中國藥科大學(xué)有機化學(xué)課件-第十四章雜 環(huán) 化 合 物

第十四章

雜環(huán)化合物

主要內(nèi)容第一節(jié)雜環(huán)化合物的分類和命名第二節(jié)六元雜環(huán)化合物第三節(jié)五元雜環(huán)化合物

第一節(jié)雜環(huán)化合物的分類和命名1、脂雜環(huán)

沒有芳香特征的雜環(huán)化合物稱為脂雜環(huán)。三元雜環(huán)四元雜環(huán)五元雜環(huán)七元雜環(huán)(氮雜環(huán)丙烷)(β-丙內(nèi)酯)(β-丙內(nèi)酰胺)(順丁烯二酸酐)(氧雜)(1H-氮雜)(環(huán)氧乙烷)（一）分類2、芳雜環(huán)具有芳香特征的雜環(huán)化合物稱為芳雜環(huán)苯并雜環(huán)雜環(huán)并雜環(huán)五元雜環(huán)六元雜環(huán)呋喃噻吩吡咯噁唑噻唑咪唑吡唑吡啶嘧啶吡喃(無芳香性)吲哚喹啉異喹啉嘌呤(二)命名命名原則:雜環(huán)的命名常用音譯法，是按外文名詞音譯成帶“口”字旁的同音漢字。

當(dāng)環(huán)上有取代基時，取代基的位次從雜原子算起依次用1,2,3,…(或α,β,γ…)編號。如雜環(huán)上不止一個雜原子時，則從O、S、N順序依次編號。編號時雜原子的位次數(shù)字之和應(yīng)最小。

