沈陽藥科大學有機化學電子教案第十四章.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 第二節(jié) 雜環(huán)化合物的命名 第三節(jié) 雜環(huán)化合物結構與芳香性 第四節(jié) 五元雜環(huán)化合物 第五節(jié) 六元雜環(huán)化合物,在環(huán)狀化合物中，構成環(huán)的原子除了碳原子外還有其他原子的，這種環(huán)狀化合物稱為雜環(huán)化合物。組成雜環(huán)的原子除碳原子外都叫做雜原子。最常見的雜原子有氮、氧、硫。 前面一些章節(jié)中學習過的一些化合物雖然含有雜原子組成的雜環(huán)，但是由于其性質(zhì)與其相應的鏈狀化合物類似，因此在有關章節(jié)中，不在這里學習。,(-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),本章主要討論的雜環(huán)化合物，其環(huán)系穩(wěn)定并具有一定程度的芳香性，它

2、們統(tǒng)稱為芳雜環(huán)化合物。,呋喃,吡啶,第一節(jié) 雜環(huán)化合物的分類,雜環(huán)化合物種類繁多，數(shù)量龐大，在自然界中分布很廣。,第二節(jié) 雜環(huán)化合物的分類,雜環(huán)化合物的命名包括基本母環(huán)的命名和環(huán)上取代基的命名，取代基的命名與前面學習的有機化合物的命名一致。而對于雜環(huán)母環(huán)的命名比較復雜。,第二節(jié) 雜環(huán)化合物的命名,一、雜環(huán)母環(huán)的命名,1. IUPAC的Hantzch-Widman引伸命名法,以指定詞干代表成環(huán)原子數(shù)目； 以指定詞首代表雜原子的類別； 以指定詞尾代表環(huán)的不飽和程度。,基本內(nèi)容：在保留常見基本雜環(huán)母體基礎上，其它雜環(huán)母體按照下列原則：,aziridine,1,3-thiazole,第二節(jié) 雜環(huán)化合物

3、的命名,一、雜環(huán)母環(huán)的命名,2. 中國化學會命名原則,目前采用的音譯法。即根據(jù)IUPAC保留的基本雜環(huán)母環(huán)的外文俗名和半俗名的讀音，選擇兩個或三個口字旁同音漢字為名（口字旁作為雜環(huán)的標志）。例如，呋喃，吡啶。 一些常見雜環(huán)母環(huán)的名稱見教材。,第二節(jié) 雜環(huán)化合物的命名,3. 標氫（額外氫）,雜環(huán)母環(huán)在具有最高非累計雙鍵前提下，仍存在異構體。為了區(qū)別，標示環(huán)上飽和原子上氫原子所在位置，命名時在母體名稱前加上標位的阿拉伯數(shù)字和斜體字H，這種氫原子稱為標氫（額外氫）。,1H-吡咯,3H-吡咯,一、雜環(huán)母環(huán)的命名,第二節(jié) 雜環(huán)化合物的命名,3. 標氫（額外氫）,2H-吡喃,4H-吡喃,一、雜環(huán)母環(huán)的命名

4、,第二節(jié) 雜環(huán)化合物的命名,4. 雜環(huán)母環(huán)的命名原則,（1）從雜原子開始編號； （2）如有不止一個相同雜原子時，則使它們有盡可能低的編號； （3）如有不同雜原子時，則按照O、S、NH、N順序先后進行編號； （4）具有特定名稱的稠雜環(huán)母環(huán)的編號，按照稠芳環(huán)編號原則進行編號； （5）個別具有特定名稱的稠雜環(huán)母環(huán)有其獨特編號的例外。例如：嘌呤,一、雜環(huán)母環(huán)的命名,第二節(jié) 雜環(huán)化合物的命名,5. 含有雜環(huán)母環(huán)的化合物命名,一、雜環(huán)化合物的命名：,第二節(jié) 雜環(huán)化合物的命名,二、無特定名稱稠雜環(huán)的命名,在稠雜環(huán)中只有少數(shù)雜環(huán)母環(huán)具有特定名稱，其余的依據(jù)IUPAC原則進行命名，得到能夠反映其結構的名稱。,第

