有机化学 杂环类.

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1、exit 止 于 至 善 厚 德 博 学 exit 第二十章第二十章 杂环化合物杂环化合物 heterocyclic compoundheterocyclic compound exit 本 章 提 纲 第一节 杂环化合物的分类和命名 第二节 含一个杂原子的五元杂环 吡咯、呋喃、噻吩 第三节 含一个杂原子的苯并五元杂环-吲哚 第四节 含两个杂原子的五元杂环体系 第五节 含一个杂原子的六元杂环-吡啶 第六节 含两个和三个氮原子的六元杂环体系 第七节 含一个杂原子的苯并六元杂环 喹啉和异喹啉 第八节 嘧啶和嘌呤 第一节 杂环化合物的分类和命名 一 杂环化合物分类 二 五元杂环化合物的命名 三 六元

2、杂环化合物的命名 一 杂环化合物的分类 1 脂杂环 没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂环。 在环上含有杂原子（非碳原子）的有机物称为杂环化合物。 三元杂环 四元杂环 五元杂环 七元杂环 (氮杂环丙烷) (-丙内酯)(-丙内酰胺) (顺丁烯二酸酐) (氧杂 ) (环氧乙烷) 四氢呋喃 六元杂环二噁烷 2 芳杂环 具有芳香特征的杂环化合物称为芳杂环 苯并杂环 杂环并杂环 五元杂环 六元杂环 呋喃噻吩吡咯 噁唑噻唑咪唑吡唑 吡啶嘧啶吡喃(无芳香性) 吲哚喹啉异喹啉 嘌呤 二 五元杂环化合物的命名 五元杂环 （音译命名） 五元杂环苯并体系 呋喃(furan) 噻吩(thiophene) 吡咯(pyrro

3、le) 苯并呋喃 (benzofuran) 苯并噻吩 (benzothiophene) 苯并吡咯 吲哚 (indole) 四 六元杂环化合物的命名 六元杂环 吡啶(pyridine) 吡喃(pyran)-吡喃酮 (-pyrone) -吡喃酮 (-pyrone) 哒嗪(pyridazine)嘧啶(pyrimidine) 吡嗪(pyrazine) 杂环并杂环 喹啉 (quinoline) 异喹啉 (isoquinoline) 苯并吡喃 (benzopyran) 苯并-吡喃酮 (benzo-pyrone) 嘌呤(purine) 六元杂环苯并环系 一 呋喃、噻吩、吡咯的结构 二 呋喃、噻吩、吡咯的制备

4、 三 呋喃、噻吩、吡咯的反应 第二节 含有一个杂原子的五元杂环体系 吡咯的结构 孤电子对在p轨道上。 吡 咯 结构：吡咯N是sp2杂化，孤电子对参与共轭。 56 平面共轭体系 富电子芳香杂环化合物 反应：碱性较弱，环易发生亲电取代反应，环上 相当于有一个邻对位定位基。 共轭效应是给电子的 。诱导效应是吸电子 的。 一吡咯、呋喃、噻吩的结构 呋喃、噻吩的结构请同学自己分析。 1. 吡咯： 存在于煤焦油、骨焦油中。无色液体，沸点130 -131。鉴定：蒸汽遇盐酸浸湿的松木片显红色。 2. 呋喃： 存在于松木焦油中。无色液体，沸点32。鉴 定：蒸汽遇盐酸浸湿的松木片显绿色。 3. 噻吩： 与苯共存在

5、于煤焦油中。无色液体，沸点84 。 1. 鉴定：与吲哚醌在硫酸作用下发生墨绿色反应。 二 吡咯、呋喃、噻吩的物理性质及鉴定 偶极矩 ：吡咯指向杂环，呋喃、噻吩指向杂原子 质子化学位移: 类似苯环，在 6.22-7.29之间 主要化学反应 1 吡咯、呋喃、噻吩的亲电取代反应 2 吡咯、呋喃、噻吩的加成反应 三 吡咯、呋喃、噻吩 的化学性质 1. 吡咯、呋喃、噻吩的亲电取代反应 重点 *1 亲电取代反应的活性顺序为： 吸电子诱导：O(3.5) N(3.0) S(2.6) 给电子共轭：N O S 综合：N贡献电子最多，O其次，S最少 八隅体结构 最稳定 无最稳定结构 （1）概述 *2 取代反应主要发

