中國(guó)藥科大學(xué)有機(jī)化學(xué)課件—第十四章雜--環(huán)--化--合--物.ppt

1、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),(-丙內(nèi)酯),(-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

2、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(shí)，取代基的位次從雜原子算起依次用1,2,3, (或,)編號(hào)。 如雜環(huán)上不止一個(gè)雜原子時(shí)，則從O、S、N順序依次編號(hào)。編號(hào)時(shí)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(shí)例:,六元雜環(huán),吡啶(pyridine),吡喃(pyran),-吡喃酮 (-pyrone),-吡喃酮 (-pyrone),噠嗪(pyridazine),嘧啶(pyrimidin

3、e),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(duì)在sp2雜化軌道上。,結(jié)構(gòu)：吡啶N是sp2雜化，孤電子對(duì)不參與共軛。 反應(yīng)：堿性較強(qiáng)。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(shí)，環(huán)上N起間位定 位基的作用。發(fā)生親核取代反應(yīng)時(shí)，環(huán)上N起鄰對(duì) 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

4、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(jī)化合物,甚至許多無機(jī)鹽類,是一個(gè)良好的溶劑。,3 堿性,吡啶N是sp2雜化，孤電子對(duì)不參與共軛，可以與質(zhì)子 結(jié)合或給出電子，顯弱堿性。利用它的堿性，可從混 合物中分離吡啶類化合物，在化學(xué)反應(yīng)中還可用作催 化劑和除酸劑。,4 化學(xué)反應(yīng),(1) 氮原子上的反應(yīng),(2) 親電取代反應(yīng),吡啶環(huán)上氮原子為吸電子基，故吡啶環(huán)屬于缺電子的芳雜環(huán)，和硝基苯相似。其親電取代反應(yīng)很不活潑，反應(yīng)條件要求很高，不起傅-克烷基化和?；磻?yīng)。親電取代 反應(yīng)主要在-位上。,由吡啶的共振式分析:,結(jié)論: 1. 環(huán)

5、上帶正電, 不利 于親電取代 2. b 位的正電荷密相 對(duì)較低,解釋原因:,由取代反應(yīng)的中間體穩(wěn)定性分析,1. 取代在 a 位,2. 取代在 b 位,3. 取代在 g 位,中間體較為穩(wěn)定,實(shí)驗(yàn)事實(shí)：鈍化和 b取代,其它反應(yīng)現(xiàn)象,環(huán)上有給電子基時(shí)反應(yīng)相對(duì)較易進(jìn)行,(3) 親核取代反應(yīng),取代主要發(fā)生在 a 位,當(dāng) a 或 g 位有其它離去基團(tuán)時(shí)，反應(yīng)易發(fā)生,(4) 氧化和還原反應(yīng),氧化在側(cè)鏈上,氧化在 N 上,復(fù)習(xí)：叔胺的氧化,吡啶的類似反應(yīng),N-氧化吡啶的性質(zhì)：比吡啶易與親電試劑或親核試劑反應(yīng),(a) 與親電試劑的親電取代,(b) 與親核試劑的親核加成,為什么N-氧化吡啶既有親電性又有親核性,(

6、a) 由共振結(jié)構(gòu)分析（有兩種形式的共振式）,有苯氧基負(fù)離子特點(diǎn)，環(huán)上的 2, 4, 6 三個(gè)位置負(fù)電荷密度較大,保留吡啶的特點(diǎn)，氧負(fù)離子使環(huán)上的正電荷密度增大,(b) 由反應(yīng)過程分析（中間體的穩(wěn)定性分析）,親電取代及進(jìn)一步的反應(yīng)過程,對(duì)比：吡啶的直接親電取代,不穩(wěn)定,(二） 喹啉和異喹啉,喹啉和異喹啉：,1 結(jié)構(gòu)與物理性質(zhì)：,結(jié)構(gòu)： *雜環(huán)部分性質(zhì)象吡啶(堿性和親和性、親電取代、 親核取代、氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)、支鏈上的反應(yīng)) *碳環(huán)部分性質(zhì)象萘(親電取代及其取代定位作用),堿性強(qiáng)弱：喹啉吡啶異喹啉,喹啉在常溫時(shí)是無色油狀液體，有類似吡啶的惡臭， 沸點(diǎn)238，異喹啉為低熔點(diǎn)的固體，氣溫類似于 苯

