第二十章 雜環(huán)化合物(Heterocyclic compounds)

1、第二十章第二十章 雜環(huán)化合物雜環(huán)化合物(Heterocyclic compounds)一一. .分類和命名分類和命名二二. .吡咯、呋喃和噻吩吡咯、呋喃和噻吩三三. .吲哚吲哚四四. .吡吡 啶啶五五. .喹啉、異喹啉喹啉、異喹啉第二十章第二十章 雜環(huán)化合物雜環(huán)化合物 (Heterocyclic compounds)1.1 雜環(huán)化合物的分類雜環(huán)化合物的分類第一類：無芳香性的雜環(huán)化合物第一類：無芳香性的雜環(huán)化合物例：例：ONHNH四氫呋喃四氫呋喃四氫吡咯四氫吡咯六氫吡啶六氫吡啶第一節(jié)第一節(jié) 雜環(huán)化合物的分類和命名雜環(huán)化合物的分類和命名第二類：具有一定程度的芳香性的雜環(huán)化合物第二類：具有一定程度的

2、芳香性的雜環(huán)化合物O呋喃呋喃NH吡咯吡咯N吡啶吡啶例例芳雜環(huán)的數(shù)目很多，可根據(jù)環(huán)大小、雜原子的多少以芳雜環(huán)的數(shù)目很多，可根據(jù)環(huán)大小、雜原子的多少以及單環(huán)和稠環(huán)來分類。及單環(huán)和稠環(huán)來分類。常見的雜環(huán)為五元、六元的單雜環(huán)稠雜環(huán)。常見的雜環(huán)為五元、六元的單雜環(huán)稠雜環(huán)。稠雜環(huán)是由苯環(huán)及一個或多個單雜環(huán)綢合而成。稠雜環(huán)是由苯環(huán)及一個或多個單雜環(huán)綢合而成。1.1 雜環(huán)化合物的命名雜環(huán)化合物的命名1. 五元雜環(huán)五元雜環(huán)O呋喃呋喃furanSthiophene噻吩噻吩NHpyrrole吡咯吡咯采用外文名的音譯，用帶采用外文名的音譯，用帶“口口”字旁的同音漢字表示。字旁的同音漢字表示。五元環(huán)中含兩個或兩個（至少

3、有一個氮原子）以上的五元環(huán)中含兩個或兩個（至少有一個氮原子）以上的雜原子的體系稱唑。雜原子的體系稱唑。例：例：imidazole咪唑咪唑NHN12345NHN12345pyrazole吡唑吡唑SN12345thiazole噻唑噻唑ON12345oxazole噁唑噁唑3. 稠雜環(huán)稠雜環(huán)N15862347quinolineisoquinolineindolepurineN15862347NH12345679NNNHN123456782. 六元雜環(huán)六元雜環(huán)NpyridineNNpyrimidinepyridazinepyrazine吡啶吡啶嘧啶嘧啶NN噠嗪噠嗪NN吡嗪吡嗪 喹啉喹啉 異喹啉異喹啉 吲

4、哚吲哚 嘌呤嘌呤第二節(jié)第二節(jié) 吡咯、呋喃和噻吩吡咯、呋喃和噻吩1.1 結構特點結構特點OSNH呋喃呋喃噻吩噻吩吡咯吡咯平面結構平面結構環(huán)上的原子均為環(huán)上的原子均為sp2雜化雜化閉環(huán)共軛體系閉環(huán)共軛體系電子數(shù)符合電子數(shù)符合4m+2具有方香性具有方香性56體系體系親電取代反應活性：親電取代反應活性： 吡咯、呋喃、噻吩大于苯吡咯、呋喃、噻吩大于苯五元環(huán)親電取代反應的主要產物：五元環(huán)親電取代反應的主要產物： 取代取代X+EXEXEXEXEXE芳香性：苯噻吩吡咯呋喃芳香性：苯噻吩吡咯呋喃1.2 性質性質1. 吡咯吡咯a. 吡咯的弱酸性吡咯的弱酸性NHKNH2NH3NKKNK+H2C2H5MgBrNMgB

