有机化学第十一章 杂环化合物

nullnull第十一章 杂环化合物null 除碳原子外，成环原子还有N,O,S等杂原子 的环状化合物。 非芳香性杂环：芳香性杂环：null一、芳杂环化合物分类和命名(1)五元杂环1.分类null(2)六元杂环 pyridinepyrimidine(3)稠杂环 稠杂环一般是指苯环和杂环或杂环间稠合而成的化合物。 null2.命名音译法： 按英文名词音译成带“口”字旁的同音汉字。吡咯 呋喃 噻吩 吡啶吡唑 咪唑 噻唑null吲哚 喹啉杂环编号的一般原则如下： a.从杂原子开始编号,可用阿拉伯数字1，2，3，…表示。 也可以用，，，…来表示，杂原子相邻的位置是， 其次为，再其次为…。 b.环上含有两个相同杂原子时，连有取代基的编号最小。 c.环上含有不同杂原子时，按O，S，N的顺序编号。null2-溴呋喃 2-硝基吡咯 2-氨基噻唑例： 当取代基是-COOH，-COOR，-SO3H等时，杂环作为取 代基来命名。3-吡啶磺酸null二、五元杂环化合物1.呋喃、吡咯、噻吩的结构和芳香性结构特征：a.平面结构 b.构成环的五个原子都为sp2杂化，杂原子上的孤对电子在p轨道上参与共轭形成共轭体系。 c.π电子数符合休克尔规则，具有芳香性。呋喃、噻吩、吡咯在结构上具有共同点，nullnull练习：P574，(三)null 2.呋喃、吡咯、噻吩的化学性质 (1)亲电取代反应特点：活性比苯大, 吡硌>呋喃>噻吩>>苯。 亲电试剂主要进入-位。 遇强酸或氧化剂时容易使环破坏。 a.卤化 呋喃、噻吩、吡咯的卤化反应活性与苯胺和苯酚相似，在室温与氯或溴反应很激烈，得到多卤代物。为了避免多取代，反应一般在低温和稀溶液中进行。 nullb.硝化 为避免氧化，一般采用硝酸乙酰酯作硝化剂。硝酸 乙酰酯由乙酸酐和硝酸反应制得。 nullc.磺化 呋喃、吡咯磺化时不能用浓硫酸，通常用三氧化硫 与吡啶的加成物作磺化试剂。噻吩比较稳定，可直接用 硫酸在室温下磺化。100℃nulld.酰基化 呋喃和噻吩进行酰基化时需采用较温和的催化剂如 SnCl4、BF3等。活性较大的吡咯可不用催化剂，直接用 酸酐酰化。例如：150-200℃nulle.取代呋喃、噻吩、吡咯的定位效应间位定位基邻、对位定位基邻、间、对位定位基邻、对位定位基间位定位基null练习：P575，(五)，(1)(2)(3)(4)null(2)加成反应呋喃、吡咯、噻吩催化加氢，得饱和的杂环化合物。四氢吡咯(有机碱)四氢呋喃(有机溶剂)四氢噻吩200-250℃50℃null 呋喃、吡咯、噻吩具有共轭双烯的性质，与亲双烯 体可进行Diels-Alder反应。(3)双烯合成null练习：P575，(五)，(11)null(4)吡咯的酸碱性 吡咯的碱性极弱（pKb=13.6），这是因为氮原子中 的未成键电子对参与了环的共轭，不能再与酸结合。 null 吡咯氮上的氢具有弱酸性，pKa=17.5，比醇的酸性强， 可与强碱或碱金属作用成盐。 吡咯钾盐可用于合成吡咯衍生物。例如：甲苯110℃null3. 呋喃、吡咯的重要衍生物(1)糠醛 糠醛是呋喃的重要衍生物，为无色液体，沸点162C， 在空气中容易氧化变黑。性质与苯甲醛类似，可发生 Cannizzaro反应、Perkin反应等。糠醛是重要的工业原 料，可用于酚醛树脂、药物、农药的等。null(2)卟吩环系化合物血红素 卟吩环是由四个吡咯和四个次甲基(-CH）交替相联组 成的共轭体系。卟吩环呈平面结构，环的中央空穴可以共 价键、配位键和不同的金属结合。在叶绿素中与镁结合， 血红素中与铁结合，维生素中与钴结合。卟吩环null4.咪唑和噻唑的结构 唑是含有两个杂原子，其中至少有一个氮原子的五 元杂环。杂原子可处在1,3-位和1,2-位。咪唑和噻唑是 其中较常见的杂环化合物。 咪唑 噻唑null5.咪唑和噻唑的化学性质(1)碱性 在唑环中氮原子有一个sp2杂化轨道被一对电子占 据，是未成键的孤对电子，可与质子结合，具有碱性。 1,3-唑中，咪唑碱性最强。 null(2)氮烷基化和酰基化 唑中氮原子上的未共用电子对的存在使其可以发生 烷基化和酰基化反应。