有机化学：第十六章杂环化合物

《有机化学：第十六章杂环化合物》由会员分享，可在线阅读，更多相关《有机化学：第十六章杂环化合物（67页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、 第十六章第十六章 杂环化合物杂环化合物构成环状体系的原子除碳外还有其他原子时，称为杂环化合物。构成环状体系的原子除碳外还有其他原子时，称为杂环化合物。其他原子称为杂原子：其他原子称为杂原子： S ，N， O ， P 等。等。OSNH呋 喃噻 吩吡 咯一、分类一、分类 1.分类和命名分类和命名二、命名二、命名 杂环化合物的命名分系统命名和习惯命名，常用的都是这两者的杂环化合物的命名分系统命名和习惯命名，常用的都是这两者的结合。结合。NH比如：比如：五元环五元环(环戊二烯）命名成环戊二烯）命名成“茂茂”，“吡咯吡咯” - “氮杂茂氮杂茂”，但通常但通常-“吡咯吡咯” （pyrrole），），2.

2、含有一个杂原子的五元杂环体系一、结构OSNH呋喃噻吩吡咯C，O，S，N都是都是sp2杂化杂化HHNO吸电子诱导给电子共轭NH吡 咯O呋喃环上是环上是6个电子，其中杂原子提供个电子，其中杂原子提供2个电子，共个电子，共6 =4n+2(n=1)个电子，满足休克尔个电子，满足休克尔(Hulker)规则，所以化合物具有规则，所以化合物具有芳香性芳香性。 芳香性芳香性 苯环的苯环的p电子云均匀分布，而五元杂环中杂原子的电负性电子云均匀分布，而五元杂环中杂原子的电负性 ONS，p电子云向杂原子偏移，所以芳香性不如苯。电子云向杂原子偏移，所以芳香性不如苯。 芳香性芳香性 苯苯噻吩噻吩吡咯吡咯呋喃呋喃 离域能

3、离域能(KJ/mol)150.6 121.3 87.8 66.9 从键长数据来看杂环中键长未彻底平均化。从键长数据来看杂环中键长未彻底平均化。 键长键长OS0.70D0.51DNH1.81D给电子共轭，碱性降低。呋喃呋喃,噻吩的吸电子诱导作用大于给电子共轭作用，噻吩的吸电子诱导作用大于给电子共轭作用，偶极矩的方向偶极矩的方向吡咯吡咯的吸电子诱导作用小于给电子共轭作用，偶极矩的吸电子诱导作用小于给电子共轭作用，偶极矩的方向的方向偶极矩偶极矩n-C4H10+4 S600S+H2SCOONaCOONaP2S5SNHOSH2ONH3H2OH2SH2SNH3二、二、 制备制备三、反应三、反应呋喃，噻吩，

4、吡咯.芳香族化合物.亲电取代反应OSNH反应活性：五原子六电子共轭体系，因此五原子六电子共轭体系，因此电子云密度高于苯。电子云密度高于苯。OE+OE+OHE+O+HEOHE+OHE+OHE+O+HEO+HE定位规律：取代主要发生在定位规律：取代主要发生在位位1. 亲电取代反应CH3COCH3O CO+ HO NOOCH3COO NOO+ CH3COOHSCH3COONO2乙酸酐，乙酸0SNO2NHCH3COONO2乙酸酐，乙酸-10NHNO2(1) 硝化反应硝化反应为避免氧化，选用温和的硝化试剂为避免氧化，选用温和的硝化试剂.硝酸乙酰酯（低温）硝酸乙酰酯（低温）呋喃的离域能较小，芳香性也小，在

5、强亲核试剂进攻下，可以发生亲核取代反应。OCH3COONO2-5-30O+HNO2CH3COO-亲核取代OHNO2HCH3COO吡啶ONO2NCH2Cl2SO3NSOOO-+N+SO3-(2) 磺化反应磺化反应温和的非质子化的磺化试剂温和的非质子化的磺化试剂.吡啶与三氧化硫的加和物。吡啶与三氧化硫的加和物。MNSO3-+C2H4Cl2MSO3-N+HM：O ，NH，SSH2SO4SSO3HH2OS噻吩的离域能比较大，即最稳定，因此可以直接磺化。噻吩的离域能比较大，即最稳定，因此可以直接磺化。溶于浓硫酸溶于浓硫酸苯中有微量噻吩时，可以在室温反复用浓硫酸提取，苯中有微量噻吩时，可以在室温反复用浓硫

