有机化学：杂环化合物

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1、第十五章杂 环 化 合 物,有机化学：,主要内容,第一节 杂环化合物的分类和命名第二节 六元杂环化合物第三节 五元杂环化合物,第一节 杂环化合物的分类和命名,1、脂杂环 没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂环。,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 ),(1H-氮杂 ),(环氧乙烷),（一）分类,2 、芳杂环 具有芳香特征的杂环化合物称为芳杂环（平面性，电子数符合4n+2规则，较稳定）,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,

2、碳原子电子云密度,多电子芳杂环 缺电子芳杂环,(二) 命名,命名原则:,杂环的命名常用音译法，是按外文名词音译成带“口”字旁的同音汉字。,当环上有取代基时，取代基的位次从杂原子算起依次用1,2,3, (或,)编号。如杂环上不止一个杂原子时，则从O、S、NH、N顺序依次编号。编号时杂原子的位次数字之和应最小。如有两种或多种异构体：标氢（阿拉伯数字+H）,1H-吡咯,2H-吡咯,五元杂环,五元杂环苯并体系,呋喃(furan),噻吩(thiophene),吡咯(pyrrole),苯并呋喃 (benzofuran),苯并噻吩 (benzothiophene),苯并吡咯 吲哚 (indole),实例:,

3、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,无特定名称的稠杂环母环的命名原则:,把稠杂环看做两个单环：基本环（母环）词尾附加环（取代环）词首中间并,1.基本环的选择原则：,芳环和杂环组成的稠环，选杂环为基本环（1） 杂环和杂环组成的稠环，按氮，

4、氧，硫顺序选择基本环（2） 基本环的环应最大（3） 杂原子数目及杂原子种类应最多（4） （6） 如环大小相同，杂原子数目和种类也相等，则选择稠合前杂原子编号较低者为基本环（5）,2.稠合边的表示方法：,稠杂环的稠合边即共用边： 按原单杂环的编号规则，基本环用英文字母a,b,c.表示各边附加环用阿拉伯数字1,2,3.标注各原子 数字的先后应与基本环边的走向一致 当有选择时，应使稠合边位号尽可能较小 外加阿拉伯数字，英文字母，置于“并”后,3.周边编号方法：,对整个稠杂环的周边进行编号，以标明取代基的位置： 共用的碳原子不编号 共用的碳原子要编号 两种编号：一种表示取代基位置（周边）一种表示稠合位

5、置（共用边）123,5-苯基咪唑并2,1-b噻唑,(一) 吡啶,共轭效应和诱导效应都是吸电子的,孤电子对在sp2杂化轨道上。,结构：吡啶N是sp2杂化，孤电子对不参与共轭。 反应：碱性较强。环不易发生亲电取代反应但易发生亲核取代反应。发生亲电取代反应时，环上N起间位定位基的作用。发生亲核取代反应时，环上N起邻对位定位基的作用。,1 电子结构,第二节 六元杂环化合物,2 物理性质,氮原子的电负性较大,使吡啶有较大极性,其偶极距数值较大.,=2.20D =1.17D,吡啶能与水以任意比例混溶,又能溶解大多数极性或非极性 有机化合物,甚至许多无机盐类,是一个良好的溶剂。,3 碱性,吡啶N是sp2杂化

6、，孤电子对不参与共轭，可以与质子 结合或给出电子，显弱碱性。利用它的碱性，可从混 合物中分离吡啶类化合物，在化学反应中还可用作催 化剂和除酸剂。,4 化学反应,(1) 氮原子上的反应,(2) 亲电取代反应,吡啶环上氮原子为吸电子基，故吡啶环属于缺电子的芳杂环，和硝基苯相似。其亲电取代反应很不活泼，反应条件要求很高，不起傅-克烷基化和酰基化反应。亲电取代 反应主要在-位上。,由吡啶的共振式分析:,结论: 1. 环上带正电, 不利于亲电取代2. b 位的正电荷密相对较低,解释原因:,由取代反应的中间体稳定性分析,1. 取代在 a 位,2. 取代在 b 位,3. 取代在 g 位,中间体较为稳定,实验

7、事实：钝化和 b取代,其它反应现象,环上有给电子基时反应相对较易进行,(3) 亲核取代反应,取代主要发生在 a 位,当 a 或 g 位有其它离去基团时，反应易发生,(4) 氧化和还原反应,氧化在侧链上,氧化在 N 上,复习：叔胺的氧化,吡啶的类似反应,N-氧化吡啶的性质：比吡啶易与亲电试剂或亲核试剂反应,(a) 与亲电试剂的亲电取代,(b) 与亲核试剂的亲核加成,为什么N-氧化吡啶既有亲电性又有亲核性,(a) 由共振结构分析（有两种形式的共振式）,有苯氧基负离子特点，环上的 2, 4, 6 三个位置负电荷密度较大,保留吡啶的特点，氧负离子使环上的正电荷密度增大,(b) 由反应过程分析（中间体的

8、稳定性分析）,亲电取代及进一步的反应过程,对比：吡啶的直接亲电取代,不稳定,(二） 喹啉和异喹啉,喹啉和异喹啉：,1 结构与物理性质：,结构： *杂环部分性质象吡啶(碱性和亲和性、亲电取代、亲核取代、氧化反应、还原反应、支链上的反应)*碳环部分性质象萘(亲电取代及其取代定位作用),碱性强弱：喹啉吡啶异喹啉,喹啉在常温时是无色油状液体，有类似吡啶的恶臭， 沸点238，异喹啉为低熔点的固体，气温类似于 苯甲醛，熔点26，沸点243。,物理性质：,（1） 亲电取代反应:,反应产物受介质的影响。若反应在酸性介质中进行，取代主要在苯环上发生。喹啉主要发生在C-5与C-8位，而异喹啉以C-5产物为主。,若

