中國藥科大學有機化學課件—第十四章雜--環(huán)--化--合--物.ppt

1、第十四章 雜 環(huán) 化 合 物,主要內(nèi)容,第一節(jié) 雜環(huán)化合物的分類和命名 第二節(jié) 六元雜環(huán)化合物 第三節(jié) 五元雜環(huán)化合物,第一節(jié) 雜環(huán)化合物的分類和命名,1、脂雜環(huán) 沒有芳香特征的雜環(huán)化合物稱為脂雜環(huán)。,三元雜環(huán),四元雜環(huán),五元雜環(huán),七元雜環(huán),(氮雜環(huán)丙烷),(-丙內(nèi)酯),(-丙內(nèi)酰胺),(順丁烯二酸酐),(氧雜),(1H-氮雜),(環(huán)氧乙烷),（一）分類,2 、芳雜環(huán) 具有芳香特征的雜環(huán)化合物稱為芳雜環(huán),苯并雜環(huán),雜環(huán)并雜環(huán),五元雜環(huán),六元雜環(huán),呋喃,噻吩,吡咯,噁唑,噻唑,咪唑,吡唑,吡啶,嘧啶,吡喃(無芳香性),吲哚,喹啉,異喹啉,嘌呤,(二) 命名,命名原則:,雜環(huán)的命名常用音譯法，是按

2、外文名詞音譯成帶“口”字旁的同音漢字。,當環(huán)上有取代基時，取代基的位次從雜原子算起依次用1,2,3, (或,)編號。 如雜環(huán)上不止一個雜原子時，則從O、S、N順序依次編號。編號時雜原子的位次數(shù)字之和應最小。,五元雜環(huán),五元雜環(huán)苯并體系,呋喃(furan),噻吩(thiophene),吡咯(pyrrole),苯并呋喃 (benzofuran),苯并噻吩 (benzothiophene),苯并吡咯 吲哚 (indole),實例:,六元雜環(huán),吡啶(pyridine),吡喃(pyran),-吡喃酮 (-pyrone),-吡喃酮 (-pyrone),噠嗪(pyridazine),嘧啶(pyrimidin

3、e),吡嗪(pyrazine),雜環(huán)并雜環(huán),喹啉 (quinoline),異喹啉 (isoquinoline),苯并吡喃(benzopyran),苯并-吡喃酮 (benzo-pyrone),嘌呤(purine),六元雜環(huán)苯并環(huán)系,(一) 吡啶,共軛效應和誘導效應都是吸電子的,孤電子對在sp2雜化軌道上。,結構：吡啶N是sp2雜化，孤電子對不參與共軛。 反應：堿性較強。環(huán)不易發(fā)生親電取代反應但易發(fā)生親核 取代反應。發(fā)生親電取代反應時，環(huán)上N起間位定 位基的作用。發(fā)生親核取代反應時，環(huán)上N起鄰對 位定位基的作用。,1 電子結構,第二節(jié) 六元雜環(huán)化合物,2 物理性質(zhì),氮原子的電負性較大,使吡啶有較大

4、極性,其偶極距數(shù)值較大.,=2.20D =1.17D,吡啶能與水以任意比例混溶,又能溶解大多數(shù)極性或非極性 有機化合物,甚至許多無機鹽類,是一個良好的溶劑。,3 堿性,吡啶N是sp2雜化，孤電子對不參與共軛，可以與質(zhì)子 結合或給出電子，顯弱堿性。利用它的堿性，可從混 合物中分離吡啶類化合物，在化學反應中還可用作催 化劑和除酸劑。,4 化學反應,(1) 氮原子上的反應,(2) 親電取代反應,吡啶環(huán)上氮原子為吸電子基，故吡啶環(huán)屬于缺電子的芳雜環(huán)，和硝基苯相似。其親電取代反應很不活潑，反應條件要求很高，不起傅-克烷基化和酰基化反應。親電取代 反應主要在-位上。,由吡啶的共振式分析:,結論: 1. 環(huán)

