同学们!请做好上课准备课件.ppt

同学们！请做好上课准备,第二十章 杂环化合物,exit,第一节 吡咯、呋喃和噻吩第二节 吲哚第三节 含两个以上杂原子的五元杂环第四节 吡啶第五节 喹啉和异喹啉第六节 含氧的六元杂环第七节 含两个以上氮杂原子的六元杂环,本章提纲,一、定义：,1、脂杂环 没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂环。,三元杂环,四元杂环,五元杂环,七元杂环,(氮杂环丙烷),(-丙内酯),(-丙内酰胺),(顺丁烯二酸酐),(氧杂),(1H-氮杂),(环氧乙烷),在环上含有杂原子（非碳原子）的有机物称为杂环化合物。,第二十章 杂环化合物,2、芳杂环 具有芳香特征的杂环化合物称为芳杂环。,苯并杂环,杂环并杂环,五元杂环,六元杂环,呋喃,噻吩,吡咯,噁唑,噻唑,咪唑,吡唑,吡啶,嘧啶,吡喃(无芳香性),吲哚,喹啉,异喹啉,嘌呤,第二十章 杂环化合物,1、音译名（同音汉字加“口”字旁）,2、当作碳环芳香化合物的衍生物 如：,第二十章 杂环化合物,二、杂环化合物的命名,3、环上原子的编号顺序 从杂原子开始 1，2，3，4 不止一个杂原子，按O，S，N顺序编号 取代基位次之和最小原则,吡咯,第二十章 杂环化合物,1、五元杂环化合物的命名,五元杂环,五元杂环苯并体系,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),第二十章 杂环化合物,2、唑的命名,含有两个杂原子的五元杂环，若至少有一个杂原子是氮，则该杂环化合物称为唑。,命名时的编号原则是：1）让杂原子的位号尽可能小；2）当两个杂原子不相同时，编号的次序是：价数小的在前，大的在后；3）价数相等时，原子序数小的在前，大的在后。,OS N,2价,3价,原子序数小,原子序数大,O、S、N的次序如左：,第二十章 杂环化合物,异噻唑(isothiazole),吡唑(pyrazole),异噁唑(isoxazole),1,2-唑,噁唑(oxazole),噻唑(thiazole),咪唑(inidazole),1,3-唑,3、六元杂环化合物的命名,六元杂环,吡啶(pyridine),吡喃(pyran),-吡喃酮(-pyrone),-吡喃酮(-pyrone),哒嗪(pyridazine),嘧啶(pyrimidine),吡嗪(pyrazine),杂环并杂环,喹啉(quinoline),异喹啉(isoquinoline),苯并吡喃(benzopyran),苯并-吡喃酮(benzo-pyrone),嘌呤(purine),六元杂环苯并环系,一、呋喃、噻吩、吡咯的结构二、呋喃、噻吩、吡咯的制备三、呋喃、噻吩、吡咯的反应,20.1 吡咯、呋喃和噻吩,吡咯的结构,孤电子对在p轨道上。,吡 咯结构：吡咯N是sp2杂化，孤电子对参与共轭。反应：碱性较弱，环易发生亲电取代反应，环上相当 有一个邻对位定位基。,共轭效应是给电子的。诱导效应是吸电子的。,20.1.1 结构,呋喃、噻吩的结构请同学自己分析。,20.1 吡咯、呋喃和噻吩,20.1.2 物理性质,20.1 吡咯、呋喃和噻吩,吡咯、呋喃和噻吩都有偶极距：,吡咯分子中氮原子上的氢可以被金属取代，吡咯环容易起亲电取代反应，也能够起加成反应。,20.1.3 吡咯的化学反应,20.1 吡咯、呋喃和噻吩,20.1.3 吡咯的化学反应,20.1 吡咯、呋喃和噻吩,20.1.3.1 氮原子上的取代反应,吡咯为弱碱，pKa为16.5，相当于低级醇。,20.1.3 吡咯的化学反应,20.1 吡咯、呋喃和噻吩,20.1.3.1 氮原子上的取代反应,20.1.3 吡咯的化学反应,20.1 吡咯、呋喃和噻吩,20.1.3.1 氮原子上的取代反应,溴化吡咯镁与卤代烃生成2-和3-烃基吡咯,20.1.3 吡咯的化学反应,20.1 吡咯、呋喃和噻吩,20.1.3.2 碳原子上的取代反应,吡咯是富有电子的芳香环，与亲电试剂的反应很顺利进行。