五元雜環(huán)五元雜環(huán)苯并體系呋喃(furan)噻吩(thiophene)吡咯(pyrrole)苯并呋喃(benzofuran)苯并噻吩(benzothiophene)苯并吡咯吲哚(indole)實例:六元雜環(huán)吡啶(pyridine)吡喃(pyran)γ-吡喃酮(γ-pyrone)α-吡喃酮(α-pyrone)噠嗪(pyridazine)嘧啶(pyrimidine)吡嗪(pyrazine)雜環(huán)并雜環(huán)喹啉(quinoline)異喹啉(isoquinoline)苯并吡喃(benzopyran)苯并--吡喃酮(benzo--pyrone)嘌呤(purine)六元雜環(huán)苯并環(huán)系(一)吡啶共軛效應(yīng)和誘導(dǎo)效應(yīng)都是吸電子的孤電子對在sp2雜化軌道上。結(jié)構(gòu)：吡啶N是sp2雜化，孤電子對不參與共軛。反應(yīng)：堿性較強。環(huán)不易發(fā)生親電取代反應(yīng)但易發(fā)生親核取代反應(yīng)。發(fā)生親電取代反應(yīng)時，環(huán)上N起間位定位基的作用。發(fā)生親核取代反應(yīng)時，環(huán)上N起鄰對位定位基的作用。1電子結(jié)構(gòu)第二節(jié)六元雜環(huán)化合物2物理性質(zhì)氮原子的電負(fù)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,是一個良好的溶劑。3堿性吡啶N是sp2雜化，孤電子子對不參與共共軛，可以與與質(zhì)子結(jié)合或給出電電子，顯弱堿堿性。利用它它的堿性，可可從混合物中分離吡吡啶類化合物物，在化學(xué)反反應(yīng)中還可用用作催化劑和除酸劑劑。4化學(xué)反應(yīng)應(yīng)(1)氮原子上的反反應(yīng)(2)親電電取代反應(yīng)吡啶環(huán)上氮原原子為吸電子子基，故吡啶啶環(huán)屬于缺電電子的芳雜環(huán)環(huán)，和硝基苯苯相似。其親親電取代反應(yīng)應(yīng)很不活潑，，反應(yīng)條件要要求很高，不不起傅-克烷烷基化和酰基基化反應(yīng)。親親電取代反反應(yīng)主要在β-位上。由吡啶的共振振式分析:結(jié)論:1.環(huán)上帶帶正電,不不利于親電取代2.b位的正電荷密密相對較低解釋原因:由取代反應(yīng)的的中間體穩(wěn)定定性分析1.取代在在a位2.取代在在b位3.取代在在g位中間體較為穩(wěn)穩(wěn)定實驗事實：鈍鈍化和b取代其它反應(yīng)現(xiàn)象象環(huán)上有給電子子基時反應(yīng)相相對較易進(jìn)行行(3)親核核取代反應(yīng)取代主要發(fā)生生在a位當(dāng)a或g位有其它離去去基團(tuán)時，反反應(yīng)易發(fā)生(4)氧氧化和還原反反應(yīng)氧化在側(cè)鏈上上氧化在N上復(fù)習(xí)：叔胺的的氧化吡啶的類似反反應(yīng)N-氧化吡啶的性性質(zhì)：比吡啶啶易與親電試試劑或親核試試劑反應(yīng)(a)與親電試劑的的親電取代(b)與親核試劑的的親核加成為什么N-氧化吡啶既有親電性又又有親核性(a)由共振結(jié)構(gòu)分分析（有兩種種形式的共振振式）有苯氧基負(fù)離離子特點，環(huán)環(huán)上的2,4,6三個位置置負(fù)電荷密度度較大保留吡啶的特特點，氧負(fù)離離子使環(huán)上的的正電荷密度度增大(b)由反應(yīng)過程分分析（中間體體的穩(wěn)定性分分析）親電取代及進(jìn)進(jìn)一步的反應(yīng)應(yīng)過程對比：吡啶的的直接親電取取代不穩(wěn)定(二）喹啉啉和異喹啉喹啉和異喹啉啉：1結(jié)構(gòu)與物物理性質(zhì)：結(jié)構(gòu)：*雜雜環(huán)部分性質(zhì)質(zhì)象吡啶(堿堿性和親和性性、親電取代代、親核核取取代代、、氧氧化化反反應(yīng)應(yīng)、、還還原原反反應(yīng)應(yīng)、、支支鏈鏈上上的的反反應(yīng)應(yīng))*碳碳環(huán)環(huán)部部分分性性質(zhì)質(zhì)象象萘萘(親親電電取取代代及及其其取取代代定定位位作作用用)堿性性強強弱弱：：喹喹啉啉＜＜吡吡啶啶＜＜異異喹喹啉啉喹啉啉在在常常溫溫時時是是無無色色油油狀狀液液體體，，有有類類似似吡吡啶啶的的惡惡臭臭，，沸點點238℃℃，，異異喹喹啉啉為為低低熔熔點點的的固固體體，，氣氣溫溫類類似似于于苯甲甲醛醛，，熔熔點點26℃℃，，沸沸點點243℃℃。。