7、甲醛，熔點(diǎn)26，沸點(diǎn)243。,物理性質(zhì)：,（1） 親電取代反應(yīng):,反應(yīng)產(chǎn)物受介質(zhì)的影響。若反應(yīng)在酸性介質(zhì)中進(jìn)行，取代主要在苯環(huán)上發(fā)生。喹啉主要發(fā)生在C-5與C-8位，而異喹啉以C-5產(chǎn)物為主。,若反應(yīng)在有機(jī)溶劑中進(jìn)行，取代在雜環(huán)上發(fā)生。,2 化學(xué)反應(yīng),從反應(yīng)中間體的穩(wěn)定性解釋反應(yīng)結(jié)果：,（2） 親核取代反應(yīng),親核取代反應(yīng)主要在吡啶環(huán)上發(fā)生，喹啉的反應(yīng)位置 在2位和4位(2位為主)，異喹啉在1位；,實(shí)例：,（3） 氧化反應(yīng),*1 喹啉和異喹啉與絕大多數(shù)氧化劑不發(fā)生反應(yīng)；,*2 與高錳酸鉀能發(fā)生反應(yīng)：,*3 喹啉與異喹啉在過酸的作用下均可形成N-氧化物。,（4） 還原反應(yīng),反十氫喹啉,順十氫喹啉,

8、3 喹啉及其衍生物的合成,1 斯克勞普(Skraup, Z.H.)反應(yīng)：苯胺、甘油、硫酸和基苯等氧化劑一起作用，生成喹啉的反應(yīng)稱為斯克勞普反應(yīng)。,實(shí) 例,eg 2,eg 1,eg 4,eg 3,2 弗里德倫德(Friedlander)反應(yīng)：,eg 1,eg 2,芳香族鄰氨基羰基化合物發(fā)生縮合反應(yīng)，得到喹啉或它的衍生物，這稱為弗里德倫德反應(yīng)。,(三） 含二個(gè)氮原子的六元雜環(huán),含有兩個(gè)氮原子的六元雜環(huán)體系稱作二嗪類，因氮原子 在環(huán)中的相對(duì)位置不同，二嗪類有三種異構(gòu)體：噠嗪、 嘧啶、吡嗪。,噠嗪(pyridazine),嘧啶(pyrimidine),吡嗪(pyrazine),1 結(jié)構(gòu)與物理性質(zhì),二嗪

9、類環(huán)上的兩個(gè)氮原子，其電子構(gòu)形與吡啶中的氮原子 相同，各有一對(duì)未共用電子對(duì)，位于sp2雜化軌道上，能與 水經(jīng)氫鍵締合。噠嗪與嘧啶因結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，分子有一 定的極性，可與水混溶，吡嗪因分子極性小而水溶性略小。 二嗪類化合物都是一元堿,而且堿性都比吡啶弱.,2 化學(xué)反應(yīng),（1）. 親電取代反應(yīng),反應(yīng)最易在2位發(fā)生，其次是4,6位,取代鹵素要比取代負(fù)氫更容易,（2）. 親核取代反應(yīng),利用親核取代反應(yīng)可制取烴基取代的二嗪。,二嗪不易被氧化。若用過酸氧化，得嘧啶單N-氧化物,（3） 氧化,（4） 側(cè)鏈-H反應(yīng),羥醛縮合型,烷基化反應(yīng),吡喃環(huán)系,吡喃及其衍生物無芳香特性,吡喃酮的钅,羊鹽是芳香體系。,(

