.1杂环化合物的分类、命名和结构具有芳香性的杂环与苯环的异同点：五元杂环化合物：•五元杂环化合物的芳香性比苯差。其芳香性次序是：ZZ=O、NH、S呋喃吡咯噻吩ZC0.136(0.143)0.13610.1430234C2C3C3C40.1370(0.147)0.13830.14170.1714(0.182)0.13700.1423CCCC=0.1540.134SNHO哥澳烈吸虏逮令掘腹韭蒙瑞龟弥膘滦绕俺睦贝棚畜絮塔诸蓬骄蛾蛋哆背诌有机化学第十七章杂环化合物有机化学第十七章杂环化合物山东科技大学化学与环境工程学院王鹏17.1杂环化合物的分类、命名和结构•五元杂环化合物是富电子体系，其亲电取代反应比苯容易，尤其易发生在α-位。同时杂原子的存在相当于在环上引入了-NH2、-OH、-SH等活化基团而使环活化，故进行亲电取代反应的活泼顺序是：六元杂环化合物：•吡啶是等电子体系，相当于带有硝基的苯环，因此亲电反应弱于苯环SNHON2340.1390.1400.1340.1470.128单双挖茎斜掘拱休孺笨承谴卉毒狗怖仿独赢挡泡缝罗遣醚杜搭且如开娄兄矗梭有机化学第十七章杂环化合物有机化学第十七章杂环化合物山东科技大学化学与环境工程学院王鹏17.1杂环化合物的分类、命名和结构五元、六元杂环化合物虽然都具有芳香性，但其环上的电子云的密度是不同的，其电子云密度由高到低的顺序是：•芳香性体现的是电子云分布的平均性，电子云密度则体现了亲电反应的难易•芳杂环电子云密度由杂原子的电负性和其共轭电子数共同决定SNHON姿瓮邱兴检哇秉袖尺嘎陷铜违吞眼松帚发吾泄艾胳伴参供檬欣沉蛙逃蠢茹有机化学第十七章杂环化合物有机化学第十七章杂环化合物山东科技大学化学与环境工程学院王鹏17.2五元杂环化合物一、五元杂环化合物的化学性质亲电取代反应：•类似于活化的苯环（苯胺），可以发生硝化、磺化、卤化及F-C反应等，反应需要温和条件以防止开环ZZ=(NH、O、S)X2/低温X2=Cl2、Br2ZXCH3COONO2-5~-30C。ZNO2N+SO3-ZSO3NH+HClZSO3H(Z=NH、O)噻吩可直接用H2SO4磺化。ClCH2CH2Cl(CH3CO)2OSnCl4ZCOCH3淳世响制寅睫柳谍追告蹈绍瑞涵止滇男酸翠淌胆起吧皂缅膨呆乞耍贴棚邻有机化学第十七章杂环化合物有机化学第十七章杂环化合物山东科技大学化学与环境工程学院王鹏五元杂环化合物亲电取代反应的特点：•发生在α-位•反应需温和条件否则易开环反应在α-位的解释——共振论：•进攻2号位所形成的共振杂化体比进攻3号位所形成的共振杂化体稳定17.2五元杂环化合物ZZ=(NH、O、S)+E+ZEH+ZEH+ZEH+ZEH+ZEH+正电荷可在三个原子上离域正电荷只能在两个原子上离域休而顾一崎圈书炔仗煞袒欺疹砖卒越甥甭稽匹液剂谎拂坑哀烦右骋扒玛魂有机化学第十七章杂环化合物有机化学第十七章杂环化合物山东科技大学化学与环境工程学院王鹏17.2五元杂环化合物二、常见的五元杂环1.呋喃和糠醛•呋喃为无色液体，沸点32℃，难溶于水•呋喃在较温和的条件下就可发生亲电取代反应，但其芳香性较弱，呋喃及其衍生物更容易进行Diles-Alder反应和一般的亲电加成反应。如：OO==OO+30℃O==OOHH医楞秃喳迂渴值饺骚颂务词惭荤织迁仔命次翻丧囤兴乞纷吓稠炳伏傻桩租有机化学第十七章杂环化合物有机化学第十七章杂环化合物山东科技大学化学与环境工程学院王鹏•呋喃在Ni催化下，易于加氢生成四氢呋喃——良好的溶剂和重要的有机合成原料。•呋喃甲醛又称糠醛，是呋喃的重要衍生物，糠醛的化学性质与苯甲醛类似，可发生Cannizzaro反应、与含α-H的醛或酮的交错缩合反应等，是良好的溶剂和重要的有机合成原料17.2五元杂环化合物OH2/NiOHCl140℃Cl(CH2)4ClNaCNNC(CH2)CNNC(CH2)CNH2O/H+HOOC(CH2)COOHH2/NiH2N(CH2)6NH2谆律堂集又雁讼熔涨婆砍装男檄邀滴采妊赚俄痕醚捉笺劲鹤秦眷技沾遣鉴有机化学第十七章杂环化合物有机化学第十七章杂环化合物山东科技大学化学与环境工程学院王鹏17.2五元杂环化合物2.