有機(jī)化學(xué)課件雜環(huán)化合物

雜環(huán)化合物（heterocycliccompounds）雜環(huán)化合物（heterocycliccompounds）2定義：雜環(huán)化合物是指構(gòu)成環(huán)的原子除碳原子外還有其它原子的環(huán)狀有機(jī)化合物。碳原子以外的原子，稱為雜原子（heteroatoms），常見的雜原子有氧、硫、氮等。芳香性雜環(huán)：（吡咯、吡啶、喹啉等）非芳香性雜環(huán)：（四氫呋喃、四氫吡咯、六氫吡啶等）分類：性質(zhì)與相應(yīng)的開鏈化合物極相似，則不看作是雜環(huán)化合物。如環(huán)狀內(nèi)酯，環(huán)狀酸酐、環(huán)狀酰胺、環(huán)醚、環(huán)狀酰亞胺等。2定義：雜環(huán)化合物是指構(gòu)成環(huán)的原子除碳原子外還有其它原子的環(huán)3含一個雜原子呋喃噻吩吡咯含二個雜原子含一個雜原子含二個雜原子單雜環(huán)五元雜環(huán)六元雜環(huán)咪唑吡唑噻唑噁唑吡啶γ-吡喃α-吡喃嘧啶吡嗪噠嗪常見雜環(huán)化合物的分類、名稱3含一個雜原子呋喃噻吩吡咯4苯并呋喃吲哚苯并噻吩五元雜環(huán)與苯環(huán)稠合體系

六元雜環(huán)與苯環(huán)稠合體系

雜環(huán)與雜環(huán)稠合體系喹啉異喹啉

嘌呤稠雜環(huán)

4苯并呋喃吲哚苯并噻吩五元雜環(huán)5命名1、音譯法（帶“口”旁的同音漢字）2、當(dāng)環(huán)上連有烷基、硝基、鹵素、羥基、氨基等取代基時，以雜環(huán)為母體；當(dāng)環(huán)上連有醛基、羧基、磺酸基等時，將雜環(huán)作為取代基。3、編號從雜原子算起依次用1，2，3，4，5…編號。（用α，β，γ…則從雜原子相鄰的碳原子依次編號），如有不同種類雜原子，則按O，S，N的順序由小到大編號，使雜原子盡可能具有較低的編號。5命名1、音譯法（帶“口”旁的同音漢字）6

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65-乙基噻唑2-甲基-5-苯基噁唑4,7一、結(jié)構(gòu)呋喃吡咯噻吩雜原子（O、S、N）雜化態(tài)均為sp2雜化第一節(jié)呋喃、吡咯和噻吩符合Hückel規(guī)則（1.環(huán)狀,2.共平面,3.垂直平面的p軌道,4.4n+2p電子具有方向性7一、結(jié)構(gòu)第一節(jié)呋喃、吡咯和噻吩符合Hückel規(guī)則（1.8二、吡咯、呋喃和噻吩的性質(zhì)物理性質(zhì)1、光譜性質(zhì)

1HNMR：δH~72、芳香性比較：苯>噻吩>吡咯>呋喃電負(fù)性影響：一般來說，雜原子與碳原子的電負(fù)性越接近，其相應(yīng)的五元芳香雜環(huán)的芳香性越強(qiáng)，其共軛能也越大。元素SNOC電負(fù)性：2.53.03.52.5芳香性：噻吩>吡咯>呋喃共軛能：苯>吡咯>噻吩>呋喃KJ.mol-150121.188.766.18二、吡咯、呋喃和噻吩的性質(zhì)9雜原子的性質(zhì)雜原子對環(huán)的影響芳香性共軛二烯性質(zhì)不飽和性9雜原子的性質(zhì)芳香性101、五員芳雜化合物的親電取代反應(yīng)親電取代反應(yīng)相對活性吡咯>呋喃>噻吩>苯