主要生成 2-位取代产物，但也有3-位取代产物和多位取代产物。,八隅体结构最稳定,无最稳定结构,20.1.3 吡咯的化学反应,20.1 吡咯、呋喃和噻吩,20.1.3.2 碳原子上的取代反应,由于吡咯在酸中容易聚合，所以卤化、硝化、磺化反应中都使用特殊试剂。,20.1.3 吡咯的化学反应,20.1 吡咯、呋喃和噻吩,20.1.3.2 碳原子上的取代反应,20.1.3 吡咯的化学反应,20.1 吡咯、呋喃和噻吩,20.1.3.3 加成反应,HCON(CH3)2 POCl3,CHCl3 25%NaOH,(NH4)2CO3 130oC,C6H5N2+X-C2H5OH-H2O AcONa,RMgX,1 CO22 H2O,CO2 加热 加压,RCOCl,RX,呋喃的芳香性比吡咯小，与亲核试剂往往得到加成产物，及时得到的是取代产物，也很有可能是由加成产物转变得来的。,20.1.4 呋喃的化学反应,20.1 吡咯、呋喃和噻吩,20.1.4 呋喃的化学反应,20.1 吡咯、呋喃和噻吩,呋喃比较特殊,先生成稳定的或不稳定的2,5加成产物,然后加热或用吡啶除去乙酸,得到硝化产物。,20.1.4 呋喃的化学反应,20.1 吡咯、呋喃和噻吩,浓酸使呋喃聚合，在稀的酸性水溶液中，呋喃的质子化在氧上发生并导致水解开环。,20.1.4 呋喃的化学反应,20.1 吡咯、呋喃和噻吩,呋喃与亲二烯体作用，迅速生成加成产物。,20.1.5 噻吩的化学反应,20.1 吡咯、呋喃和噻吩,噻吩的亲电取代反应活性小于吡咯和呋喃，但是大于苯环。主要生成 2-位取代产物，3-位取代产物极少。,碘不活泼，要用催化剂才能发生一元取代,20.1.5 噻吩的化学反应,20.1 吡咯、呋喃和噻吩,20.1.5 噻吩的化学反应,20.1 吡咯、呋喃和噻吩,噻吩基本上不发生双烯加成，但在剧烈条件下，仍能发生加成反应。,20.1.5 噻吩的化学反应,20.1 吡咯、呋喃和噻吩,与丁炔二酸二甲酯加成，生成一个不稳定的中间体，直接失硫转化为别的产物。,20.1.5 噻吩的化学反应,20.1 吡咯、呋喃和噻吩,噻吩在催化剂作用下加氢，生成烷烃或其它加成产物。,（1）诺尔合成法,氨基酮酸酯,20.1.6 制备,20.1 吡咯、呋喃和噻吩,(2)帕尔-诺尔(Paal,C.-Knorr,L.)合成法,20.1.6 制备,20.1 吡咯、呋喃和噻吩,三种化合物的相互转化(有氧化铝存在的情况下),20.1.6 制备,20.1 吡咯、呋喃和噻吩,20.1.7 呋喃、噻吩、吡咯的质子化反应,20.1 吡咯、呋喃和噻吩,呋喃、噻吩、吡咯在酸的作用下可质子化，质子化反应主要发生在C-2上；,-C质子化,-C质子化,N-质子化,呋喃、噻吩、吡咯的亲电取代反应总结,*1、亲电取代反应的活性顺序为：,吸电子诱导：O(3.5)N(3.0)S(2.6)给电子共轭：N O S综合：N贡献电子最多，O其次，S最少,电子密度-络合物,八隅体结构最稳定,无最稳定结构,*2、取代反应主要发生在-C上；,*3、吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感，选择试 剂时需要注意；,*4、噻吩、吡咯的芳香性较强，所以易取代而不易 加成；呋喃的芳香性较弱，虽然也能与大多数 亲电试剂发生亲电取代，但在强亲核试剂存在 下，能发生亲核加成。,离域能：噻吩：121.3 kJmol-1吡咯：87.8 kJmol-1呋喃：66.9 kJmol-1,呋喃、噻吩、吡咯的亲电取代反应总结,*5 杂原子和取代基的定位效应,A 杂原子的定位效应：,B 取代基的定位效应：,第一取代基进入到杂原子的-位。