第十四章杂环化合物方案课件.ppt

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1、第十四章 杂环化合物,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,符合Hckel规则（i.环状,ii.共平面,iii.垂直平面的p轨道,iv.4n+2 p电子）共振能：1629 千卡/mol 均能发生芳香族化合物的典型反应亲电取代反应 1H NMR在 d=69ppm处有芳香族化合物的特征吸收,杂环芳香族化合物的芳香性,杂原子:sp2杂化,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：,杂环的种类和名称,(1)含 一 个杂原子的五元芳杂环,五元芳杂环衍生物,吡咯pyrrole,

2、呋喃furan,噻酚thiophene,3-乙基吡咯（b-乙基吡咯）,吡咯烷pyrrolidine,2,5-二氢吡咯,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,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,吡啶pyridine,2-甲基吡啶（a-甲基吡啶）,六氢吡啶（哌啶）piperidine,（4）含 2 个以上杂原子的六元环,哒嗪pyridazine,嘧啶pyrimidine,吡嗪pyrazin

3、e,1,3,5-三嗪,2-嘧啶酮,尿嘧啶,胸腺嘧啶,胞嘧啶,（5）多环杂环,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,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,五元芳杂化合物的亲电取代反应,亲电取代反应相对活

4、性,a-取代,b-取代,主要产物,取代位置,31018,61011,5109,1,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a位,中间体有三个主要共振式，较稳定,哪个共振式贡献最大？,ii.取代在b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,ii.由反应中间体的稳定性分析,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,氧化聚合分解,反应剧烈,强酸,A=NH,O,S,五元杂环的硝化反

5、应,硝化试剂,吡咯和噻酚发生正常亲电取代反应,硝基乙酰酯,呋喃发生加成反应（呋喃的特殊性：共轭烯烃性质）,机理,加成,消除,磺化试剂：,五元杂环的磺化反应,吡啶-SO3加合物,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,溶解于硫酸中,（少量）,反应快,其它亲电取代,卤代反应,FriedelCrafts反应,与重氮盐偶联,较弱的Lewis酸,环上已有取代基对亲电取代取向的影响,四种单取代情况,(给电子基),(吸电子基),(给电子基),(吸电子基),a 位有取代基,b 位有取代基,反应举例,a 位给电子基,a 位吸电子基,a 位吸电子基,主要产物,例外：,呋喃的特殊性,b

6、 位给电子基,b 位吸电子基,主要产物,主要产物,(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

7、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,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,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,Diels-Alder反应（共轭二烯性质）,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,36,29,2122,16,(kcal/mol),共振能对比,1,4-二酮,呋喃酸性开环机理,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

8、介绍）：,例：,2,5-二甲氧基-2,5-二氢呋喃,对比：,加成,消除,亲电取代,2,5-二甲氧基二氢呋喃的形成机理：,合成上的应用举例,琥珀醛1,4-丁二醛,缩酮结构,呋喃 a-H 的弱酸性及其相关反应和应用,例,a-烷基取代呋喃,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,？,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a位），不在N上,正电荷分散在多个原子上,Kb,10-14,10-4,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:,吡咯N-H的弱酸性,吡咯钾盐的生成,pKa,35,17.5,1

9、7,10,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,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？,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,吡啶（六元芳杂化合物）的性质,吡啶的结构,共振能：23卡/mol,sp2轨道有未共用

10、电子对,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,吡啶的碱性和亲核性,吡啶的碱性,合成上作为有机碱,Knoevenagel反应,其它应用制备吡啶盐试剂,如磺化试剂,例,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,吡啶的酰基化及其应用,酰基化机理,酰基化试剂,吡啶充当一个好的离去基团,吡啶环上的亲电取代,取代位置和反应活性（例：吡啶的硝化）,起强吸电子基作用,对比：,钝化 b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,钝化 b取代,(i)由吡啶的共振式分析:,环上带正电,不利于亲电取代b 位

11、的正电荷密相对较低，相对较为活泼,对反应取向及钝化现象的解释,(ii)反应中间体的稳定性分析,取代在 a 位（取代在 g 位类似）,贡献最小，为什么？,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,环上已有给电子基的定位作用,归纳一下，有什么规律？,吡啶环上的亲核取代反应,通过氧化去氢或其它途径,亚胺结构,吡啶的亲电性,吡啶的亲核取代通式,亲核加成,负氢消除,NaNH2与吡啶的亲核取代 Chichibabin 反应,机理:,另一解释,PhLi 与吡啶的亲核取代,机理,a 或 g 卤代吡啶的亲核取代,机理：,制备a-吡啶酮的其它方法,例：,好离去基,a-吡啶酮,（仍有芳

