有机化学精品课件――杂环化合物

1杂环化合物（heterocycliccompounds）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NNHNHNNSNOOSNHNOONNNNNN4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634521NH7634521O7634521S7125345NN1234678867634521NNHNN9875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。6OCHONCOOHNNNH25-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NOCH3C6H5NSC2H5NNCH3H3C7一、结构呋喃吡咯噻吩杂原子（O、S、N）杂化态均为sp2杂化ONS第一节呋喃、吡咯和噻吩符合Hückel规则（1.环状,2.共平面,3.垂直平面的p轨道,4.4n+2p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~72、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SNOC电负性：2.53.03.52.5芳香性：噻吩吡咯呋喃共轭能：苯吡咯噻吩呋喃KJ.mol-150121.188.766.19CCCCAHHHH•杂原子的性质•杂原子对环的影响ONHS•芳香性•共轭二烯性质•不饱和性A101、五员芳杂化合物的亲电取代反应亲电取代反应相对活性NHOS310186101151091吡咯呋喃噻吩苯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。吸电子诱导效应：O(3.5)N(3.0)S(2.5)给电子共轭效应：NOS(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11ii.由中间体的稳定性分析AEHH+AEAE+取代E+E-H+EH•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）12AE+AEAE+α-取代β-取代主要产物取代位置AE+AEAEAE贡献最大（满足八隅体）取代HAEAEAE+H贡献最大（满足八隅体）β-取代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A强酸氧化聚合分解反应剧烈（吡咯，呋喃，噻吩）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AcONO2AcONO2+硝化试剂NHAcONO2Ac2O,10oCNHNO2SAcONO2Ac2O-AcOH,0oCSNO260%•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15•呋喃发生加成反应（特殊，共轭烯烃性质）OAcONO25~30oCONO2AcO碱或ONO2HOAc加成消除OONO2AcOHHBONO2AcOONO2NO2HOAc+机理：16磺化试剂：（2）五员杂环的磺化反应NSO3（吡啶SO3加合物）NH100oCNHSO3HSSH+r.t.SO32Ba2+OH+OSO3H41%90%86%Ba(OH)2NSO3NSO3NSO3r.t.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SSSO3HH2SO4r.t.S（少量）H2SO4r.t.SSO3H溶解于硫酸中反应快&18OOCSSCH3OPhCClO（较弱的Lewis酸）PhCOSnCl2Ac2OBF3OBr2/0oC稀溶液OBrSSBrHOAcBr2,,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NHNHCCH3Ac2OONHBr2/0oC乙醇NHBr,BrBrBr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位有取代基无论给电子基还是吸电子基吸电子基OXWAGAW给电子基吸电子基位有取代基EX=S,N给电子基XG20反应举例位给电子基位吸电子基SCH3HNO3/Ac2OSCH3SCH3O2NNO2+70%30%SNO2HNO3SNO2SNO2O2NO2N+85%15%ONO2HNO3ONO2O2N(AcONO2)主要产物（例外）21SHNO3/Ac2OSNO2BrSBr2BrCOOHCH3COOHSCOOHBr位给电子基位吸电子基22(i)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AG345E+进入3位进入4位进入5位AGEAGEAGEAGEAGEAGEAGEE+E+•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)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AW345E+进入3位进入4位进入5位AWEAWEAWEAWEAWEAWEAWEE+E+较稳定不稳定最稳定24(iii)位有给电子基AG245E+进入2位进入4位进入5位AGEE+E+AGEAGEAGEAGEAGEAGEAGE•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25AW245E+进入2位进入4位进入5位AWEE+E+AWEAWEAWEAWEAWEAWEAWE(iv)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26OSNHH2/PdH2/PdOSNHH2/MoS2五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RaneyNi催化氢化使噻酚还原脱硫•其它脱硫的例子SRRRRNiSSCCORORRaneyNiRaneyNiH2H2CCOROR+NiS+RCR'ORCR'SSSHHSRCR'HHH2RaneyNi一种还原羰基至亚甲基的方法合成开链烃、酮的方法28（2）Diels-Alder反应（共轭二烯性质）O+CO2CH3CO2CH3OCO2CH3CO2CH3FBrLiOONHHN29（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ORCH2CH2RH2O/H+ORCH2CH2RORRCH2OOHORRH2O/H+ORROONHS共振能(kcal/mol)1621~222936•呋喃的芳香性较小30•呋喃酸性开环机理:ORRH+ORRHHORRORROH2OHRROHOHRROHOHRRO-H+H+OHRROORROH2O-H+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）：SAcONO2Ac2O-AcOH,0oCSNO2SNO260%10%+OAcONO25~30oCONO2AcO碱或ONO2HOAc加成消除取代比较OBr2/CH3OHOH3COBrCH3OHOH3COOCH332•2,5-二甲氧基二氢呋喃的形成机理：Br2+2CH3OHCH3O+BrCH3Br+H2OOBrOBrCH3OOBrH3COBrOH3COOH3COOCH3OCH333•合成上的应用举例OBr2/CH3OHOH3COBrCH3OHOH3COOCH3H2/PdOH3COOCH3H2OH+OHOH琥珀醛1,4-丁二醛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位）NHH+NHHHNHHHNHHH正电荷分散在多个原子上R3NNKb~10-4~10-14H35（2）吡咯在酸性条件下发生聚合聚合机理:NHnH+NHHHnNHH+NHHHNHNHHHNHHNHHHNHHNHHNHHHH……NHHHn36（3）吡咯N-H的弱酸性•吡咯盐的生成NHNK+KH2NHpKa~17.5NRRH~35ROH~17PhOH~10Na,K,KOH,NaNH2NHN+CH3CH2MgBrMgBrCH3CH337（4）吡咯钾盐的性质•吡咯负离子的结构特点NN有烯胺负离子片断烯胺ON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NKCO2H2OH+NHCOOHCHCl3KOHNHCHORCClONCOR150oCNHCORCH3INCH3150oCNHCH3这些反应与那几个反应相似？•与重氮盐偶联NHNNPhPhN2X39•几个相似的反应（酚类的反应）OAlCl3OHCROCROOHCRO+ONaOHCO2H+OHCO2H加压CO2OHOHOHCHO+OHCHOCHCl3Reimer-Tiemann反应Kolbe-Schmitt反应Fries重排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H2CCCCH2H3CCH3OCH3H3CNHCH3H3CSCH3H3CP2O5P2S5100(NH4)2SO4或NH3,℃OO41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。H2CNH2H3CCOH2CCOOC2H5COCH3H+NHCH3COOC2H5H3C+α-氨基酮与β-二羰基化合物42呋喃的衍生物糠醛OCHOOCHO浓OHKCN(CH3CO)2OCH3COONaOCH2OHOCOOH+OCHCOHOOOCCHHCOOH43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。NNHNSNO1123451234512345ONSN12345NHN23451234511,2-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NNH45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-2.031.32.42.57.0ONH+NH+ONH+SNHNH+NH+NH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。NH+NHNHNH461,3-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NNHNSNO〉〉NHNSN〉〉ON47唑发生亲电取代反应时，取代的