杂环化合物

Chap.14杂环化合物(Heterocycliccompounds)杂环化合物是指成环的原子中含有除碳以外的原子(杂原子——常见的是N、O、S等)的环状化合物。杂环化合物不包括极易开环的含杂原子的环状化合物，例如：本章只讨论芳杂环化合物。14.1杂环化合物的分类和命名•杂环：单杂环：（五元杂环和六元杂环）稠杂环：（苯环与单杂环或由两个以上单杂环稠并而成）一.分类:含一个杂原子含二个杂原子ONHS呋喃噻吩吡咯FuranthiophenepyrroleNNHNNHSN吡唑咪唑噻唑Pyrazoleimidazolethiazole单杂环五元杂环六元杂环嘧啶吡嗪Pyrimidinepyrazine含二个杂原子含一个杂原子NNNN吡啶吡喃PyridinepyranNO五元杂环与苯环稠合苯并呋喃benzofunan吲哚indole苯并噻唑benzothiophene稠杂环ONHNS六元杂环与苯环稠合喹啉quinoline异喹啉isoquinolineNN杂环与杂环稠合嘌呤purine蝶啶pteridineNNNNHNNNN编号：1.杂环上有取代基时，从杂原子算起依次用1，2，3，4，5…编号。（也可从杂原子相邻的碳原子开始依次编号为α，β，γ…）2.如果杂环上不止一个杂原子时，则按O、S、N顺序编号。编号时杂原子的位次数字之和应最小.OCHOSNO2NCH32-呋喃甲醛3-硝基噻吩4-甲基吡啶ON12345SN12345NNH12345噁唑噻唑咪唑二.命名：音译法（带“口”旁的同音汉字）14.2五元杂环化合物一、吡咯、呋喃和噻吩的结构ONSH..........54312呋喃吡咯噻吩•杂原子（O、S、N）杂化态均为sp2杂化呋喃、噻吩和吡咯的原子轨道示意图：OSNHOSNH................................杂原子为sp2杂化返回呋喃、噻吩的结构下页退出上页返回动画呋喃、噻吩、吡咯在结构上具有共同点，即构成环的五个原子都为sp2杂化，故成环的五个原子处在同一平面，杂原子上的孤对电子参与共轭形成共轭体系，其π电子数符合休克尔规则（π电子数=4n+2），所以，它们都具有芳香性。ONHS0.14310.13610.13620.14290.14230.13710.13700.13830.1714键长因此芳香性：苯＞噻吩＞吡咯＞呋喃C2—C3具有双键的性质,但比烯烃中的双键长,C3—C4较长,说明环内碳碳键长并未完全平均化.苯、噻吩、吡咯、呋喃的共振能分别为:150、125.5、90.4、71.1KJ/mol呋喃为无色液体。颜色反应：遇盐酸润湿的松木片呈绿色。噻吩为无色有特殊气味的液体。颜色反应：与吲哚醌在硫酸的作用下呈兰色。二、吡咯、呋喃和噻吩的性质吡咯为无色液体，颜色反应：其蒸汽遇到盐酸润湿的松木片呈红色。z(Z=O,NH,S)65其π电子云密度比苯大，故比苯容易亲电取代α-取代：zE++zEH+zEH+zEH+β-取代Ez++zEH+zEH+化学性质1.亲电取代反应（以α取代为主）*亲电取代反应的活性顺序：吡咯呋喃噻吩苯吡咯、呋喃、噻吩的亲电取代反应，对试剂及反应条件必须有所选择和控制。.卤代反应不需要催化剂，要在较低温度下进行+Br2Cl2ClOClSBrOClSONHBrBrBrBrNHBr2EtOH.硝化反应不能用混酸硝化，一般是用乙酰基硝酸酯(CH3COONO2)作硝化试剂，在低温下进行。.磺化反应呋喃、吡咯不能用浓硫酸磺化，要用特殊的磺化试剂——吡啶三氧化硫的络合物，噻吩可直接用浓硫酸磺化OONO2CH3COONO2-5~-30℃ONO2CH3COO加热NHNHNO2CH3COONO2-10℃+NHNO2SSNO2HNO3+H2SO4OOSO3H吡啶SO3100℃付—克烷基化反应:常得到多烷基化产物，用处不大。NHNH吡啶SO3HSO3SS95%H2SO4室温SO3H付—克酰基化:OOCOCH3(CH3CO)2O,BF3SSCOCH3(CH3CO)2O,SnCl4NHNHCOCH3(CH3CO)2O,150~200℃2.