有机化学 第十七章杂环化合物

第十七章杂环化合物【本章重点】呋喃、吡咯、噻吩和吡啶的结构与化学性质。【必须掌握的内容】1.杂环化合物的命名方法。2.呋喃、吡咯、噻吩和吡啶的结构与芳香性。3.呋喃、吡咯、噻吩和吡啶的化学性质杂环化合物是一大类有机物，占已知有机物的三分之一。杂环化合物在自然界分布很广、功用很多。例如，中草药的有效成分生物碱大多是杂环化合物；动植物体内起重要生理作用的血红素、叶绿素、核酸的碱基都是含氮杂环；部分维生素，抗菌素；一些植物色素、植物染料、合成染料都含有杂环。杂环化合物的涵义：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。SNCH3HCH3OOROOHOCH3OHH3CEpothiloneA(R=H)EpothiloneB(R=CH3)1993年发现的一种高效抗癌物质本章讨论的就是那些环为平面型，环内π电子数符合4n+2规则，具有一定芳香性的芳杂环化合物。17.1杂环化合物的分类、命名和结构杂环化合物非芳香性杂环化合物,如：芳香性杂环化合物ONH、、内酯、环状酸酐等。NOOH（一）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呋喃噻吩吡咯吡啶吲哚喹啉嘌呤NNNHN（二）杂环化合物的命名1.音译法：ONHSNfuranpyrrolethiophenepyridine呋喃吡咯噻吩吡啶在同音汉字左边+“口”字。NHNindolequinoline吲哚喹啉NNNHNpurine嘌呤NNpyrimidine嘧啶当环上有不同杂原子时，按O→S→N的次序编号。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(1)母体杂环的编号：杂原子的编号为“1”。杂原子邻位的碳原子也可依次用α、β、γ…编号。2.母环的编号规则132NNHNONS5-甲基咪唑4-硝基噁唑4-甲基-5-(2'-羟乙基)噻唑332211CH3O2NHOCH2CH25544CH3OSN苯并呋喃苯并噻唑132NNHNONSimidazoleoxazolethiazole咪唑噁唑噻唑332211NNpyrimidine123嘧啶如：NHO未参与共轭吡咯呋喃S噻吩thiopheneSπ56富电子体系CCCNCHCCCOC五元杂环化合物：17.2杂环化合物的结构与芳香性呋喃、噻吩和吡咯是含一个杂原子的典型五元杂环化合物。*符合4n+2规则，具有芳香性。结构特点芳香性:苯噻吩吡咯呋喃电负性:ONSOSNH噻吩吡咯呋喃五元杂环化合物具有芳香性的另一个标志就是环上的氢受离域电子环流的影响，其核磁共振信号都出现在低场区。α-H由于受杂原子吸电子诱导效应的影响，其δ值较大。SNHOδδ6.99δ6.22δ6.247.18δ6.68δ7.29NCCNCCCπ66等电子体系未参与共轭六元杂环化合物的结构吡啶sp2-N吸电子能力较sp2-C强,故吡啶为缺电子体系.缺1.五元杂环化合物具有芳香性的杂环与苯环的异同点：(1)苯分子中的键长完全平均化，而五元杂环化合物分子中的键长只是有一定程度的平均化。因此，五元杂环化合物的芳香性比苯差。其芳香性次序是：SNHO离域能：150.51178867kj/mol(2)五元杂环化合物是富电子体系，而苯环为等电子体系，故环上的电子云密度比苯高，其亲电取代反应比苯容易，尤其易发生在α-位。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性顺序是：SNHO2.