有机化学精品课件-杂环化合物.ppt

1,杂环化合物,（heterocyclic compounds）,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-吡喃-吡喃,嘧啶 吡嗪 哒嗪,常见杂环化合物的分类、名称,4,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,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，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。,5-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,一、结构 呋喃 吡咯 噻吩杂原子（O、S、N）杂化态均为sp2杂化,第一节呋喃、吡咯和噻吩,符合Hckel规则（1.环状,2.共平面,3.垂直平面的p轨道,4.4n+2 p电子 具有方向性,二、吡咯、呋喃和噻吩的性质物理性质 1、光谱性质 1HNMR：H 7 2、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 S N O C电负性：2.5 3.0 3.5 2.5芳香性：噻吩 吡咯 呋喃共轭能：苯 吡咯 噻吩 呋喃KJ.mol-1 50 121.1 88.7 66.1,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,1、五员芳杂化合物的亲电取代反应,亲电取代反应相对活性,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,ii.由中间体的稳定性分析,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）,-取代,-取代,主要产物,取代位置,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,亲电取代反应举例,注意：五员杂环较活泼，遇酸不稳定,硝化：HNO3/H2SO4磺化：H2SO4,用温和试剂代替,（1）五员杂环的硝化反应,硝化试剂,吡咯和噻酚发生正常亲电取代反应,硝酸乙酰酯由硝酸和乙酸酐反应制备,呋喃发生加成反应（特殊，共轭烯烃性质）,机理：,磺化试剂：,（2）五员杂环的磺化反应,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,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）,FriedelCrafts反应,活性最大得四取代产物,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-定位效应决定,反应举例,a 位给电子基,a 位吸电子基,b 位给电子基,b 位吸电子基,(i)a 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,(ii)a 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,(iii)b 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,(iv)b 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,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,用Raney Ni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,合成开链烃、酮的方法,（2）Diels-Alder反应（共轭二烯性质）,（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,呋喃的芳香性较小,呋喃酸性开环机理:,(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）：,比较,2,5-二甲氧基二氢呋喃的形成机理：,合成上的应用举例,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a位）,正电荷分散在多个原子上,（2）吡咯在酸性条件下发生聚合,聚合机理:,（3）吡咯N-H的弱酸性,吡咯盐的生成,Na,K,KOH,NaNH2,（4）吡咯钾盐的性质,吡咯负离子 的结构特点,有烯胺负离子片断,烯胺,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,吡咯负离子的一些典型反应,这些反应与那几个反应相似？,与重氮盐偶联,几个相似的反应（酚类的反应）,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,吡咯环还常用克诺尔（knorr）合成法来合成，此法是由-氨基酮与-二羰基化合物（如-酮酸酯）发生缩合反应。,-氨基酮与-二羰基化合物,呋喃的衍生物,糠醛,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。