第二十章 雜環(huán)化合物(Heterocyclic compounds)

1、第二十章第二十章 雜環(huán)化合物雜環(huán)化合物(Heterocyclic compounds)一一. .分類和命名分類和命名二二. .吡咯、呋喃和噻吩吡咯、呋喃和噻吩三三. .吲哚吲哚四四. .吡吡 啶啶五五. .喹啉、異喹啉喹啉、異喹啉第二十章第二十章 雜環(huán)化合物雜環(huán)化合物 (Heterocyclic compounds)1.1 雜環(huán)化合物的分類雜環(huán)化合物的分類第一類：無芳香性的雜環(huán)化合物第一類：無芳香性的雜環(huán)化合物例：例：ONHNH四氫呋喃四氫呋喃四氫吡咯四氫吡咯六氫吡啶六氫吡啶第一節(jié)第一節(jié) 雜環(huán)化合物的分類和命名雜環(huán)化合物的分類和命名第二類：具有一定程度的芳香性的雜環(huán)化合物第二類：具有一定程度的

2、芳香性的雜環(huán)化合物O呋喃呋喃NH吡咯吡咯N吡啶吡啶例例芳雜環(huán)的數(shù)目很多，可根據(jù)環(huán)大小、雜原子的多少以芳雜環(huán)的數(shù)目很多，可根據(jù)環(huán)大小、雜原子的多少以及單環(huán)和稠環(huán)來分類。及單環(huán)和稠環(huán)來分類。常見的雜環(huán)為五元、六元的單雜環(huán)稠雜環(huán)。常見的雜環(huán)為五元、六元的單雜環(huán)稠雜環(huán)。稠雜環(huán)是由苯環(huán)及一個(gè)或多個(gè)單雜環(huán)綢合而成。稠雜環(huán)是由苯環(huán)及一個(gè)或多個(gè)單雜環(huán)綢合而成。1.1 雜環(huán)化合物的命名雜環(huán)化合物的命名1. 五元雜環(huán)五元雜環(huán)O呋喃呋喃furanSthiophene噻吩噻吩NHpyrrole吡咯吡咯采用外文名的音譯，用帶采用外文名的音譯，用帶“口口”字旁的同音漢字表示。字旁的同音漢字表示。五元環(huán)中含兩個(gè)或兩個(gè)（至少

3、有一個(gè)氮原子）以上的五元環(huán)中含兩個(gè)或兩個(gè)（至少有一個(gè)氮原子）以上的雜原子的體系稱唑。雜原子的體系稱唑。例：例：imidazole咪唑咪唑NHN12345NHN12345pyrazole吡唑吡唑SN12345thiazole噻唑噻唑ON12345oxazole噁唑噁唑3. 稠雜環(huán)稠雜環(huán)N15862347quinolineisoquinolineindolepurineN15862347NH12345679NNNHN123456782. 六元雜環(huán)六元雜環(huán)NpyridineNNpyrimidinepyridazinepyrazine吡啶吡啶嘧啶嘧啶NN噠嗪噠嗪NN吡嗪吡嗪 喹啉喹啉 異喹啉異喹啉 吲

4、哚吲哚 嘌呤嘌呤第二節(jié)第二節(jié) 吡咯、呋喃和噻吩吡咯、呋喃和噻吩1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)OSNH呋喃呋喃噻吩噻吩吡咯吡咯平面結(jié)構(gòu)平面結(jié)構(gòu)環(huán)上的原子均為環(huán)上的原子均為sp2雜化雜化閉環(huán)共軛體系閉環(huán)共軛體系電子數(shù)符合電子數(shù)符合4m+2具有方香性具有方香性56體系體系親電取代反應(yīng)活性：親電取代反應(yīng)活性： 吡咯、呋喃、噻吩大于苯吡咯、呋喃、噻吩大于苯五元環(huán)親電取代反應(yīng)的主要產(chǎn)物：五元環(huán)親電取代反應(yīng)的主要產(chǎn)物： 取代取代X+EXEXEXEXEXE芳香性：苯噻吩吡咯呋喃芳香性：苯噻吩吡咯呋喃1.2 性質(zhì)性質(zhì)1. 吡咯吡咯a. 吡咯的弱酸性吡咯的弱酸性NHKNH2NH3NKKNK+H2C2H5MgBrNMgB