,3位上有取代基时，呋喃、吡咯、噻吩的定位效应一致。,呋喃、噻吩、吡咯的亲电取代反应总结,2位上有取代基时，吡咯、噻吩的定位效应一致，情况如下：,2-取代呋喃在强亲电试剂的作用下易发生2,5-加成反应：,呋喃、噻吩、吡咯的亲电取代反应总结,第二十章,20.2 吲哚,反应：,常用的亲电试剂,硝化：(HNO3+HOAc),磺化：,卤化：(低温、稀释条件下进行，常用，HOAc稀释，试剂为X2),酰基化：(酸酐、酰卤。AlCl3,ZnCl2 为催化剂),氯甲基化：(CH2O,HCl,ZnCl2),醛基化：+POCl3,避免用强酸,定 位 规 律,下面四种情况，取代基均进入苯环。进入哪个位置，具体分析。,第二十章,20.2 吲哚,吲哚的合成,苯肼与醛、酮类化合物在酸性条件下加热生成吲哚及其衍生物的反应称为费歇尔(Fischer,E.)合成法。,第二十章,20.2 吲哚,一、唑的命名二、唑的结构三、唑的合成四、唑的反应,20.3 含有两个杂原子的五元杂环,20.3.1 命名,含有两个杂原子的五元杂环，若至少有一个杂原子是氮，则该杂环化合物称为唑。,命名时的编号原则是：1）让杂原子的位号尽可能小；2）当两个杂原子不相同时，编号的次序是：价数小的在前，大的在后；3）价数相等时，原子序数小的在前，大的在后。,OS N,2价,3价,原子序数小,原子序数大,O、S、N的次序如左：,第二十章,20.3 含有两个杂原子的五元杂环,异噻唑(isothiazole),吡唑(pyrazole),异噁唑(isoxazole),1,2-唑,噁唑(oxazole),噻唑(thiazole),咪唑(inidazole),1,3-唑,第二十章,20.3 含有两个杂原子的五元杂环,（1）互变异构,N-N(单键),N=N(双键),5-甲基咪唑,4-甲基咪唑,4(5)-甲基咪唑(因为4-甲基咪唑和5-甲基咪唑不可分离),20.3.2 结构性质,第二十章,20.3 含有两个杂原子的五元杂环,（2）结构,吡咯N(孤电子对参与共轭，所以碱性较弱),吡啶N(孤电子对不参与共轭，所以碱性较强),碱性：,20.3.2 结构性质,第二十章,20.3 含有两个杂原子的五元杂环,吡咯N的孤电子对处于p轨道,一般胺中的N是sp3杂化。N 的孤电子对处于sp3杂化轨道,sp3轨道,N 的孤电子对处于sp2杂化轨道,吡啶N与吡咯N均为sp2杂化。,（2）结构,20.3.2 结构性质,第二十章,20.3 含有两个杂原子的五元杂环,（3）碱性,1.1,2-唑与1,3-唑都有吡啶N，所以都有碱性。2.1,3-唑的碱性比1,2-唑强。因为两个杂原子互相影响大。3.咪唑的碱性噻唑的碱性噁唑的碱性 由综合电子效应决定。,20.3.2 结构性质,第二十章,20.3 含有两个杂原子的五元杂环,（4）唑的反应：,唑的反应性比呋喃、噻吩、吡咯差，这是因为分子中多了一个吡啶N，使共轭体系的电子云密度降低，所以亲电试剂不易进攻。,主要讨论亲电取代反应,第二十章,20.3 含有两个杂原子的五元杂环,20.3.2 结构性质,1,2-、1,3-唑的硝化、磺化、卤化,（1）进入环的位置及活性顺序：1,2-位时：吡唑 异噻唑 异噁唑 1,3-位时：咪唑 噻唑 噁唑,（2）反应试剂：一般的硝化、磺化、卤化试剂即可。