第二十章-杂环化合物

第二十章杂环化合物(Heterocycliccompounds)2一.分类和命名二.吡咯、呋喃和噻吩三.含两个以上杂原子的五元杂环四.吡啶五.喹啉、异喹啉第二十章杂环化合物(Heterocycliccompounds)3概述：杂环杂环化合物来源、用途杂环化合物分类：第一类：无芳香性的杂环化合物例：四氢呋喃丁二酸酐四氢吡咯六氢吡啶第二类：具有一定程度的芳香性的杂环化合物呋喃吡咯吡啶4一.分类和命名芳杂环的数目很多，可根据环大小、杂原子的多少以及单环和稠环来分类。常见的杂环为五元、六元的单杂环及稠杂环。稠杂环是由苯环及一个或多个单杂环绸合而成。命名：采用外文名的音译，用带“口”字旁的同音汉字表示。1.五元杂环呋喃furan12345αβαβthiophene噻吩pyrrole吡咯5五元环中含两个或两个（至少有一个氮原子）以上的杂原子的体系称唑。例：imidazole咪唑pyrazole吡唑thiazole噻唑oxazole噁唑2.六元杂环pyridinepyrimidinepyridazinepyrazine吡啶嘧啶哒嗪吡嗪63.稠杂环quinolineisoquinolineindolepurine喹啉异喹啉吲哚嘌呤7二.吡咯、呋喃和噻吩1.结构特点呋喃噻吩吡咯平面结构环上的原子均为sp2杂化闭环共轭体系π电子数符合4m+2具有方香性体系亲电取代反应活性：吡咯、呋喃、噻吩大于苯8五元环亲电取代反应的主要产物：α–取代+芳香性（稳定性）：苯＞噻吩＞吡咯＞呋喃2.性质1).吡咯离域能：15012287.868kJ/mol9a.吡咯的弱酸性它的pKa=16.5，比酚弱，比醇强，可与强碱（NaNH2，KNH2、RMgX）或碱金属（Na、K）作用。++吡咯钾10α-吡咯甲酸N-甲基吡咯N-乙酰基吡咯α-吡咯甲醛△△11b.亲电取代反应主要产物为α–取代产物。吡咯环的稳定性较差，遇酸容易聚合，因此进行亲电取代反应要用较温和的试剂。例：磺化试剂：硝化试剂：2–吡咯磺酸122–硝基吡咯2–乙酰基吡咯2–吡咯甲醛+13c.加成反应+2).呋喃a.亲电取代反应呋喃的稳定性较吡咯小，与亲电试剂往往得到加成产物，即使得到取代产物，也是由加成产物转化来的。14b.加成反应呋喃与亲双烯体迅速发生狄尔斯-阿德尔反应。+25℃+152,5–己二酮呋喃遇浓酸聚合，遇稀酸呋喃水解为二醛：丁二醛163).噻吩a.亲电取代反应应用：把粗苯中的噻吩除去。17b.加成反应+100℃高压+3.五元环合成a.呋喃的工业制备聚戊糖戊糖+18b.取代吡咯、呋喃、噻吩的合成400℃吡咯环的合成：19①.Knorr（克诺耳）合成法：+α–氨基酮β–二羰基化合物20②.Paal-Knorr（帕尔-克诺耳）合成法：+△+△2,5-己二酮③.Hantzsch（汉栖）合成法：+21+呋喃环和噻吩环的合成：△224.吡咯、呋喃和噻吩的重要衍生物1).糠醛是一种无色液体，沸点162℃，在空气中易变黑。是一种良好的溶剂。它不含α-H，性质类似于苯甲醛。++醇溶液+232).吲哚吲哚为白色结晶，熔点52.5℃。具有极臭的气味，但纯粹的吲哚在极稀时有香味，可作香料。可发生亲电取代反应，活性位置在第3位。3-溴吲哚3-硝基吲哚3-吲哚甲醛243-吲哚磺酸含吲哚的生物碱广泛存在于植物中，如麦角碱、马钱子碱、利血平等。β-吲哚乙酸（植物生长调节剂）色氨酸（蛋白质组分）255-羟基色胺（哺乳动物及人脑中思维活动的重要物质）吲哚环的合成：Fischer（费歇尔）吲哚合成法：将醛、酮、酮酸、酮酸酯或二酮的芳基取代腙在氯化锌、聚磷酸、三氟化硼等路易斯酸存在下加热。苯乙酮苯腙100℃2-苯基吲哚26环己酮苯腙65℃四氢咔唑机理：相当于联苯胺重排。3).卟啉环系化合物卟啉环系是由四个吡咯和四个次甲基交替相联组成的共轭体系。卟啉环呈平面结构，环的中间空隙以共价键、配位键和不同的金属结合。27卟啉环血红素胆红素Ⅸa28叶绿素a29三.