5、r+C2H6吡咯的吡咯的pKa=16.5，比酚弱，比醇強(qiáng)，可與強(qiáng)堿（，比酚弱，比醇強(qiáng)，可與強(qiáng)堿（NaNH2， KNH2、RMgX）或金屬作用。）或金屬作用。NK1. CO22. H3ONHCOOHCH3INCH3CH3CClONCOCH3CHCl3/KOHNHCHONHCH3NHCOCH3b. 親電取代反應(yīng)親電取代反應(yīng) 主要產(chǎn)物為主要產(chǎn)物為 取代產(chǎn)物。取代產(chǎn)物。吡咯環(huán)的穩(wěn)定性較差，遇酸容易聚合，因此進(jìn)行親電吡咯環(huán)的穩(wěn)定性較差，遇酸容易聚合，因此進(jìn)行親電取代反應(yīng)要用較溫和的試劑。取代反應(yīng)要用較溫和的試劑。例：磺化試劑：例：磺化試劑：N SO3CH3CONO2O硝化試劑：硝化試劑：NHNBSNHB

6、r吡啶 SO3NHSO3HNHNHHNO3乙酐NHNO2Ac2ONHNHCCH3ODMF,POCl3NHNHCHONHC6H5N2 Cl+NHN N C6H5c. 加成反應(yīng)加成反應(yīng)CH2CHCO2CH3NH+BF3NHCH2CH2CO2CH32). 呋喃呋喃a. 親電取代反應(yīng)親電取代反應(yīng) 呋喃的穩(wěn)定性較吡咯小，與親電試劑往往得到加成產(chǎn)呋喃的穩(wěn)定性較吡咯小，與親電試劑往往得到加成產(chǎn)物，即使得到取代產(chǎn)物，也是由加成產(chǎn)物轉(zhuǎn)化來的。物，即使得到取代產(chǎn)物，也是由加成產(chǎn)物轉(zhuǎn)化來的。OBr2,CS2_ 50 HBrOBrOHBrHBrOHBrBrH+b. 加成反應(yīng)加成反應(yīng)呋喃與親雙烯體迅速發(fā)生狄爾斯呋喃與親

7、雙烯體迅速發(fā)生狄爾斯-阿德爾反應(yīng)。阿德爾反應(yīng)。OOOO+25OOOOHH+OHHOOOOH2 , NiOHCl140, 0.4MPaCl(CH2)4ClNaCNH2OHOOC(CH2)4COOHH2,NINC(CH2)4CNH2N(CH2)6NH2OCH3CH3H2O,H2SO4,HOAcCH2CH2CCCH3CH3OO2, 5己二酮己二酮呋喃遇濃酸聚合，遇稀酸呋喃水解為二醛：呋喃遇濃酸聚合，遇稀酸呋喃水解為二醛：OHOHHH2OOHHHOH2OOHH丁二醛丁二醛3). 噻吩噻吩a. 親電取代反應(yīng)親電取代反應(yīng)SDMF,POCl3NBSSBrHNO3, H2SO4SNO2H2SO4(95%)SS

8、O3HAc2O, SnCl4SCCH3OSCHO應(yīng)用：把粗苯中的噻吩除去。應(yīng)用：把粗苯中的噻吩除去。b. 加成反應(yīng)加成反應(yīng)SOOOHHS+OOO100高壓高壓SH2 , NiCH3CH2CH2CH3+H2S3. 合成合成a. 呋喃的工業(yè)制備呋喃的工業(yè)制備C5H8O4n聚戊糖聚戊糖H , H2O戊糖戊糖3H2OOCHOHO CHCHOHCCH OHHOHCHOHONHSAl2O3, NH3Al2O3, H2OAl2O3, NH3Al2O3, H2Sb. 取代吡咯、呋喃、噻吩的合成取代吡咯、呋喃、噻吩的合成吡咯環(huán)的合成：吡咯環(huán)的合成：. Knorr（克諾耳）合成法：（克諾耳）合成法：CH3COCH