12、香性）,反应易进行,其它取代例子,取代机理,吡啶的还原和氧化,吡啶的还原,吡啶环比苯环易被还原,喹啉,1,2,3,4-四氢喹啉,十氢喹啉,吡啶的氧化,氧化在侧链上,氧化在 N 上,尼古丁(烟碱),烟酸,N-氧化吡啶,对比：叔胺的H2O2氧化,胺氧化合物,N-氧化吡啶的性质,（比吡啶）易发生亲电取代反应（有亲核性）,对比,反应活性不同 取代位置不同,主要产物,（比吡啶）易发生亲核加成（有亲电性）,对比：,反应较快,为什么N-氧化吡啶既有亲电性又有亲核性？,(a),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,有相似性,保留吡啶的特点 邻对位负电荷密度较大,(b),有相似性,(2)反

13、应的中间体较稳定,(a)亲电取代机理,八隅体，较稳定,(b)亲核加成及进一步消除,中间体比较稳定,亲电性较强,消除较易进行,吡啶 a 和 g 位侧链上的反应,吡啶 a 和 g 位氢有弱酸性,烯胺负离子,共轭烯胺负离子,有亲核性,性质类似烯醇负离子,(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,本次课小结吡啶的碱性及应用，吡啶的亲核性（烷基化及加热重排，酰基化吡啶作为酰基化试剂）吡啶的亲电取代（反应活性，反应取向及解释）吡啶的亲核取代（Chichibabin 反应，与PhLi

14、的反应）吡啶的还原合氧化（侧链氧化及N上的氧化）N-氧化吡啶的双重性质（亲电性和亲核性）吡啶 a 或 g 位侧链上的反应,含一个杂原子的苯并五元杂环体系,三种苯并五元杂环体系,亲电取代反应：,吲哚,苯并呋喃,苯并噻吩,亲电取代在杂环上，为什么？,亲电取代中间体分析：,苄基型正碳离子较稳定,有两个主要共振式较稳定,两种中间体均有一定的稳定性,亲电取代反应举例：,含一个杂原子的六员杂环苯并体系,喹啉和异喹啉,亲电取代氧化和还原反应,结构和性质分析,喹啉,异喹啉,碱性和亲和性亲电取代亲核取代氧化和还原反应支链上的反应,杂环部分象吡啶,碳环部分象萘,喹啉的共振式分析：,喹啉的性质,不存在芳环,保留一个

15、芳环,两个芳环,(1)喹啉的亲电取代反应,通常 5 位与 8 位活性相当，为什么？,从结构特点解释：,苯环比吡啶环活泼 结构类似萘环（萘的a位易取代）,问题：5位带有dd+，为何 与8位活性相当？,例,机理分析,亲电取代反应举例,由反应中间体的稳定性解释反应取向,两个反应中间体稳定性差别不大，故5和8位活性相当。,反常的取代现象及解释（了解）,可能机理（非亲电取代机理）:,(2)喹啉的亲核取代反应,反应与吡啶类似,Chichibabin反应,取代卤素,(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,请写出反应的机理,还原：在较不稳定的环上,异喹啉的性质,异喹啉的共振式分析

16、,(1)异喹啉的亲电取代反应,反常的取代取向（了解）,机理,试解释：为什么不取代3 位的Cl？,(2)异喹啉的亲核取代反应,取代卤素,(3)侧链的反应,3 位上侧链不活泼，为什么?,对比,喹啉的合成 Skraup喹啉合成法,反应机理,(i)甘油脱水成丙烯醛,丙烯醛,(ii)环合和氧化芳构化,PhNO2：溶剂和弱氧化剂,Michael加成,Friedel-Crafts 反应,可进一步参与反应,用Skraup法制备喹啉衍生物,8-羟基喹啉,5,6-苯并喹啉（1-氮杂菲）,（氧化剂）,通过a,b-不饱和醛制备喹啉衍生物,如何用Skraup喹啉合成法制备以下化合物？,完成下列反应,思考题：,本次课小结苯并五元芳杂环的亲电取代，反应的取向 喹啉和异喹啉的性质（主要：亲电和亲核取代，侧链 上的反应）喹啉的Skraup合成法及机理,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,