苯環(huán)上六個原子共有六個電子，吡咯、呋喃、噻吩上雜原子提供一對電子五個原子共有六個電子，電子云密度大于苯，因此它們親電取代反應(yīng)活性大于苯。吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)：O(3.5)>N(3.0)>S(2.5)給電子共軛效應(yīng)：N>O>S(S的3p軌道與C的2p軌道共軛相對較差)綜合：N對環(huán)的貢獻(xiàn)的電子最多，硫最少。

i.電子云密度

101、五員芳雜化合物的親電取代反應(yīng)親電取代反應(yīng)相對活性吡11

ii.由中間體的穩(wěn)定性分析比較：苯的親電取代滿足八隅體（較穩(wěn)定）未滿足八隅體（較不穩(wěn)定）11ii.由中間體的穩(wěn)定性分析比較：苯的親電取代滿足八12α-取代β-取代主要產(chǎn)物取代位置反應(yīng)中間體的相對穩(wěn)定性二個主要共振式不穩(wěn)定三個主要共振式穩(wěn)定12α-取代β-取代主要產(chǎn)物取代位置反應(yīng)中間體的相對穩(wěn)定性13親電取代反應(yīng)舉例注意：五員雜環(huán)較活潑，遇酸不穩(wěn)定硝化：HNO3/H2SO4磺化：H2SO4用溫和試劑代替13親電取代反應(yīng)舉例注意：五員雜環(huán)較活潑，遇酸不穩(wěn)定硝化：14（1）五員雜環(huán)的硝化反應(yīng)硝化試劑吡咯和噻酚發(fā)生正常親電取代反應(yīng)硝酸乙酰酯由硝酸和乙酸酐反應(yīng)制備14（1）五員雜環(huán)的硝化反應(yīng)硝化試劑吡咯和噻酚發(fā)生正常親15呋喃發(fā)生加成反應(yīng)（特殊，共軛烯烴性質(zhì)）機(jī)理：15呋喃發(fā)生加成反應(yīng)（特殊，共軛烯烴性質(zhì)）機(jī)理：16磺化試劑：（2）五員雜環(huán)的磺化反應(yīng)16磺化試劑：（2）五員雜環(huán)的磺化反應(yīng)17噻吩還可直接用硫酸磺化（活性大，較穩(wěn)定）應(yīng)用：除去苯或甲苯中的噻吩17噻吩還可直接用硫酸磺化（活性大，較穩(wěn)定）應(yīng)用：除去苯或甲18活性大，直接反應(yīng)，不加路易斯酸鹵代（稀釋或低溫控制在一鹵代）

Friedel－Crafts反應(yīng)活性最大得四取代產(chǎn)物18活性大，直接反應(yīng)，不加路易斯酸鹵代（稀釋或低溫控制在一19環(huán)上已有取代基對親電取代取向的影響由取代基和環(huán)上雜原子的α-定位效應(yīng)決定19環(huán)上已有取代基對親電取代取向的影響由取代基和環(huán)上雜原子的20反應(yīng)舉例a

位給電子基a

位吸電子基20反應(yīng)舉例a位給電子基a位吸電子基21b

位給電子基b

位吸電子基21b位給電子基b位吸電子基22

(i)a位有給電子基從中間體穩(wěn)定性分析取代基對反應(yīng)取向的影響二個共振式推電子基使穩(wěn)定二個共振式推電子基未起作用三個共振式推電子基使穩(wěn)定較穩(wěn)定不穩(wěn)定最穩(wěn)定22(i)a位有給電子基從中間體穩(wěn)定性分析取代基對反23

(ii)a位有吸電子基二個共振式吸電子基使不穩(wěn)定二個共振式吸電子基未起作用三個共振式推電子基使不穩(wěn)定較穩(wěn)定不穩(wěn)定最穩(wěn)定23(ii)a位有吸電子基二個共振式二個共振式三24

(iii)b位有給電子基三個共振式推電子基使穩(wěn)定二個共振式推電子基未起作用三個共振式推電子基未起作用較穩(wěn)定不穩(wěn)定最穩(wěn)定24(iii)b位有給電子基三個共振式二個共振式25

(iv)b位有吸電子基三個共振式吸電子基使不穩(wěn)定二個共振式吸電子基未起作用三個共振式吸電子基未起作用較穩(wěn)定不穩(wěn)定最穩(wěn)定25(iv)b位有吸電子基三個共振式二個共振式26五員芳雜環(huán)的其它反應(yīng)（1）還原成飽和雜環(huán)化合物使用特殊催化劑（噻吩能使常用氫化催化劑中毒）THF（常用溶劑）四氫吡咯26五員芳雜環(huán)的其它反應(yīng)（1）還原成飽和雜環(huán)化合物使用特殊27用RaneyNi催化氫化使噻酚還原脫硫其它脫硫的例子一種還原羰基至亞甲基的方法合成開鏈烴、酮的方法27用RaneyNi催化氫化使噻酚還原脫硫其它脫硫的例子28（2）Diels-Alder反應(yīng)（共軛二烯性質(zhì)）28（2）Diels-Alder反應(yīng)（共軛二烯性質(zhì)）29（3）呋喃的幾個特殊反應(yīng)(i)2,5-二取代呋喃的酸性開環(huán)反應(yīng)（成1,4-二酮）合成上進(jìn)一步應(yīng)用——制備環(huán)戊烯酮衍生物呋喃的芳香性較小29（3）呋喃的幾個特殊反應(yīng)(i)2,5-二取代呋喃的30呋喃酸性開環(huán)機(jī)理:30呋喃酸性開環(huán)機(jī)理:31(ii)呋喃的加成反應(yīng)（呋喃的共軛二烯性質(zhì)）例：與AcONO2的反應(yīng)（前面已介紹）：比較31(ii)呋喃的加成反應(yīng)（呋喃的共軛二烯性質(zhì)）例：與Ac32