9、3CH2OOCHNH2+ 氨基酮氨基酮COCH3CH2COOCH2CH3 二羰基化合物二羰基化合物HNHCOOCH2CH3CH3CH3CH2OOCCH3CH3COCH3CH2OOCH2Na NO2HOAcCH3COCH3CH2OOCHNOCH3COCH3CH2OOCNOHZn , HOAcCH3COCH3CH2OOCHNH2. Paal-Knorr（帕爾（帕爾-克諾耳）合成法：克諾耳）合成法：CH2CH2CCCH3CH3OO+NH3NHCH3CH3CH2CH2CCCH3CH3OO+RNH2NCH3CH3R2, 5-己二酮己二酮CH3COCH2CO2Et. Hantzsch（漢棲）合成法：（漢棲

10、）合成法：+RNH2CH3CCHCO2EtNHRClCH2COCH3CHCEtO2CNHRH3C+NCH3CH3REtO2C呋喃環(huán)和噻吩環(huán)的合成：呋喃環(huán)和噻吩環(huán)的合成：CH2CH2CCH2CO2HCC6H5OOC6H6 , P2O5P2S5CH2CH2CCCH3CH3OOSCH3CH3OCH2CO2HC6H5第三節(jié)第三節(jié) 吲哚吲哚吲哚為白色結(jié)晶，熔點(diǎn)吲哚為白色結(jié)晶，熔點(diǎn)52.5。具有極臭的氣味，但純。具有極臭的氣味，但純粹的吲哚在極稀時(shí)有香味，可作香料。粹的吲哚在極稀時(shí)有香味，可作香料。NH可發(fā)生親電取代反應(yīng)，取代位置一般在第可發(fā)生親電取代反應(yīng)，取代位置一般在第3位。位。NHBr3-溴吲哚溴吲

11、哚Br2OO0DMF, POCl320-30NHNHCHO3-吲哚甲醛吲哚甲醛NH吡啶 SO3NHSO3H3-吲哚磺酸吲哚磺酸含吲哚的生物堿廣泛存在于植物中，如麥角堿、馬錢含吲哚的生物堿廣泛存在于植物中，如麥角堿、馬錢子堿、利血平等。子堿、利血平等。NHCH2COOH-吲哚乙酸（植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑）吲哚乙酸（植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑）色氨酸（蛋白質(zhì)組分）色氨酸（蛋白質(zhì)組分）NHCH2CHCOOHNH2NHCH2CH2NH2HO5-羥基色胺（哺乳動(dòng)物及人腦中思羥基色胺（哺乳動(dòng)物及人腦中思維活動(dòng)的重要物質(zhì)）維活動(dòng)的重要物質(zhì)）吲哚環(huán)的合成：吲哚環(huán)的合成：Fischer（費(fèi)歇爾）吲哚合成法：將醛、酮、酮酸、（費(fèi)歇爾

12、）吲哚合成法：將醛、酮、酮酸、酮酸酯或二酮的芳基取代腙在氯化鋅、聚磷酸、三酮酸酯或二酮的芳基取代腙在氯化鋅、聚磷酸、三氟化硼等路易斯酸存在下加熱。氟化硼等路易斯酸存在下加熱。NNCH3H苯乙酮苯腙苯乙酮苯腙100PPANH2-苯基吲哚苯基吲哚環(huán)己酮苯腙環(huán)己酮苯腙BF3,CH3CO2H65NH四氫咔唑四氫咔唑機(jī)理：機(jī)理：相當(dāng)于聯(lián)苯胺重排。相當(dāng)于聯(lián)苯胺重排。NHN第四節(jié)第四節(jié) 吡啶吡啶一一. 結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)NN：sp2雜化雜化氮上還有一對(duì)電子未參與共軛，氮上還有一對(duì)電子未參與共軛，易接受質(zhì)子，具有堿性。易接受質(zhì)子，具有堿性。堿性：脂肪胺吡啶芳香胺堿性：脂肪胺吡啶芳香胺吡啶是一個(gè)無色有