10、四) 含氧原子的六元雜環(huán),(一 ) 呋喃、噻吩、吡咯的結(jié)構(gòu) (二) 吲哚 (三) 含兩個(gè)雜原子的五元雜環(huán),第三節(jié) 五元雜環(huán)化合物,吡咯的結(jié)構(gòu),孤電子對(duì)在p軌道上。,吡 咯 結(jié)構(gòu)：吡咯N是sp2雜化，孤電子對(duì)參與共軛。 反應(yīng)：堿性較弱，環(huán)易發(fā)生親電取代反應(yīng)，環(huán)上相當(dāng) 有一個(gè)鄰對(duì)位定位基。,共軛效應(yīng)是給電子的。誘導(dǎo)效應(yīng)是吸電子的。,(一) 呋喃、噻吩、吡咯的結(jié)構(gòu),呋喃、噻吩的結(jié)構(gòu)請(qǐng)同學(xué)自己分析。,1 電子結(jié)構(gòu)及芳香性,呋喃、噻吩、吡咯在結(jié)構(gòu)上具有共同點(diǎn)，即構(gòu)成環(huán)的五個(gè)原子都為sp2雜化，故成環(huán)的五個(gè)原子處在同一平面，雜原子上的孤對(duì)電子參與共軛形成共軛體系，其電子數(shù)符合休克爾規(guī)則（電子數(shù) = 4n+

11、2），所以，它們都具有芳香性。,2 物理性質(zhì),都能溶于有機(jī)溶劑,水溶解度都小于六元雜環(huán)吡啶 溶解度順序?yàn)椋哼量┻秽绶?吡咯幾乎不顯堿性, 相反具有弱酸性,3 呋喃、噻吩、吡咯化學(xué)反應(yīng),分子接受一個(gè)質(zhì)子的反應(yīng)稱為質(zhì)子化反應(yīng).,（1）呋喃、噻吩、吡咯在酸的作用下可質(zhì)子化；,（2） 質(zhì)子化反應(yīng)主要發(fā)生在C-2上；,-C質(zhì)子化,-C質(zhì)子化,N-質(zhì)子化,質(zhì)子化反應(yīng),（3） 由于-C的質(zhì)子化反應(yīng)，吡咯在強(qiáng)酸作用 下會(huì)因聚合而被破壞；,（4） 在稀的酸性水溶液中，呋喃的質(zhì)子化在氧 上發(fā)生并導(dǎo)致水解開環(huán)。,呋喃、噻吩、吡咯的親電取代反應(yīng),*1 親電取代反應(yīng)的活性順序?yàn)椋?吸電子誘導(dǎo)：O(3.5) N(3.0

12、) S(2.6) 給電子共軛：N O S 綜合：N貢獻(xiàn)電子最多，O其次，S最少,電子密度-絡(luò)合物,八隅體結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定,無最穩(wěn)定結(jié)構(gòu),（1）概述,*2 取代反應(yīng)主要發(fā)生在-C上；,*3 吡咯、呋喃對(duì)酸及氧化劑比較敏感，選擇試 劑時(shí)需要注意；,*4 噻吩、吡咯的芳香性較強(qiáng)，所以易取代而不易 加成；呋喃的芳香性較弱，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。,離域能：噻吩：121.3 kJmol-1吡咯：87.8 kJmol -1 呋喃：66.9 kJmol -1,（1） 呋喃、噻吩、吡咯的鹵化反應(yīng),反應(yīng)強(qiáng)烈，易得多鹵取代物。為了得一鹵代(Cl, Br)產(chǎn)物，要采

13、用低溫、溶劑稀釋等溫和條件。,碘不活潑，要用催化劑才能發(fā)生一元取代,（2） 呋喃、噻吩、吡咯的硝化反應(yīng),呋喃, 噻吩和吡咯易氧化, 一般不用硝酸直接硝化; 通常用比較溫和的非質(zhì)子硝化試劑，如：硝酸乙酰酯。 反應(yīng)在低溫下進(jìn)行。,呋喃比較特殊,先生成穩(wěn)定的或不穩(wěn)定的2,5加成產(chǎn)物, 然后加熱或用吡啶除去乙酸,得到硝化產(chǎn)物。,（3） 呋喃、噻吩、吡咯的磺化反應(yīng),吡咯、呋喃不太穩(wěn)定，所以須用溫和的磺化試劑磺化。常用的溫和的非質(zhì)子的磺化試劑有：吡啶與三氧化硫的加合化合物。,噻吩比較穩(wěn)定，既可以直接磺化（產(chǎn)率稍低），也可以用溫和的磺化試劑磺化。,(固體，含量90 %),（4） 呋喃、噻吩、吡咯的傅氏?；?/p>