,第二十章,20.3 含有两个杂原子的五元杂环,（4）唑的反应：,20.3.2 结构性质,实 例,eg 1,第二十章,20.3 含有两个杂原子的五元杂环,（4）唑的反应：,20.3.2 结构性质,eg 2,5-硝基咪唑,4-硝基咪唑,第二十章,20.3 含有两个杂原子的五元杂环,（4）唑的反应：,20.3.2 结构性质,eg 3,第二十章,20.3 含有两个杂原子的五元杂环,（4）唑的反应：,20.3.2 结构性质,eg 4,磺化须强烈条件,第二十章,20.3 含有两个杂原子的五元杂环,（4）唑的反应：,20.3.2 结构性质,eg 5,硝化、卤化须有给电子取代基,第二十章,20.3 含有两个杂原子的五元杂环,（4）唑的反应：,20.3.2 结构性质,1.1,2-唑的合成(只介绍吡唑与异噁唑的合成),(1)用1,3-二羰基化合物合成吡唑和异噁唑,(2)用1,3-偶极环加成反应制吡唑和异噁唑,（5）唑的合成,第二十章,20.3 含有两个杂原子的五元杂环,实例：用腈类氧化物制异噁唑,氧化苯甲腈,苯甲醛肟,氧化苯甲腈,（5）唑的合成,第二十章,20.3 含有两个杂原子的五元杂环,2.1,3-唑的合成,噁唑类,咪唑类,噻唑类,（5）唑的合成,第二十章,20.3 含有两个杂原子的五元杂环,2.1,3-唑的合成,（5）唑的合成,第二十章,20.3 含有两个杂原子的五元杂环,青霉素,噻唑环,青霉素是噻唑的衍生物。青霉素G疗效最好。,1.吡啶的结构和物理性质2.碱性和亲和性3.吡啶的亲电取代反应 4.吡啶的亲核取代反应 5.吡啶环的合成 6.吡啶衍生物,20.4 吡啶,20.4.1 吡啶的结构,共轭效应和诱导效应都是吸电子的,孤电子对在sp2杂化轨道上。,结构：吡啶N是sp2杂化，孤电子对不参与共轭。反应：碱性较强。环不易发生亲电取代反应但易发生 亲核取代反应。发生亲电取代反应时，环上N起 间位定位基的作用。发生亲核取代反应时，环 上N起邻对位定位基的作用。,=2.20D=1.17D,20.4 吡啶,第二十章,20.4.2 吡啶的碱性和亲和性,20.4 吡啶,第二十章,吡啶为一弱碱，其共轭酸的pKa=5.23，只能与强酸生成盐。吡啶环氮原子上的氢具有良好的离去性，所以作为亲和试剂与卤代烃、酰氯、酸生成吡啶鎓盐。吡啶与许多路易斯酸生成络合物。吡啶用过氧乙酸作用生成氧化吡啶。,NO2+BF4+乙醚 室温,CH3I,RCOCl,H+,SO3,Br2 CCl4,石油醚,20.4.2 吡啶的碱性和亲核性,20.4 吡啶,第二十章,吡啶盐的两个十分重要的用途：,*1 可用来做温和的磺化、硝化、卤化、烷基化、酰基化的试剂,*2 利用吡啶N的烷基化反应制备醛,20.4.3 吡啶环上的亲电取代反应,20.4 吡啶,第二十章,在温和条件下，亲电试剂主要与N反应；在强烈条件下，C取代为主。,有不稳定结构,有不稳定结构,没有不稳定结构,20.4.3 吡啶环上的亲电取代反应,20.4 吡啶,第二十章,反 应 特 点,*1 不能发生傅氏烷基化、酰基化反应。*2 硝化、磺化、卤化必须在强烈条件下才能发生；*3 吡啶环上有给电子基团时，反应活性增高；*4 吡啶N可以看作是一个间位定位基。,20.4.3 吡啶环上的亲电取代反应,20.4 吡啶,第二十章,20.4.4 吡啶的亲核取代反应,一般机制：,20.4 吡啶,第二十章,20.4.4 吡啶的亲核取代反应,20.4 吡啶,第二十章,氯代吡啶对亲核取代反应的活性小于硝基氯苯而大于氯苯，而N-甲基氯代吡啶鎓离子必硝基氯苯更容易发生亲核取代反应。,20.4.4 吡啶的亲核取代反应,一般机制：,*1 负氢不易离去，一般需要一个氧化剂作为负氢的接受体；,*2 亲核取代优先在位上发生，如果位上有取代基，则反应在位上发生。,20.4 吡啶,第二十章,20.4.4 吡啶的亲核取代反应,20.4 吡啶,第二十章,稳定,稳定,不稳定,齐齐巴宾(Chichibabin,A.E.)反应氨化,定义：吡啶与氨基钠作用生成2-氨基吡啶的反应称为齐齐巴宾反应。,H2O,+NaNH2,100oC,C6H5N(CH3)2,20.4.4 吡啶的亲核取代反应,20.4 吡啶,第二十章,20.4.5 吡啶环的合成,（1）韩奇(Hantzsch,A.)合成法,由二分子-羰基酸酯、一分子醛、一分子氨经缩合反应制备吡啶同系物的方法称为韩奇合成法。