13、惡臭的液體，與水及許多有機(jī)溶劑，吡啶是一個(gè)無色有惡臭的液體，與水及許多有機(jī)溶劑，如乙醇、乙醚等混溶，是良好的溶劑。如乙醇、乙醚等混溶，是良好的溶劑。二二. 化學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)芳環(huán)芳環(huán)親電取代親電取代親核取代親核取代氮上未成鍵電子對(duì)氮上未成鍵電子對(duì)堿性堿性親核性親核性1. 吡啶環(huán)上氮的堿性及親核性吡啶環(huán)上氮的堿性及親核性N+HClNHCl應(yīng)用：應(yīng)用：OH+CH3CClONOCCH3ON+CH3INCH3I2. 吡啶環(huán)上親電取代反應(yīng)吡啶環(huán)上親電取代反應(yīng)與苯環(huán)比較吡啶環(huán)是缺電子的芳香雜環(huán)，性質(zhì)類似于與苯環(huán)比較吡啶環(huán)是缺電子的芳香雜環(huán)，性質(zhì)類似于硝基苯，它不能進(jìn)行傅氏烷基化和?；磻?yīng)。硝基苯，它不能進(jìn)

14、行傅氏烷基化和?；磻?yīng)。NBrBr2 , H2SO4(SO3)130NN265H2SO4(SO3) , HgCl2NSO3H3-溴吡啶溴吡啶3-吡啶磺酸吡啶磺酸N300KNO3 , H2SO4(SO3)NNO23-硝基吡啶硝基吡啶NNH220Br2 , HOAcNNH2Br3. 吡啶環(huán)上親核取代反應(yīng)吡啶環(huán)上親核取代反應(yīng)吡啶環(huán)吡啶環(huán) 2, 4, 6 位上的鹵素容易被親核試劑取代。位上的鹵素容易被親核試劑取代。親電取代位置在親電取代位置在3-或或5-位進(jìn)行，為什么？位進(jìn)行，為什么？NCl220NH3 , ZnCl2NBrBrNNH2NH3 , H2O160NBrNH2NClNaOMe CH3OH

15、NOMe除吡啶環(huán)除吡啶環(huán) 2, 4, 6 位上的鹵素容易被親核試劑取代外，吡位上的鹵素容易被親核試劑取代外，吡啶環(huán)啶環(huán) 2位上的負(fù)氫離子也能被取代。位上的負(fù)氫離子也能被取代。NH+NaNH2NNHNa+H2NNHNa+H2ONNH2+NaOHNH+NC6H5+4. 側(cè)鏈側(cè)鏈-H的反應(yīng)的反應(yīng)吡啶環(huán)吡啶環(huán)2, 4, 6位烷基的位烷基的-H具有一定的酸性，其酸性具有一定的酸性，其酸性與甲基酮的與甲基酮的-H相同。相同。吡啶環(huán)上吡啶環(huán)上2位的負(fù)氫離子被親核性極強(qiáng)的氨基負(fù)離子位的負(fù)氫離子被親核性極強(qiáng)的氨基負(fù)離子取代，同時(shí)有氫氣放出，稱齊齊巴賓（取代，同時(shí)有氫氣放出，稱齊齊巴賓（Chichibabin）反

16、應(yīng)。反應(yīng)。C6H5LiLiHNCH3+HHO ZnCl2NCH2CH2OHNCH2CH3CH3NaNH2NCH2CH3CH2CH3INCH2CH3CH2CH3ZnCl2的作用：的作用：N ZnCl2吡啶成鹽后，使吡啶環(huán)吡啶成鹽后，使吡啶環(huán)2, 4, 6位烷基的位烷基的-H酸性進(jìn)一步酸性進(jìn)一步增強(qiáng)，可以發(fā)生羥醛縮合和邁克爾反應(yīng)：增強(qiáng)，可以發(fā)生羥醛縮合和邁克爾反應(yīng)：NCH3ICH3NCH3+CH3INCH3ICH3+CHONH25NCH3ICH2COHHNCH3CH3I+3CH2CHCN(C2H5)3NC2H5OH25NCH3C(CH2CH2CN)3I5. 吡啶的氧化和還原吡啶的氧化和還原a. 氧