,1,2-唑,1,3-唑,异噁唑 异噻唑 吡唑,噁唑 噻唑 咪唑,咪唑的分子结构,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-2.03 1.3 2.4 2.5 7.0,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。,1,3-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,唑发生亲电取代反应时，取代的位置与呋喃、噻吩、吡咯有所差别。1,2-唑取代位置都在4-位，1,3 唑中咪唑环的取代位置也在4-位，而噻唑环的取代位置都以 5-位为主。,第三节 含一个杂原子的六员芳杂化合物（吡啶）的性质,吡啶的结构,共振能：23卡/mol,sp2轨道,象叔胺有亲核性和碱性N可被氧化,吡啶性质的初步分析,亚胺结构片断有亲电性与亲核试剂反应,不饱和性可加氢还原,与苯相似有芳香性可亲电取代,1 吡啶的碱性和亲核性,（1）碱性,合成上作为有机碱,Knoevenagel反应,脂肪胺吡啶苯胺吡咯,由于N上的电子未参与共轭，具有碱性，孤电子对在sp2杂化轨道中，孤电子对的s成分高，不易给出电子，接受质子的能力弱，为弱碱，比脂肪胺弱，比芳胺强。,其它应用制备吡啶盐试剂,如磺化试剂,（2）亲核性,吡啶的烷基化,N-甲基吡啶盐的重排,N-甲基吡啶盐,吡啶的酰基化及其应用,酰基化机理,2.吡啶环上的亲电取代,待解答的两个问题:,取代位置：哪个为主？反应活性：比苯快?还是比苯慢?,吡啶的亲电取代反应的活性比苯弱,类似硝基苯,亲电取代反应总是发生在3位或5位(-位),吡啶环上由给电子基时,亲电取代反应活性增强。,吡啶（N吸电子能力较强），为缺电子芳杂环，故比苯难亲电取代，和硝基苯相似.,只有在极强的条件下才能发生硝化、磺化及卤化反应。但不发生F-C烷基化、酰化反应；吡啶环上有烷氧基，氨基等给电子基时，有助于亲电取代反应的进行，但反应活性仍低于相应的苯系化合物；,钝化b取代,起强吸电子基作用,对比：,其它钝化现象,有给电子基时反应较易进行,(i)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（较 易反应的位置,对反应取向及钝化现象的解释,(ii)由反应的中间体稳定性分析,取代在 a 位,不稳定正电荷在电负性大的原子上,中间体有两个主要共振式,取代在 b 位,中间体有三个主要共振式，较稳定,取代在 g 位,不稳定正电荷在电负性大的原子上,中间体有两个主要共振式（与a位反应类似）,3.吡啶环上的亲核取代反应,通过氧化去氢或与负氢接受体结合,亚胺片断,亲核加成负氢消除过程,（1）NaNH2与吡啶的亲核取代 反应,机理:,（2）PhLi 与吡啶的亲核取代,（3）a 或 g 位有离去基团时的亲核取代（与硝基苯类似，取代易进行）,机理：,制备a-吡啶酮的其它方法,例：,好离去基,其它取代例子,4.吡啶的还原和氧化,（1）还原,吡啶环比苯环易被还原,（2）氧化,氧化在侧链上,氧化在 N 上,对比：,吡啶的抗氧化能力比苯强，只氧化侧链。,5.N-氧化吡啶的性质,(1)有亲电性（易与亲电试剂发生亲电取代，取代在4位）,对比：,反应活性不同取代位置不同,(2)有亲核性（易与亲核试剂进行亲核加成）,对比：,反应较快,为什么N-氧化吡啶既有亲电性又有亲核性？,(i),结构上有相似性,邻对位负电荷密度较大,（1）N-氧化吡啶有两种形式的共振式,保留吡啶的特点邻对位正电荷密度较大,(ii),结构上有相似性,（2）反应的中间体较稳定,(i)亲电取代机理,(ii)亲核加成及进一步机理,比较稳定,亲电性较强,（3）还原反应,6.吡啶 2 和 4 位侧链上的反应,吡啶 2 和 4 位的a氢 有弱酸性,醛酮的类似性质,有亲核性,对比,烯醇负离子,共轭烯醇负离子,反应举例:,(1)与醛酮加成,机理：,类似于醛酮的什么反应？,(2)Michael加成,(3)烷基化,(4)Lewis 酸作用下的加成反应,机理：,Lewis 酸加强了a氢的酸性,第四节 含一个杂原子的苯并五员杂环体系,三种苯并五员杂环体系,亲电取代反应：,吲哚,苯并呋喃,苯并噻吩,芳香性比苯环差负电荷密度校大,亲电取代中间体分析：,苄基型正碳离子,（有两个主要共振式）,满足八隅体,两种中间体均有一定的稳定性,（一个主要共振式）,亲电取代反应举例：,取向类似,取向不同,第五节 含一个杂原子的苯并六员杂环体系,喹啉和异喹啉：,亲电取代（反应取向）氧化和还原反应,结构和性质分析,喹啉,异喹啉,象萘（碳环部分）,（1）亲电取代,通常 5 位与 8 位活性相当,从结构特点解释：,苯环比吡啶环活泼,结构类似萘环（5,8位易取代）,1、喹啉的性质,亲电取代反应举例,（2）喹啉的亲核取代：,反应与吡啶类似,Chichibabin反应,Chichibabin反应,（3）喹啉的氧化和还原,氧化：在负电荷密度大的环上,（4）侧链的反应,还原：在较不稳定的环上,酰基化,由共振结构分析 环上的电荷分布,2 异喹啉的性质,（1）亲电取代,（2）亲核取代,（3）侧链的反应,4.喹啉的合成 Skraup喹啉合成法,机理：,甘油脱水成丙烯醛,环合和氧化芳构化,PhNO2：溶剂和弱氧化剂,Michael加成,用Skraup法制备喹啉衍生物的,通过a,b-不饱和醛制备喹啉衍生物,