第17章 雜環(huán)化合物

1、第第1717章章 雜環(huán)化合物雜環(huán)化合物 17.1 雜環(huán)化合物的分類和命名雜環(huán)化合物的分類和命名 17.2 雜環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)和芳香性雜環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)和芳香性 17.3 五元雜環(huán)化合物五元雜環(huán)化合物 ( (呋喃、噻吩、吡咯、吲哚的結(jié)構(gòu)及其化學(xué)性質(zhì)呋喃、噻吩、吡咯、吲哚的結(jié)構(gòu)及其化學(xué)性質(zhì)) ) 17.4 六元雜環(huán)化合物六元雜環(huán)化合物 ( (吡啶、喹啉、異喹啉的結(jié)構(gòu)及其化學(xué)性質(zhì)吡啶、喹啉、異喹啉的結(jié)構(gòu)及其化學(xué)性質(zhì)) ) 17.5 嘧啶、嘌呤及其衍生物嘧啶、嘌呤及其衍生物 在環(huán)上含有在環(huán)上含有雜原子雜原子(非碳原子非碳原子)的有機(jī)物稱為雜環(huán)化合物。的有機(jī)物稱為雜環(huán)化合物。 雜環(huán)化合物的簡(jiǎn)介雜環(huán)化合物的簡(jiǎn)

2、介 1. 脂雜環(huán)脂雜環(huán) 沒有芳香特征的雜環(huán)化合物沒有芳香特征的雜環(huán)化合物 O O O H N H N H N O OO H N OO OO (環(huán)氧乙烷)(氮雜環(huán)丙烷) O O NH O (-丙內(nèi)酯)(-丙內(nèi)酰胺) 四四氫氫吡吡咯咯四四氫氫呋呋喃喃 O O 哌啶 四四氫氫吡吡喃喃1,4-二二氧氧六六環(huán)環(huán)(5-戊內(nèi)酯) 馬馬萊萊酸酸酐酐 丁丁二二酰酰亞亞胺胺 2. 芳雜環(huán)芳雜環(huán) 具有芳香特征的雜環(huán)化合物稱為芳雜環(huán)具有芳香特征的雜環(huán)化合物稱為芳雜環(huán) N O SN H N N N H O N 呋呋喃喃 噻噻吩吩 吡吡咯咯 吡吡啶啶 O f唑異f唑 N S 噻噻唑唑 N N H 咪唑 N H N 吡吡唑

3、唑 N N N N N N 噠嗪嘧啶吡嗪 吲哚 喹啉 本章介紹的是具有不同本章介紹的是具有不同芳香性芳香性的雜環(huán)化合物的雜環(huán)化合物(簡(jiǎn)簡(jiǎn) 稱芳雜化合物稱芳雜化合物) 連續(xù)共軛連續(xù)共軛 共平面共平面 4n4n2 2電子電子 親電取代親電取代 不易加成不易加成 17.1 雜環(huán)化合物的分類和命名雜環(huán)化合物的分類和命名 按骨架分類：五元雜環(huán)、六元雜環(huán)；單雜環(huán)和稠雜環(huán)。按骨架分類：五元雜環(huán)、六元雜環(huán)；單雜環(huán)和稠雜環(huán)。 SN H N N N H 呋呋喃喃噻噻吩吩 吡吡咯咯吡吡啶啶 O N S 噻噻唑唑 N N 嘧啶吲哚喹啉 furanthiophenepyrrole pyridine thiazolepy

4、rimidineindole quinoline 1. 音譯名音譯名 （同音漢字加（同音漢字加“口口”字旁）字旁） SN H N 呋呋喃喃噻噻吩吩 吡吡咯咯 吡吡啶啶 O (氧氧雜雜茂茂)(硫硫雜雜茂茂)(氮氮雜雜茂茂) (氮氮雜雜苯苯)苯苯 N 萘萘 喹啉 (氮氮雜雜萘萘) 2. 當(dāng)作碳環(huán)芳香化合物的衍生，如：當(dāng)作碳環(huán)芳香化合物的衍生，如： 茂茂 3. 環(huán)上原子的編號(hào)順序環(huán)上原子的編號(hào)順序 從雜原子開始從雜原子開始 1, 2, 3, 4或用或用, , , 編號(hào)編號(hào); O CH3CH3 2,5-二甲基呋喃二甲基呋喃 , -二甲基呋喃二甲基呋喃 S CH3 3-甲基噻吩甲基噻吩 -甲基噻吩甲基噻