六元杂环化合物N2340.1390.1400.1340.1470.128单双吡啶环的键长也发生了较大程度的平均化，C―C键虽与苯相似，但C―N键变化很大，因此，其芳香性也比苯差。Nδδδδδδαβγ氮原子的电负性较大，从而使环上的电子云密度降低，故其亲电取代反应性能不但比苯差，且亲电取代反应发生在β-位。这一特性很类似于硝基苯。17.3五元杂环化合物（一）五元杂环化合物的化学性质1、亲电取代反应亲电取代反应活性顺序：吡咯呋喃噻吩苯。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杂原子具有+C效应，活化杂环CH3COCCH3OO+HNO3CH3CONO2+OCH3COHO乙酰基硝酰酯N-磺酸吡啶五元杂环化合物进行亲电取代反应的特点是：使用较为温和的试剂或反应条件。五元杂环化合物亲电取代反应发生在α-位可用共振论解释：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进攻2–位所形成的共振杂化体比进攻3–位所形成的共振杂化体稳定。三、常见的五元杂环化合物1.呋喃和糠醛呋喃为无色液体，难溶于水而易溶于有机溶剂。呋喃能使浸过盐酸的松木片显绿色(松木片反应)，这是鉴定呋喃的定性方法。芳香性较弱，呋喃及其衍生物容易进行Diles-Alder反应和一般的亲电加成反应。如：OO==OO+30℃O==OOHHO+Br2CH3COOKCH3OHOHHBrBrCH3OHOHHCH3OOCH3呋喃在Ni催化下，易于加氢生成四氢呋喃(THF)1,4-加成OH2/NiOHCl140℃Cl(CH2)4ClNaCNNC(CH2)CNNC(CH2)CNH2O/H+HOOC(CH2)COOHH2/NiH2N(CH2)6NH2444P4295（5）H2SO4OCHO糠醛OHCHOHOHOHHOH呋喃甲醛又称糠醛，是呋喃的重要衍生物。(C5H8O4)n+nH2O3~5%H2SO4nC5H10O5戊多糖水蒸气戊糖戊醛糖糠醛苯胺醋酸显红色——检验糠醛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。糠醛是良好的溶剂和重要的有机合成原料。给出下列反应的产物结构、名称及反应类型。OCHO浓NaOHCH3COCH3，稀OH-HCN(CH3CO)2OCH3COOHABCDOCOONaOCH2OHA:BOCHCH2COCH3OH:COCHCNOH:DOCH=CHCOOH:—糠醛表现出无-H的醛和不饱和呋喃杂环的双重性质.2、噻吩（P417）噻吩靛红浓硫酸显蓝色——检验噻吩糠醛苯胺醋酸显红色——检验糠醛呋喃松木片反应显绿色吡咯松木片反应显红色练习:P42923.吡咯吡咯为无色油状液体，微溶于水，易溶于有机溶剂。吡咯能使浸过盐酸的松木片显红色(松木片反应)，这是鉴定吡咯的定性方法。吡咯的酸碱性：NH由于氮上的未共用电子对参与了共轭体系，难以与H+结合，故基本不显碱性(pkb=13.6)。然而，由于氮原子的吸电子作用，使得吡咯会显示出一定的酸性，但其酸性较弱，需在强碱下方可成盐。NH+KOH(NaNH2)NK(Na)+H2O(NH3)吡咯容易发生亲电取代反应，其反应活性与苯胺类似。如：NHI2+NaOHN2+ClNHIIIINHNN=(卤代)(偶合)NHNHH2,Pd(具有脂肪仲胺的性质)17.4六元杂环化合物(P423)一、吡啶的化学性质Nδδδαβγ碱性与成盐亲电试剂进攻部位亲核试剂进攻部位1.