第四章含氧五員雜環(huán)及其稠環(huán)體系

1、第四章,含氧五員雜環(huán)及其稠環(huán)體系,4 含氧五員雜環(huán)及其稠環(huán)體系,4.1 五元雜環(huán)的簡(jiǎn)介 4.2 呋喃 4.2.1結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì) 4.2.2化學(xué)性質(zhì)和反應(yīng) 4.2.3合成方法 4.3 苯并呋喃 4.4 四氫呋喃,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,3,五元雜環(huán),呋喃,噻吩,吡咯,噁唑,噻唑,咪唑,吡唑,4.1 五元雜環(huán)的簡(jiǎn)介,4.1.1 五元雜環(huán)的命名,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,4,五元雜環(huán)苯并體系,苯并呋喃 (benzofuran),苯并噻吩 (benzothiophene),苯并吡咯 吲哚 (indole),第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,5,4.1.2 五元雜環(huán)的結(jié)構(gòu),呋喃、噻吩、吡咯的

2、結(jié)構(gòu),呋喃 噻吩 吡咯,呋喃、噻吩、吡咯電子數(shù)符合休克爾規(guī)則（4n+2），因此具有芳香性。,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,6,呋喃,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,7,噻吩,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,8,吡咯,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,9,在呋喃、噻吩、吡咯分子中，是由5個(gè)原子，6個(gè)電子組成的共軛體系，使環(huán)上碳原子的電子云密度增加，所以稱為富電子芳雜環(huán)或多電子芳雜環(huán)。 進(jìn)行親電取代反應(yīng)比苯和吡啶容易。 吡咯分子中的氮原子上連有一個(gè)氫原子，由于氮原子的p電子參與了環(huán)上共軛，降低了對(duì)這個(gè)氫原子的吸引力，使得氫原子變得比較活潑，具有弱酸性。,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,10,由此可

3、見，苯分子中的鍵長(zhǎng)完全平均化，而五元雜環(huán)化合物分子中的鍵長(zhǎng)只是有一定程度的平均化。因此，五元雜環(huán)化合物的芳香性比苯差。,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,11,離域能： 150.5 117 88 67 kJ / mol,芳香性次序是：,穩(wěn)定性不如苯環(huán)； 呋喃和吡咯在強(qiáng)質(zhì)子酸環(huán)境中，都容易開環(huán)。,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,12,五元雜環(huán)化合物具有芳香性的另一個(gè)標(biāo)志就是環(huán)上的氫受離域電子環(huán)流的影響，其核磁共振信號(hào)都出現(xiàn)在低場(chǎng)區(qū)。- H 由于受雜原子吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)的影響，其值較大。,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,13,五元雜環(huán)化合物的化學(xué)性質(zhì),呋喃、吡咯和噻吩容易進(jìn)行親電取代反應(yīng)。 它們的親電

4、取代反應(yīng)都比苯活潑(吡咯呋喃噻吩苯)，其活潑性同苯酚、苯胺相似。 由于它們的高度活潑性以及呋喃和吡咯對(duì)于無機(jī)強(qiáng)酸的敏感性，其親電取代反應(yīng)需要比較溫和的條件。,4.2 呋喃,4.2.1 結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì),所有原子都在一個(gè)平面上，形成一個(gè)略微變形的正五角形。 四氫呋喃的偶極矩為1. 75 D，而呋喃只有0.75 D,說明呋喃環(huán)上氧的負(fù)電荷遠(yuǎn)不如四氫呋喃的氧，在組成大鍵時(shí)它確實(shí)失去部分負(fù)電荷。,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,15,呋喃環(huán)碳凈得到一些負(fù)電荷,a-碳比-碳略多。這可解釋呋喃易發(fā)生親電反應(yīng)，a-位又易于-位。,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,16,呋喃環(huán)中單雙鍵的這種平均化程度還是較小的，