5、吩 2-呋喃甲醛呋喃甲醛 -呋喃甲醛呋喃甲醛 2-乙?；量┮阴；量?-乙?；量┮阴；量?3-吡啶甲酸吡啶甲酸 -吡啶甲酸吡啶甲酸 N H COCH3 2-乙?；胚嵋阴；胚?-乙?；胚嵋阴；胚?O CHO 1 2 3 4 5 1 N COOH 2 3 4 5 6 N H CCH3 O 1 2 3 4 5 6 7 不止一個(gè)雜原子，按不止一個(gè)雜原子，按O，S，N順序編號(hào)；使順序編號(hào)；使 雜雜 原子位次之和最小原子位次之和最小 N S 4 5 1 2 3 H3C 5-甲基噻唑甲基噻唑 N NH 2 34 5 O CH3 1 3-甲基甲基-1-苯基苯基-5-吡唑酮吡唑酮 N N H 2

6、34 5 1 H3C 4-甲基咪唑甲基咪唑 含有兩個(gè)或以上的相同雜原子的單雜環(huán)衍生物，編號(hào)含有兩個(gè)或以上的相同雜原子的單雜環(huán)衍生物，編號(hào) 從連有取代基從連有取代基(或氫原子或氫原子)的那個(gè)雜原子開始，順序定位，的那個(gè)雜原子開始，順序定位， 使另一個(gè)雜原子的位次保持最?。菏沽硪粋€(gè)雜原子的位次保持最小： N H N N 1 2 3 4 5 1,2,3-三氮唑三氮唑 N NH N 1 2 3 4 5 1,2,5-三氮唑三氮唑 17.2 雜環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)與芳香性雜環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)與芳香性 O N H S 吡咯吡咯X = O, S (1) 五元雜環(huán)五元雜環(huán)： 閉合共平面的、連續(xù)共軛、五中心六電子閉合共平面

7、的、連續(xù)共軛、五中心六電子 飽和化合物飽和化合物 CC：0.154 nm； CC：0.133 nm； CO：0.143 nm； CN：0.147 nm； CS： 0.182 nm； OSN H 0.144 nm 0.135 nm 0.137 nm 0.142 nm 0.137 nm 0.171 nm 0.143 nm 0.137 nm 0.138 nm : 7.42 : 6.37: 7.10 : 7.30 : 6.22 : 6.80 離域能離域能 呋喃：呋喃：67 kJ/mol； 吡咯：吡咯：88 kJ/mol ； 噻吩：噻吩：117 kJ/mol 。 鍵長(zhǎng)、離域能、鍵長(zhǎng)、離域能、1H NMR

8、 總結(jié)：總結(jié)： O N H S 呋喃、噻吩、吡咯分子中所有的原子共平面；呋喃、噻吩、吡咯分子中所有的原子共平面； 體系中含有體系中含有6個(gè)個(gè)電子，符合休克爾電子，符合休克爾4n+2規(guī)則，所以規(guī)則，所以 它們都具有一定的芳香性它們都具有一定的芳香性, 可以發(fā)生親電取代反應(yīng)；可以發(fā)生親電取代反應(yīng)； 由于環(huán)上的由于環(huán)上的5個(gè)原子共享個(gè)原子共享6個(gè)個(gè)電子，電子，電子云密度比苯電子云密度比苯 環(huán)大，發(fā)生親電取代反應(yīng)的速度也比苯快得多。環(huán)大，發(fā)生親電取代反應(yīng)的速度也比苯快得多。 呋喃、噻吩、吡咯的親電取代反應(yīng)呋喃、噻吩、吡咯的親電取代反應(yīng) *1 取代反應(yīng)主要發(fā)生在取代反應(yīng)主要發(fā)生在-C上上； +C效應(yīng)為主