5、二節(jié) 雜環(huán)化合物的命名,二、無特定名稱稠雜環(huán)母環(huán)的命名原則,1. 基本環(huán)和附加環(huán),以含氮雜環(huán)為母體，仍有選擇余地，選擇環(huán)數(shù)較多，且有特定名稱的芳環(huán)為基本環(huán)；,第二節(jié) 雜環(huán)化合物的命名,二、無特定名稱稠雜環(huán)母環(huán)的命名原則,2. 基本環(huán)的確定,(1) 以含氮雜環(huán)為母體，仍有選擇余地，選擇環(huán)數(shù)較多，且有特定名稱的芳環(huán)為基本環(huán)；,第二節(jié) 雜環(huán)化合物的命名,二、無特定名稱稠雜環(huán)母環(huán)的命名原則,2. 基本環(huán)的確定,(2) 如果沒有含氮雜環(huán)，則按照含有優(yōu)先雜原子的雜環(huán)為基本環(huán)；雜原子的優(yōu)先次序：O，S，Se，Te，P，As，Sb，Si，Ge，Sn，Pb，B，Al，Ga，In，Tl,第二節(jié) 雜環(huán)化合物的命名,

6、二、無特定名稱稠雜環(huán)母環(huán)的命名原則,2. 基本環(huán)的確定,(3) 選擇較大的雜環(huán)為基本環(huán)；,第二節(jié) 雜環(huán)化合物的命名,二、無特定名稱稠雜環(huán)母環(huán)的命名原則,2. 基本環(huán)的確定,(4) 選擇雜原子數(shù)目較多的雜環(huán)為基本環(huán)；,第二節(jié) 雜環(huán)化合物的命名,二、無特定名稱稠雜環(huán)母環(huán)的命名原則,2. 基本環(huán)的確定,(5) 選擇雜原子種類較多的雜環(huán)為基本環(huán)；,第二節(jié) 雜環(huán)化合物的命名,二、無特定名稱稠雜環(huán)母環(huán)的命名原則,2. 基本環(huán)的確定,(6) 若環(huán)系大小和環(huán)上雜原子數(shù)目、種類均相同，則選擇兩個環(huán)系稠合前雜原子編號較低的雜環(huán)為基本環(huán)；,第二節(jié) 雜環(huán)化合物的命名,二、無特定名稱稠雜環(huán)母環(huán)的命名原則,2. 基本環(huán)的

7、確定,(7) 若含有共用雜原子，則視兩個稠合環(huán)均含有該雜原子來選擇基本環(huán)。,第二節(jié) 雜環(huán)化合物的命名,二、無特定名稱稠雜環(huán)母環(huán)的命名原則,3. 稠合位置的表示,基本環(huán)按照稠合以前原雜環(huán)編號將各邊分別編為a，b，c，d，； 附加環(huán)仍按照稠合以前原雜環(huán)編號1，2，3，進行編號； 將基本環(huán)稠合邊的置于后面，附加環(huán)編號置于前面，兩者用短線“-”隔開，將稠合邊編號置于方括號 內(nèi)，列在母體名稱中“并”字后面。,第二節(jié) 雜環(huán)化合物的命名,二、無特定名稱稠雜環(huán)母環(huán)的命名原則,3. 稠合位置的表示,第二節(jié) 雜環(huán)化合物的命名,二、無特定名稱稠雜環(huán)母環(huán)的命名原則,3. 稠合位置的表示,第二節(jié) 雜環(huán)化合物的命名,二、

8、無特定名稱稠雜環(huán)母環(huán)的命名原則,4. 稠雜環(huán)體系的周邊編號,從右上角最遠自由角開始，按照順時針依次編號，共用碳原子不編號，共用雜原子參與編號。 按照上述原則仍有選擇余地，按照下列原則來決定： (1)使所有雜原子編號最低； (2)使優(yōu)先雜原子編號最低； (3)使共用碳原子和標氫標號盡可能低。,第二節(jié) 雜環(huán)化合物的命名,二、無特定名稱稠雜環(huán)母環(huán)的命名原則,4. 稠雜環(huán)體系的周邊編號,第二節(jié) 雜環(huán)化合物的命名,二、無特定名稱稠雜環(huán)母環(huán)的命名原則,5.書寫化合物名稱,第三節(jié) 雜環(huán)化合物結構與芳香性,一、 五元雜環(huán)化合物,第三節(jié) 雜環(huán)化合物結構與芳香性,第三節(jié) 雜環(huán)化合物結構與芳香性,呋喃環(huán)上四個碳原子