5、上帶正電, 不利 于親電取代 2. b 位的正電荷密相 對較低,解釋原因:,由取代反應的中間體穩(wěn)定性分析,1. 取代在 a 位,2. 取代在 b 位,3. 取代在 g 位,中間體較為穩(wěn)定,實驗事實：鈍化和 b取代,其它反應現(xiàn)象,環(huán)上有給電子基時反應相對較易進行,(3) 親核取代反應,取代主要發(fā)生在 a 位,當 a 或 g 位有其它離去基團時，反應易發(fā)生,(4) 氧化和還原反應,氧化在側(cè)鏈上,氧化在 N 上,復習：叔胺的氧化,吡啶的類似反應,N-氧化吡啶的性質(zhì)：比吡啶易與親電試劑或親核試劑反應,(a) 與親電試劑的親電取代,(b) 與親核試劑的親核加成,為什么N-氧化吡啶既有親電性又有親核性,(

6、a) 由共振結構分析（有兩種形式的共振式）,有苯氧基負離子特點，環(huán)上的 2, 4, 6 三個位置負電荷密度較大,保留吡啶的特點，氧負離子使環(huán)上的正電荷密度增大,(b) 由反應過程分析（中間體的穩(wěn)定性分析）,親電取代及進一步的反應過程,對比：吡啶的直接親電取代,不穩(wěn)定,(二） 喹啉和異喹啉,喹啉和異喹啉：,1 結構與物理性質(zhì)：,結構： *雜環(huán)部分性質(zhì)象吡啶(堿性和親和性、親電取代、 親核取代、氧化反應、還原反應、支鏈上的反應) *碳環(huán)部分性質(zhì)象萘(親電取代及其取代定位作用),堿性強弱：喹啉吡啶異喹啉,喹啉在常溫時是無色油狀液體，有類似吡啶的惡臭， 沸點238，異喹啉為低熔點的固體，氣溫類似于 苯

7、甲醛，熔點26，沸點243。,物理性質(zhì)：,（1） 親電取代反應:,反應產(chǎn)物受介質(zhì)的影響。若反應在酸性介質(zhì)中進行，取代主要在苯環(huán)上發(fā)生。喹啉主要發(fā)生在C-5與C-8位，而異喹啉以C-5產(chǎn)物為主。,若反應在有機溶劑中進行，取代在雜環(huán)上發(fā)生。,2 化學反應,從反應中間體的穩(wěn)定性解釋反應結果：,（2） 親核取代反應,親核取代反應主要在吡啶環(huán)上發(fā)生，喹啉的反應位置 在2位和4位(2位為主)，異喹啉在1位；,實例：,（3） 氧化反應,*1 喹啉和異喹啉與絕大多數(shù)氧化劑不發(fā)生反應；,*2 與高錳酸鉀能發(fā)生反應：,*3 喹啉與異喹啉在過酸的作用下均可形成N-氧化物。,（4） 還原反應,反十氫喹啉,順十氫喹啉,

8、3 喹啉及其衍生物的合成,1 斯克勞普(Skraup, Z.H.)反應：苯胺、甘油、硫酸和基苯等氧化劑一起作用，生成喹啉的反應稱為斯克勞普反應。,實 例,eg 2,eg 1,eg 4,eg 3,2 弗里德倫德(Friedlander)反應：,eg 1,eg 2,芳香族鄰氨基羰基化合物發(fā)生縮合反應，得到喹啉或它的衍生物，這稱為弗里德倫德反應。,(三） 含二個氮原子的六元雜環(huán),含有兩個氮原子的六元雜環(huán)體系稱作二嗪類，因氮原子 在環(huán)中的相對位置不同，二嗪類有三種異構體：噠嗪、 嘧啶、吡嗪。,噠嗪(pyridazine),嘧啶(pyrimidine),吡嗪(pyrazine),1 結構與物理性質(zhì),二嗪