碱性与成盐：CH3NH2NH3NNH2pkb3.364.758.89.3NNHCH3≡CNNNHCH3≡CNsp3sp2spNH13.6如果用非质子的硝化试剂、磺化试剂，或用卤素、卤代烷、酰氯与吡啶环进行反应，也将形成相应的吡啶盐：NNNO2+BF4Et2OHClSO3CH2Cl2Br2/CCl4CH3IPhCOCl石油醚NN+HNN+NO2NN+SO3NN+BrNN+CH3NN+PhCOClBF4Br+IClN-磺酸吡啶2.吡啶环上的亲电取代反应如前所述，吡啶的亲电取代反应比较困难，需在较强的条件下方可发生，且发生在β-位。NHNO3,H2SO4300℃NNO2NBrBr2300℃220℃NSO3HH2SO4,HgSO4显然，当吡啶环上连有供电子基团时，将有利于亲电取代反应的发生；反之，就更加难以进行亲电取代反应。NNO2CH3CH3HNO3,H2SO4100℃NCH3CH3吡啶环也象硝基苯一样，不能发生F―C烷基化和酰基化反应。3.吡啶环上的亲核取代反应吡啶环的亲核取代反应主要发生在α-位和γ-位，被取代的可以是氢原子，也可以是易于离去的基团。如：NLiNNaNH2(-H2)NNHNaH2ONNH2NClCH3ONaNaOH,NOCH3NH3,ZnCl2220℃NNH2NBrBrNH3,H2O160℃NNH2BrNNa,C2H5OH(无水)或H2/Ni,25oC,3大气压NH哌啶(六氢吡啶)4、氧化与还原碱性:NNHNCH3KMnO4NCOOHNH3NCONH2烟酸烟酰胺sp3sp2二、常见的六元杂环化合物(自学为主）1.甲基吡啶α-甲基吡啶吡啶同系物中以甲基吡啶最为重要，它有三个异构体：NNNCH3CH3CH3甲基吡啶的侧链甲基的活泼性与硝基甲苯中的甲基相似，具有一定的酸性。因此，在强碱的催化下可进行缩合反应，且主要发生在α-位和γ-位。如：γ-甲基吡啶NCH3C=O+NaNH2NCH2COHNCH3CH2CH3NaNH2NCH2Na+CH2CH3CH3I(1mol)NCH2CH3CH2CH3那么为什么α-位、γ-位的侧链氢酸性强？NCHHHCHHHN=OONNCH2CH2NCH2NCH2NCH2NCH2NCH2NCH2NCH2==NCH2=NCH2=NCH2=特别稳定特别稳定β-位γ-位α-位NCH3+CH3CHOZnCl2NCH2CHCH3OHNCH=CHCH3H2/NiNCH2CH2CH3毒芹碱4Cl2(-4HCl)NCCl3Cl氮肥增效剂NCH3O2.V2O5/硅酸orKMnO4NCOOHNH2NH2H2ONCONHNH2异烟酸异烟肼(雷米封)β-甲基吡啶NCH3KMnO4NCOOHNH3NCONH2烟酸烟酰胺NNCH3KMnO4NCOOH烟酸Nicotine2.喹啉喹啉在常温下为无色油状液体，b.p238℃。与吡啶相似，具有弱碱性(pkb=9.15)。喹啉的许多衍生物在医药上具有重要意义，特别是抗疟类药物。喹啉及其衍生物通常用Skraup合成法来合成。CH2CHCH2OHOHOHH2SO4(-H2O)CHOCHCH2OH=H2NNHC=OHNHCHOHH2SO4NHC6H5NO2NOHNH2+CH2=CHCHOH2SO4邻硝基苯酚NOHN活化环有利于亲电取代反应的发生,且主要发生在5,8-位。钝化环有利于亲核取代反应的发生,且主要发生在2-位。若用邻羟基苯胺代替苯胺，则可制备8-羟基喹啉。(1)亲电取代反应NHNO3H2SO4NNNO2NO2+H2SO4220℃NSO3HNBr2,H2SO4AgSO4,NN+BrBrBr2,CCl4NBr在酸性条件下,杂环氮可接受质子,使环更加钝化。(2)亲核取代反应NNaNH2NNHNaH2ONNH2NPhNaNH2H2ONPhNH2(3)氧化反应NKMnO4NCOOHCOOHNCOOH