6、酸提取，苯不溶于浓硫酸，噻吩磺化后溶于浓硫酸，分离。苯不溶于浓硫酸，噻吩磺化后溶于浓硫酸，分离。NHBr20C2H5OHNHBrBrBrBr(3)卤化卤化一般条件下，呋喃，噻吩，吡咯经卤化，都得多卤代产物。一般条件下，呋喃，噻吩，吡咯经卤化，都得多卤代产物。OCl2-40OCl+OClClOBr20OOOBr在温和的条件下在温和的条件下(用溶剂稀释，采用低温环境用溶剂稀释，采用低温环境)，可以得到单卤代产物：可以得到单卤代产物：SBr2CH3COOHSBrSI2HgO，0SIOCH3CO（）2O或CH3C ClOOCH3CO+BF3NHCH3CO（）2O+NHCH3CO(4) 付付-克酰基化克

7、酰基化噻吩酰基化小心控制条件，用噻吩酰基化小心控制条件，用AlCl3 ,SnCl4等易形成树脂状物质等易形成树脂状物质苯的付苯的付-克酰基化先除噻吩。克酰基化先除噻吩。NHK（Na）KOH（NaOH）NK-+R-C-ClONC=0R吡咯中吡咯中N-H可以被取代：可以被取代：On-C4H9LiO-Li+RBrOR(5)付付-克烷基化克烷基化吡咯，噻吩，呋喃常得到多烷基化产物，吡咯，噻吩，呋喃常得到多烷基化产物，但呋喃经强碱处理得到一取代产物：但呋喃经强碱处理得到一取代产物：NHCHCl3KOHNHCHO2.吡咯的特殊反应吡咯的特殊反应吡咯的性质与酚相似，可以发生瑞穆尔吡咯的性质与酚相似，可以发生

8、瑞穆尔-悌曼反应，悌曼反应，柯尔伯柯尔伯-施密特反应，重氮盐的偶合反应：施密特反应，重氮盐的偶合反应：Reimer-Tiemann：NHNH4）2（CO3H2O130，封管NHCOONH4-+NHC6H5N2X+-C2H5OHH2OCH3COONaNHN=NC6H5Kolbe-Schmitt:重氮盐的偶合反应重氮盐的偶合反应OH2PdONHH2PdNHSH2Ni（R）CH3CH2CH2CH3SH2SMoS23.加成反应加成反应zzG(o,p)zG(m)Z: S O NHzG(o,p)（主）zG(m)（主）Z: S NHO（主）G(o,p,m)亲电取代反应定位规律亲电取代反应定位规律特殊特殊含有

9、一个杂原子的五元杂环体系含有一个杂原子的五元杂环体系小结小结：1. 亲电取代反应OSNH反应活性：定位规律：取代主要发生在定位规律：取代主要发生在位位(1) 硝化反应硝化反应为避免氧化，选用温和的硝化试剂为避免氧化，选用温和的硝化试剂.硝酸乙酰酯（低温）硝酸乙酰酯（低温）CH3COONO2N+SO3-(2) 磺化反应磺化反应温和的非质子化的磺化试剂温和的非质子化的磺化试剂.吡啶与三氧化硫的加和物。吡啶与三氧化硫的加和物。噻吩可以直接磺化噻吩可以直接磺化(3)卤化卤化一般条件下，呋喃，噻吩，吡咯经卤化，都得多卤代产物。一般条件下，呋喃，噻吩，吡咯经卤化，都得多卤代产物。在温和的条件下在温和的条件

10、下(用溶剂稀释，采用低温环境用溶剂稀释，采用低温环境)，可以得到单卤代产物。可以得到单卤代产物。(4) 付付-克酰基化克酰基化吡咯中吡咯中N-H可以被取代：可以被取代：1.K，Na 2.酰卤酰卤酰基化试剂：酸酐、酰卤。酰基化试剂：酸酐、酰卤。(5)付付-克烷基化克烷基化吡咯，噻吩常得到多烷基化产物，但吡咯，噻吩常得到多烷基化产物，但呋喃呋喃得到一取代产物：得到一取代产物： 1.强碱：烷基锂；强碱：烷基锂；2. RX2.吡咯的特殊反应吡咯的特殊反应吡咯的性质与酚相似，可以发生瑞穆尔吡咯的性质与酚相似，可以发生瑞穆尔-悌曼反应，悌曼反应，柯尔伯柯尔伯-施密特反应，重氮盐的偶合反应。施密特反应，重氮