9、，環(huán)上電子密度比苯大，稱為多效應(yīng)為主，環(huán)上電子密度比苯大，稱為多芳雜環(huán)；芳雜環(huán)； 親電取代反應(yīng)活性比苯高；親電取代多發(fā)生在親電取代反應(yīng)活性比苯高；親電取代多發(fā)生在-位。位。 O SN H Z Z = O, S, NH + E Z E H Z H E Z E H Z E H Z E H Z H E Z H E X E X = O, S, NH *3 吡咯、呋喃對(duì)酸及氧化劑比較敏感，選擇試劑要注意吡咯、呋喃對(duì)酸及氧化劑比較敏感，選擇試劑要注意； *4 噻吩、吡咯的芳香性較強(qiáng)，所以易取代而不易加成；噻吩、吡咯的芳香性較強(qiáng)，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)生呋喃的芳

10、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(qiáng)親核試劑存在下，能發(fā)生親核加成親電取代，但在強(qiáng)親核試劑存在下，能發(fā)生親核加成。 電子密度電子密度 -絡(luò)合物絡(luò)合物 吸電子誘導(dǎo)吸電子誘導(dǎo)：O(3.5) N(3.0) S(2.6) 給電子共軛給電子共軛：N O S 綜合：綜合：N貢獻(xiàn)電子最多，貢獻(xiàn)電子最多，O其次，其次，S最少最少 *2 親電取代反應(yīng)的活性順序?yàn)橛H電取代反應(yīng)的活性順序?yàn)椋?O N H S 離域能離域能 呋喃：呋喃：67 kJ/mol；吡咯：；吡咯：88 kJ/mol ；噻吩：；噻吩：117 kJ/mol S N N N CH3 CH3 N O N H3CCH3 N H N N

11、 N H N N N 下列化合物哪些具有芳香性？下列化合物哪些具有芳香性？ 17.3 五元雜環(huán)化合物五元雜環(huán)化合物 17.3.1 呋喃呋喃 O 存在于松木焦油中，為無(wú)色液體，存在于松木焦油中，為無(wú)色液體， 難溶于水，易溶于有機(jī)溶劑。難溶于水，易溶于有機(jī)溶劑。 呋呋喃喃蒸蒸氣氣 + 鹽鹽酸酸浸浸泡泡過過的的松松木木 松木反應(yīng)松木反應(yīng)，用于鑒定呋喃的存在。，用于鑒定呋喃的存在。 顯綠色顯綠色 (1) 呋喃的制備呋喃的制備 O CHO O COOH + H2O ZnO-Cr2O3-MnO2 400415 oC O + CO2 + H2 Cu, 喹喹啉啉 O + CO2 -呋喃甲醛的催化脫羰；呋喃甲醛

12、的催化脫羰； -呋喃甲酸的催化脫羧。呋喃甲酸的催化脫羧。 (2) 呋喃的化學(xué)性質(zhì)呋喃的化學(xué)性質(zhì) O 二二f烷烷, 0 oC Br2 O Br Br2 O BrBr CH3CONO2 O -5 -30 oC O NO2 C5H5NSO3 O SO3 HN HCl O SO3H (CH3)2CCH2 ZnCl2, 170 oC O C(CH3)3 (CH3CO)2O SnCl4 或或 Et2OBF3 O COCH3 親電取代親電取代 加成反應(yīng)加成反應(yīng) O +O O O O O O O Diels-Alder反應(yīng)，反應(yīng)，4+2 O + H2 Ni 100 oC, 5 MPa O 催化加氫催化加氫 1

13、7.3.2 糠醛糠醛 OH HO HOOH CHO H H (C5H8O4)n H2O 1 2 34 5 O CHOH2SO4 O CHO + H2N HOAc 顯顯紅紅色色 可用來檢驗(yàn)糠醛；糠醛可發(fā)生可用來檢驗(yàn)糠醛；糠醛可發(fā)生銀鏡反應(yīng)銀鏡反應(yīng)。 制法：制法： 濃濃NaOH O CO2Na O CH2OH + H2/Cu, 鉻鉻鐵鐵礦礦 100200 oC O CH2OH H2/Ni 170180 oC 710 MPa O CH2OH O2/NaOH Cu2O-HgO, 55 oC 2 O2, V2O5-TiO2-SiO2 320350 oC O CO2Na O O O (CH3CO)2O C