17、化氧化CrO3NNCOOHCOOHNNCH3HNO3NCOOHNH3NCNH2O尼古丁（煙堿）尼古?。焿A）尼古丁酸（煙酸）尼古丁酸（煙酸）尼古丁酰胺（煙酰胺）尼古丁酰胺（煙酰胺）NCH330%H2O270, 24h.CH3COOHNCH3OCH3COOHONNO注意：注意：NO發(fā)煙HNO3, H2SO490NONO2PCl3NNO2應(yīng)用：應(yīng)用：NNNO2b. 還原還原NH2 / Ni25, 3 atm.NH六氫吡啶（哌啶）六氫吡啶（哌啶）Sn , HCl或Na ,EtOHNNH三三. 吡啶環(huán)合成吡啶環(huán)合成Hantzsch（漢棲）合成法：（漢棲）合成法：-酮酸酯、醛和氨縮合。酮酸酯、醛和氨縮合

18、。第一步：第一步： -酮酸酯和醛發(fā)生羥醛縮合酮酸酯和醛發(fā)生羥醛縮合H2C O+Et2NH第二步：發(fā)生邁克加成第二步：發(fā)生邁克加成+Et2NHCO2EtEtO2CCH3H3COOH2CCO2EtCOCH3CCO2EtCOCH3CH2CCO2EtCOCH3CH2H2CCO2EtCOCH3第四步：二氫吡啶環(huán)脫氫，生成吡啶衍生物第四步：二氫吡啶環(huán)脫氫，生成吡啶衍生物CO2EtEtO2CCH3H3CNHHNO3, H2SO4CO2EtEtO2CCH3H3CN第三步：關(guān)環(huán)，生成二氫吡啶環(huán)第三步：關(guān)環(huán)，生成二氫吡啶環(huán)NH3, EtOHCO2EtEtO2CCH3H3COOCO2EtEtO2CCH3H3CNH第

19、五節(jié)第五節(jié) 喹啉、異喹啉喹啉、異喹啉N15862347quinolineisoquinoline喹啉喹啉N15862347異喹啉異喹啉喹啉、異喹啉的性質(zhì)與吡啶相似，具有弱堿性。喹啉、異喹啉的性質(zhì)與吡啶相似，具有弱堿性。喹啉喹啉 pKa=4.94異喹啉異喹啉 Ka=5.40 Skraup（斯克洛浦）合成法：將芳香族伯胺與甘油（斯克洛浦）合成法：將芳香族伯胺與甘油同硫酸和一種氧化劑（如：硝基苯、五氧化二砷、同硫酸和一種氧化劑（如：硝基苯、五氧化二砷、氧化鐵等）一起加熱，即可得喹啉及其衍生物。氧化鐵等）一起加熱，即可得喹啉及其衍生物。一一. 喹啉及其衍生物的合成喹啉及其衍生物的合成NH2+CH2CH

20、 CH2OHOH OH濃H2SO4As2O5N反應(yīng)過程：反應(yīng)過程：. 甘油在濃硫酸（或磷酸）作用下脫水生成丙烯醛，甘油在濃硫酸（或磷酸）作用下脫水生成丙烯醛，也可直接用也可直接用，-不飽和醛或酮。不飽和醛或酮。CH2CHCH2OHOHOHH2SO4CHCHCH2OHOHHCCH2CH2OOHH2SO4HCCHCH2O. 苯胺與丙烯醛發(fā)生邁克加成苯胺與丙烯醛發(fā)生邁克加成NH2+CH2CH CHONHCH2CH2HCO. 質(zhì)子化的醛對(duì)苯環(huán)進(jìn)行親電取代反應(yīng)質(zhì)子化的醛對(duì)苯環(huán)進(jìn)行親電取代反應(yīng)NHCH2CH2HCOHNHCH2CH2HCOHNHCH2CH2HCOHNHCH2CH2COHHHHNHCH2CH2COHHH2ONHNH. 1, 2-二氫喹啉氧化二氫喹啉氧化NO2N+NH2例：例：NH2Cl甘油 , H2SO4NO2ClNCl（85-88%）NH2+CH2CH C CH3OFeCl3 , ZnCl2或 H2SO4NO2NCH3（73%）CH2CH2NH2Ac2OCH2CH2NHCCH3OP2O5205CH2CH2NCCH3190PdNCH3（83%）二二. 反應(yīng)反應(yīng)1. 親電取代反應(yīng)親電取代反應(yīng)親電取代反應(yīng)主要發(fā)生在碳環(huán)的親電取代反應(yīng)主要發(fā)生在碳環(huán)的5位和位和8位。位。NHNO3 , H2SO40NNO2+NNO2