21-雜環(huán)化合物.ppt

1、第21章 雜環(huán)化合物,21.1 雜環(huán)化合物的分類和命名 21.2 吡咯、呋喃、噻吩 21.3 吡啶 21.4 稠雜環(huán)化合物,高等植物光合作用必須的葉綠素,氯化血紅素,高等動物輸送氧過程中的血紅素,a. 磺胺類 磺胺異噁唑 b. 青霉素,廣譜抗菌素,c. 頭孢菌素,21.1雜環(huán)化合物簡介和命名,1. 雜環(huán)化合物的定義 在環(huán)上含有雜原子(非碳原子)的有機物稱為雜環(huán)化合物。,2. 五元雜環(huán)化合物的命名,苯并五元雜環(huán)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

2、),異噻唑(isothiazole),吡唑(pyrazole),異噁唑(isoxazole),1,2-唑異唑,噁唑(oxazole),噻唑(thiazole),咪唑(imidazole),1,3-唑,3. 唑的命名,含有兩個雜原子的五元雜環(huán)，若至少有一個雜原子是氮，則該雜環(huán)化合物稱為唑 (-azole)。,4. 六元雜環(huán)化合物的命名,六元雜環(huán),吡啶(pyridine),吡喃(pyran),-吡喃酮 (-pyrone),-吡喃酮 (-pyrone),噠嗪(pyridazine),嘧啶(pyrimidine),吡嗪(pyrazine),雜環(huán)并雜環(huán),喹啉 (quinoline),異喹啉 (isoqu

3、inoline),苯并吡喃(benzopyran),苯并-吡喃酮 (benzo-pyrone),嘌呤(purine),苯并六元雜環(huán)環(huán)系,21.2呋喃、噻吩、吡咯,吡咯的結(jié)構(gòu),孤電子對在p軌道上,吡 咯 結(jié)構(gòu)：吡咯N是sp2雜化，孤電子對參與共軛。 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) 有一個鄰對位定位基。,共軛效應(yīng)給電子(+C) 誘導(dǎo)效應(yīng)吸電子(-I),呋喃、噻吩的結(jié)構(gòu)請同學(xué)自己分析。,21.2.1 呋喃、噻吩、吡咯的結(jié)構(gòu),呋喃、噻吩,吡咯,均為含有一個雜原子、六個-電子所組成 的五元雜環(huán)共軛體系。環(huán)內(nèi)原子上的電子云密度大于苯環(huán)，是富電子的芳香化合物。,21.2.2 物理性質(zhì),1.

4、偶極矩,2. 沸點,表21.1 吡咯、呋喃和噻吩的沸點,3. 共軛穩(wěn)定性,從吡咯、呋喃、噻吩的碳-碳雙鍵和碳-碳單鍵的平均化程度看，其共軛穩(wěn)定性是：噻吩 吡咯 呋喃。,噻吩、吡咯和呋喃的離域能分別為：125.5 kJmol-1、90.4 kJmol-1和71.1 kJmol1。,4. 光譜性質(zhì),紅外光譜中，吡咯、呋喃、噻吩的CH伸縮振動在30033077 cm-1區(qū)域出現(xiàn)吸收。吡咯的NH在32003500 cm-1區(qū)域出現(xiàn)吸收。 吡咯、呋喃、噻吩的結(jié)構(gòu)是封閉的芳香共軛體系，與苯環(huán)類似，在1H NMR譜中，由于各向異性效應(yīng)，環(huán)外質(zhì)子處于去屏蔽區(qū)，化學(xué)位移與相應(yīng)的飽和化合物相比移向低場。如下所示：

5、,1. 呋喃、噻吩、吡咯的親電取代反應(yīng),*1 親電取代反應(yīng)的活性順序為：,吸電子誘導(dǎo)：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,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,21.2.3 呋喃、噻吩、吡咯的反應(yīng),*2 取代反應(yīng)主要發(fā)生在-C上；,*3 吡咯、呋喃對酸及氧化劑較敏感，選擇試劑時需注意；,*4 噻吩、吡咯的芳香性較強，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 k

6、Jmol -1 呋喃：66.9 kJmol 1 苯 ：150.7 kJmol 1,（1）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 %),2. 反應(yīng),（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

7、、吡咯的鹵化反應(yīng),反應(yīng)強烈，易得多鹵取代物。為了得一鹵代(Cl, Br)產(chǎn)物，要采用低溫、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,（4）呋喃、噻吩、吡咯的傅氏酰基化反應(yīng),Eg. 1,Eg. 4,Eg. 3,Eg. 2,（5）呋喃、噻吩、吡咯的傅氏烷基化反應(yīng),總體看，在合成上無實用價值。,（6）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)更易進行。,pKa 9.89 15.5 16,3. 呋喃、吡咯、噻吩的加成反應(yīng),（1） Diels-Alder反應(yīng),呋喃最易發(fā)生 Diels-A