9、類環(huán)上的兩個氮原子，其電子構形與吡啶中的氮原子 相同，各有一對未共用電子對，位于sp2雜化軌道上，能與 水經(jīng)氫鍵締合。噠嗪與嘧啶因結構的不對稱性，分子有一 定的極性，可與水混溶，吡嗪因分子極性小而水溶性略小。 二嗪類化合物都是一元堿,而且堿性都比吡啶弱.,2 化學反應,（1）. 親電取代反應,反應最易在2位發(fā)生，其次是4,6位,取代鹵素要比取代負氫更容易,（2）. 親核取代反應,利用親核取代反應可制取烴基取代的二嗪。,二嗪不易被氧化。若用過酸氧化，得嘧啶單N-氧化物,（3） 氧化,（4） 側(cè)鏈-H反應,羥醛縮合型,烷基化反應,吡喃環(huán)系,吡喃及其衍生物無芳香特性,吡喃酮的钅,羊鹽是芳香體系。,(

10、四) 含氧原子的六元雜環(huán),(一 ) 呋喃、噻吩、吡咯的結構 (二) 吲哚 (三) 含兩個雜原子的五元雜環(huán),第三節(jié) 五元雜環(huán)化合物,吡咯的結構,孤電子對在p軌道上。,吡 咯 結構：吡咯N是sp2雜化，孤電子對參與共軛。 反應：堿性較弱，環(huán)易發(fā)生親電取代反應，環(huán)上相當 有一個鄰對位定位基。,共軛效應是給電子的。誘導效應是吸電子的。,(一) 呋喃、噻吩、吡咯的結構,呋喃、噻吩的結構請同學自己分析。,1 電子結構及芳香性,呋喃、噻吩、吡咯在結構上具有共同點，即構成環(huán)的五個原子都為sp2雜化，故成環(huán)的五個原子處在同一平面，雜原子上的孤對電子參與共軛形成共軛體系，其電子數(shù)符合休克爾規(guī)則（電子數(shù) = 4n+

11、2），所以，它們都具有芳香性。,2 物理性質(zhì),都能溶于有機溶劑,水溶解度都小于六元雜環(huán)吡啶 溶解度順序為：吡咯呋喃噻吩 吡咯幾乎不顯堿性, 相反具有弱酸性,3 呋喃、噻吩、吡咯化學反應,分子接受一個質(zhì)子的反應稱為質(zhì)子化反應.,（1）呋喃、噻吩、吡咯在酸的作用下可質(zhì)子化；,（2） 質(zhì)子化反應主要發(fā)生在C-2上；,-C質(zhì)子化,-C質(zhì)子化,N-質(zhì)子化,質(zhì)子化反應,（3） 由于-C的質(zhì)子化反應，吡咯在強酸作用 下會因聚合而被破壞；,（4） 在稀的酸性水溶液中，呋喃的質(zhì)子化在氧 上發(fā)生并導致水解開環(huán)。,呋喃、噻吩、吡咯的親電取代反應,*1 親電取代反應的活性順序為：,吸電子誘導：O(3.5) N(3.0

12、) S(2.6) 給電子共軛：N O S 綜合：N貢獻電子最多，O其次，S最少,電子密度-絡合物,八隅體結構最穩(wěn)定,無最穩(wěn)定結構,（1）概述,*2 取代反應主要發(fā)生在-C上；,*3 吡咯、呋喃對酸及氧化劑比較敏感，選擇試 劑時需要注意；,*4 噻吩、吡咯的芳香性較強，所以易取代而不易 加成；呋喃的芳香性較弱，雖然也能與大多數(shù) 親電試劑發(fā)生親電取代，但在強親核試劑存在 下，能發(fā)生親核加成。,離域能：噻吩：121.3 kJmol-1吡咯：87.8 kJmol -1 呋喃：66.9 kJmol -1,（1） 呋喃、噻吩、吡咯的鹵化反應,反應強烈，易得多鹵取代物。為了得一鹵代(Cl, Br)產(chǎn)物，要采