11、盐的偶合反应。3.加成反应加成反应催化氢化：催化氢化：常用催化剂：常用催化剂：Ni,Pt,Pa,MoS2(噻吩）噻吩）N吡 啶3. 含有一个杂原子的六元杂环体系含有一个杂原子的六元杂环体系一、一、 结构结构C sp2Nsp2：未参加共轭。6个个电子电子满足休克尔规则满足休克尔规则具有芳香性具有芳香性N偶极矩N 的电负性* 亲电取代，亲核取代N吸电子诱导，吸电子共轭方向一致吸电子诱导，吸电子共轭方向一致二、二、 反应反应1.亲电取代反应亲电取代反应N上的亲电取代上的亲电取代C上上的亲电取代的亲电取代： 不如苯环的亲电取代，只能在强条件下反应，不如苯环的亲电取代，只能在强条件下反应， 不能发生傅不

12、能发生傅-克（酰基化，烷基化）：克（酰基化，烷基化）：NN上的亲电取代：NNO2BF4+-乙醚NNO2+BF4-NSO3CH2Cl2N+O=S=OO-NBr2CCl4N+Br-BrN+NCH3ICH3N+CH3N+CH3HHII-+NO-20石油醚N+C=OPhPh-C-ClCl-上述产物都是很好的亲电试剂，例如：N+O=S=OO-+SO3H+NN+PhCl-ROHRO-C-PhO+N+HCl-O=CC上的亲电取代：不如苯环的亲电取代，只能在强条件下反应，不能发生傅-克（酰基化，烷基化）：N浓H2SO4浓HNO3NNO2N浓H2SO4NHgSO4SO3HNNBr2浮石Br定位规律：N位位NG（

13、强O，P）NG（弱O，P）NG（O，P）NG（O，P）2.亲核取代反应（亲核取代反应（，位）位）-烷基化，芳基化，氨化烷基化，芳基化，氨化N(1)置换HNRLiNLi-+HRO2或NRNPhLiNLi-+HPhO2或NPhNNaNH2NNH2H2O（如果位已被取代， 则在位取代 ）NClNH3ZnCl2，NNH2(2)置换易离去基置换易离去基（-X，-NO2） ，（）NBrBrNH3，H2ONBrNH2NClNaOC2H5NOC2H5NBrNH3，H2ONNH2CuSO4压3. 氧化反应氧化反应只在只在N或侧链上氧化或侧链上氧化NO2DMFt-BuOKNCOOH，NKMnO4NCOOHNSeO

14、2NCHONH2O2NO-+NO-+比吡啶容易进行亲电取代反应（，位），也能进行亲核取代反应（，位）。NO-+RONaROHNORO+-NH2Pt压NH4.还原反应还原反应（，位）取代烷基的侧链-H酸性强。NCH3CH2CH3NaNH2NCH2CH2CH3-Na+CH3INCH2CH3CH2CH35. 侧链侧链-H的反应（的反应（，位）位）含有一个杂原子的六元杂环体系含有一个杂原子的六元杂环体系小结小结：1.亲电取代反应亲电取代反应N上的亲电取代上的亲电取代：卤化，硝化，磺化，酰基化，烷基化；卤化，硝化，磺化，酰基化，烷基化； 产物都是相应亲电反应试剂。产物都是相应亲电反应试剂。C上上的亲电取

15、代的亲电取代：不如苯环的亲电取代，只能在强条件下反应，不如苯环的亲电取代，只能在强条件下反应，不能发生傅不能发生傅-克（酰基化，烷基化）：定位克（酰基化，烷基化）：定位位。位。N亲电取代，亲核取代，氧化反应，还原反应，侧链上的取代反应亲电取代，亲核取代，氧化反应，还原反应，侧链上的取代反应NG（强O，P）NG（弱O，P）NG（O，P）NG（O，P）定位规律：N2.亲核取代反应（烷基化，芳基化，氨化：亲核取代反应（烷基化，芳基化，氨化：，位）位）（1）置换）置换H（试剂本身就是强碱）；（试剂本身就是强碱）；（2）置换易离去基）置换易离去基（-X，-NO2）（）（，位）位）3. 氧化反应：氧化反应

