有机化学—杂环化合物.ppt

1 杂环化合物 （heterocyclic compounds） 2 定义：杂环化合物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 芳香性杂环：（吡咯、吡啶、喹啉等） 非芳香性杂环：（四氢呋喃、四氢吡咯、六氢吡啶等） 分类： 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 ，环状酸酐、环状酰胺、环醚、环状酰亚胺等 3 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 γ-吡喃 α-吡喃 嘧啶 吡嗪 哒嗪 常见杂环化合物的分类、名称 4 苯并呋喃 吲哚 苯并噻吩 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 稠杂环 5 命名 1、音译法（带“口”旁的同音汉字） 2、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。

3、编号从杂原子算起依次用1，2，3，4，5…编号用α，β ，γ…则从杂原子相邻的碳原子依次编号），如有不同种类 杂原子，则按O，S，N的顺序由小到大编号，使杂原子尽可 能具有较低的编号 6 5-乙基噻唑 2-甲基-5-苯基噁唑 4,5-二甲基嘧啶 2-呋喃甲醛 3-吡啶甲酸 4-氨基嘧啶 7 一、结构 呋喃 吡咯 噻吩 杂原子（O、S、N）杂化态均为sp2杂化 第一节第一节呋喃、吡咯和噻吩 符合Hckel规则（1. 环状, 2. 共平面, 3. 垂直平面的p轨道, 4. 4n+2 p电子 具有方向性 8 二、吡咯、呋喃和噻吩的性质 物理性质 1、光谱性质 1HNMR：δH ~7 2、芳香性比较：苯>噻吩>吡咯>呋喃 电负性影响：一般来说，杂原子与碳原子的电负性越接 近，其相应的五元芳香杂环的芳香性越强，其共轭能也越 大 元素 S N O C 电负性：2.5 3.0 3.5 2.5 芳香性： 噻吩> 吡咯> 呋喃 共轭能： 苯> 吡咯> 噻吩> 呋喃 KJ.mol- 1 50 121.1 88.7 66.1 9 • 杂原子的性质 • 杂原子对环的影响 • 芳香性 • 共轭二烯性质 • 不饱和性 10 1、 五员芳杂化合物的亲电取代反应 亲电取代反应相对活性 吡咯>呋喃 >噻吩>苯 苯环上六个原子共有六个电子，苯环上六个原子共有六个电子，吡咯、呋喃、噻吩上杂原子提供一对杂原子提供一对 电子五个原子共有六个电子，电子云密度大于苯，因此它们亲电取代电子五个原子共有六个电子，电子云密度大于苯，因此它们亲电取代 反应活性大于苯。

反应活性大于苯 吸电子诱导效应： O(3.5)>N(3.0)>S(2.5) 给电子共轭效应：N>O>S(S的3p轨道与C的2p轨 道共轭相对较差) 综合：N对环的贡献的电子最多，硫最少 i.电子云密度 11 ii. 由中间体的稳定性分析 •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） 12 α-取代 β-取代 主要产物 取代位置 反应中间体的相对稳定性 二个主要共振式不稳定 三个主要共振式稳定 13 亲电取代反应举例 注意：五员杂环较活泼，遇酸不稳定 硝化：HNO3/H2SO4 磺化：H2SO4 用温和试剂代替 14 （1） 五员杂环的硝化反应 硝化试剂 • 吡咯和噻酚发生正常亲电取代反应 硝酸乙酰酯由硝酸和乙酸酐反应制备硝酸乙酰酯由硝酸和乙酸酐反应制备 15 • 呋喃发生加成反应（特殊，共轭烯烃性质） 机理： 16 磺化试剂： （2） 五员杂环的磺化反应 17 •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 18 活性大，直接反应，不加路易斯酸 • 卤代（稀释或低温控制在一卤代） • Friedel－Crafts反应 活性最大得四取代产物活性最大得四取代产物 19 环上已有取代基对亲电取代取向的影响 •由取代基和环上杂原子的α-定位效应决定 20 反应举例 a 位给电子基 a 位吸电子基 21 b 位给电子基 b 位吸电子基 22 (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 • 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 23 (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 较稳定 不稳定 最稳定 24 (iii) b 位有给电子基 • 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 25 (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 26 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） 四氢吡咯 27 • 用Raney Ni催化氢化使噻酚还原脱硫 •其它脱硫的例子 一种还原羰基至亚 甲基的方法 合成开链烃、酮的方法合成开链烃、酮的方法 28 （2） Diels-Alder反应（共轭二烯性质） 29 （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 • 呋喃的芳香性较小 30 • 呋喃酸性开环机理: 31 (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）： 比较 32 • 2, 5-二甲氧基二氢呋喃的形成机理： 33 • 合成上的应用举例 34 吡咯的一些特殊性质 （1）吡咯N 的孤对电子参与环的共轭吡咯N的碱 性很弱，不能与质子结合。