5、r+C2H6吡咯的吡咯的pKa=16.5，比酚弱，比醇強，可與強堿（，比酚弱，比醇強，可與強堿（NaNH2， KNH2、RMgX）或金屬作用。）或金屬作用。NK1. CO22. H3ONHCOOHCH3INCH3CH3CClONCOCH3CHCl3/KOHNHCHONHCH3NHCOCH3b. 親電取代反應親電取代反應 主要產物為主要產物為 取代產物。取代產物。吡咯環(huán)的穩(wěn)定性較差，遇酸容易聚合，因此進行親電吡咯環(huán)的穩(wěn)定性較差，遇酸容易聚合，因此進行親電取代反應要用較溫和的試劑。取代反應要用較溫和的試劑。例：磺化試劑：例：磺化試劑：N SO3CH3CONO2O硝化試劑：硝化試劑：NHNBSNHB

6、r吡啶 SO3NHSO3HNHNHHNO3乙酐NHNO2Ac2ONHNHCCH3ODMF,POCl3NHNHCHONHC6H5N2 Cl+NHN N C6H5c. 加成反應加成反應CH2CHCO2CH3NH+BF3NHCH2CH2CO2CH32). 呋喃呋喃a. 親電取代反應親電取代反應 呋喃的穩(wěn)定性較吡咯小，與親電試劑往往得到加成產呋喃的穩(wěn)定性較吡咯小，與親電試劑往往得到加成產物，即使得到取代產物，也是由加成產物轉化來的。物，即使得到取代產物，也是由加成產物轉化來的。OBr2,CS2_ 50 HBrOBrOHBrHBrOHBrBrH+b. 加成反應加成反應呋喃與親雙烯體迅速發(fā)生狄爾斯呋喃與親

7、雙烯體迅速發(fā)生狄爾斯-阿德爾反應。阿德爾反應。OOOO+25OOOOHH+OHHOOOOH2 , NiOHCl140, 0.4MPaCl(CH2)4ClNaCNH2OHOOC(CH2)4COOHH2,NINC(CH2)4CNH2N(CH2)6NH2OCH3CH3H2O,H2SO4,HOAcCH2CH2CCCH3CH3OO2, 5己二酮己二酮呋喃遇濃酸聚合，遇稀酸呋喃水解為二醛：呋喃遇濃酸聚合，遇稀酸呋喃水解為二醛：OHOHHH2OOHHHOH2OOHH丁二醛丁二醛3). 噻吩噻吩a. 親電取代反應親電取代反應SDMF,POCl3NBSSBrHNO3, H2SO4SNO2H2SO4(95%)SS

8、O3HAc2O, SnCl4SCCH3OSCHO應用：把粗苯中的噻吩除去。應用：把粗苯中的噻吩除去。b. 加成反應加成反應SOOOHHS+OOO100高壓高壓SH2 , NiCH3CH2CH2CH3+H2S3. 合成合成a. 呋喃的工業(yè)制備呋喃的工業(yè)制備C5H8O4n聚戊糖聚戊糖H , H2O戊糖戊糖3H2OOCHOHO CHCHOHCCH OHHOHCHOHONHSAl2O3, NH3Al2O3, H2OAl2O3, NH3Al2O3, H2Sb. 取代吡咯、呋喃、噻吩的合成取代吡咯、呋喃、噻吩的合成吡咯環(huán)的合成：吡咯環(huán)的合成：. Knorr（克諾耳）合成法：（克諾耳）合成法：CH3COCH