6、生在-C 即2-位上； *3 吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感，选择试剂 时需要注意； *4 噻吩、吡咯的芳香性较强，所以易取代而不易 加成；呋喃的芳香性较弱，虽然也能与大多数 亲电试剂发生亲电取代，但在强亲核试剂存在 下，能发生亲核加成。 离域能：噻吩：121.3 kJmol-1 吡咯：87.8 kJmol -1 共振能 呋喃：66.9 kJmol -1 苯： 150 kJmol -1 试问它们的稳定性顺序如何？ 芳香性、稳定性： 苯噻吩吡咯呋喃 *5 杂原子和取代基的定位效应 A 杂原子的定位效应：邻位 B 取代基的定位效应： 第一取代基进入到杂原子的-位。 3位上有取代基时，呋喃、吡咯、噻

7、吩的定位效应一致。 6 吡咯的特殊反应 -氮原子上的取代反应 吡咯的性质与苯酚类似，都具有酸性，但吡咯的酸性比苯 酚小。吡咯与苯胺也有类似性质。 吡咯成盐后，使环上电荷密度增高，亲电取代反应更易进行。 C6H5N2+X- C2H5OH-H2O AcONa HCON(CH3)2 DMF POCl3 CHCl3 25%NaOH(NH4)2CO3 130oC RMgX 1 CO2 2 H2O CO2 加热 加压 RCOCl RX 或K+NH2- （2） 呋喃、噻吩、吡咯的硝化反应 呋喃, 噻吩和吡咯易氧化, 一般不用硝酸直接硝化; 通常用比较温和的非质子硝化试剂，如：硝酸乙酰酯。 反应在低温下进行。

8、 呋喃比较特殊,先生成稳定的或不稳定的2,5加成产物, 然后加热或用吡啶除去乙酸,得到硝化产物。 （3） 吡咯、呋喃、噻吩的磺化反应 吡咯、呋喃不太稳定，所以须用温和的磺化试剂磺 化。常用的温和的非质子的磺化试剂有：吡啶与三氧化 硫的加合化合物。 噻吩比较稳定，既可以直接磺化（产率稍低）， 也可以用温和的磺化试剂磺化。 (固体，含量90 %) S + N SO3 ClCH2CH2Cl r. t. S SO3- Ba(OH)2 2 Ba2+ （4） 吡咯、呋喃、噻吩的卤化反应 反应强烈，易得多卤取代物。为了得一卤代(Cl, Br)产 物，要采用低温、溶剂稀释等温和条件（NBS溴化剂）。 碘不活泼

9、，要用催化剂才能发生一元取代 （5） 吡咯、呋喃、噻吩的傅氏酰基化反应 N-酰基吡咯 呋喃、噻吩的酰化反应在-C上发生，而吡咯的酰化反 应（不用催化剂）既能在 -C上发生，又能在N上发生。 （6） 呋喃、噻吩、吡咯的傅氏烷基化反应 总体看，在合成上无实用价值。 3. 呋喃、吡咯、噻吩的加成反应 （1） 加氢反应 噻吩在镍催化下加氢生成丁烷 （2） Diels-Alder反应 呋喃最易发生Diels-Alder反应 噻吩基本上不发生双烯加成，即使在个别情况下生成也 是一个不稳定的中间体，直接失硫转化为别的产物。 四 呋喃、噻吩、吡咯的制备 请同学们自学 1. 工业制备（略） 2. 实验室制备(1

10、)帕尔-克诺尔(Paal, C.-Knorr, L.)合成法 1，4 二酮 三种化合物的相互转化(有氧化铝存在的情况下) （2）诺尔合成法 氨基酮酸酯 五、 呋喃、吡咯、噻吩的衍生物 (1) 糠醛 (2) 叶绿素和血红素 卟吩由四个吡咯和四个次甲基(=CH) 交替相连组成的共轭体系。 卟吩呈平面结构, 环中间空隙里四个氮 原子可分别以共价键、配价键与不同的 金属离子结合。叶绿素(镁), 血红素(铁)。 灵菌红素 卟吩胆色素原 小 结 1.亲电取代反应活性顺序 三者是富电子的芳香化合物，亲电取代活性比苯大。 吡咯呋喃噻吩 苯 2.环的稳定性顺序 （根据离域能的大小） 苯噻吩吡咯呋喃 150 12