14、H3CO2K O CHCHCOOH O CHO 17.3.3 噻吩噻吩 噻吩的制法噻吩的制法： CH3H3C + 4 S 600650 oC S HCCH2 + S HCCH2 + H2S 180 oC CO2NaNaO2C P2S3 CHOOHC P2S3 S + 靚靚紅紅 濃濃H2SO4 顯顯藍(lán)藍(lán)色色 用于噻吩的檢驗(yàn)用于噻吩的檢驗(yàn) S 噻吩的性質(zhì)噻吩的性質(zhì)： 不能發(fā)生不能發(fā)生4+2反應(yīng)；不能氧化成砜和亞砜。反應(yīng)；不能氧化成砜和亞砜。 S Br2 S Br CH3CONO2 O S NO2 S SO3H CH3COCl S COCH3 HOAc H2SO4, 室室溫溫 SnCl4 2 H2,

15、 MoS2 200 oC, 20 MPa S 濃HNO3 S OO 17.3.4 吡咯吡咯 吡咯的制法吡咯的制法： N H Al2O3 450 oC O + NH3 + NH3HCCH2 高高溫溫 吡吡咯咯蒸蒸氣氣 (或乙醇溶液) + 鹽鹽酸酸浸浸泡泡過過的的松松木木 用于檢驗(yàn)吡咯及其低級(jí)同系物的存在用于檢驗(yàn)吡咯及其低級(jí)同系物的存在 顯紅色顯紅色 吡咯的性質(zhì)吡咯的性質(zhì)： (A) 弱酸性弱酸性 N H + KOH N K + H2O N N N NN (B) 取代反應(yīng)取代反應(yīng) N H I2 N H I CH3CONO2 O N H NO2 NaOH I I I 10 oC C5H5NSO3 HC

16、l N H SO3H N2 Cl N H NN NaOAc 150200 oC N H COCH3 (60%) (CH3CO)2O N Na 或NaOH(濃) PhCOCl N COPh (70%) NHN HNN 卟吩卟吩 NN NN H3C CH3 CH2CH3 CH3 H3C HOCCH2CH2 CH2CH2COH Fe O O NN NN H3C CH3 CH2CH3 CH3 H3C C20H39OCCH2CH2 Mg O HOOC O 血紅素血紅素 葉綠素葉綠素A 補(bǔ)充：五元雜環(huán)上取代基的定位效應(yīng)補(bǔ)充：五元雜環(huán)上取代基的定位效應(yīng) -位上有取代基時(shí)，吡咯、噻吩的定位效應(yīng)一致，情況如下：

17、位上有取代基時(shí)，吡咯、噻吩的定位效應(yīng)一致，情況如下： -取代呋喃在強(qiáng)親電試劑的作用下易發(fā)生取代呋喃在強(qiáng)親電試劑的作用下易發(fā)生2,5-加成反應(yīng)：加成反應(yīng)： Z G (鄰鄰, 對(duì)對(duì)) (主) (次) Z G (間間) (主) (次) O G (鄰鄰, 間間, 對(duì)對(duì)) Z = NH, S -位上有取代基時(shí)，呋喃、吡咯、噻吩的定位效應(yīng)一致。位上有取代基時(shí)，呋喃、吡咯、噻吩的定位效應(yīng)一致。 Z G (鄰鄰, 對(duì)對(duì)) Z G (間間) 17.3.5 吲哚吲哚 N H NH 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 吲哚吲哚 異吲哚異吲哚 NHNH2 +RCRCH2 O HOAc N H R