9、3CH2OOCHNH2+ 氨基酮氨基酮COCH3CH2COOCH2CH3 二羰基化合物二羰基化合物HNHCOOCH2CH3CH3CH3CH2OOCCH3CH3COCH3CH2OOCH2Na NO2HOAcCH3COCH3CH2OOCHNOCH3COCH3CH2OOCNOHZn , HOAcCH3COCH3CH2OOCHNH2. Paal-Knorr（帕爾（帕爾-克諾耳）合成法：克諾耳）合成法：CH2CH2CCCH3CH3OO+NH3NHCH3CH3CH2CH2CCCH3CH3OO+RNH2NCH3CH3R2, 5-己二酮己二酮CH3COCH2CO2Et. Hantzsch（漢棲）合成法：（漢棲

10、）合成法：+RNH2CH3CCHCO2EtNHRClCH2COCH3CHCEtO2CNHRH3C+NCH3CH3REtO2C呋喃環(huán)和噻吩環(huán)的合成：呋喃環(huán)和噻吩環(huán)的合成：CH2CH2CCH2CO2HCC6H5OOC6H6 , P2O5P2S5CH2CH2CCCH3CH3OOSCH3CH3OCH2CO2HC6H5第三節(jié)第三節(jié) 吲哚吲哚吲哚為白色結晶，熔點吲哚為白色結晶，熔點52.5。具有極臭的氣味，但純。具有極臭的氣味，但純粹的吲哚在極稀時有香味，可作香料。粹的吲哚在極稀時有香味，可作香料。NH可發(fā)生親電取代反應，取代位置一般在第可發(fā)生親電取代反應，取代位置一般在第3位。位。NHBr3-溴吲哚溴吲

11、哚Br2OO0DMF, POCl320-30NHNHCHO3-吲哚甲醛吲哚甲醛NH吡啶 SO3NHSO3H3-吲哚磺酸吲哚磺酸含吲哚的生物堿廣泛存在于植物中，如麥角堿、馬錢含吲哚的生物堿廣泛存在于植物中，如麥角堿、馬錢子堿、利血平等。子堿、利血平等。NHCH2COOH-吲哚乙酸（植物生長調節(jié)劑）吲哚乙酸（植物生長調節(jié)劑）色氨酸（蛋白質組分）色氨酸（蛋白質組分）NHCH2CHCOOHNH2NHCH2CH2NH2HO5-羥基色胺（哺乳動物及人腦中思羥基色胺（哺乳動物及人腦中思維活動的重要物質）維活動的重要物質）吲哚環(huán)的合成：吲哚環(huán)的合成：Fischer（費歇爾）吲哚合成法：將醛、酮、酮酸、（費歇爾

12、）吲哚合成法：將醛、酮、酮酸、酮酸酯或二酮的芳基取代腙在氯化鋅、聚磷酸、三酮酸酯或二酮的芳基取代腙在氯化鋅、聚磷酸、三氟化硼等路易斯酸存在下加熱。氟化硼等路易斯酸存在下加熱。NNCH3H苯乙酮苯腙苯乙酮苯腙100PPANH2-苯基吲哚苯基吲哚環(huán)己酮苯腙環(huán)己酮苯腙BF3,CH3CO2H65NH四氫咔唑四氫咔唑機理：機理：相當于聯(lián)苯胺重排。相當于聯(lián)苯胺重排。NHN第四節(jié)第四節(jié) 吡啶吡啶一一. 結構和物理性質結構和物理性質NN：sp2雜化雜化氮上還有一對電子未參與共軛，氮上還有一對電子未參與共軛，易接受質子，具有堿性。易接受質子，具有堿性。堿性：脂肪胺吡啶芳香胺堿性：脂肪胺吡啶芳香胺吡啶是一個無色有