含两个以上杂原子的五元杂环咪唑噻唑吡唑属吡咯系杂环噁唑1.结构和性质1).弱碱性新增加的一个氮原子上的孤电子对在环平面上，与环内的π电子不共轭，提供了接受质子的位置，因此吡咯系杂环的碱性都比吡咯强。3号N为sp2杂化：30吡咯系杂环中除咪唑是中等强度的碱外，其它为弱碱，因为：+的酸性大于为什么？咪唑分子间可形成氢键：吡唑通过氢键可缔合成二聚体：312).亲电取代反应吡咯系杂环的亲电取代反应活性小于吡咯、呋喃和噻吩。吡唑异噻唑异噁唑咪唑噻唑噁唑3).环的生成解释：咪唑既有碱性，又有酸性，且其酸性大于吡咯？32四.吡啶1.结构和物理性质NN：sp2杂化氮上还有一对电子未参与共轭，易接受质子，具有碱性，也可以接受碳正离子，具有亲核性。碱性：脂肪胺＞吡啶＞芳香胺吡啶是一个无色有恶臭的液体，与水及许多有机溶剂，如乙醇、乙醚等混溶，是良好的溶剂。2.化学性质芳环亲电取代亲核取代氮上未成键电子对碱性亲核性331).吡啶环上氮的碱性及亲核性+应用：++2).吡啶环上亲电取代反应与苯环比较吡啶环是缺电子的芳香杂环，性质类似于硝基苯，它不能进行傅氏烷基化和酰基化反应。343-溴吡啶3-吡啶磺酸3-硝基吡啶3).吡啶环上亲核取代反应吡啶环2,4,6位上的卤素容易被亲核试剂取代。亲电取代位置在3-或5-位进行，为什么？35除吡啶环2,4,6位上的卤素容易被亲核试剂取代外，吡啶环2位上的负氢离子也能被取代。++36++++4).侧链α-H的反应吡啶环2,4,6位烷基的α-H具有一定的酸性，其酸性与甲基酮的α-H相同。吡啶环上2位的负氢离子被亲核性极强的氨基负离子取代，同时有氢气放出，称齐齐巴宾（Chichibabin）反应。37+的作用：吡啶成盐后，使吡啶环2,4,6位烷基的α-H酸性进一步增强，可以发生羟醛缩合和迈克尔反应：+38++5).吡啶的氧化和还原a.氧化39尼古丁（烟碱）尼古丁酸（烟酸）尼古丁酰胺（烟酰胺）注意：40应用：b.还原六氢吡啶（哌啶）3.吡啶环合成Hantzsch（汉栖）合成法：β-酮酸酯、醛和氨缩合。41第一步：β-酮酸酯和醛发生羟醛缩合+第二步：发生迈克加成+42第四步：二氢吡啶环脱氢，生成吡啶衍生物第三步：关环，生成二氢吡啶环43五.喹啉、异喹啉quinolineisoquinoline喹啉异喹啉喹啉、异喹啉的性质与吡啶相似，具有弱碱性。喹啉pKa=4.94异喹啉pKa=5.40Skraup（斯克洛浦）合成法：将芳香族伯胺与甘油同硫酸和一种氧化剂（如：硝基苯、五氧化二砷、氧化铁等）一起加热，即可得喹啉及其衍生物。1.喹啉及其衍生物的合成44+反应过程：①.甘油在浓硫酸（或磷酸）作用下脱水生成丙烯醛，也可直接用α，β-不饱和醛或酮。45②.苯胺与丙烯醛发生迈克加成+③.质子化的醛对苯环进行亲电取代反应46④.1,2-二氢喹啉氧化+例：（85-88%）+（73%）47（83%）2.反应1).亲电取代反应亲电取代反应主要发生在碳环的5位和8位。+8-硝基喹啉（48%）5-硝基喹啉（52%）48+10%90%2).亲核取代反应亲核取代反应主要发生在吡啶环上。喹啉环上2位和4位，异喹啉环上1位的氯原子容易被亲核试剂取代。49503).侧链α-H的反应喹啉和异喹啉类似于吡啶，在喹啉2与4位侧链及异喹啉1位侧链上有活泼的α-H，可进行缩合和亲核取代反应。COOEtCOOEtEtONa,EtOH室温12h.90%+51与吡啶类似，它们形成季铵盐后，侧链α-H活性提高。524).氧化及还原吡啶-2,3-二甲酸5).含氧的六元杂环及含两个以上氮杂原子的六元杂环(自学)531.稳定的烯胺能说明碳氮正双键的吸电子能力大于碳氧双键的吸电子能力。1954年，G.Stock首次将烯胺用于醛酮的烷基化和酰基化，避免了醛酮在强碱存在下自身的缩合反应和不希望发生的多元取代，从而为非活化羰基化合物的烷基化和酰基化找到了一条新的途径。2.伯胺催化乙酰乙酸的脱羧反应，是非酶共价催化的典型例子。54说明：碳氮正双键的吸电子能力大于碳氧双键的吸电子能力。