5、2-3和4-5間還較接近雙鍵。事實(shí)上，呋喃環(huán)有明顯的共軛雙烯的化學(xué)性質(zhì)。,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,17,1.親電取代反應(yīng) 呋喃發(fā)生親電取代反應(yīng)的速度要比苯快。原因如下: 呋喃的共振能比苯低； 呋喃環(huán)上每個(gè)原子的電子密度大于1，而苯環(huán)上每個(gè)原子的電子密度等于1。,4.2.2化學(xué)性質(zhì)和反應(yīng),第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,18,4.2.2化學(xué)性質(zhì)和反應(yīng),呋喃很容易發(fā)生鹵化反應(yīng)，而且往往得到多鹵化物。呋喃在溫和條件下(如溶劑稀釋及低溫)反應(yīng)可得一鹵代產(chǎn)物；,(1) 鹵化,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,19,(2) 硝化,呋喃通常用較溫和的硝化試劑硝酸乙酰酯在低溫下進(jìn)行反應(yīng)；,呋喃在此反應(yīng)中

6、先生成穩(wěn)定或不穩(wěn)定的2,5-加成產(chǎn)物,然后加熱或用吡啶除去乙酸,得硝化產(chǎn)物。,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,20,(3)磺化,呋喃常用較溫和的磺化試劑吡啶與三氧化硫加合物進(jìn)行反應(yīng),第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,21,(4) 酰化,呋喃可用酸酐或酰氯在傅-克催化劑作用下發(fā)生?；磻?yīng)；,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,22,2. 金屬化反應(yīng),正丁基鋰的己烷溶液可使呋喃2-位金屬化。,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,23,3. 加成反應(yīng),催化氫化 呋喃較易氫化,生成四氫呋喃；呋喃可用一般催化劑。,THF,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,24,1,4-加成反應(yīng) 在某些加成反應(yīng)中，呋喃的性質(zhì)類似于1

7、,3一二烯烴。如呋喃的甲醇溶液在乙酸鉀存在下和溴發(fā)生1,4-加成反應(yīng)，生成2，5-二甲氧基-2，5-二氫呋喃。,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,25,Diels-Alder加成反應(yīng) 呋喃和馬來酸酐能發(fā)生Diels-Alder加成反應(yīng)，進(jìn)一步表明呋喃和1,3一丁二烯的性質(zhì)類似。,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,26,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,27,4.開環(huán)反應(yīng),呋喃在質(zhì)子酸的作用下，在2-位而不是在氧原子上發(fā)生質(zhì)子化。,1,4-二碳基衍生物2,5-己二酮。,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,28,4.2.3 合成方法,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,29,在酸堿平衡中，酸加到1,4-二羰基體

8、系13中的一個(gè)羰基上，使第2個(gè)羰基能與其發(fā)生分子內(nèi)親核反應(yīng)形成14；最后，在酸催化下，發(fā)生-消除反應(yīng)。,1. 1,4-二羰基化合物 （Paal-Knorr反應(yīng)）,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,30,2. Feist-Benary合成,a-鹵代羰基化合物和-酮羧酸酯發(fā)生環(huán)縮合反應(yīng)生成3-呋喃酸。,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,31,環(huán)狀的1，3-二酮也可以與-鹵代碳基化合物反應(yīng)生成呋喃衍生物。,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,32,C烷基化(Paal-Knorr反應(yīng))和羥醛縮合(Feist-Benary反應(yīng))之間的競(jìng)爭(zhēng) 。,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,33,3.噁唑環(huán)與活潑的炔烴進(jìn)行Di

9、els-Alder反應(yīng),4-甲基一1 ，3 - 噁唑(20)和丁炔二酸二甲酯反應(yīng)，經(jīng)過不易分離的中間體21，生成呋喃-3，4一二羧酸酯(22)。,第一步是4+2環(huán)合反應(yīng)，第二步是4十2開環(huán)反應(yīng)。,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,34,4.3 苯并呋喃,4.3.1結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì),第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,35,由于與苯環(huán)稠合，苯并呋喃比呋喃穩(wěn)定得多。 苯并呋喃環(huán)仍然是富電子芳香環(huán)，以與親電試劑反應(yīng)為特征。 苯并呋喃與親電試劑反應(yīng)時(shí)，主要發(fā)生在a-位。 但2,3位上仍有較明顯的雙鍵性質(zhì)，容易發(fā)生加成反應(yīng)。,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,36,4.3.2 苯并呋喃的化學(xué)性質(zhì),1.親電加成反應(yīng)