11、2 90 68 遇氧化剂或酸不稳定 3 吡咯的反应 4 呋喃的反应 4 噻吩的主要反应 如何除去苯中少量噻吩？ 一 吲哚的反应 二 吲哚的合成（自学） 第三节 含有一个杂原子的五元杂环苯并体系 吲哚的结构共振式 一 吲哚的反应 亲电试剂易进攻3位 一 吲哚的反应 常用的亲电试剂 硝化： (HNO3 + HOAc) 磺化： 卤化： (低温、稀释条件下进行，常用 ，HOAc稀释 ，试剂为X2) 酰基化： (酸酐、酰卤。AlCl3 , ZnCl2 ，BF3为催化剂) 氯甲基化：(CH2O, HCl, ZnCl2) 醛基化： + POCl3 避免用强酸 下面四种情况，取代基均进入苯环。进入哪个位置，具

12、体分析。 1 2 3 4 5 6 7 试分析 亲电取代发生在苯环还是杂环上? 并指出具体位置。 3-吲哚甲醛 2-乙酰基3-甲基吲哚 5-硝基2-甲基吲哚 二 吲哚的合成 苯肼与醛、酮类化合物在酸性条件下加热生成吲哚及 其衍生物的反应称为费歇尔(Fischer, E.)合成法。 利血平 -吲哚乙酸色氨酸 一 唑的命名 二 唑的结构 三 唑的反应 四 唑的合成 第三节 含有两个杂原子的五元杂环体系 一 唑的命名 azole 含有两个杂原子的五元杂环，若至少有一个杂原子是 氮，则该杂环化合物称为唑。 命名时的编号原则是： 1） 让杂原子的位号尽可能小； 2）当两个杂原子不相同时，编号的次序是：价数

13、小的在前 ，大的在后； 3）价数相等时，原子序数小的在前，大的在后。 O S N 2价3价 原子序数小原子序数大 O、S、N的 次序如右： 异噻唑(isothiazole)吡唑(pyrazole) 异噁唑(isoxazole) 1,2-唑 噁唑(oxazole) 噻唑(thiazole) 咪唑(inidazole) 1,3-唑 （1）互变异构 N-N(单键)N=N(双键) 5-甲基咪唑4-甲基咪唑 4(5)-甲基咪唑(因为4-甲基咪唑和5-甲基咪唑不可分离) 一 唑的结构 （2）结构 吡咯N(孤电子对参与共 轭，所以碱性较弱) 吡啶N(孤电子对不参与 共轭，所以碱性较强) 吡咯N的孤电子 对处

14、于p轨道 一般胺中的N是sp3杂化。 N 的孤电子对处于sp3杂化轨道 sp3轨道 碱性： N 的孤电子对处于 sp2杂化轨道 吡啶N与吡咯N均 为sp2杂化。 强于 （3）碱性 1. 1,2-唑与1,3-唑都有吡啶N，所以都有碱性。 2. 1,3-唑的碱性比1,2-唑强。 因为两个杂原子互相影响大。 3. 咪唑的碱性噻唑的碱性噁唑的碱性 4. 亲电取代活性：咪唑噻唑 噁唑 5. 由综合电子效应决定。 三 唑的反应 主要讨论亲电取代反应 1 反应性 唑的反应性比呋喃、噻吩、吡咯差，这是因为分子中 多了一个吡啶N，使共轭体系的电子云密度降低，所以亲 电试剂不易进攻。 2 1,2-、1,3-唑的硝

15、化、磺化、卤化 （1） 进入环的位置及活性顺序 （2） 反应试剂：一般的硝化、磺化、卤化试剂即可。 实 例 eg 1 eg 2 eg 3 eg 4 磺化须强烈条件 eg 5 硝化、卤化须有给电子取代基 3 1,2-唑、1,3-唑的傅氏烷基化反应 常用的烷基化试剂是RX 烷基化反应的几点说明： （1） 唑的吡啶N上的电子云密度较大，所以在一般情况 下，烷基化反应总是吡啶N上发生； （2） 咪唑上有两个N，烷基化反应首先在吡啶N上发生 一 烷基化产物经互变异构又产生一个吡啶N，可进 一步产生二烷基化产物，因此咪唑烷基化时经常得 到一烷基化产物和二烷基化产物； 4 1,2-唑、1,3-唑的傅氏酰基化反