2,5-二甲氧基二氫呋喃的形成機(jī)理：322,5-二甲氧基二氫呋喃的形成機(jī)理：33合成上的應(yīng)用舉例33合成上的應(yīng)用舉例34吡咯的一些特殊性質(zhì)（1）吡咯N

的孤對電子參與環(huán)的共軛吡咯N的堿性很弱，不能與質(zhì)子結(jié)合。吡咯堿性比苯胺弱，而還原后的四氫吡咯的堿性比吡咯的堿性強(qiáng)得多。吡咯的質(zhì)子化發(fā)生在環(huán)上（主要是a位）正電荷分散在多個原子上34吡咯的一些特殊性質(zhì)（1）吡咯N的孤對電子參與環(huán)的共軛35（2）吡咯在酸性條件下發(fā)生聚合聚合機(jī)理:35（2）吡咯在酸性條件下發(fā)生聚合聚合機(jī)理:36（3）吡咯N-H的弱酸性吡咯鹽的生成Na,K,KOH,NaNH236（3）吡咯N-H的弱酸性吡咯鹽的生成Na,K,KO37（4）吡咯鉀鹽的性質(zhì)吡咯負(fù)離子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有烯胺負(fù)離子片斷烯胺吡咯負(fù)離子與苯氧基負(fù)離子有相似性烯醇負(fù)離子片斷烯胺負(fù)離子片斷37（4）吡咯鉀鹽的性質(zhì)吡咯負(fù)離子有烯胺負(fù)離子片斷烯胺吡咯38吡咯負(fù)離子的一些典型反應(yīng)這些反應(yīng)與那幾個反應(yīng)相似？與重氮鹽偶聯(lián)38吡咯負(fù)離子的一些典型反應(yīng)這些反應(yīng)與那幾個反應(yīng)相似？與重39幾個相似的反應(yīng)（酚類的反應(yīng)）39幾個相似的反應(yīng)（酚類的反應(yīng)）40

呋喃、吡咯和噻吩環(huán)的制備方法，常采用1,4-二羰基化合物為原料。5.呋喃、吡咯和噻吩環(huán)的制法40呋喃、吡咯和噻吩環(huán)的制備方法，常采用1,41

吡咯環(huán)還常用克諾爾（knorr）合成法來合成，此法是由α-氨基酮與β-二羰基化合物（如β-酮酸酯）發(fā)生縮合反應(yīng)。α-氨基酮與β-二羰基化合物41吡咯環(huán)還常用克諾爾（knorr）合成法來42呋喃的衍生物糠醛42呋喃的衍生物糠醛43第二節(jié)含兩個雜原子的五元雜環(huán)

環(huán)中含有二個雜原子的體系稱為唑（azole），根據(jù)雜原子的位置不同，可以分為1,2-唑與1,3-唑。當(dāng)雜環(huán)化合物含有不同的雜原子時，按氧、硫、氮的順序編號，并使雜原子的編號最小。1,2-唑1,3-唑異噁唑異噻唑吡唑噁唑噻唑咪唑43第二節(jié)含兩個雜原子的五元雜環(huán)環(huán)中含44咪唑的分子結(jié)構(gòu)44咪唑的分子結(jié)構(gòu)45

在噁唑、異噁唑分子中，由于氧原子的吸電子效應(yīng)，使氮原子供電能力減弱，故堿性下降，尤其是異噁唑的堿性最弱。咪唑具有較高的堿性，具有對稱的共軛酸，共軛是正電荷分布均勻，穩(wěn)定性提高。pKa-2.031.32.42.57.0唑中的氮原子在其sp2雜化軌道中有一對孤對電子，因此具有堿性，但比一般的胺弱。因?yàn)閟p2比sp3雜化軌道s成分多，離核近。45在噁唑、異噁唑分子中，由于氧原子的吸電子46