加成反应（催化加氢、狄—阿反应）小结：a.活性顺序：吡咯＞呋喃＞噻吩＞苯b.亲电取代通常主要发生在2位（α-位）OH2,PdO顺丁烯二酸酐苯炔OOOOONHH2,PdNHTHF呋喃易起D-A反应,噻吩在加压下能发生D-A反应吡咯在一般条件下不起D-A反应。SH2,MoS2SH2NiSCOORCOORSCOORCOORCOORCOOR+加压-S吡咯是仲胺，但碱性很弱。吡咯具有弱酸性，其酸性介与乙醇和苯酚之间。3.吡咯的弱酸性和弱碱性故吡咯能与固体氢氧化钾加热成为钾盐，与格式试剂作用放出RH而生成吡咯卤化镁。NHNMgX+RMgXEt2O+RH吡咯钾盐和吡咯卤化镁都可用来合成吡咯衍生物。1．制备由农副产品如甘蔗残渣、花生壳、高粱杆、棉子壳……用稀酸加热蒸煮制取。三、重要的五元杂环衍生物（一）糠醛（α-呋喃甲醛）(C5H8O4)nOH2H2SO4C5H10O5CHCHOHHOCHCHCHOOHOHHH2SO4OH2OCHO+n3加热－稀稀糠醛戊醛糖b.p.162℃Cannizaro歧化反应氧化反应还原反应2．糠醛的性质表现为无α-H的醛和不饱和呋喃杂环的双重性质。羟醛缩合反应OCHOOCOOHOCH2OHCH3CHOOCH=CHCHOZnO/Cr2O3OCH2OHOCH2OHV2O5/MoO3OOO浓NaOH+稀NaOHH2H2/NiO2,3200C+H2O3．糠醛的用途糠醛是良好的溶剂，常用作精练石油的溶剂，以溶解含硫物质及环烷烃等。可用于精制松香，脱出色素，溶解硝酸纤维素等。糠醛广泛用于油漆及树脂工业。（二）吡咯的重要衍生物由四个吡咯环和四个次甲基(－CH=)交替相连组成的大环叫卟啉环(又称为卟吩)，卟啉的化合物广泛存在于自然界中。NHNNHN卟啉环血红素血红素和血球蛋白结合而成血红蛋白，血红蛋白是高等动物血液输送氧及二氧化碳的主要物质。1853年首次拿到结晶，1929年由H.Fischer等人人工合成。NNNNCOOHCOOHFe+OH叶绿素叶绿素YYCH3CHO==abYONNMgNN+H3CH3CCH32COOCH3HHCH2CH2COOCH2叶绿素是植物进行光合作用时所必需的催化剂，存在于绿色细胞叶绿体中，和蛋白质结合成为一个复合体。自然界的叶绿素由叶绿素a和叶绿素b组合而成。返回青霉素FR=CH2CH=CHCH2CH3青霉素GR=CH2C6H5青霉素XR=CH2C6H5OH(对)青霉素KR=CH2(CH2)5CH3青霉素VR=CH2OH2C6H5(人工合成)青霉素内含有四氢噻唑与β-内酰胺环系，是最常用的抗生素之一，毒性小，药效远胜过磺胺药。工业生产的青霉素是青霉素G，青霉素G只能注射，不能口服。NSCOOHORCONH帕尔－克诺尔(Paal-Knorr)法:1,4-二羰基化合物在H2SO4,P2O5,ZnCl2或强酸性离子交换树脂的催化下缩合生成呋喃环,与P2S5共热生成噻吩环.CCH2H2CCRROOORRSRRNHRRP2O5P2S5(NH4)2SO4NH3，或四.五元杂环的制法:吲哚是白色结晶，熔点52.5℃。极稀溶液有香味，可用作香料，浓的吲哚溶液有粪臭味。素馨花、柑桔花中含有吲哚。14.3吲哚HN化学性质1.氮原子上H的弱酸性：可被金属取代(如RMgX)2.亲电取代反应在3-位进行，若3-位被占，则进入2-位.14.4六元杂环化合物六元杂环化合物中最重要的有吡啶、嘧啶和吡喃等。吡啶是重要的有机碱试剂，嘧啶是组成核糖核酸的重要生物碱母体。sp2杂化未共用电子对占据sp2杂化轨道，与环共平面，不能参与环系的共轭p轨道与环平面垂直，相互重叠形成六个原子在内的闭合共轭体系一.吡啶的结构N........返回氮原子以不等性sp2杂化轨道成键。N吡啶的结构吡啶和吡咯的结构比较孤对电子在sp2杂化轨道上孤对电子在p轨道上返回二、物理性质1.与水，乙醇，乙醚混溶，还能溶解大部分有机物和无机盐，是很好的溶剂。