吡咯碱性比苯胺弱，而还原后的四氢吡咯的碱性 比吡咯的碱性强得多 吡咯的质子化发生在环上（主要是a位） 正电荷分散在多个原子上 35 （2）吡咯在酸性条件下发生聚合 聚合机理: 36 （3） 吡咯N-H的弱酸性 •吡咯盐的生成 Na, K, KOH,NaNH2 37 （4） 吡咯钾盐的性质 •吡咯负离子 的结构特点 有烯胺负离子片断烯胺 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 38 吡咯负离子的一些典型反应 这些反应与 那几个反应 相似？ • 与重氮盐偶联 39 • 几个相似的反应（酚类的反应） 40 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 41 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 α-氨基酮与β-二羰基化合物 42 呋喃的衍生物 糠醛 43 第二节 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 1,3-唑 异噁唑 异噻唑 吡唑 噁唑 噻唑 咪唑 44 咪唑的分子结构 45 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 咪唑具有较高的碱性，具有对称的共轭酸，共轭是正电荷分布 均匀，稳定性提高 pKa -2.03 1.3 2.4 2.5 7.0 唑中的氮原子在其sp2杂化轨道中有一对孤对电子， 因此具有碱性，但比一般的胺弱因为 sp2比sp3杂 化轨道s成分多，离核近 46 1,3-唑及1,2-唑与呋喃、噻吩、吡咯类似，都可以发生亲电 取代反应，但由于唑分子中增加了一个吸引电子的氮原子，降 低了环上的电子云密度，因而唑的亲电取代的反应活性较呋喃 、噻吩、吡咯为低1,2-唑与1,3-唑的亲电取代反应的活性顺序 有： 1,2-唑 1,3-唑 47 唑发生亲电取代反应时，取代的位置与呋喃、噻吩、吡咯有 所差别。

1,2-唑取代位置都在4-位，1,3 唑中咪唑环的取代位置也 在4-位，而噻唑环的取代位置都以 5-位为主 48 49 第三节 含一个杂原子的六员芳杂化合物（吡啶）的性质 吡啶的结构 共振能：23卡/mol sp2轨道 50 象叔胺 有亲核性和碱性 N可被氧化 吡啶性质的初步分析 亚胺结构片断 有亲电性 与亲核试剂反应 不饱和性 可加氢还原 与苯相似 有芳香性 可亲电取代 51 1 吡啶的碱性和亲核性 （1） 碱性 合成上作为有机碱 Knoevenagel反应 脂肪胺>吡啶>苯胺>吡咯 由于N上的电子未参与共轭，具有碱性，孤电子对在sp2杂化轨道中 ，孤电子对的s成分高，不易给出电子，接受质子的能力弱，为弱 碱，比脂肪胺弱，比芳胺强 52 其它应用——制备吡啶盐试剂 如磺化试剂 （2）亲核性 吡啶的烷基化 N-甲基吡啶盐的重排 N-甲基吡啶盐 53 吡啶的酰基化及其应用 酰基化机理 54 2. 吡啶环上的亲电取代 待解答的两个问题: 取代位置：哪个为主？ 反应活性：比苯快? 还是比苯慢? 55 吡啶的亲电取代反应的活性比苯弱,类似硝基苯,亲电取代反应总是发生 在3位或5位(β-位),吡啶环上由给电子基时,亲电取代反应活性增强。

•吡啶 （N吸电子能力较强）， 为缺电子芳杂环，故比苯难亲电取 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；吡啶环上有烷氧基，氨基等给 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； 56 钝化 b取代 起强吸电 子基作用 对比： 57 其它钝化现象 有给电子基时反应较易进行 58 (i) 由吡啶的共振式分析: 结论: 1. 环上带正电, 不利于亲电取代 2. b 位的正电荷密相对较低（较 易反应的位置 对反应取向及钝化现象的解释 59 (ii) 由反应的中间体稳定性分析 • 取代在 a 位 不稳定 正电荷在电负性 大的原子上 中间体有两个 主要共振式 60 • 取代在 b 位 中间体有三个主要 共振式，较稳定 61 • 取代在 g 位 不稳定 正电荷在电负性 大的原子上 中间体有两个主要共振式 （与a位反应类似） 62 3. 吡啶环上的亲核取代反应 通过氧化去氢 或 与负氢接受体结合 亚胺片断 亲核加成——负氢消除过程 63 （1） NaNH2与吡啶的亲核取代 反应 机理: 64 （2） PhLi 与吡啶的亲核取代 65 （3） a 或 g 位有离去基团时的亲核取代（与硝基苯类似，取代易进 行） 机理： • 制备a-吡啶酮的其它方法 例 ： 好离去基 66 其它取代例子 67 4. 吡啶的还原和氧化 （1） 还原 吡啶环比苯环易被还原 68 （2） 氧化 • 氧化在侧链上 • 氧化在 N 上 对比： 吡啶。