8、lder反應(yīng),噻吩基本上不發(fā)生雙烯加成，即使在個別情況下生成也是一個不穩(wěn)定的中間體，直接失硫轉(zhuǎn)化為別的產(chǎn)物。,26,（2）加氫反應(yīng),21.2.4 吡咯、呋喃、噻吩的制備,1. 帕爾-諾爾(Paal-Knorr)合成法 1,4-二羰基化合物與氨、碳酸銨、烷基伯胺、芳胺等含氮化合物縮合，能發(fā)生關(guān)環(huán)得到吡咯或相應(yīng)的取代吡咯，稱為PaalKnorr合成法。,2. 諾爾(Knorr)合成法 通過-氨基酮和含活潑亞甲基的羰基化合物的縮合反應(yīng)合成吡咯及其衍生物的方法，稱為Knorr合成法，它是合成吡咯環(huán)的重要方法。,3. 吡咯、呋喃和噻吩的相互轉(zhuǎn)化 三種化合物在有氧化鋁存在的情況下可以相互轉(zhuǎn)化，稱為尤里耶夫

9、反應(yīng)（Yuriev reaction）：,21.2.5 重要的五元雜環(huán)衍生物 1.糠醛(-呋喃甲醛),給出下列反應(yīng)的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)、名稱及反應(yīng)類型。,2. 卟吩及卟啉族化合物 最重要的吡咯衍生物是含有四個吡咯環(huán)和四個次甲基(-CH= )交替相連組成的大環(huán)，稱為卟吩，其取代物稱為卟啉族化合物。,卟吩（porphine）,21.3 含有一個雜原子的六元雜環(huán)體系,共軛效應(yīng)和誘導(dǎo) 效應(yīng)都是吸電子,孤電子對在sp2雜化軌道上。,=2.20D =1.17D,1. 吡啶的結(jié)構(gòu),34,吡 啶 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

10、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. 親電試劑與吡啶N的反應(yīng),CH3I,RCOCl,H+,SO3,Br2 CCl4,石油醚,2. 吡啶的親電取代反應(yīng),2. 在C上發(fā)生親電取代反應(yīng),當(dāng)原有基團為氨基、羥基等這樣一些強鄰對位定位基時，則它們的定位作用是占主導(dǎo)地位的。,（1）置換氫的親核取代反應(yīng),一般機制：,3. 吡啶的親核取代反應(yīng),實例：齊齊巴賓(Chichibabin, A.E.)反應(yīng)氨化,定義：吡啶與氨基鈉作用生成2-氨基吡啶的反應(yīng)稱為 齊齊巴賓反應(yīng)。,H2O,+ NaNH2,100oC,C6H5N(CH3)2,（2）2- 或4-位的親核取

11、代反應(yīng),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。,還原反應(yīng),4. 吡啶的氧化還原反應(yīng),2,4,6-位烷基的 -H與羰基 -H相似,5. 吡啶側(cè)鏈-H的反應(yīng),吡啶易被過氧化物（過氧乙酸、過氧化氫等）氧化生成吡啶氮氧化物。,(吡啶氮氧化物),6. 吡啶N的氧化反應(yīng),21.3.3 吡啶的來源與制備,吡啶的工業(yè)制法可由糠醇與氨共熱（500）制得，另一個通用工業(yè)合成法，是用丁烯酸、甲醛、水蒸汽、空氣和氨一起在SiO2、A12O3催化作用下，在400時進行氣相反應(yīng)，收率可達60%到70。,實驗室合成吡啶一般用漢棲(Hantzsch)合成法：由二分子-羰基酸酯、一分子醛和一分子氨經(jīng)縮合反應(yīng)制

12、備吡啶同系物的方法。,21.4.1 吲哚 (indole),苯并吡咯 吲哚 (indole),21.4 稠雜環(huán)化合物,吲哚是白色結(jié)晶，熔點52.5，沸點254。極稀溶液有香味，可用作香料，濃的吲哚溶液有糞臭味。素馨花、柑桔花中含有吲哚，也少量存在于煤焦油中。,吲哚的性質(zhì)與吡咯相似，也可發(fā)生親電取代反應(yīng)，取代基進入-位。,21.4.2 喹啉和異喹啉,喹啉(quinoline),異喹啉(isoquinoline),1. 喹啉和異喹啉的反應(yīng),(1) 成鹽：,堿性強弱：喹啉吡啶異喹啉 共軛酸pKa 4.94 5.25 5.40,成鹽反應(yīng)：,(2) 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)：,喹啉與異喹啉在過酸的作用下均可形成N-氧化物,(3) 親電取代反應(yīng),(4) 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：,常用的親核試劑有RLi, ArLi, RMgX, NaNH2