第17章 雜環(huán)化合物

1、第十七章第十七章 雜環(huán)化合物雜環(huán)化合物 17.1 雜環(huán)化合物的分類、命名和結(jié)構(gòu)雜環(huán)化合物的分類、命名和結(jié)構(gòu)17.1.1 分類和命名分類和命名17.1.2 結(jié)構(gòu)和芳香性結(jié)構(gòu)和芳香性17.2 五元雜環(huán)化合物五元雜環(huán)化合物17.2.1 五元雜環(huán)化合物的化學(xué)性質(zhì)五元雜環(huán)化合物的化學(xué)性質(zhì) 硝化硝化(2) 磺化磺化(3) 鹵化鹵化(4) Friedel-Crafts ?；；?7.2.2 常見(jiàn)的五元雜環(huán)化合物常見(jiàn)的五元雜環(huán)化合物17.3 六元雜環(huán)化合物六元雜環(huán)化合物17.3.1 吡啶和嘧啶吡啶和嘧啶(1) 硝化硝化(2) 磺化磺化(3) 鹵化鹵化 17.3.2 喹啉和異喹啉喹啉和異喹啉 17.3.3

2、嘌呤嘌呤雜環(huán)化合物雜環(huán)化合物(heterocyclic compounds)： 構(gòu)成環(huán)的原子除碳原子外還有其它原子構(gòu)成環(huán)的原子除碳原子外還有其它原子的一類環(huán)狀化合物的一類環(huán)狀化合物 ，常見(jiàn)的雜原子是常見(jiàn)的雜原子是O,N,S。 ONH2NHNH HOSCOOHCH3H2O頭孢氨芐頭孢氨芐(先鋒霉素先鋒霉素IV)NNNNFeCHCH2H3CCH3CHCH2H3CHOOCCH2CH2CH2CH2COOHCH3血紅素血紅素(heme)四氫呋喃四氫呋喃 哌啶哌啶 吡啶吡啶ONNH17.1 雜環(huán)化合物的分類、命名和結(jié)構(gòu)雜環(huán)化合物的分類、命名和結(jié)構(gòu)17.1.1 分類和命名分類和命名 雜環(huán)雜環(huán)非芳香性雜環(huán)非芳

3、香性雜環(huán) 芳香性雜環(huán)芳香性雜環(huán) 非芳香性雜環(huán)非芳香性雜環(huán):四氫吡咯四氫吡咯 六氫吡啶六氫吡啶 奎寧環(huán)奎寧環(huán) OOO四氫呋喃四氫呋喃 1,4二氧六環(huán)二氧六環(huán)NNNHH(1氮雜二環(huán)氮雜二環(huán)2.2.2辛烷辛烷) 芳雜環(huán)化合物芳雜環(huán)化合物 :五元雜環(huán)：五元雜環(huán)： 呋喃呋喃 噻吩噻吩 吡咯吡咯furan thiophene pyrrole OSNH吡唑吡唑 咪唑咪唑 唑唑 噻唑噻唑pyrazole imidazole oxazole thiazole NNNNONSNHH六元雜環(huán)：六元雜環(huán)： 吡啶吡啶pyridine 噠嗪噠嗪 嘧啶嘧啶 吡嗪吡嗪pyridazine pyrimidine pyrazin

4、e NNNNNNNOSNH苯并呋喃苯并呋喃 苯并噻吩苯并噻吩 吲哚吲哚(苯并吡咯苯并吡咯)benzofuran thionaphthene indole 稠雜環(huán)：稠雜環(huán)：苯并咪唑苯并咪唑 苯并苯并 唑唑 苯并噻唑苯并噻唑 嘌呤嘌呤benzomidazole benzoxazole benzothiazole purine NNHONSNNNNNHNNN 喹啉喹啉 異喹啉異喹啉 吖啶吖啶quinoline isoquinoline acridine 雜環(huán)的編號(hào)一般從雜原子開(kāi)始，含多個(gè)雜環(huán)的編號(hào)一般從雜原子開(kāi)始，含多個(gè)雜原子時(shí)按雜原子時(shí)按O、S、N的次序編號(hào)。的次序編號(hào)。 O12345SNCH31

5、2345ON1234567CH3CO5甲基噻唑甲基噻唑 6甲氧基苯并甲氧基苯并 唑唑 對(duì)于含一個(gè)雜原子的雜環(huán)也可把靠近雜對(duì)于含一個(gè)雜原子的雜環(huán)也可把靠近雜 原子的位置叫做原子的位置叫做位，其次為位，其次為和和位。位。 N17.1.2 結(jié)構(gòu)和芳香性結(jié)構(gòu)和芳香性 呋喃、噻吩和吡咯：呋喃、噻吩和吡咯：C、N原子均為原子均為sp2雜化，雜化，環(huán)上的環(huán)上的5個(gè)原子處于同一平面；個(gè)原子處于同一平面；5個(gè)個(gè)p軌道都軌道都垂直于環(huán)所在的平面且相互平行；垂直于環(huán)所在的平面且相互平行；p軌道的軌道的相互交蓋形成閉合的共軛體系，體系中有相互交蓋形成閉合的共軛體系，體系中有6個(gè)個(gè)電子。電子。NHHHHHsp2 雜化雜