物理理性性質(zhì)質(zhì)：：（1））親親電電取取代代反反應(yīng)應(yīng):反應(yīng)應(yīng)產(chǎn)產(chǎn)物物受受介介質(zhì)質(zhì)的的影影響響。。若若反反應(yīng)應(yīng)在在酸酸性性介介質(zhì)質(zhì)中中進(jìn)進(jìn)行行，，取取代代主主要要在在苯苯環(huán)環(huán)上上發(fā)發(fā)生生。。喹喹啉啉主主要要發(fā)發(fā)生生在在C-5與C-8位，，而而異異喹喹啉啉以以C-5產(chǎn)物物為為主主。。若反反應(yīng)應(yīng)在在有有機機溶溶劑劑中中進(jìn)進(jìn)行行，，取取代代在在雜雜環(huán)環(huán)上上發(fā)發(fā)生生。。2化化學(xué)學(xué)反反應(yīng)應(yīng)從反反應(yīng)應(yīng)中中間間體體的的穩(wěn)穩(wěn)定定性性解解釋釋反反應(yīng)應(yīng)結(jié)結(jié)果果：：（2））親親核核取取代代反反應(yīng)應(yīng)親核取取代反反應(yīng)主主要在在吡啶啶環(huán)上上發(fā)生生，喹喹啉的的反應(yīng)應(yīng)位置置在2位位和4位(2位位為主主)，，異喹喹啉在在1位位；實例：：（3））氧氧化反反應(yīng)*1喹喹啉啉和異異喹啉啉與絕絕大多多數(shù)氧氧化劑劑不發(fā)發(fā)生反反應(yīng)；；*2與與高高錳酸酸鉀能能發(fā)生生反應(yīng)應(yīng)：*3喹喹啉啉與異異喹啉啉在過過酸的的作用用下均均可形形成N-氧化物物。（4））還還原原反應(yīng)應(yīng)反十氫氫喹啉啉順十氫氫喹啉啉3喹喹啉及及其衍衍生物物的合合成1斯斯克勞勞普(Skraup,Z.H.)反應(yīng)：：苯胺胺、甘甘油、、硫酸酸和基基苯等等氧化化劑一一起作作用，，生成成喹啉啉的反反應(yīng)稱稱為斯斯克勞勞普反反應(yīng)。。實例例eg2eg1eg4eg32弗弗里里德倫倫德(Friedlander)反應(yīng)：：eg1eg2芳香族族鄰氨氨基羰羰基化化合物物發(fā)生生縮合合反應(yīng)應(yīng)，得得到喹喹啉或或它的的衍生生物，，這稱稱為弗弗里德德倫德德反應(yīng)應(yīng)。(三））含含二個個氮原原子的的六元元雜環(huán)環(huán)含有兩兩個氮氮原子子的六六元雜雜環(huán)體體系稱稱作二二嗪類類，因因氮原原子在環(huán)中中的相相對位位置不不同，，二嗪嗪類有有三種種異構(gòu)構(gòu)體：：噠嗪嗪、嘧啶、、吡嗪嗪。噠嗪(pyridazine)嘧啶(pyrimidine)吡嗪(pyrazine)1結(jié)構(gòu)與與物理性質(zhì)質(zhì)二嗪類環(huán)上上的兩個氮氮原子，其其電子構(gòu)形形與吡啶中中的氮原子子相同，各有有一對未共共用電子對對，位于sp2雜化軌道上上，能與水經(jīng)氫鍵締締合。噠嗪與嘧啶啶因結(jié)構(gòu)的的不對稱性性，分子有有一定的極性，，可與水混混溶，吡嗪嗪因分子極極性小而水水溶性略小小。二嗪類化合合物都是一一元堿,而而且堿性都都比吡啶弱弱.2化學(xué)學(xué)反應(yīng)（1）.親親電電取代反應(yīng)應(yīng)反應(yīng)最易在在2位發(fā)生生，其次是是4,6位位取代鹵素要要比取代負(fù)負(fù)氫更容易易（2）.親親核取代反反應(yīng)利用親核取取代反應(yīng)可可制取烴基基取代的二二嗪。二嗪不易被被氧化。若若用過酸氧氧化，得嘧嘧啶單N-氧化物（3）氧氧化（4）側(cè)側(cè)鏈α-H反應(yīng)羥醛縮合型型烷基化反應(yīng)應(yīng)吡喃環(huán)系吡喃及其衍衍生物無芳芳香特性吡喃酮的钅钅羊鹽是芳香香體系。(四)含含氧原子子的六元雜雜環(huán)(一)呋呋喃、、噻吩、吡吡咯的結(jié)構(gòu)構(gòu)(二)吲吲哚(三)含含兩個個雜原子的的五元雜環(huán)環(huán)第三節(jié)五五元雜雜環(huán)化合物物吡咯的結(jié)構(gòu)構(gòu)孤電子對在在p軌道上。吡咯咯結(jié)構(gòu)：吡咯咯N是sp2雜化，孤電電子對參與與共軛。反應(yīng)：堿性性較弱，環(huán)環(huán)易發(fā)生親親電取代反反應(yīng)，環(huán)上上相當(dāng)有一個鄰對對位定位基基。