9、反应在有机溶剂中进行，取代在杂环上发生。,2 化学反应,从反应中间体的稳定性解释反应结果：,（2） 亲核取代反应,亲核取代反应主要在吡啶环上发生，喹啉的反应位置在2位和4位(2位为主)，异喹啉在1位；,实例：,（3） 氧化反应,*1 喹啉和异喹啉与绝大多数氧化剂不发生反应；,*2 与高锰酸钾能发生反应：,*3 喹啉与异喹啉在过酸的作用下均可形成N-氧化物。,（4） 还原反应,反十氢喹啉,顺十氢喹啉,3 喹啉及其衍生物的合成,1 斯克劳普(Skraup, Z.H.)反应：苯胺、甘油、硫酸和硝基苯等氧化剂一起作用，生成喹啉的反应称为斯克劳普反应。,实 例,eg 2,eg 1,eg 4,eg 3,反

10、应过程：,甘油在浓硫酸作用下脱水生成丙烯醛 苯胺作为亲核试剂对丙烯醛的麦克尔加成 质子化的醛对苯环进行亲电取代，再脱水生成1，2-二氢喹啉 1，2-二氢喹啉与硝基苯作用脱氢氧化成喹啉 硝基苯苯胺循环使用,(三） 含二个氮原子的六元杂环,含有两个氮原子的六元杂环体系称作二嗪类，因氮原子 在环中的相对位置不同，二嗪类有三种异构体：哒嗪、 嘧啶、吡嗪。,哒嗪(pyridazine),嘧啶(pyrimidine),吡嗪(pyrazine),1 结构与物理性质,二嗪类环上的两个氮原子，其电子构形与吡啶中的氮原子 相同，各有一对未共用电子对，位于sp2杂化轨道上，能与 水经氢键缔合。哒嗪与嘧啶因结构的不对

11、称性，分子有一 定的极性，可与水混溶，吡嗪因分子极性小而水溶性略小。 二嗪类化合物都是一元碱,而且碱性都比吡啶弱.,2 化学反应,（1）. 亲电取代反应,反应最易在2位发生，其次是4,6位,取代卤素要比取代负氢更容易,（2）. 亲核取代反应,利用亲核取代反应可制取烃基取代的二嗪。,二嗪不易被氧化。若用过酸氧化，得嘧啶单N-氧化物,（3） 氧化,（4） 侧链-H反应,羟醛缩合型,烷基化反应,吡喃环系,吡喃及其衍生物无芳香特性,吡喃酮的钅,羊盐是芳香体系。,(四) 含氧原子的六元杂环,(一 ) 呋喃、噻吩、吡咯的结构 (二) 吲哚 (三) 含两个杂原子的五元杂环,第三节 五元杂环化合物,吡咯的结构

12、,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。 反应：碱性较弱，环易发生亲电取代反应，环上相当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) 呋喃、噻吩、吡咯的结构,呋喃、噻吩的结构请同学自己分析。,1 电子结构及芳香性,呋喃、噻吩、吡咯在结构上具有共同点，即构成环的五个原子都为sp2杂化，故成环的五个原子处在同一平面，杂原子上的孤对电子参与共轭形成共轭体系，其电子数符合休克尔规则（电子数 = 4n+2），所以，它们都具有芳香性。,2 物理性质,都能溶于有机溶剂,水溶解度都小于六元杂环吡啶 溶解度顺序为：吡咯呋喃噻吩 吡咯几乎不显碱性, 相

13、反具有弱酸性,3 呋喃、噻吩、吡咯化学反应,分子接受一个质子的反应称为质子化反应.,（1）呋喃、噻吩、吡咯在酸的作用下可质子化；,（2） 质子化反应主要发生在C-2上；,-C质子化,-C质子化,N-质子化,质子化反应,（3） 由于-C的质子化反应，吡咯在强酸作用下会因聚合而被破坏；,（4） 在稀的酸性水溶液中，呋喃的质子化在氧上发生并导致水解开环。,呋喃、噻吩、吡咯的亲电取代反应,*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,电子密度 -络合物,八隅体结构最稳定,无最稳定结构,（1）概述,*

14、2 取代反应主要发生在-C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呋喃：66.9 kJmol -1,（1） 呋喃、噻吩、吡咯的卤化反应,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。,碘不活泼，要用催化剂才能发生一元取代,（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

15、; 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。,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） 呋喃、噻吩、吡咯的磺化反应,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 %),（4） 呋喃、噻吩、吡咯的傅氏酰基化反应,Eg 1,Eg 4,Eg 3,Eg 2,sp2杂化,sp3杂化,碳上酰化，正电荷处在离域范围内，较稳定。,氮上酰化，正电荷不处在离域范围内。,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。在 -C上发生比在N上发生容易。,（5） 吡咯的特殊反应,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。,HCON(CH3)2 POCl3,CHCl3 25%NaOH,(NH4)2CO3 130oC,C6H5N2+X- C2H5OH-H2O AcONa,RMgX,1 CO2 2 H2O,CO2 加热 加压,RCOCl,RX,