《雜環(huán)化合物》PPT課件

1、Chapter 15,雜環(huán)化合物,Heterocyclic compounds,主講：焦宇,雜環(huán)化合物 (Heterocyclic Compounds) 是指構(gòu)成環(huán)的原子除了碳原子之外還有其它原子的環(huán)狀化合物。雜環(huán)中除碳原子以外的原子都叫做雜原子。最常見的雜原子是氮、氧和硫,概 述,本章討論比較穩(wěn)定、具有一定程度芳香性 （鍵電子數(shù)：4n2）的雜環(huán)化合物，這 類化合物具有芳香性，通稱為芳（香）雜環(huán) 化合物（aromatic heterocycles,苯 吡啶 吡咯 呋喃,一、分類和命名,雜環(huán)化合物可按環(huán)的大?。?五元雜環(huán)和六元雜環(huán) 按雜環(huán)中雜原子數(shù)目的多少： 含有一個雜原子和含有兩個以上雜原子的

2、雜環(huán) 按環(huán)的形式： 單雜環(huán)和稠雜環(huán),1. 分類,1. 分類,2. 命名,雜環(huán)化合物的命名按IUPAC 命名原則規(guī)定, 保 留特定的45個雜環(huán)化合物的俗名和半俗名并作 為命名的基礎。以此原則為準，我國多采用“音 譯法”，即按英文名稱的讀音，選用同音口字旁 的漢字 （“口”字旁表示為雜環(huán)）對雜環(huán)化合物 進行命名,命名時需要記住母環(huán)名稱，編號時不同的母環(huán) 有不同的編號方法,呋喃(furan,噻吩(thiophene,吡咯(pyrrole,1） 含一個雜原子的五元環(huán),當環(huán)上有取代基時，對環(huán)上的原子編號， 從雜原子開始，使取代基位號盡可能小,5硝基2呋喃甲醛,噻吩2磺酸,2） 含兩個雜原子的五元環(huán),異噻

3、唑(isothiazole,吡唑(pyrazole,異噁唑(isoxazole,編號從雜原子開始，選擇雜原子的順序為,O S NH N,噁唑(oxazole,噻唑(thiazole,咪唑(inidazole,1,2,3,4,5,S,1,2,3,4,5,N,H,1,2,3,4,5,2乙基噻唑,5硝基咪唑,3） 含一個雜原子的六元環(huán),吡啶(pyridine,吡喃(pyran,吡喃酮 (-pyrone,吡喃酮 (-pyrone,2甲基吡啶 甲基吡啶,4吡啶甲酸 吡啶甲酸,4） 含兩個雜原子的六元環(huán),噠嗪(pyridazine,嘧啶(pyrimidine,吡嗪(pyrazine,2氨基嘧啶,2,4二氨

4、基嘧啶,5） 稠雜環(huán)命名,喹啉 (quinoline,異喹啉 (isoquinoline,苯并吡喃(benzopyran,苯并-吡喃酮 (benzo-pyrone,嘌呤(purine,吲哚 (indole,2吲哚乙酸,7碘8羥基5喹啉磺酸,6） 幾點說明,有的環(huán)有兩種或多種異構(gòu)體，為了區(qū)別，還必須 標明環(huán)上一個或多個氫原子所在的位置，即在名 稱前面加上標位的阿拉伯數(shù)字及斜體大寫的“ H ”。 這種氫則稱為“指示氫”或“標氫,1H吡咯 3H吡咯,4H吡喃 2H吡喃,1H吲哚 3H吲哚,含活潑氫的雜環(huán)及其衍生物，可能存在互變異 構(gòu)體，結(jié)構(gòu)不同，名稱也異，命名時需要標明其 兩種可能的位號,9H嘌啉,

5、7H嘌啉,5甲基吡唑,3甲基吡唑,2,4二羥基嘧啶,2,4嘧啶二酮,一、分類和命名,二、六元雜環(huán)化合物,1. 吡啶,1）電子結(jié)構(gòu)和芳香性,氮的電負性較強，使環(huán)上電子云不是完全平均化； 靠近N周圍電子云密度較大。芳香性比苯小,2.20D =1.17D,吡啶具有較大的極性，吡啶氮原子上的未共用 電子對可以與水形成氫鍵 ，與水能以任意比例 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，是一個良好的有機溶劑,2）物理性質(zhì),3）化學性質(zhì),a. 堿性與成鹽,通過氮原子上的未共用電子對，吡啶可以與酸及 其它親電試劑發(fā)生反應。與許多質(zhì)子酸生成結(jié)晶 的鹽，可用作堿性溶劑和脫酸劑（縛酸劑,a.

6、堿性與成鹽,b. 親電取代反應,a. 堿性與成鹽,b. 親電取代反應,c. 親核取代反應,親核取代優(yōu)先在位上發(fā)生，如果位上有取代基，則 反應在位上發(fā)生。常需用強堿性的親核試劑（如NaNH2, RLi等,a. 堿性與成鹽,b. 親電取代反應,c. 親核取代反應,d. 氧化還原反應,吡啶環(huán)本身不易被氧化，但它的側(cè)鏈很容易被氧化 成醛或羧酸,吡啶與過氧羧酸或過氧化氫作用時，可得到 合成上很有用的中間體吡啶 -氧化物吡啶 -氧化物與吡啶不同，它進行親電取代反應 比較容易，同時也能進行親核取代反應，且 取代反應都發(fā)生在 a位或 位,氧化物常用來活化吡啶和起定位作用， 為合成某些取代吡啶提供了一條可行的途