13、惡臭的液體，與水及許多有機溶劑，吡啶是一個無色有惡臭的液體，與水及許多有機溶劑，如乙醇、乙醚等混溶，是良好的溶劑。如乙醇、乙醚等混溶，是良好的溶劑。二二. 化學性質化學性質芳環(huán)芳環(huán)親電取代親電取代親核取代親核取代氮上未成鍵電子對氮上未成鍵電子對堿性堿性親核性親核性1. 吡啶環(huán)上氮的堿性及親核性吡啶環(huán)上氮的堿性及親核性N+HClNHCl應用：應用：OH+CH3CClONOCCH3ON+CH3INCH3I2. 吡啶環(huán)上親電取代反應吡啶環(huán)上親電取代反應與苯環(huán)比較吡啶環(huán)是缺電子的芳香雜環(huán)，性質類似于與苯環(huán)比較吡啶環(huán)是缺電子的芳香雜環(huán)，性質類似于硝基苯，它不能進行傅氏烷基化和酰基化反應。硝基苯，它不能進

14、行傅氏烷基化和酰基化反應。NBrBr2 , H2SO4(SO3)130NN265H2SO4(SO3) , HgCl2NSO3H3-溴吡啶溴吡啶3-吡啶磺酸吡啶磺酸N300KNO3 , H2SO4(SO3)NNO23-硝基吡啶硝基吡啶NNH220Br2 , HOAcNNH2Br3. 吡啶環(huán)上親核取代反應吡啶環(huán)上親核取代反應吡啶環(huán)吡啶環(huán) 2, 4, 6 位上的鹵素容易被親核試劑取代。位上的鹵素容易被親核試劑取代。親電取代位置在親電取代位置在3-或或5-位進行，為什么？位進行，為什么？NCl220NH3 , ZnCl2NBrBrNNH2NH3 , H2O160NBrNH2NClNaOMe CH3OH

15、NOMe除吡啶環(huán)除吡啶環(huán) 2, 4, 6 位上的鹵素容易被親核試劑取代外，吡位上的鹵素容易被親核試劑取代外，吡啶環(huán)啶環(huán) 2位上的負氫離子也能被取代。位上的負氫離子也能被取代。NH+NaNH2NNHNa+H2NNHNa+H2ONNH2+NaOHNH+NC6H5+4. 側鏈側鏈-H的反應的反應吡啶環(huán)吡啶環(huán)2, 4, 6位烷基的位烷基的-H具有一定的酸性，其酸性具有一定的酸性，其酸性與甲基酮的與甲基酮的-H相同。相同。吡啶環(huán)上吡啶環(huán)上2位的負氫離子被親核性極強的氨基負離子位的負氫離子被親核性極強的氨基負離子取代，同時有氫氣放出，稱齊齊巴賓（取代，同時有氫氣放出，稱齊齊巴賓（Chichibabin）反

16、應。反應。C6H5LiLiHNCH3+HHO ZnCl2NCH2CH2OHNCH2CH3CH3NaNH2NCH2CH3CH2CH3INCH2CH3CH2CH3ZnCl2的作用：的作用：N ZnCl2吡啶成鹽后，使吡啶環(huán)吡啶成鹽后，使吡啶環(huán)2, 4, 6位烷基的位烷基的-H酸性進一步酸性進一步增強，可以發(fā)生羥醛縮合和邁克爾反應：增強，可以發(fā)生羥醛縮合和邁克爾反應：NCH3ICH3NCH3+CH3INCH3ICH3+CHONH25NCH3ICH2COHHNCH3CH3I+3CH2CHCN(C2H5)3NC2H5OH25NCH3C(CH2CH2CN)3I5. 吡啶的氧化和還原吡啶的氧化和還原a. 氧

17、化氧化CrO3NNCOOHCOOHNNCH3HNO3NCOOHNH3NCNH2O尼古丁（煙堿）尼古?。焿A）尼古丁酸（煙酸）尼古丁酸（煙酸）尼古丁酰胺（煙酰胺）尼古丁酰胺（煙酰胺）NCH330%H2O270, 24h.CH3COOHNCH3OCH3COOHONNO注意：注意：NO發(fā)煙HNO3, H2SO490NONO2PCl3NNO2應用：應用：NNNO2b. 還原還原NH2 / Ni25, 3 atm.NH六氫吡啶（哌啶）六氫吡啶（哌啶）Sn , HCl或Na ,EtOHNNH三三. 吡啶環(huán)合成吡啶環(huán)合成Hantzsch（漢棲）合成法：（漢棲）合成法：-酮酸酯、醛和氨縮合。酮酸酯、醛和氨縮合