,20.4 吡啶,第二十章,（2）-二羰基化合物与氰乙酰胺合成法,第二十章,20.4.5 吡啶环的合成,（3）-二羰基化合物和-氨基-,-不饱和羰基 化合物合成法,第二十章,20.4.5 吡啶环的合成,一、喹啉和异喹啉的反应二、喹啉和异喹啉的合成,20.5 喹啉和异喹啉,第二十章,20.5.1 喹啉和异喹啉的反应,1.成盐：,碱性强弱：喹啉吡啶异喹啉,成盐反应：,20.5 喹啉和异喹啉,第二十章,2.亲电取代反应:,反应产物受介质的影响。若反应在酸性介质中进行，取代主要在苯环上发生（5-和8-位取代）。,20.5.1 喹啉和异喹啉的反应,20.5 喹啉和异喹啉,第二十章,2.亲电取代反应:,若反应在有机溶剂中进行，取代在杂环上发生。,20.5.1 喹啉和异喹啉的反应,20.5 喹啉和异喹啉,第二十章,3.氧化反应,*喹啉和异喹啉与绝大多数氧化剂不发生反应；,20.5.1 喹啉和异喹啉的反应,20.5 喹啉和异喹啉,第二十章,3.氧化反应,*与高锰酸钾能发生反应：,20.5.1 喹啉和异喹啉的反应,20.5 喹啉和异喹啉,第二十章,*喹啉与异喹啉在过酸的作用下均可形成N-氧化物。,3.氧化反应,20.5.1 喹啉和异喹啉的反应,20.5 喹啉和异喹啉,第二十章,4.亲核取代反应,*亲核取代反应主要在吡啶环上发生，喹啉的反应位置在2位和4位(2位为主)，异喹啉在1位；,20.5.1 喹啉和异喹啉的反应,20.5 喹啉和异喹啉,第二十章,*常用的亲核试剂有RLi,ArLi,RMgX,NaNH2,RONa等。负氢比较难以取代。Cl,NO2等基因较易取代。,20.5.1 喹啉和异喹啉的反应,20.5 喹啉和异喹啉,第二十章,4.亲核取代反应,20.5.1 喹啉和异喹啉的反应,20.5 喹啉和异喹啉,第二十章,4.亲核取代反应,斯克劳普(Skraup,Z.H.)反应：苯胺、甘油、硫酸和硝基苯等氧化剂一起作用，生成喹啉的反应称为斯克劳普反应。,实 例,20.5.1 喹啉和异喹啉的合成,20.5 喹啉和异喹啉,第二十章,eg 1,实 例,eg 3,eg 2,20.5.1 喹啉和异喹啉的合成,20.5 喹啉和异喹啉,第二十章,2 弗里德伦德(Friedlander)反应：,eg 1,eg 2,芳香族邻氨基羰基化合物发生缩合反应，得到喹啉或它的衍生物，这称为弗里德伦德反应。,苯乙胺与羧酸或酰氯形成酰胺，然后在失水剂作用下失水关环，再脱氢得1-取代异喹啉化合物。,3 毕歇尔-纳皮尔拉斯基(Bischler,A.Napieralski,B.)反应：,20.6 含氧的六元杂环,第二十章,20.6.1 吡喃鎓盐,吡喃及其衍生物无芳香特性，但吡喃鎓盐有芳香性。,20.7 嘧啶和咪唑的并环体系-嘌呤环系,哒嗪(pyridazine),嘧啶(pyrimidine),吡嗪(pyrazine),第二十章,一、嘧啶的反应,1.亲电取代反应,20.7 嘧啶和咪唑的并环体系-嘌呤环系,第二十章,反应最易在2位发生，其次是4,6位,取代卤素要比取代负氢更容易,2.亲核取代反应,一、嘧啶的反应,20.7 嘧啶和咪唑的并环体系-嘌呤环系,第二十章,利用亲核取代反应可制取烃基取代的二嗪。,一、嘧啶的反应,20.7 嘧啶和咪唑的并环体系-嘌呤环系,第二十章,3.氧化,二嗪不易被氧化。若用过酸氧化，得嘧啶单N-氧化物,一、嘧啶的反应,20.7 嘧啶和咪唑的并环体系-嘌呤环系,第二十章,4.侧链-H反应,羟醛缩合型,烷基化反应,一、嘧啶的反应,20.7 嘧啶和咪唑的并环体系-嘌呤环系,第二十章,9H-嘌呤,7H-嘌呤,嘌呤是一对互变异构体的平衡体系,尿嘧啶(U),胞嘧啶(C),胸腺嘧啶(T),二 嘌呤的两个重要衍生物,腺嘌呤(A),鸟嘌呤(G),(6-氨基嘌呤),(2-氨基-6-羟基嘌呤),