1,3-唑及1,2-唑與呋喃、噻吩、吡咯類似，都可以發(fā)生親電取代反應(yīng)，但由于唑分子中增加了一個吸引電子的氮原子，降低了環(huán)上的電子云密度，因而唑的親電取代的反應(yīng)活性較呋喃、噻吩、吡咯為低。1,2-唑與1,3-唑的親電取代反應(yīng)的活性順序有：1,2-唑1,3-唑461,3-唑及1,2-唑與呋喃、噻吩、吡咯47

唑發(fā)生親電取代反應(yīng)時，取代的位置與呋喃、噻吩、吡咯有所差別。1,2-唑取代位置都在4-位，1,3唑中咪唑環(huán)的取代位置也在4-位，而噻唑環(huán)的取代位置都以5-位為主。47唑發(fā)生親電取代反應(yīng)時，取代的位置與呋喃、484849第三節(jié)含一個雜原子的六員芳雜化合物（吡啶）的性質(zhì)吡啶的結(jié)構(gòu)共振能：23卡/molsp2軌道49第三節(jié)含一個雜原子的六員芳雜化合物（吡啶）的性質(zhì)吡啶50象叔胺有親核性和堿性N可被氧化吡啶性質(zhì)的初步分析亞胺結(jié)構(gòu)片斷有親電性與親核試劑反應(yīng)不飽和性可加氫還原與苯相似有芳香性可親電取代50象叔胺吡啶性質(zhì)的初步分析亞胺結(jié)構(gòu)片斷不飽和性與苯相似511吡啶的堿性和親核性（1）堿性合成上作為有機(jī)堿Knoevenagel反應(yīng)脂肪胺>吡啶>苯胺>吡咯由于N上的電子未參與共軛，具有堿性，孤電子對在sp2雜化軌道中，孤電子對的s成分高，不易給出電子，接受質(zhì)子的能力弱，為弱堿，比脂肪胺弱，比芳胺強(qiáng)。511吡啶的堿性和親核性（1）堿性合成上作為有機(jī)堿K52其它應(yīng)用——制備吡啶鹽試劑如磺化試劑（2）親核性吡啶的烷基化N-甲基吡啶鹽的重排N-甲基吡啶鹽52其它應(yīng)用——制備吡啶鹽試劑如磺化試劑（2）親核性吡啶53吡啶的?；捌鋺?yīng)用酰基化機(jī)理53吡啶的?；捌鋺?yīng)用?；瘷C(jī)理542.吡啶環(huán)上的親電取代待解答的兩個問題:取代位置：哪個為主？反應(yīng)活性：比苯快?還是比苯慢?542.吡啶環(huán)上的親電取代待解答的兩個問題:取代位置：哪55吡啶的親電取代反應(yīng)的活性比苯弱,類似硝基苯,親電取代反應(yīng)總是發(fā)生在3位或5位(β-位),吡啶環(huán)上由給電子基時,親電取代反應(yīng)活性增強(qiáng)。?吡啶（N吸電子能力較強(qiáng)），為缺電子芳雜環(huán)，故比苯難親電取代，和硝基苯相似.只有在極強(qiáng)的條件下才能發(fā)生硝化、磺化及鹵化反應(yīng)。但不發(fā)生F-C烷基化、酰化反應(yīng)；吡啶環(huán)上有烷氧基，氨基等給電子基時，有助于親電取代反應(yīng)的進(jìn)行，但反應(yīng)活性仍低于相應(yīng)的苯系化合物；55吡啶的親電取代反應(yīng)的活性比苯弱,類似硝基苯,親電取代反應(yīng)56鈍化b取代起強(qiáng)吸電子基作用對比：56鈍化起強(qiáng)吸電子基作用對比：57其它鈍化現(xiàn)象有給電子基時反應(yīng)較易進(jìn)行57其它鈍化現(xiàn)象有給電子基時反應(yīng)較易進(jìn)行58(i)由吡啶的共振式分析:結(jié)論:1.環(huán)上帶正電,不利于親電取代

2.b位的正電荷密相對較低（較易反應(yīng)的位置對反應(yīng)取向及鈍化現(xiàn)象的解釋58(i)由吡啶的共振式分析:結(jié)論:1.環(huán)上帶正電,59

(ii)由反應(yīng)的中間體穩(wěn)定性分析取代在a

位不穩(wěn)定正電荷在電負(fù)性大的原子上中間體有兩個主要共振式59(ii)由反應(yīng)的中間體穩(wěn)定性分析取代在a位不穩(wěn)60取代在b