共軛效效應(yīng)是是給電電子的的。誘誘導(dǎo)效效應(yīng)是是吸電電子的的。(一)呋呋喃、、噻吩吩、吡吡咯的的結(jié)構(gòu)構(gòu)呋喃、、噻吩吩的結(jié)結(jié)構(gòu)請請同學(xué)學(xué)自己己分析析。1電電子結(jié)結(jié)構(gòu)及及芳香香性呋喃、、噻吩吩、吡吡咯在在結(jié)構(gòu)構(gòu)上具具有共共同點點，即即構(gòu)成成環(huán)的的五個個原子子都為為sp2雜化，，故成成環(huán)的的五個個原子子處在在同一一平面面，雜雜原子子上的的孤對對電子子參與與共軛軛形成成共軛軛體系系，其其π電子數(shù)數(shù)符合合休克克爾規(guī)規(guī)則（（π電子數(shù)數(shù)=4n+2），所以，，它們們都具具有芳芳香性性。2物物理性性質(zhì)都能溶溶于有有機溶溶劑,水溶溶解度度都小小于六六元雜雜環(huán)吡吡啶溶解度度順序序為：：吡咯咯﹥呋呋喃﹥﹥噻吩吩吡咯幾幾乎不不顯堿堿性,相相反具具有弱弱酸性性3呋呋喃、、噻吩吩、吡吡咯化化學(xué)反反應(yīng)分子接接受一一個質(zhì)質(zhì)子的的反應(yīng)應(yīng)稱為為質(zhì)子子化反反應(yīng).（1））呋喃喃、噻噻吩、、吡咯咯在酸酸的作作用下下可質(zhì)質(zhì)子化化；（2））質(zhì)質(zhì)子子化化反反應(yīng)應(yīng)主主要要發(fā)發(fā)生生在在C-2上；；α-C質(zhì)子子化化β-C質(zhì)子子化化N-質(zhì)子子化化質(zhì)子子化化反反應(yīng)應(yīng)（3））由由于于α-C的質(zhì)質(zhì)子子化化反反應(yīng)應(yīng)，，吡吡咯咯在在強強酸酸作作用用下會會因因聚聚合合而而被被破破壞壞；；（4））在在稀稀的的酸酸性性水水溶溶液液中中，，呋呋喃喃的的質(zhì)質(zhì)子子化化在在氧氧上發(fā)發(fā)生生并并導(dǎo)導(dǎo)致致水水解解開開環(huán)環(huán)。。呋喃喃、、噻噻吩吩、、吡吡咯咯的的親親電電取取代代反反應(yīng)應(yīng)*1親親電電取取代代反反應(yīng)應(yīng)的的活活性性順順序序為為：：吸電電子子誘誘導(dǎo)導(dǎo)：：O(3.5)>N(3.0)>S(2.6)給電子共共軛：N>O>S綜合：N貢獻(xiàn)電子子最多，，O其次，S最少①電子密密度②②σ-絡(luò)合物八隅體結(jié)結(jié)構(gòu)最穩(wěn)穩(wěn)定無最穩(wěn)定定結(jié)構(gòu)（1）概概述*2取取代反反應(yīng)主要要發(fā)生在在α-C上；*3吡吡咯、、呋喃對對酸及氧氧化劑比比較敏感感，選擇擇試劑時需要要注意；；*4噻噻吩、、吡咯的的芳香性性較強，，所以易易取代而而不易加成；呋呋喃的芳芳香性較較弱，雖雖然也能能與大多多數(shù)親電試劑劑發(fā)生親親電取代代，但在在強親核核試劑存存在下，能發(fā)發(fā)生親核核加成。。離域能：：噻吩：：121.3kJ·mol-1吡咯：87.8kJ·mol-1呋喃：66.9kJ·mol-1（1）呋呋喃、噻噻吩、吡吡咯的鹵鹵化反應(yīng)應(yīng)反應(yīng)強烈烈，易得得多鹵取取代物。。為了得得一鹵代代(Cl,Br)產(chǎn)物，要要采用低低溫、溶溶劑稀釋釋等溫和和條件。。碘不活潑潑，要用用催化劑劑才能發(fā)發(fā)生一元元取代（2）呋呋喃、噻噻吩、吡吡咯的硝硝化反應(yīng)應(yīng)呋喃,噻噻吩和和吡咯易易氧化,一般般不用硝硝酸直接接硝化;通常用比比較溫和和的非質(zhì)質(zhì)子硝化化試劑，，如：硝硝酸乙酰酰酯。反應(yīng)在低低溫下進(jìn)進(jìn)行。呋喃比較較特殊,先生成成穩(wěn)定的的或不穩(wěn)穩(wěn)定的2,5加加成產(chǎn)物物,然后加熱熱或用吡吡啶除去去乙酸,得到硝硝化產(chǎn)物物。（3）呋呋喃、噻噻吩、吡吡咯的磺磺化反應(yīng)應(yīng)吡咯、呋呋喃不太太穩(wěn)定，，所以須須用溫和和的磺化化試劑磺磺化。常常用的溫溫和的非非質(zhì)子的的磺化試試劑有：：吡啶與與三氧化化硫的加加合化合合物。噻吩比較較穩(wěn)定，，既可以以直接磺磺化（產(chǎn)產(chǎn)率稍低低），也也可以用用溫和的的磺化試試劑磺化化。(固體，，含量90%)S+