9、為sp2雜化，三個sp2雜化軌道與其它三個原子形成鍵，還有一個未參與雜化的p軌道，O也是sp2雜化，六個價電子分布情況是兩個在兩個sp2雜化軌道上，與相鄰的碳成鍵，兩個在另一個sp2雜化軌道上，還有兩個價電子在未雜化的p軌道上。四個碳和一個氧原子的P軌道側面交蓋形成共軛體系（封閉鍵）， 電子數(shù)為6。符合Huckel規(guī)則，具有芳香性。 噻吩結構與呋喃相同。 吡咯的氮原子為五個價電子，三個在三個sp2雜化軌道，與其它原子形成三個鍵，未雜化的P軌道上也是兩個價電子，組成封閉鍵， 電子數(shù)為6 ，具有芳香性。,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

10、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+2），所以，它們都具有芳香性。,(1) 苯分子中的鍵長完全平均化，而五元雜環(huán)化合物分子中的鍵長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。其芳香性次序是：,離域能： 150.5 117 88 67 kj / mol,第三節(jié) 雜環(huán)化合物結構與芳香性,(2) 五元雜環(huán)化合物是富電子體系，而苯環(huán)為等電子體系，故環(huán)上的電子云密度比苯高，其親電取代反應比苯容易，尤其易發(fā)生在- 位。雜原子的存在相當于在環(huán)上引入了 NH2、OH、 SH 等活化基團而使環(huán)活化，故進行親電取代反應的活潑順序是：,第三節(jié) 雜環(huán)

11、化合物結構與芳香性,第三節(jié) 雜環(huán)化合物結構與芳香性,噁唑,噻唑,咪唑,吡唑,第三節(jié) 雜環(huán)化合物結構與芳香性,二、 六元雜環(huán)化合物,第三節(jié) 雜環(huán)化合物結構與芳香性,第三節(jié) 雜環(huán)化合物結構與芳香性,二、 六元雜環(huán)化合物,吡啶環(huán)的鍵長也發(fā)生了較大程度的平均化，C C鍵雖與苯相似，但C N鍵變化很大，因此，其芳香性也比苯差。吡啶和苯雖然都屬等電子體系，但因氮原子的電負性較大，從而使環(huán)上的電子云密度降低 ，故其親電取代反應性能不但比苯差，且親電取代反應發(fā)生在電子云密度較高的-位。這一特性很類似于硝基苯。,第三節(jié) 雜環(huán)化合物結構與芳香性,嘧啶,吡喃(無芳香性),吲哚,喹啉,異喹啉,第三節(jié) 雜環(huán)化合物結構與

12、芳香性,嘌呤,綜上所述，五元、六元雜環(huán)化合物雖然都具有芳香性，但其環(huán)上的電子云的密度是不同的，其電子云密度由高到低的順序是：,第三節(jié) 雜環(huán)化合物結構與芳香性,第四節(jié) 五元雜環(huán)化合物,一、呋喃、噻吩、吡咯,一、呋喃、噻吩、吡咯,（一） 物理性質(zhì),第四節(jié) 五元雜環(huán)化合物,呋喃、噻吩、吡咯都能溶于有機溶劑，水溶解度都小于六元雜環(huán)吡啶。 吡咯幾乎不顯堿性, 相反具有弱酸性,一、呋喃、噻吩、吡咯,（二） 化學性質(zhì),第四節(jié) 五元雜環(huán)化合物,1. 親電取代反應,親電取代反應主要發(fā)生在-C上； 吡咯、呋喃對酸及氧化劑比較敏感，選擇試劑時需要注意； 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

13、，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。,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,第四節(jié) 五元雜環(huán)化合物,1. 親電取代反應,（1）鹵代反應,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，要采用低溫、溶劑稀釋等溫和條件。,第四節(jié) 五元雜環(huán)化合物,1. 親電取代反應,（1）鹵代反應,第四節(jié) 五元雜環(huán)化合物,1. 親電取代反應,（1）鹵代反應,第四節(jié) 五元雜環(huán)化合物,1. 親電取代反應,（2）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

14、應在低溫下進行。,第四節(jié) 五元雜環(huán)化合物,1. 親電取代反應,（2）硝化反應,第四節(jié) 五元雜環(huán)化合物,1. 親電取代反應,（2）硝化反應,第四節(jié) 五元雜環(huán)化合物,1. 親電取代反應,（3）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。,第四節(jié) 五元雜環(huán)化合物,1. 親電取代反應,（3）磺化反應,第四節(jié) 五元雜環(huán)化合物,1. 親電取代反應,（3）磺化反應,第四節(jié) 五元雜環(huán)化合物,1. 親電取代反應,（3）磺化反應,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。,第四節(jié) 五元雜環(huán)化合物,1. 親電取代反