例如： null6.咪唑、噻唑的重要衍生物组氨酸 维生素B1 许多天然物质内含有咪唑环，如蛋白质中的组氨酸。 组氨酸在细菌的作用下失羧得组胺，它具有降低血压的 作用，具有药用价值。组胺null结构特征：a.平面结构 b.成环的六个原子都为sp2杂化，杂原子上的 孤对电子在sp2杂化轨道不参与共轭构成。 c.π电子数符合休克尔规则，具有芳香性。三、六元杂环化合物1.吡啶结构与芳香性null 2.吡啶化学性质 吡啶为无色而具有特殊臭味的液体，沸点115.5C， 与水及许多有机溶剂如乙醇、乙醚等混溶，是一种良好 的溶剂。它存在于煤焦油和页岩油中。 (1)碱性及亲核性 吡啶环上的氮带有未成键电子对，所以具有碱性和 亲核性。吡啶为一弱碱，碱性比脂肪胺碱性弱，但是比 苯胺和吡咯的碱性强: Pkb 2.7 8.8 9.3 13.6null吡啶与强酸生成盐，与许多Lewis酸生成络合物： 吡啶是良好的亲核试剂，可与卤代烷进行亲核取代 反应。生成N-烷基吡啶盐：null(2)亲电取代反应 由于氮原子的强吸电子作用，其亲电取代反应类似 于硝基苯。不能进行烷基化和酰基化反应，取代时一般 需要250-350℃的高温。取代反应主要发生在3-位上。null 氮的吸电子作用使环上的电子密度降低，使吡啶难于 发生亲电取代反应，但却有利于亲核取代反应。吡啶发生 亲核取代反应时，因为H-是一个较差的离去基团，所以常 需用强的亲核性试剂如NaNH2，C4H9Li和PhLi等。一般情况 下，进攻几乎都发生在-位上。 (3)亲核取代反应null 当,-位有卤素时，使用比较弱的亲核试剂，就可以取代卤素。 例如：null(4) 氧化和还原反应 吡啶环是非常稳定的芳香环，一般的强氧化剂如浓 硝酸、酸性高锰酸钾及重铬酸钾加硫酸都不能氧化吡啶 环，当吡啶有侧链时，容易氧化成吡啶甲酸。尼古丁 尼古丁酸 尼古丁酰胺 (烟碱) (烟酸) (烟酰胺)null 吡啶用过氧化氢或过氧酸氧化，生成吡啶N-氧化物 （或叫氧化吡啶）。 吡啶N-氧化物容易进行亲电取代反应，主要发生在 γ位，如吡啶N-氧化物的硝化反应。吡啶N-氧化物与 PCl3作用脱氧还原为吡啶。 null 吡啶比苯容易还原，在常温常压下可催化加氢得六 氢吡啶（哌啶，Piperidine）。吡啶 六氢吡啶 六氢吡啶为无色具有特殊臭味的液体，沸点106C， 熔点7C，具有一般二级胺的碱性，碱性比吡啶强，易 溶于水，常用作溶剂及有机合成原料。null(5)吡啶侧链的反应 吡啶环2, 4, 6位上侧链烷基的-H，具有酸性，在 强碱的作用下，能发生类似于醛、酮-H的反应。null3.吡啶衍生物在自然界中含有吡啶环的化合物很多，如辅酶、烟碱等。辅酶 尼古丁null许多药物分子中含有吡啶环，如：烟酸(维生素B3) 烟酰胺(维生素PP) 异烟酰肼烟酰二乙胺(可拉明) 维生素B6null四、稠杂环化合物1.吲哚 吲哚由吡咯环与苯环稠合而成，其结构和环的编号 如下所示： 吡咯环上的碳原子上有较高的电子云密度，亲电取 代反应主要发生在吡咯环上生成3-位取代产物。例如： null 自然界吲哚的衍生物非常多，如植物生长促进剂 3-吲哚乙酸、色氨酸等。3-吲哚乙酸 色氨酸null2.喹啉和异喹啉 喹啉和异喹啉是同分异构体，都是苯并吡啶，它 们的结构和环的编号如下所示： 喹啉 异喹啉 喹啉是具有类似吡啶特殊臭味的无色液体，沸点 237C，凝固点15.6C，易溶于有机溶剂，难溶于水， 是一种高沸点溶剂，其碱性比吡啶稍弱。异喹啉沸点 243C，凝固点26.5C，易溶于有机溶剂，微溶于水。 null亲电取代反应主要发生在C-5和C-8上。 null奎宁(金鸡纳碱) 奎宁是一种生物碱，存在于南美洲的金鸡纳树皮中， 因此也叫金鸡纳树碱，奎宁是一种抗疟药。null3.嘌呤 嘌呤是由一个嘧啶环和一个咪唑环稠合而成。它是 无色结晶，熔点217C，易溶于水。它的命名编号比较特 殊。嘌呤有互变异构体。null 嘌呤本身并不存在于自然界，但它的羟基和氨基衍 生物在自然界分布很广，如，咖啡碱，可可碱等。咖啡碱