位中間體有三個主要共振式，較穩(wěn)定60取代在b位中間體有三個主要共振式，較穩(wěn)定61取代在g

位不穩(wěn)定正電荷在電負(fù)性大的原子上中間體有兩個主要共振式（與a位反應(yīng)類似）61取代在g位不穩(wěn)定中間體有兩個主要共振式623.吡啶環(huán)上的親核取代反應(yīng)通過氧化去氫或與負(fù)氫接受體結(jié)合亞胺片斷親核加成——負(fù)氫消除過程623.吡啶環(huán)上的親核取代反應(yīng)通過氧化去氫亞胺片斷親核加成63（1）NaNH2與吡啶的親核取代反應(yīng)機(jī)理:63（1）NaNH2與吡啶的親核取代反應(yīng)機(jī)理:64（2）PhLi

與吡啶的親核取代64（2）PhLi與吡啶的親核取代65（3）a或g位有離去基團(tuán)時的親核取代（與硝基苯類似，取代易進(jìn)行）機(jī)理：制備a-吡啶酮的其它方法例：好離去基65（3）a或g位有離去基團(tuán)時的親核取代（與硝基苯66其它取代例子66其它取代例子674.吡啶的還原和氧化（1）還原吡啶環(huán)比苯環(huán)易被還原674.吡啶的還原和氧化（1）還原吡啶環(huán)比苯環(huán)易被68（2）氧化氧化在側(cè)鏈上氧化在N上對比：吡啶的抗氧化能力比苯強(qiáng)，只氧化側(cè)鏈。68（2）氧化氧化在側(cè)鏈上氧化在N上對比：吡啶的695.N-氧化吡啶的性質(zhì)(1)有親電性（易與親電試劑發(fā)生親電取代，取代在4位）對比：反應(yīng)活性不同取代位置不同695.N-氧化吡啶的性質(zhì)(1)有親電性（易與親電試70(2)有親核性（易與親核試劑進(jìn)行親核加成）對比：反應(yīng)較快70(2)有親核性（易與親核試劑進(jìn)行親核加成）對比：反應(yīng)較71為什么N-氧化吡啶既有親電性又有親核性？(i)結(jié)構(gòu)上有相似性鄰對位負(fù)電荷密度較大（1）N-氧化吡啶有兩種形式的共振式71為什么N-氧化吡啶既有親電性又有親核性？(i)結(jié)構(gòu)上有相72保留吡啶的特點(diǎn)鄰對位正電荷密度較大(ii)結(jié)構(gòu)上有相似性72保留吡啶的特點(diǎn)(ii)結(jié)構(gòu)上有相似性73（2）反應(yīng)的中間體較穩(wěn)定(i)親電取代機(jī)理73（2）反應(yīng)的中間體較穩(wěn)定(i)親電取代機(jī)理74(ii)親核加成及進(jìn)一步機(jī)理比較穩(wěn)定親電性較強(qiáng)74(ii)親核加成及進(jìn)一步機(jī)理比較穩(wěn)定親電性較強(qiáng)75（3）還原反應(yīng)75（3）還原反應(yīng)766.吡啶2和4位側(cè)鏈上的反應(yīng)吡啶2和

4位的a氫有弱酸性醛酮的類似性質(zhì)有親核性對比烯醇負(fù)離子共軛烯醇負(fù)離子766.吡啶2和4位側(cè)鏈上的反應(yīng)吡啶2和醛77反應(yīng)舉例:(1)與醛酮加成機(jī)理：類似于醛酮的什么反應(yīng)？77反應(yīng)舉例:(1)與醛酮加成機(jī)理：類似于醛酮的什么反應(yīng)78(2)Michael加成(3)烷基化78(2)Michael加成(3)烷基化79(4)Lewis酸作用下的加成反應(yīng)機(jī)理：Lewis酸加強(qiáng)了a氫的酸性79(4)Lewis酸作用下的加成反應(yīng)機(jī)理：Lewis80第四節(jié)含一個雜原子的苯并五員雜環(huán)體系三種苯并五員雜環(huán)體系親電取代反應(yīng)：吲哚苯并呋喃苯并噻吩芳香性比苯環(huán)差負(fù)電荷密度校大80第四節(jié)含一個雜原子的苯并五員雜環(huán)體系三種苯并五員雜環(huán)81親電取代中間體分析：芐基型正碳離子（有兩個主要共振式）滿足八隅體兩種中間體均有一定的穩(wěn)定性（一個主要共振式）81親電取代中間體分析