18、。第一步：第一步： -酮酸酯和醛發(fā)生羥醛縮合酮酸酯和醛發(fā)生羥醛縮合H2C O+Et2NH第二步：發(fā)生邁克加成第二步：發(fā)生邁克加成+Et2NHCO2EtEtO2CCH3H3COOH2CCO2EtCOCH3CCO2EtCOCH3CH2CCO2EtCOCH3CH2H2CCO2EtCOCH3第四步：二氫吡啶環(huán)脫氫，生成吡啶衍生物第四步：二氫吡啶環(huán)脫氫，生成吡啶衍生物CO2EtEtO2CCH3H3CNHHNO3, H2SO4CO2EtEtO2CCH3H3CN第三步：關環(huán)，生成二氫吡啶環(huán)第三步：關環(huán)，生成二氫吡啶環(huán)NH3, EtOHCO2EtEtO2CCH3H3COOCO2EtEtO2CCH3H3CNH第

19、五節(jié)第五節(jié) 喹啉、異喹啉喹啉、異喹啉N15862347quinolineisoquinoline喹啉喹啉N15862347異喹啉異喹啉喹啉、異喹啉的性質與吡啶相似，具有弱堿性。喹啉、異喹啉的性質與吡啶相似，具有弱堿性。喹啉喹啉 pKa=4.94異喹啉異喹啉 Ka=5.40 Skraup（斯克洛浦）合成法：將芳香族伯胺與甘油（斯克洛浦）合成法：將芳香族伯胺與甘油同硫酸和一種氧化劑（如：硝基苯、五氧化二砷、同硫酸和一種氧化劑（如：硝基苯、五氧化二砷、氧化鐵等）一起加熱，即可得喹啉及其衍生物。氧化鐵等）一起加熱，即可得喹啉及其衍生物。一一. 喹啉及其衍生物的合成喹啉及其衍生物的合成NH2+CH2CH

20、 CH2OHOH OH濃H2SO4As2O5N反應過程：反應過程：. 甘油在濃硫酸（或磷酸）作用下脫水生成丙烯醛，甘油在濃硫酸（或磷酸）作用下脫水生成丙烯醛，也可直接用也可直接用，-不飽和醛或酮。不飽和醛或酮。CH2CHCH2OHOHOHH2SO4CHCHCH2OHOHHCCH2CH2OOHH2SO4HCCHCH2O. 苯胺與丙烯醛發(fā)生邁克加成苯胺與丙烯醛發(fā)生邁克加成NH2+CH2CH CHONHCH2CH2HCO. 質子化的醛對苯環(huán)進行親電取代反應質子化的醛對苯環(huán)進行親電取代反應NHCH2CH2HCOHNHCH2CH2HCOHNHCH2CH2HCOHNHCH2CH2COHHHHNHCH2CH2COHHH2ONHNH. 1, 2-二氫喹啉氧化二氫喹啉氧化NO2N+NH2例：例：NH2Cl甘油 , H2SO4NO2ClNCl（85-88%）NH2+CH2CH C CH3OFeCl3 , ZnCl2或 H2SO4NO2NCH3（73%）CH2CH2NH2Ac2OCH2CH2NHCCH3OP2O5205CH2CH2NCCH3190PdNCH3（83%）二二. 反應反應1. 親電取代反應親電取代反應親電取代反應主要發(fā)生在碳環(huán)的親電取代反應主要發(fā)生在碳環(huán)的5位和位和8位。位。NHNO3 , H2SO40NNO2+NNO2