14、反應(yīng),Eg 1,Eg 4,Eg 3,Eg 2,sp2雜化,sp3雜化,碳上?；姾商幵陔x域范圍內(nèi)，較穩(wěn)定。,氮上?；?，正電荷不處在離域范圍內(nèi)。,呋喃、噻吩的?；磻?yīng)在-C上發(fā)生，而吡咯的?；磻?yīng)（不用催化劑）既能在 -C上發(fā)生，又能在N上發(fā)生。在 -C上發(fā)生比在N上發(fā)生容易。,（5） 吡咯的特殊反應(yīng),吡咯的性質(zhì)與苯酚類似，都具有酸性，但吡咯的酸性比苯酚小。吡咯與苯胺也有類似性質(zhì)。,吡咯成鹽后，使環(huán)上電荷密度增高，親電取代反應(yīng)更易進(jìn)行。,HCON(CH3)2 POCl3,CHCl3 25%NaOH,(NH4)2CO3 130oC,C6H5N2+X- C2H5OH-H2O AcONa,RMgX

15、,1 CO2 2 H2O,CO2 加熱 加壓,RCOCl,RX,(6) 呋喃、吡咯、噻吩的加成反應(yīng),（1） 加氫反應(yīng),（2） Diels-Alder反應(yīng),呋喃最易發(fā)生Diels-Alder反應(yīng),噻吩基本上不發(fā)生雙烯加成，即使在個(gè)別情況下生成也是一個(gè)不穩(wěn)定的中間體，直接失硫轉(zhuǎn)化為別的產(chǎn)物。,對(duì)取代位置的解釋（對(duì)反應(yīng)中間體的相對(duì)穩(wěn)定性的分析）,取代在a位,取代在b位,(二) 吲哚,三種五員雜環(huán)苯并體系,親電取代反應(yīng)：,從反應(yīng)的中間體分析：,進(jìn)攻3-位,反應(yīng)易于進(jìn)行,吲哚的合成,苯肼與醛、酮類化合物在酸性條件下加熱生成吲哚及其衍生物的反應(yīng)稱為費(fèi)歇爾(Fischer, E.)合成法。,（1）互變異構(gòu),

16、N-N(單鍵),N=N(雙鍵),5-甲基咪唑,4-甲基咪唑,4(5)-甲基咪唑(因?yàn)?-甲基咪唑和5-甲基咪唑不可分離),1 唑的結(jié)構(gòu),(三) 含有兩個(gè)雜原子的五元雜環(huán)體系,（2）結(jié)構(gòu),吡咯N(孤電子對(duì)參與共軛，所以堿性較弱),吡啶N(孤電子對(duì)不參與共軛，所以堿性較強(qiáng)),吡咯N的孤電子對(duì)處于p軌道,一般胺中的N是sp3雜化。 N 的孤電子對(duì)處于sp3雜化軌道,sp3軌道,堿性：,N 的孤電子對(duì)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-唑與1,3-唑都有吡啶N，所以都有堿性。 2. 1,3-唑的堿性比1,2-唑強(qiáng)。 因?yàn)閮蓚€(gè)雜原子互相影響大。 3. 咪唑的堿性噻唑的堿性噁唑的堿性 由綜合電子效應(yīng)決定。,2 物理性質(zhì),(1) 熔沸點(diǎn),唑的反應(yīng) 主要討論親電取代反應(yīng),1 反應(yīng)性,唑的反應(yīng)性比呋喃、噻吩、吡咯差，這是因?yàn)榉肿又卸嗔艘粋€(gè)吡啶N，使共軛體系的電子云密