2.无色有特殊气味的液体,b.p115℃。三、化学性质1.弱碱性与亲核性..N由于孤对电子在sp2杂化轨道中，孤对电子的s成分高，不易给出电子，接受质子的能力弱，为弱碱。吡啶的碱性小于氨大于苯胺。N+HCrO3Cl-PyridiniumChlorochromate(PCC,氧化剂)由于N上的孤对电子未参与共轭,吡啶可作为亲核试剂与烷基化试剂和酰基化试剂作用.NCH3NCH3I++I-碘化N-甲基吡啶NCORNRCOCl+-+ClN-酰基吡啶盐(良好的酰基化试剂)2.吡啶环上的亲电取代吡咯、呋喃、噻吩为富电子芳杂环，比苯容易亲电取代，吡啶（N吸电子能力较强），为缺电子芳杂环，比苯难亲电取代，和硝基苯相似,只有在极强的条件下才能发生硝化、磺化及卤化反应,但不发生F-C烷基化、酰化反应,亲电取代反应主要在3-位（β-位）发生.NKNO3/H2SO4.SO3NNO2H2SO4/SO3NSO3HBr2H2SO4/SO3NBrCl2AlCl3NCl3000C,24h(6%)2200C过量氧化吡啶的亲电取代比吡啶容易进行，取代基进入4-位，产物可用PCl3脱氧得到4-取代基吡啶。吡啶环上有烷氧基，氨基等供电子基时，有助于亲电取代反应的进行，但反应活性仍低于相应的苯系化合物。NNH2Br2/CH3COOHNNH2Br200C3.氧化还原反应吡啶环上的烷基取代基容易氧化成羧基。吡啶为叔胺，易被过氧化物（如过氧酸或过氧化氢的醋酸溶液）氧化成氧化物NH2O2CH3COOHNONO++或NCH3KMnO4,OHNCOOH3-吡啶甲酸(烟酸)吡啶对还原剂比苯环活泼NNa+C2H5OH+6[H]HNHNNH2Pt乙酸0.1MPa,室温NCH3NCOOHV2O5NCONHNH2空气4-吡啶甲酸(异烟酸)异烟酰肼异烟酰肼是一个很好的治疗结核病的药物，商品名为“雷米封”四.吡啶环的制备---Hantsch合成法:用β-酮酸酯,甲醛和氨先生成1,4-二氢吡啶衍生物,再氧化成吡啶环.Chichibabin反应4.亲核取代：主要形成2－位(α-位)取代产物。NNaNH2NNH2C6H5LiNC6H51.2.H2O:CH2=OCOCH3CO2C2H5(CH3CH2)2NHCO2C2H5COCH3+CH2CH2=C(CH3CH2)2NHCH3COCH2CO2C2H5CH2CH3OH5C2O2CCO2C2H5CH3OCHCHNH3,EtOHNHCH3CH3CO2C2H5H5C2O2CHNO3,H2SO4NCH3CH3CO2C2H5H5C2O2C-2H2O氧化脱氢14.5喹啉、异喹啉喹啉(quinoline)异喹啉(isoquinoline)喹啉与异喹啉都是苯并吡啶，它们存在于煤焦油中，一些天然的生物碱中含有它们的结构。喹啉从氮原子开始编号。2746312653818754NNNOHNSO3HNBr8-羟基喹啉5-喹啉磺酸4-溴异喹啉一、化学性质1.弱碱性:喹啉和异喹啉都为弱碱,异喹啉的碱性强于喹啉,其PKa分别为4.94和5.40,能与酸作用成盐.2.取代（类似于硝基萘)NO287654321N87654321亲电试剂进入5,8位,亲核试剂进入2位NHNO3,H2SO4NNO2NNO2Br2，浓H2SO4AgSO4,NBrNBrNaNH2NNH2H2SO4NSO3HN2200C3氧化还原反应喹啉经强氧化时，苯环氧化开环；还原时，通常吡啶环容易被还原。NKMnO4,H2O100℃NHOOCHOOCH2,PdNHNHNO3,H2SO4NNO2NNO2+90%10%二.喹啉环的合成法——斯克劳普（Skraup）法：用苯胺与甘油、浓硫酸及一种氧化剂如硝基苯共热而生成。NH2CH2OHCHOHCH2OH+N1.H2SO42.O2NPh或As2O3CH2OHCHOHCH2OH浓H2SO4CH2CHCHO+2H2ONH2OH+1,4-加成NHHHO-H2O关环NHN[O]O2NPh或As2O3反应过程：Bisch