42第十四章 杂环化合物

第十四章杂环化合物1.杂环化合物（含杂原子的环状化合物）的类型：芳香族杂环（本章重点）普通杂环NHNNONNHNNSONHOOOOO•符合Hückel规则（i.环状,ii.共平面,iii.垂直平面的p轨道,iv.4n+2p电子）•共振能：16~29千卡/mol•均能发生芳香族化合物的典型反应——亲电取代反应•1HNMR在d=6~9ppm处有芳香族化合物的特征吸收2.杂环芳香族化合物的芳香性杂原子:sp2杂化NNHNOS问题：分析各杂原子未共用电子对的状况分类的几种方式:i.杂原子的类型和数目ii.环的大小（五元环或六元环）iii.环的个数例：3.杂环的种类和名称NHNNONONNNHNS(1)含一个杂原子的五元芳杂环•五元芳杂环衍生物NHOS13452NHEt3吡咯pyrrole呋喃furan噻酚thiophene3-乙基吡咯（-乙基吡咯）ONHNHNH2523吡咯烷pyrrolidine2,5-二氢吡咯2,3-二氢吡咯四氢呋喃(THF)tetrahedrofuran（3）含1个杂原子的六元环（2）含2个以上杂原子的五元环NNHNO3452112345NNH34521NO12345NNNH34521吡唑Pyrazole1,2-唑咪唑Imidazole1,3-唑噁唑Oxazole1,3-唑异噁唑Isoxazole1,2-唑1,2,4-三唑N63452NCH3NH1吡啶pyridine2-甲基吡啶（-甲基吡啶）六氢吡啶（哌啶）piperidine（4）含2个以上杂原子的六元环NNNNNNNNN135121314NN13OHNHN13O2NHNH13ONHN13ONHNH13OOONH2H3C哒嗪pyridazine嘧啶pyrimidine吡嗪pyrazine1,3,5-三嗪2-嘧啶酮尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶（5）多环杂环634521NH7634521O7634521S7125NNH3521345467NN1234678867634521NHNN7吲哚indole苯并呋喃benzofuran苯并噻酚benzothiophene苯并咪唑benzoimidazole喹啉quinoline异喹啉isoquinoline嘌啉purine本章主要要求掌握以下几类化合物的主要性质：•含一个杂原子的五元芳杂化合物（吡咯、呋喃、噻酚）•含一个杂原子的六元芳杂化合物（吡啶）•含一个杂原子的双环芳杂化合物（吲哚、喹啉、异喹啉）含一个杂原子的五元芳杂化合物的性质ONHSA•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CHCCCHAHHHH一．五元芳杂化合物的亲电取代反应亲电取代反应相对活性-取代-取代主要产物取代位置AEAEAE+NHOS3×10186×10115×1091对取代位置的解释（分析反应中间体的相对稳定性）i.取代在位中间体有三个主要共振式，较稳定AEAEAEAEH-H+AEHH哪个共振式贡献最大？AEAEAAEHEH-Hii.取代在位中间体有二个主要共振式，较不稳定对亲电取代反应活性的解释i.由五元杂环的结构分析环上的电荷密度比苯环大AAAAAii.由反应中间体的稳定性分析AEH-H+AEAE满足八隅体对比：苯环亲电取代中间体的稳定性亲电取代反应举例提示：五元杂环较活泼，遇酸不稳定HNO3/H2SO4（硝化）或H2SO4（磺化）解决办法：用温和试剂替代A氧化聚合分解反应剧烈强酸A=NH,O,S1.五元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AcONO2AcONO2Ac2O+HNO3+硝基乙酰酯NHAcONO2Ac2O,-10oCNHNO2NHNO251%13%+SAcONO2Ac2O-AcOH,0oCSNO2SNO260%10%+•呋喃发生加成反应（呋喃的特殊性：共轭烯烃性质）机理OAcONO2-5~-30oCONO2AcO碱或ONO2-HOAc加成消除OONO2AcOHHBONO2AcOONO2NO2HOAc+磺化试剂：2.五元杂环的磺化反应NSO3NSO3+CH2Cl2吡啶-SO3加合物NH100oCNHSO3HSSH+r.t.SO32Ba2+OH+OSO3H+OSO3HHO3S41%15%90%86%Ba(OH)2NSO3NSO3NSO3r.t.•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.SH2SO4r.t.SSO3H&溶解于硫酸中（少量）反应快OOCSSCH3OPhCClOPhCOSnCl2Ac2OBF33.其它亲电取代•卤代反应•Friedel－Crafts反应•与重氮盐偶联NHNHNNPhPhN2X较弱的Lewis酸OBr2/0oC稀溶液OBrSSBrHOAcBr2环上已有取代基对亲电取代取向的影响四种单取代情况AGAWAGAW(给电子基)(吸电子基)(给电子基)(吸电子基)位有取代基位有取代基SCH3HNO3/Ac2OSCH3SCH3O2NNO2+70%30%(AcONO2)SNO2HNO3SNO2SNO2O2NO2N+85%15%反应举例位给电子基位吸电子基ONO2HNO3ONO2O2N位吸电子基主要产物例外：呋喃的特殊性位给电子基位吸电子基主要产物主要产物SHNO3/Ac2OSNO2BrBrSBr2COOHCH3COOHSCOOHBrAG345进入3位进入4位进入5位AGEAGEAGEAGEAGEAGEAGEEEE(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•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AW345AWEAWEAWEAWEAWEAWEAWE进入3位E进入4位E进入5位E(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•推电子基使不稳定较稳定不稳定最稳定AG245进入2位进入4位进入5位AGEAGEAGEAGEAGEAGEAGEAGEEEE(iii)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AW245进入4位进入5位AWEAWEAWEAWEAWEAWEAWEAWE进入2位EEE(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二．