15、應,（4）F-C?；磻?第四節(jié) 五元雜環(huán)化合物,2. 加成反應,（1）加氫反應,第四節(jié) 五元雜環(huán)化合物,2. 加成反應,（2） Diels-Alder反應,呋喃最易發(fā)生Diels-Alder反應,第四節(jié) 五元雜環(huán)化合物,2. 加成反應,（2） Diels-Alder反應,第四節(jié) 五元雜環(huán)化合物,2. 加成反應,（2） 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。,第四節(jié) 五元雜環(huán)化合物,3. 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

16、度增高，親電取代反應更易進行。,第四節(jié) 五元雜環(huán)化合物,3. 吡咯的特殊反應,HCON(CH3)2 POCl3,CHCl3 25%NaOH,(NH4)2CO3 130oC,C6H5N2+X- C2H5OH-H2O AcONa,RMgX,1 CO2 2 H2O,CO2 加熱 加壓,RCOCl,RX,二、吲哚,第四節(jié) 五元雜環(huán)化合物,親電取代反應主要發(fā)生在3位。,二、吲哚,第四節(jié) 五元雜環(huán)化合物,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。,三、唑類化合物,第四節(jié) 五元雜環(huán)化合物,1. 結構,吡咯N(孤電子對參與共軛，所以堿性

17、較弱),吡啶N(孤電子對不參與共軛，所以堿性較強),三、唑類化合物,第四節(jié) 五元雜環(huán)化合物,1. 結構,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,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。,三、唑類化合物,第四節(jié) 五元雜環(huán)化合物,1. 結構,互變異構,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),三、唑類化合物,第四節(jié) 五元雜環(huán)化合物,2. 物理性質(zhì),沸點,三、唑類化合物,第四節(jié) 五元雜環(huán)化合物,3. 化學性質(zhì),（1）堿性,1,2-唑與1

18、,3-唑都有吡啶N，所以都有堿性。 1,3-唑的堿性比1,2-唑強。因為兩個雜原子互相影響大。 咪唑的堿性噻唑的堿性噁唑的堿性。由綜合電子效應決定。,三、唑類化合物,第四節(jié) 五元雜環(huán)化合物,3. 化學性質(zhì),（2）親電取代反應,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度降低，所以親電試劑不易進攻。 1,2-、1,3-唑的硝化、磺化、鹵化,三、唑類化合物,第四節(jié) 五元雜環(huán)化合物,（2）親電取代反應,磺化須強烈條件,硝化、鹵化須有給電子取代基,四、嘌呤,第四節(jié) 五元雜環(huán)化合物,尿嘧啶(U),胞嘧啶(C),胸腺嘧啶(T),嘌呤是一對互變異構體的平衡體系,腺嘌呤

19、(A),鳥嘌呤(G),(6-氨基嘌呤),(2-氨基-6-羥基嘌呤),第五節(jié) 六元雜環(huán)化合物,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。 性質(zhì)：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。,一、吡啶,第五節(jié) 六元雜環(huán)化合物,1. 物理性質(zhì),氮原子的電負性較大,使吡啶有較大極性,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

20、好的溶劑。,一、吡啶,第五節(jié) 六元雜環(huán)化合物,2. 化學性質(zhì),（1）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。,一、吡啶,第五節(jié) 六元雜環(huán)化合物,2. 化學性質(zhì),（1）堿性,一、吡啶,第五節(jié) 六元雜環(huán)化合物,2. 化學性質(zhì),（2）作為親核試劑,(3) 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?；磻ＳH電取代 反應主要在-位上。,由吡啶的共振式分析:,結論: 1. 環(huán)上帶正

21、電, 不利 于親電取代 2. b 位的正電荷密相 對較低,解釋原因:,i. 取代在 a 位,由取代反應的中間體穩(wěn)定性分析,ii. 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,(4) 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,(5) 氧化和還原反應,i. 氧化在側鏈上,ii. 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

22、親核性,(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,iii. 還原反應,二、 喹啉和異喹啉,喹啉和異喹啉：,1. 結構,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 苯甲醛，熔點26，沸點243。,2. 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。,3. 化學性質(zhì),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,*i. 喹啉和異喹啉與絕大多數(shù)氧化劑不發(fā)生