6、化參與大參與大鍵生成鍵生成的的p軌道中的電子軌道中的電子圖圖17.1 吡咯的軌道結(jié)構(gòu)吡咯的軌道結(jié)構(gòu) NH呋喃、吡咯和噻吩的芳香性：呋喃、吡咯和噻吩的芳香性： 共振能分別為共振能分別為67、88 和和 117 kJ/mol。 容易發(fā)生親電取代反應(yīng)容易發(fā)生親電取代反應(yīng) 鍵長(zhǎng)趨于平均化鍵長(zhǎng)趨于平均化 表表17.1 呋喃、噻吩、吡咯及環(huán)戊二烯的鍵長(zhǎng)呋喃、噻吩、吡咯及環(huán)戊二烯的鍵長(zhǎng)/nmXC1(單鍵單鍵) C2C3 C3C4 呋喃呋喃 0.1362(0.143) 0.1361 0.1430噻吩噻吩 0.1714(0.182) 0.1370 0.1423吡咯吡咯 0.1370(0.147) 0.1382

7、0.1417 環(huán)戊二烯環(huán)戊二烯 0.1502 0.1341 0.1455 XX=O,S,NH,CH2CCCC鍵長(zhǎng)鍵長(zhǎng)/nm0.1540.134NHHHHHN圖圖17.2 吡啶的軌道結(jié)構(gòu)吡啶的軌道結(jié)構(gòu) NNNNNN0.134 nm0.139 nm0.140 nmCN: 0.147 nmC=N: 0.128 nm 核磁共振信號(hào)大都出現(xiàn)在較低場(chǎng)核磁共振信號(hào)大都出現(xiàn)在較低場(chǎng) O 6.24 7.29S 7.18 6.99 NH 6.68 6.22 6.28 6.43吡啶是典型的芳香雜環(huán)化合物吡啶是典型的芳香雜環(huán)化合物 芳香性：苯芳香性：苯 噻吩噻吩 吡咯吡咯 呋喃呋喃 NNH偶極矩偶極矩/Cm: 7.5

8、 1030 6.1 1030 17.2 五元雜環(huán)化合物五元雜環(huán)化合物17.2.1 五元雜環(huán)化合物的化學(xué)性質(zhì)五元雜環(huán)化合物的化學(xué)性質(zhì) 呋喃、吡咯的遇酸或氧化劑容易開(kāi)環(huán)呋喃、吡咯的遇酸或氧化劑容易開(kāi)環(huán)或聚合?；蚓酆?。它們?cè)谟H電取代反應(yīng)中，使用溫和的試劑：它們?cè)谟H電取代反應(yīng)中，使用溫和的試劑： 硝化硝化 一般采用硝酸乙酰脂一般采用硝酸乙酰脂 CH3COONO2作硝化劑作硝化劑 S+ CH3COONO2Ac2OC AcOH 0SNO2+SNO2 2C 硝硝基基噻噻吩吩( (6 66 6% %) )3C 硝硝基基噻噻吩吩( (1 10 0% %) )XX = NH,O,S 雜原子的雜原子的C 效應(yīng)，增加

9、了效應(yīng)，增加了雜環(huán)的親電取代反應(yīng)的活性。雜環(huán)的親電取代反應(yīng)的活性。親電取代反應(yīng)活性順序：親電取代反應(yīng)活性順序：NOSHS+ H2SO4(濃濃) )室室溫溫SSO3H噻噻吩吩2磺磺酸酸(75%) 煤焦油中提取的苯含煤焦油中提取的苯含0.5% 噻吩。這是噻吩。這是制取無(wú)噻吩苯的一種方法制取無(wú)噻吩苯的一種方法(3) 鹵化鹵化 采用溶劑稀釋、低溫采用溶劑稀釋、低溫(2) 磺化磺化 吡咯、呋喃通常采用吡啶與吡咯、呋喃通常采用吡啶與SO3的加合物：的加合物：N+ SO3NSO3N+N SO3100NSO3 NHClNSO3 H吡吡咯咯2磺磺酸酸吡吡啶啶鹽鹽(90)HHHO+ Br2OO0OBr C溴溴代代

10、呋喃(90%)S+ Br2室室溫溫SBr C溴溴代代噻噻吩吩AcOH(4) FriedelCrafts?；；?催化劑：催化劑： SnCl4, BF3等等 O+ (CH3CO)2OO 2C乙乙酰?；秽?75%92%)BF3COCH3+ (CH3CO)2O 2C乙乙酰酰基基吡吡咯咯(60%)150200COCH3NHNH 呋喃、噻吩、吡咯的制備呋喃、噻吩、吡咯的制備PaalKnorr合成法合成法 二羰基化合物二羰基化合物 酸催化下脫水酸催化下脫水或與氨或硫化物作用或與氨或硫化物作用 吡咯、呋喃、噻吩親電取代反應(yīng)的吡咯、呋喃、噻吩親電取代反應(yīng)的區(qū)域選擇性：區(qū)域選擇性：反應(yīng)主要發(fā)生在反應(yīng)主要