NSO3ClCH2CH2Clr.

t.SSO3-Ba(OH)22Ba2+（4）呋呋喃、噻噻吩、吡吡咯的傅傅氏酰基基化反應(yīng)應(yīng)Eg1Eg4Eg3Eg2sp2雜化sp3雜化碳上?；婋姾商幵谠陔x域范范圍內(nèi)，，較穩(wěn)定定。氮上?；?，正正電荷不處在在離域范圍內(nèi)內(nèi)。呋喃、噻吩的的?；磻?yīng)在在-C上發(fā)生，而吡吡咯的?；捶磻?yīng)（不用催催化劑）既能能在-C上發(fā)生，又能能在N上發(fā)生。在-C上發(fā)生比在N上發(fā)生容易。。（5）吡吡咯的特殊殊反應(yīng)吡咯的性質(zhì)與與苯酚類似，，都具有酸性性，但吡咯的的酸性比苯酚酚小。吡咯與與苯胺也有類類似性質(zhì)。吡咯成鹽后，，使環(huán)上電荷荷密度增高，，親電取代反反應(yīng)更易進(jìn)行行。HCON(CH3)2POCl3CHCl325%NaOH(NH4)2CO3130oCC6H5N2+X-C2H5OH-H2OAcONaRMgX1CO22H2OCO2加熱加壓RCOClRX(6)呋呋喃、吡咯咯、噻吩的加加成反應(yīng)（1）加氫氫反應(yīng)（2）Diels-Alder反應(yīng)呋喃最易發(fā)生生Diels-Alder反應(yīng)AlCl3NHCCH3H3CCOOCH3COOCH3OCH3噻吩基本上不不發(fā)生雙烯加加成，即使在在個別情況下下生成也是一一個不穩(wěn)定的的中間體，直直接失硫轉(zhuǎn)化化為別的產(chǎn)物物。對取代位置的的解釋（對反反應(yīng)中間體的的相對穩(wěn)定性性的分析）取代在a位取代在b位(二)吲吲哚三種五員雜環(huán)環(huán)苯并體系親電取代反應(yīng)應(yīng)：從反應(yīng)的中間間體分析：進(jìn)攻3-位,反應(yīng)易于進(jìn)進(jìn)行吲哚的合成苯肼與醛、酮酮類化合物在在酸性條件下下加熱生成吲吲哚及其衍生生物的反應(yīng)稱稱為費歇爾(Fischer,E.)合成法。（1）互變異異構(gòu)N-N(單鍵)N=N(雙鍵)5-甲基咪唑唑4-甲基咪唑唑4(5)-甲甲基咪唑(因因為4-甲基基咪唑和5-甲基咪唑不不可分離)1唑唑的結(jié)構(gòu)(三)含含有兩個雜雜原子的五元元雜環(huán)體系（2）結(jié)構(gòu)吡咯N(孤電子對參與與共軛，所以以堿性較弱)吡啶N(孤電子對不參參與共軛，所所以堿性較強強)吡咯N的孤電子對處處于p軌道一般胺中的N是sp3雜化。N的孤電子對處處于sp3雜化軌道sp3軌道堿性：N的孤電子對處處于sp2雜化軌道吡啶N與吡咯N均為sp2雜化。（2）堿性1.1,2-