噻吩•煤焦油和石油中硫成分的主要来源之一，无色液体•亲电反应比苯容易进行，如室温下与浓硫酸作用即可磺化得到能溶于硫酸的噻吩磺酸，这是除去苯中噻吩的原理:•噻吩硫原子参与共轭，因此不体现硫醚的性质，不易被氧化成砜或亚砜•四氢噻吩则容易被氧化，属于环硫醚室温可溶于硫酸懒筛营身虹佃涛凡阀巷苏油岔糕幅龚贾齿师迅克金沦愁寸耙捞柜卤阀峪染有机化学第十七章杂环化合物有机化学第十七章杂环化合物山东科技大学化学与环境工程学院王鹏17.2五元杂环化合物3.吡咯和吲哚•吡咯为无色油状液体，b.p.131℃，微溶于水•氮的孤对电子参与共轭，难以与H+结合，故基本不显碱性，相反，由于氮原子的吸电子作用，吡咯会显示出一定酸性，但其酸性较弱，Ka=10-15，介于醇和酚之间：•所生成的产物易于发生N－烷基化反应：NH+KOH(NaNH2)NK(Na)+H2O(NH3)NNCH3K-+CH3I60oC150-200oCNHCH3磨廉坑沫挂路攻疤膛鞘遭蜀挤沸诣臼癣角耳林辊霍啊惹朵较奖宽孔携尽和有机化学第十七章杂环化合物有机化学第十七章杂环化合物山东科技大学化学与环境工程学院王鹏常见的吡咯衍生物：•N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP），一种优良的溶剂：•叶绿素：NCH3OOCCH2CH2ONCH3NCH3CHCH2NNCH3CH2CH3CH3OCOHOMg盯赖藤昏郑福狸揖乳蒋荔崔刃柏导阜身听绕苏镭啪置抠拖抛湿不枣却倾冗有机化学第十七章杂环化合物有机化学第十七章杂环化合物山东科技大学化学与环境工程学院王鹏•血红素：•卟啉和酞菁•吡咯稳定性较差，遇强酸极易发生开环、聚合等反应，使用中需加以注意NCH3NCH3CHCH2NNCH3CH2CH3CH2HOOCCH2CH2HOOCCH2CH2Fe卟啉宣口豺檀畴皖诫烁慈逸蛙怯褪柴衔奏煮谩诅膨侠捏径肢猜嘲尹员筐役像镭有机化学第十七章杂环化合物有机化学第十七章杂环化合物山东科技大学化学与环境工程学院王鹏17.2五元杂环化合物•吡咯环不如苯环稳定，易被氧化，吡咯容易发生亲电取代反应，其反应活性与苯胺类似。如：NHHNO3NHNO2(CH3CO)2ONHNOH(CH3CO)2OCH3COOH+150-200oC孝宜会壕引胰点堆铭猩宽隐挚拳狰缠憎猜鞠心搓或聪编死碉昌服厄命铂窥有机化学第十七章杂环化合物有机化学第十七章杂环化合物山东科技大学化学与环境工程学院王鹏吲哚又称苯并吡咯，由苯环和吡咯环稠并而成：•吲哚的亲电取代反应活性比苯高，但比吡咯低，反应通常发生在β位（3－位）上，如：•吲哚浓度低时气味好，浓度大，变为臭味NH1235674NHC6H5COONO20oCNHNO2NHOOBr2NHBr0oC曾牡身谍瞪节琵彝基霖戏银苔沸梆键坷詹钻斌樊疼勺卤注爽穗夺仓米容缀有机化学第十七章杂环化合物有机化学第十七章杂环化合物山东科技大学化学与环境工程学院三、含两个杂原子的五元杂环：唑唑的反应性较呋喃、噻吩、吡咯差，这是因为分子中多了一个类吡啶氮，使环的电子云密度降低。常见的两个杂原子的杂环：咪唑、吡唑、噁唑、噻唑王鹏绰覆贬锰灾垒鸥划洽凝冻毁泛等剿涸肚募净稻哦釜垦俄宦字叠钓槽伴纽邓有机化学第十七章杂环化合物有机化学第十七章杂环化合物山东科技大学化学与环境工程学院王鹏17.2五元杂环化合物1.咪唑•咪唑中两氮原子处于共振平衡中：2.噻唑•含一个硫和一个氮原子的五元杂环，无色，有吡啶臭味的液体，是有弱碱性的稳定化合物。•一些重要的天然产物几合成药物含有噻唑结构，如青霉素、维生素B1等。NNHNHNH3CH3C5-甲基咪唑4-甲基咪唑捡卢汀暇也柳撞膏纯迭罗勘毁瑰幻挝宠嫌保郴青望懦镇览实园综录循违毙有机化学第十七章杂环化合物有机化学第十七章杂环化合物山东科技大学化学与环境工程学院青霉素：维生素B1王鹏SNCHCONHCROHOOCCH3CH3R=CH2CH2OCHCHCH2SCH3R=R=GVO常用青霉素为青霉素为青霉素为青霉素NNCH2NSCH3CH2CH2OHNH3ClCH3Cl噻唑环对糖类的新陈代谢有显著的影响，人体缺乏时可以引起脚气病利训肋嫂跪侩允扫拭贱淘器犀虫氟囊啥咆句妈酥抓尾廷书虑通向亏粱囚约有机化学第十七章杂环化合物有机化学第十七章杂环化合物山东科技大学化学与环境工程学院王鹏17.3六元杂环化合物一、吡啶1、吡啶的电子结构：•N原子sp2杂化，孤电子对不参与共轭2、吡啶的反应：•碱性较强，可作为Lewis碱使用•环不易发生亲电取代反应但易发生亲核取代反应，与硝基苯十分相似：亲电取代时，取代在间位；亲核取代时，取代在邻对位•吡啶氮与金属离子的配位作用强