18、R N H N R R H N H NH R R NH NH H R R N H R R NH2 HH N H R R - NH4 NH2 NH2 R H R H 3,3- 遷遷移移 N H R R NH3 H 費(fèi)歇爾費(fèi)歇爾(Fischer)合成法合成法 醛、酮、酮酸、酮酸酯與芳肼在路易斯酸催化下加熱。醛、酮、酮酸、酮酸酯與芳肼在路易斯酸催化下加熱。 250 oC N H NH2 H3C O COOH + N H COOH N H - CO2 HOAc N H N H G(o, p) N H G(o, p) N H G(m) N H G(m) 吡吡咯咯環(huán)環(huán)上上有有間間位位定定位位基基時(shí)時(shí)，親親

19、電電試試劑劑進(jìn)進(jìn)入入苯苯環(huán)環(huán) 吲哚親電取代反應(yīng)定位規(guī)律吲哚親電取代反應(yīng)定位規(guī)律 17.3.5 噻唑、吡唑及其衍生物噻唑、吡唑及其衍生物 N S 噻噻唑唑 弱堿性；弱堿性； 電子密度比噻吩低，不易發(fā)生親電取代電子密度比噻吩低，不易發(fā)生親電取代 N H N 吡吡唑唑 弱堿性；弱堿性； 電子密度比吡咯低，還可以發(fā)生親電取代電子密度比吡咯低，還可以發(fā)生親電取代 17.4 六元雜環(huán)化合物六元雜環(huán)化合物 N 0.140 nm 0.139 nm 0.134 nm : 8.50 : 6.98 : 7.36 飽和化合物飽和化合物 CC：0.154 nm； CC：0.134 nm； CN：0.147 nm； CN

20、：0.128 nm； 電子云密度比苯環(huán)小，發(fā)生親電電子云密度比苯環(huán)小，發(fā)生親電 取代反應(yīng)的速度也比苯慢。取代反應(yīng)的速度也比苯慢。 吡啶吡啶 N + E N E H N E H N EH N E H N E H N E H N E H N E H N E H N EH N EH N EH 不不穩(wěn)穩(wěn)定定 不不穩(wěn)穩(wěn)定定 -I效應(yīng)，環(huán)上電子密度比苯小，稱為缺效應(yīng)，環(huán)上電子密度比苯小，稱為缺芳雜環(huán)；芳雜環(huán)； 親電取代反應(yīng)活性比苯低；親電取代反應(yīng)活性比苯低； 親電取代多發(fā)生在親電取代多發(fā)生在-位；位； 容易在容易在-位發(fā)生親核取代反應(yīng)。位發(fā)生親核取代反應(yīng)。 N (A) 堿性堿性 N + HCl N H C

21、l 吡吡啶啶鹽鹽酸酸鹽鹽 N N I CH3 300 oC 封封管管 N H I CH3 N H I CH3 + CH3I NS O O O(C5H5NSO3, 溫溫和和的的磺磺化化試試劑劑) RCOCl NC O R Cl(良良好好的的酰?；囋噭﹦? SO3 (B) 取代反應(yīng)取代反應(yīng) 浮浮石石 (產(chǎn)率39%) Br2, 300 oC N N Br Br2, 66發(fā)煙H2SO4 300 oC, 產(chǎn)率86 H2SO4 350 oC 濃濃H2SO4, HgSO4 22 oC (產(chǎn)率70) N SO3H 濃濃HNO3, H2SO4 300 oC, 24 h (產(chǎn)率86) N NO2 吡啶不能發(fā)生吡啶不能發(fā)生Friedel-Crafts反應(yīng)。反應(yīng)。 親電取代親電取代 親核取代親核取代 親核取代反應(yīng)使親核取代反應(yīng)使, -活化活化。 N + KOH ClNOH N + NH3 ClNNH2 220 oC ZnCl2 N + NaNH2 NNH2 齊齊齊齊巴巴賓賓( (C Ch hi ic ch hi ib ba ab bi in n) )反反應(yīng)應(yīng) (C) 氧化與還原氧化與還原 N CH3 KMnO4, OH N COOH N CH3 + CH3COOH O N O (氧氧化化吡吡啶啶) N H2/Pt 或或 Na/EtOH N H 哌哌啶啶(六氫吡啶) N HO H3C CH2OH