7、徑,吡啶缺電子，加氫還原比苯容易，既可被催化加氫 還原，還可被化學試劑還原,pKa： 8.8 11.2,1. 吡啶,2. 喹啉和異喹啉,1）結(jié)構(gòu)與物理性質(zhì),喹啉和異喹啉可看成是萘的含氮類似物。 二者分子中氮 原子上的未共用電子對均位于sp2雜化軌道，堿性與吡啶 相近。喹啉的pKa為4.9，異喹啉的pKa為5.4,1）結(jié)構(gòu)與物理性質(zhì),2）親電取代反應,1）結(jié)構(gòu)與物理性質(zhì),2）親電取代反應,3）親核取代反應,4）氧化還原反應,N,H,2,P,t,N,H,1）結(jié)構(gòu)與物理性質(zhì),2）親電取代反應,3）核親取代反應,4）氧化還原反應,5）喹啉合成斯克勞普(Skraup)法,苯胺、甘油、硫酸和硝基苯等氧化劑

8、一起作用， 生成喹啉的反應稱為斯克勞普反應,反應過程包括如下步驟,H,1，2二氫喹啉,1. 吡啶,2. 喹啉和異喹啉,3. 含兩個N原子的六元雜環(huán)（二嗪類,噠嗪 嘧啶 吡嗪 (pyridazine pyridine pyrazine,尿嘧啶 胞嘧啶 胸腺嘧啶 (RNA) (RNA/DNA) (DNA,1. 吡啶,2. 喹啉和異喹啉,3. 含兩個N原子的六元雜環(huán)（二嗪類,4. 含O原子的六元雜環(huán),4H吡喃 2H吡喃,吡喃酮 吡喃酮,香豆素 色酮,黃酮,呋喃(furan,噻吩(thiophene,吡咯(pyrrole,三、含一個雜原子的五元環(huán),當環(huán)上有取代基時，對環(huán)上的原子編號， 從雜原子開始，使

9、取代基位號盡可能小,由于環(huán)上原子電負性不同，鍵長不是完全平均化， 其芳香性不如苯環(huán)；雜原子共軛效應是給電子的。 誘導效應是吸電子的。 芳香及飽和五元雜環(huán)的偶極矩方向及數(shù)值如下,S,三個五元雜環(huán)都能溶于有機溶劑，水溶解度 都小于六元雜環(huán)吡啶，這是由于雜原子與水 分子締合的傾向減弱所致，它們的水溶解度 順序為： 吡咯 呋喃 噻吩,1. 酸堿性,吡咯雖具有仲胺結(jié)構(gòu)，但幾乎不具有堿性，相反， 吡咯氮上的氫卻因此變得較活潑，顯示出弱酸性， 其 pKa=17.5。 吡咯能與強堿如金屬鉀及固體氫氧化鉀共熱成鹽,pKa=7.4,1. 酸堿性,2. 親電取代反應,這三個化合物是5原子6電子的富電子芳香體系， 其

10、親電取代反應活性較強。吸電子誘導： O(3.5) N(3.0) S(2.6) 給電子共軛： N O S 綜合：N貢獻電子最多，O其次，S最少。親電取 代活性,三種五元芳雜環(huán)較易發(fā)生親電取代反應，但它們對氧 化劑、酸性介質(zhì)也很敏感，特別是吡咯和呋喃遇強酸 時，容易發(fā)生聚合、氧化、開環(huán)等副反應，必須用特 殊的試劑,苯 噻吩 吡咯 呋喃,穩(wěn)定性和芳香性順序,1）鹵代反應,呋喃與鹵素反應幾乎是爆炸式地完成，反應需在 低溫、試劑的濃度很低的條件下，才可以順利進 行。吡咯的活性與苯胺相似，容易生成多鹵代物。 與等摩爾的SOCl2進行氯化，也可得到一氯代吡咯,N,H,8,0,0C,1）鹵代反應,2）硝化反應

11、,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。反應在低溫下進行,C,H,3,C,O,N,O,2,O,1）鹵代反應,2）硝化反應,3）磺化反應,吡咯、呋喃不太穩(wěn)定，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,S,O,3,室溫,吡咯的性質(zhì)與苯酚的性質(zhì)很相似，如可以發(fā)生瑞 默爾梯門反應（Reimer-Tiemann）和與重氮鹽 偶合反應,1）鹵代反應,2）硝化反應,3）磺化反應,4）傅克?；磻?5）呋喃的特殊反應,呋喃的離域

12、能較小，環(huán)的穩(wěn)定性較低，其 芳香性是幾個芳雜環(huán)中最差的，所以呋喃 具有明顯的共軛二烯性質(zhì)，可以發(fā)生雙烯 加成類型的反應（Diels-Alder反應）。吡 咯也能發(fā)生類似的反應,O,N,H,H,2,N,i,o,r,P,d,四氫呋喃 THF,呋喃、噻吩、吡咯均可催化氫化，得到飽和雜環(huán)化 合物。由于噻吩能使催化劑中毒，需使用特殊催化劑,1. 酸堿性,2. 親電取代反應,3. 催化加氫,1. 酸堿性,2. 親電取代反應,3. 催化加氫,4. 糠醛,A,g,N,H,3,2,1. 吡咯、呋喃、噻吩,2. 吲哚,吲哚 (indole,N,H,1. 吡咯、呋喃、噻吩,2. 吲哚,3. 含兩個雜原子的五元雜環(huán),吡唑(pyrazole,H,噁唑(oxazole,噻唑(thiazole,S,異噁唑(isoxazole,O,咪唑（imidazole,互變異構(gòu),