10、 （1）硝化 苯并呋喃可直接用硝酸硝化得2-硝基苯并呋喃，同時(shí)產(chǎn)生少量的5-硝基苯并呋喃。,如-位已被其他基團(tuán)所占，則反應(yīng)發(fā)生在-位。,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,37,(2) 在Vilsmeier甲酰化條件下，生成苯并糠醛;,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,38,2. 2+2環(huán)加成反應(yīng),和呋喃不同的是，由于苯并呋喃中的苯環(huán)有很高的共振能，因而不會(huì)發(fā)生【4+2】環(huán)加成反應(yīng)。 與丁炔二酸二甲酯反應(yīng)生成環(huán)丁烯衍生物。,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,39,在-78時(shí)，2,3-二甲基苯并呋喃經(jīng)光氧化生成二氧雜環(huán)丁烷衍生物，該衍生物在室溫下可異構(gòu)化成2一乙酰氧基苯乙酮。,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)

11、體系,40,4.3.3苯并呋喃的制備方法,1.苯并b呋喃最早是由從香豆素制得的； 反應(yīng)中間體3,4-二溴-3，4-二氫香豆素在KOH作用下生成苯并b呋喃的反應(yīng)叫Perkin重排反應(yīng)。,苯并b呋喃曾經(jīng)叫香豆酮。,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,41,由香豆素溴化后經(jīng)開環(huán)再成環(huán)為苯并呋喃環(huán)。,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,42,2.苯并b呋喃也可由苯酚鹽和鹵代酮反應(yīng)，然后在H2SO4、多聚磷酸或分子篩作用下發(fā)生環(huán)化脫水而生成:,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,43,3.在PdI2/硫脲/ CBr4共催化體系作用下，(鄰-羥基芳基)乙炔可環(huán)化生成過渡金屬中間體3,3在甲醇中羰基化生成苯并b呋喃-3

12、-羧酸酯。,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,44,4.4 四氫呋喃,4.4.1結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì),四氫呋喃中C-O及C-C間的鍵長(zhǎng)為分別142.8pm和153.5pm，這些數(shù)值與二烷基醚中相應(yīng)的鍵長(zhǎng)接近。,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,45,四氫呋喃的氫原子和碳原子的核磁共振化學(xué)位移如下所示:,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,46,上述數(shù)值符合典型的二烷基醚結(jié)構(gòu)，而與呋喃的數(shù)值明顯不同。 與氧雜環(huán)丁烷相似，四氫呋喃可以發(fā)生親核開環(huán)反應(yīng)。,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,47,4.4.2 四氫呋喃的化學(xué)反應(yīng),1.四氫呋喃與鹽酸一塊加熱得到4-氯丁基-1-醇。,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,48,2.烷基鋰，如正丁基鋰也會(huì)導(dǎo)致開環(huán)。 首先，形成四氫呋喃-2-鋰，它在室溫下會(huì)通過逆3+2環(huán)合過程緩慢分解，生成乙烯和乙醛的烯醇鋰:,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,49,4.4.3四氫呋喃的制備方法,1.合成四氫呋喃衍生物的最簡(jiǎn)單方法是1,4-二醇脫水。,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,50,2.另一種合成四氫呋喃衍生物的方法是，-不飽和醇的關(guān)環(huán)。,第四章 含氧五元雜環(huán)及稠環(huán)體系,51,三、四章作業(yè),1.以環(huán)庚烯(X)為起始原料依次發(fā)生下列反應(yīng)： （1）X與間氯過氧苯甲酸發(fā)生反應(yīng)，生成A; （2）A與C6H5SH在六氟