第十八章 杂环化合物

ORGANICCHEMISTRY第十八章杂环化合物有机化学1.熟悉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。ORGANICCHEMISTRYONSHFuranPyrroleThiophene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、噻吩、吡咯。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。一、呋喃、噻吩、吡咯的结构与芳香性物理方法证明：呋喃、噻吩、吡咯都是平面结构，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。第二节五元杂环化合物符合休克尔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··O呋喃····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电负性,对外层电子吸引力,孤电子离域,故芳香性。O(3.5)＞N(3.0)＞S(2.5)ORGANICCHEMISTRYπ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＜苯环呋喃、噻吩、吡咯分别存在于木焦油、煤焦油和骨焦油中，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1.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。呋喃、噻吩、吡咯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。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,噻吩和吡咯易氧化,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磺化反应吡咯、呋喃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NH..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、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起邻对位定位基的作用。2.吡啶的性质吡啶是一个无色有恶臭的液体，沸点115.5℃，与水及许多有机溶剂如乙醇、乙醚等混溶，它是良好的溶剂。吡啶的化学性质体现在芳环的取代反应（包括亲核、亲电）及氮上未成键电子对的碱性及亲核性上。①碱性和亲核性吡啶分子中氮原子的SP2杂化轨道上有一对未共用电子，这对电子不参与环的共轭，它像叔胺一样这对电子可以接受质子，具有碱性。但碱性弱于叔胺，强于吡咯。碱性：叔胺吡啶吡咯NNH叔胺NH2pKb:~48.89.37~14碱性增强N+HClN·Cl-+H吡啶盐酸盐吡啶氮原子还可以作为亲核试剂与R-X、Br2等亲核试剂反应形成吡啶盐N+Br2N·Br-+Br①二乙胺②吡咯③吡啶④氨⑤苯胺①④③⑤②N+CH3IN·I-+CH3三级胺季铵盐300℃重排NI-+-CH3HNI-+CH3H+甲基吡啶盐②亲电取代反应吡啶是缺电子芳杂环，由于氮原子的吸电子作用，降低环上碳原子密度，它的亲电取代反应似硝酸苯。与富电子芳杂环的呋喃、吡咯和噻吩相反，吡啶在亲电取代反应中很不活泼，比苯的取代反应难得多，一般反应必需在激烈的条件下才能硝化、卤代和磺化，不能进行傅克反应。反应特点*1不能发生傅氏烷基化、酰基化反应。*2硝化、磺化、卤化必须在强烈条件下才能发生；*3吡啶环上有给电子基团时，反应活性增高；*4吡啶N可以看作是一个间位定位基。反应主要发生在β位（电子云密度βα）N··+Br2N300℃气相3-溴吡啶-Br39%N+浓HNO3300℃，一天浓H2SO4N3-硝基吡啶-NO26%N+发烟H2SO4220℃N吡啶-3-磺酸-SO3H70%如果吡啶环上有供电子基团，则能增加反应活性,提高产率。N+浓HNO3浓H2SO4N-NO266%-CH3H3C--CH3H3C-N+Br2AcOHN-NH2-NH2Br-20℃90%····③亲核取代由于环上电子云密度降低，吡啶易与亲核试剂（如芳基锂、烷基锂等）作用，主要生成α-位取代产物若α-位被占据，则生成γ-位取代产物。N+NaNH2-H2N-NHNaH2Oα-氨基吡啶N-NH2+NaOH④吡啶环对氧化剂的稳定性吡啶比苯