11、發(fā)生在 2 位上位上 雜環(huán)上有兩種不同位置的取代：雜環(huán)上有兩種不同位置的取代：親電試劑進(jìn)攻親電試劑進(jìn)攻 2 位的中間體穩(wěn)定位的中間體穩(wěn)定X進(jìn)進(jìn)攻攻3位位進(jìn)進(jìn)攻攻2位位E+XEHXEHXEHXEHXEHX=O,S,NHZnOC Cr2O3C MnO2O(C5H8O4)nH+,H2OCHO(CHOH)3CH2OH3H2OOCHOHCl /聚戊糖聚戊糖 戊糖戊糖 糠醛糠醛 OOCH3H3CTsOH甲甲苯苯, ,OH3CCH3P2S5170 NH3甲甲苯苯, ,SH3CCH3NH3CCH3H17.2.2 常見(jiàn)的五元雜環(huán)化合物常見(jiàn)的五元雜環(huán)化合物17.3 六元雜環(huán)化合物六元雜環(huán)化合物17.3.1 吡啶和

12、嘧啶吡啶和嘧啶 NNH煙煙堿堿(尼尼古古丁丁) 顛顛茄茄堿堿(阿阿托托品品) 麻麻黃黃堿堿 咖咖啡啡堿堿NCH3CH3NHCH3HOHHC6H5NNOH3CONNCH3CH3 生物堿一般是指從動(dòng)植物中得來(lái)的、生物堿一般是指從動(dòng)植物中得來(lái)的、具有堿性的、有強(qiáng)烈生理作用的一類有機(jī)具有堿性的、有強(qiáng)烈生理作用的一類有機(jī)含氮化合物：含氮化合物： 吡啶的堿性：吡啶的堿性：NNH2NH不穩(wěn)定的不穩(wěn)定的極限結(jié)構(gòu)極限結(jié)構(gòu)親電取代反應(yīng)親電取代反應(yīng)： 類似硝基苯，一般需在類似硝基苯，一般需在強(qiáng)烈條件下才能發(fā)生親電取代反應(yīng)。強(qiáng)烈條件下才能發(fā)生親電取代反應(yīng)。 NNE+進(jìn)進(jìn)攻攻位位進(jìn)進(jìn)攻攻位位NEHNEHNEHNEHNE

13、HNEH親電試劑主要進(jìn)入親電試劑主要進(jìn)入位位 (1) 硝化硝化 NHNO3,KNO3H2SO4,Fe,300NNO23C 硝硝基基吡吡啶啶(22%)(2) 磺化磺化 230NH2SO4,HgSO4N3C 吡吡啶啶磺磺酸酸(70%)SO3H(3) 鹵化鹵化 300NBr2 / 浮浮石石NBr3C 溴溴吡吡啶啶(39%)+NBrBr3,5C 二二溴溴吡吡啶啶芳環(huán)上的親核取代反應(yīng)：芳環(huán)上的親核取代反應(yīng)： 吡啶更容易發(fā)生親核取代反應(yīng)，反應(yīng)吡啶更容易發(fā)生親核取代反應(yīng)，反應(yīng)的部位是在環(huán)上的的部位是在環(huán)上的位和位和 4 位：位：CH3OH /NN2C 甲氧基吡吡啶啶(95%)ClNaOCH3OCH3NNNa

14、NH2NHNaNH3H2ON氨基吡吡啶啶NH2NC6H5LiNC6H5苯基吡吡啶啶+ LiH環(huán)上氮原子的性質(zhì)：環(huán)上氮原子的性質(zhì)：親核性：親核性： 吡啶能與鹵代烷作用生成相當(dāng)于季銨鹽吡啶能與鹵代烷作用生成相當(dāng)于季銨鹽的產(chǎn)物吡啶的產(chǎn)物吡啶 鹽：鹽： NCH3INCH3I300NCH3+NCH3C 甲甲基吡吡啶啶C 甲甲基吡吡啶啶堿性：堿性： N+ HClNHClN+ SO3N SO3還原：還原：N+ H2NHNi180六六氫氫吡吡啶啶(哌哌啶啶)有機(jī)堿催化劑、環(huán)氧樹(shù)脂的固化劑有機(jī)堿催化劑、環(huán)氧樹(shù)脂的固化劑氧化：氧化： 吡啶與過(guò)氧化氫作用生成吡啶吡啶與過(guò)氧化氫作用生成吡啶N氧化物：氧化物： NH2O2,AcOH65NOHNO3,H2SO49