五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•C-S键易还原脱硫THF（常用溶剂）吡咯烷OSNHH2/PdH2/PdOSNHH2/MoS2•用RaneyNi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SRRRRNiSSCCORORRaneyNiRaneyNiH2H2CCOROR+NiS+RCR'ORCR'SSSHHSH2RaneyNiRCR'HH2.Diels-Alder反应（共轭二烯性质）O+CO2CH3CO2CH3OH3CO2CH3CO2CFBrLiOONHHN3.呋喃的几个特殊反应2,5-二取代呋喃的酸性开环合成上进一步应用——制备环戊烯酮衍生物芳香性最小ONHS362921~2216(kcal/mol)•共振能对比1,4-二酮ORCH2CH2RH2O/H+ORCH2CH2RORRCH2OOH呋喃酸性开环机理ORRH+ORRHHORRORROH2OHRROHOHRROHOHRROH+OHRROORROH2O-H-H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）：例：2,5-二甲氧基-2,5-二氢呋喃SAcONO2Ac2O-AcOH,0oCSNO2SNO260%10%+OAcONO2-5~-30oCONO2AcO碱或ONO2-HOAc对比：加成消除亲电取代OBr2/CH3OHOH3COBrCH3OHOH3COOCH32,5-二甲氧基二氢呋喃的形成机理：Br2+2CH3OHCH3O+Brdd-CH3Br+H2OOBrOBrCH3OOBrH3COOH3COOH3COOCH3OCH3-Br合成上的应用举例OBr2/CH3OHOH3COBrCH3OHOH3COOCH3H2/PdOH3COOCH3H2OH+OHOH琥珀醛1,4-丁二醛缩酮结构呋喃-H的弱酸性及其相关反应和应用例OHBuLiorLDAOLiRXOR-烷基取代呋喃OH3C过量OH3CLiOH3CBrHOOHTsOHH3CBrOOOOBuLiBr(CH2)3BrRLiH3CROOOO思考题1：写出此步转变的机理思考题2：写出此步反应的产物。参考：教材p880,习题19-4,xiv(1)H(2)OH？4.吡咯的一些特殊性质吡咯N的碱性很弱吡咯的质子化发生在环上（主要是位），不在N上正电荷分散在多个原子上Kb~10-14~10-4NHNRRRNH+NHHHNHH+NHHHNHHHNHHH正电荷集中在N原子上吡咯在酸性条件下发生聚合聚合机理:NHnH+NHHHnNHH+NHHHNHNHHHNHHNHHHNHHNHHNHHHH……NHHHn吡咯N-H的弱酸性•吡咯钾盐的生成NHNRRHROHPhOHpKa~35~17.5~17~10NHNK+KH2吡咯钾盐的性质•吡咯负离子的结构特点•吡咯负离子的共振式烯胺负离子片断环上每个位置的负电荷密度均增大NNNNNNO对比吡咯负离子的一些典型反应这三个反应与哪些反应相似？NKCO2H2OH+NHCOOHCHCl3KOHNHCHORCClONCOR150oCNHCORCH3INCH3150oCNHCH3酚类化合物：•Kolbe-Schmitt反应•Reimer-Tiemann反应•Fries重排本次课小结:•五元芳杂环化合物的亲电取代（反应活性、反应位置、一些特殊的反应试剂）•已有取代基对五元芳杂环化合物的亲电取代取向的影响•五元芳杂环化合物的还原和Diel-Alder反应•呋喃的一些特殊性质（酸性开环和加成反应）•吡咯的酸性聚合，吡咯钾盐的反应CCCCCNHHHHH吡啶（六元芳杂化合物）的性质吡啶的结构共振能：23卡/molsp2轨道有未共用电子对N与苯相似有芳香性可亲电取代不饱和性可加氢还原象叔胺有亲核性和碱性N可被氧化有亚胺片断有亲电性与亲核试剂反应一．吡啶的碱性和亲核性1.吡啶的碱性合成上作为有机碱Knoevenagel反应NR3NNKb~10-9~10-4~10-14HROTs+TsClNROH+NHClRCH+NC(CO2C2H5)2RCHOCH2(CO2C2H5)2其它应用——制备吡啶盐试剂如磺化试剂NSO3NSO3+CH2Cl2NSO3NHSO3H(1)(2)HClNClH+NHSO3H+NNSO3例2.吡啶的亲核性吡啶的烷基化•N-甲基吡啶盐的重排N-甲基吡啶盐NCH3NCH3II+NCH3300oCHINaOHNCH3NCH3HINCH3NaOH重排NCH3I吡啶的酰基化及其应用酰基化机理NRCClONRCOClR'OHRCOR'ONClH+NRCOR'OHNRCOR'OHRCOOR'HN+RCOR'ONH+酰基化试剂吡啶充当一个好的离去基团二．吡啶环上的亲电取代取代位置和反应活性（例：吡啶的硝化）N(CH3)3N(CH3)3NO2发烟H2SO4发烟HNO3/常温N发烟H2SO4发烟HNO3/NoReaction发烟H2SO4发烟HNO3/NNO2300oC/24h常温起强吸电子基作用对比：钝化取代其它亲电取代反应给电子基使亲电取代反应较易进行NNSO3HNBr浓H2SO4/HgSO4220oC300oCBr2/浮石Friedel-Crafts反应NoReaction钝化取代NKNO3/浓H2SO4110oCNNO2H3CCH3H3CCH3NNH220oCBr2/HOAcNNH2Br(i)由吡啶的共振式分析:环上带正电,不利于亲电取代位的正电荷密相对较低，相对较为活泼对反应取向及钝化现