13、用低溫、溶劑稀釋等溫和條件。,碘不活潑，要用催化劑才能發(fā)生一元取代,（2） 呋喃、噻吩、吡咯的硝化反應,呋喃, 噻吩和吡咯易氧化, 一般不用硝酸直接硝化; 通常用比較溫和的非質(zhì)子硝化試劑，如：硝酸乙酰酯。 反應在低溫下進行。,呋喃比較特殊,先生成穩(wěn)定的或不穩(wěn)定的2,5加成產(chǎn)物, 然后加熱或用吡啶除去乙酸,得到硝化產(chǎn)物。,（3） 呋喃、噻吩、吡咯的磺化反應,吡咯、呋喃不太穩(wěn)定，所以須用溫和的磺化試劑磺化。常用的溫和的非質(zhì)子的磺化試劑有：吡啶與三氧化硫的加合化合物。,噻吩比較穩(wěn)定，既可以直接磺化（產(chǎn)率稍低），也可以用溫和的磺化試劑磺化。,(固體，含量90 %),（4） 呋喃、噻吩、吡咯的傅氏?；?/p>

14、反應,Eg 1,Eg 4,Eg 3,Eg 2,sp2雜化,sp3雜化,碳上?；姾商幵陔x域范圍內(nèi)，較穩(wěn)定。,氮上?；?，正電荷不處在離域范圍內(nèi)。,呋喃、噻吩的?；磻?C上發(fā)生，而吡咯的?；磻ú挥么呋瘎┘饶茉?-C上發(fā)生，又能在N上發(fā)生。在 -C上發(fā)生比在N上發(fā)生容易。,（5） 吡咯的特殊反應,吡咯的性質(zhì)與苯酚類似，都具有酸性，但吡咯的酸性比苯酚小。吡咯與苯胺也有類似性質(zhì)。,吡咯成鹽后，使環(huán)上電荷密度增高，親電取代反應更易進行。,HCON(CH3)2 POCl3,CHCl3 25%NaOH,(NH4)2CO3 130oC,C6H5N2+X- C2H5OH-H2O AcONa,RMgX

15、,1 CO2 2 H2O,CO2 加熱 加壓,RCOCl,RX,(6) 呋喃、吡咯、噻吩的加成反應,（1） 加氫反應,（2） Diels-Alder反應,呋喃最易發(fā)生Diels-Alder反應,噻吩基本上不發(fā)生雙烯加成，即使在個別情況下生成也是一個不穩(wěn)定的中間體，直接失硫轉(zhuǎn)化為別的產(chǎn)物。,對取代位置的解釋（對反應中間體的相對穩(wěn)定性的分析）,取代在a位,取代在b位,(二) 吲哚,三種五員雜環(huán)苯并體系,親電取代反應：,從反應的中間體分析：,進攻3-位,反應易于進行,吲哚的合成,苯肼與醛、酮類化合物在酸性條件下加熱生成吲哚及其衍生物的反應稱為費歇爾(Fischer, E.)合成法。,（1）互變異構,

16、N-N(單鍵),N=N(雙鍵),5-甲基咪唑,4-甲基咪唑,4(5)-甲基咪唑(因為4-甲基咪唑和5-甲基咪唑不可分離),1 唑的結構,(三) 含有兩個雜原子的五元雜環(huán)體系,（2）結構,吡咯N(孤電子對參與共軛，所以堿性較弱),吡啶N(孤電子對不參與共軛，所以堿性較強),吡咯N的孤電子對處于p軌道,一般胺中的N是sp3雜化。 N 的孤電子對處于sp3雜化軌道,sp3軌道,堿性：,N 的孤電子對處于sp2雜化軌道,吡啶N與吡咯N均為sp2雜化。,（2）堿性,1. 1,2-唑與1,3-唑都有吡啶N，所以都有堿性。 2. 1,3-唑的堿性比1,2-唑強。 因為兩個雜原子互相影響大。 3. 咪唑的堿性噻唑的堿性噁唑的堿性 由綜合電子效應決定。,2 物理性質(zhì),(1) 熔沸點,唑的反應 主要討論親電取代反應,1 反應性,唑的反應性比呋喃、噻吩、吡咯差，這是因為分子中多了一個吡啶N，使共軛體系的電子云密