16、：只在只在N或侧链上氧化或侧链上氧化;氧化吡啶易进行亲电取代反氧化吡啶易进行亲电取代反应（应（，位），和位），和 亲核取代反应（亲核取代反应（，位）。位）。4.还原反应还原反应5. 侧链侧链-H的反应（的反应（，位）位）：取代烷基的侧链：取代烷基的侧链-H酸性强。酸性强。4.稠杂环化合物稠杂环化合物 含有两个或者两个以上环，且其中至少有一个环是杂环的含有两个或者两个以上环，且其中至少有一个环是杂环的化合物为稠杂环化合物，下图中列举了一些最简单的稠杂化合物为稠杂环化合物，下图中列举了一些最简单的稠杂环化合物环化合物 一、喹啉的结构一、喹啉的结构 一氮杂萘，或者说是苯并吡啶，这样的化合物有两个：一

17、氮杂萘，或者说是苯并吡啶，这样的化合物有两个：喹啉和异喹啉，原子的编号也是和萘环一样。喹啉和异喹啉，原子的编号也是和萘环一样。异喹啉的熔点异喹啉的熔点26.5，沸点，沸点243，喹啉的沸点，喹啉的沸点238。 喹啉为无色液体，具有恶臭，与吡啶的气味相似；喹啉为无色液体，具有恶臭，与吡啶的气味相似；异喹啉的气味与苯甲醛相似。异喹啉的气味与苯甲醛相似。 它们都具有碱性，喹啉的它们都具有碱性，喹啉的pKb=9.52；异喹啉；异喹啉pKb=8.96。二、喹啉的反应二、喹啉的反应 1. 亲电取代反应亲电取代反应2. 亲核取代反应亲核取代反应 3. 氧化反应氧化反应 1. 亲电取代反应亲电取代反应NH+N

18、+BF3在质子酸和路易斯酸中，在质子酸和路易斯酸中，N接受质子显正离子，杂环接受质子显正离子，杂环的电子云密度比苯环低，所以亲电取代反应在苯环上的电子云密度比苯环低，所以亲电取代反应在苯环上进行（进行（位）位）：NBr2NBrH2SO4Ag2SO4NBr+50%50%NNNO2浓H2SO4N+50%48%浓HNO3NO2但在非质子有机溶剂中，但在非质子有机溶剂中，N没有接受质子，杂环的电子没有接受质子，杂环的电子云密度比苯环高，所以亲电取代反应在杂环上进行：云密度比苯环高，所以亲电取代反应在杂环上进行：NBr2CCl4吡啶NBr和吡啶类似和吡啶类似,也可以发生亲核取代反应，反应也主要是在也可以

19、发生亲核取代反应，反应也主要是在2，4位位（吡啶环的（吡啶环的，位）位）。 2. 亲核取代反应亲核取代反应 只能在强氧化剂作用下，才能发生氧化反应。只能在强氧化剂作用下，才能发生氧化反应。 3. 氧化反应氧化反应 三、三、Skraup(斯克劳普斯克劳普)法合成喹啉法合成喹啉 Skraup(斯克劳普斯克劳普)方法是合成喹啉及其衍生物最主要的方法，方法是合成喹啉及其衍生物最主要的方法，它是用苯胺（或其它芳胺）、甘油、硫酸和硝基苯（相应于它是用苯胺（或其它芳胺）、甘油、硫酸和硝基苯（相应于所用芳胺）、五氧化二砷或三氯化铁等氧化剂一起作用下反所用芳胺）、五氧化二砷或三氯化铁等氧化剂一起作用下反应得到的

20、。应得到的。 亲电取代反应活性比较：亲电取代反应活性比较：OSNHNN,碱性比较：碱性比较：NNNNHNH2PKa 5.45.174.944.6芳香性比较：芳香性比较：SONH作业：作业：P874，习题，习题 20-1涉及：呋喃、吡咯、噻吩、吡啶、喹啉；嘧啶、嘌呤、吲哚。涉及：呋喃、吡咯、噻吩、吡啶、喹啉；嘧啶、嘌呤、吲哚。P882，习题，习题 20-9 抄题，回答问题抄题，回答问题P883，习题，习题20-10（自学：（自学： P883，2.定位效应）定位效应）P885，习题，习题20-11 （），（），（），（），（），（），（），（），（），），（） ,（)P897，习题，习题20-12 （ ），（），（），（），（ ），（），（），），(), ()