第12章杂环化合物共47页文档

N
O
噁唑
Oxazole
N O
异噁唑 isoxazole
N
S
噻唑
Thiazole
N
N H
咪唑
Imidazole
N S
异噻唑 isothiazole
N N H
吡唑
pyrazole
24
1 结构和化学性质
碱性：
NH O pKa -2.03
H N O 1.3
H N S 2.4
NH N H 2.5
1,2-唑与1,3-唑的亲电取代反应的活性顺序有：
O2，V2O5 300℃
COONa O
2-呋喃甲酸
O
CH2OH O
2-呋喃甲醇
o
氧化反应
O
顺丁烯二酸酐
Cannizaro 歧化反应
H2
ZnO-Cr2O3
CH2OH O
糠醇
H2, Ni
CH2OH O
四氢糠醇
还原反应
ZnO-Cr2O3
400℃
O
H2, Ni O
脱羧反应
呋喃
四氢呋喃（THF）
20
（2） 卟啉及衍生物
N
HgSO4 , H2SO4
SO3H
220 ℃
N
32
中间体的稳定性
E+进攻3位
+H E
N
H E +N
E+进攻2位
H + NE
+ H
NE
不稳定共振杂合体
H E N+
+ H
NE
E+进攻4位
HE +
N
HE + N
HE +
N
33
（2）亲核取代 ： 吡啶环的一个特点是能发生亲核取代反
应，主要形成 2－位 (α -位)取代产物。
N H 2 N
N
5-乙基噻唑 4-氨基嘧啶
5-ethylthiazole 4-aminopyrimidine
N
H 5C 6
C H 3
O
2-甲基-5苯基噁唑 2-methyl-5-phenyloxazole
7
II 杂环化合物的结构
1、休克尔规则 2、苯系芳烃与非苯系芳烃 3、吡咯、呋喃、噻吩、吡啶的结构
C H 3C H 2C H 2C H 3 +4S600℃
＋ 3H 2S
S
以氧化铝为催化剂，可以实现呋喃、吡咯和噻吩环的互变 （Yuyev反应）
H2S
O
NH
3
H2O H 2S
S
NH
3
H 2O
N
H
17
实验室制法--帕尔－克诺尔( Paal-Knorr)法。
H2C RC
O
CH2 CR O
P2O5
R
R
O
P2S5
第十二章 杂环化合物 Heterocyclic Compounds
内容提纲：
Ⅰ 杂环化合物的命名 Ⅱ 杂环化合物的结构特点* Ⅲ 杂环的反应* Ⅳ 杂环的合成 V 生物碱简介
重点：
Ⅰ杂环化合物的命名 Ⅱ杂环化合物的结构特点* Ⅲ杂环的反应*
难点：
杂环的反应，杂环的合成
1
课时及讨论安排：
第一次课（4.20） 一、杂环化合物的命名（第六组） 二、杂环化合物的结构（第五组） 三、五元杂环化合物的亲电取代反应（第五组） 四、五元杂环化合物的加成反应（第三组） 第二次课（4.22） 五、唑的结构与反应（第四组） 六、吡啶、稠杂环的取代反应（第四组） 七、杂环化合物的氧化及其它反应（第四组） 八、杂环化合物的合成（第二组）
NC O C H 3 H +
N H
C H 3C O O -
N
N C O C H 3
27
2、1，2-唑与1，3-唑的合成
1，2-唑可用1，3-二羰基化合物合成
OO
+ NH2NH2
H3O+
CH3
H3C
N N
H
1，3-唑可用含有杂原子的1，4-二羰基化合物合成
NH
Ph
Ph
OO
NH H3C O O CH3
5 1N
2 CH3
H
2-甲基咪唑
N OH
8-羟基喹啉
7 6
5 4
HN 1 2
3 CH2COOH
3-吲哚乙酸
2
3 N
4
H N
9
1N 6
8
5
N 7
NH2
6-氨基嘌呤（腺嘌6呤）
4 N3
5
2
O1
噁唑
Oxazole
4 N3
5
2
S1
噻唑
Thiazole
4 N3
5
2
N H
1
咪唑
Imidazole
C 2H 5
N S
N N
N
N
蝶啶
pteridine
4
I 杂环化合物命名
我国一般采用音译法，即按英文名称音译。如：
N H (pyrrole) 吡咯
O (furan) 呋喃
N
N (pyrimidine)
嘧啶
N
(quinoline) 喹啉
S (thiophene)
噻吩
N H (indole) 吲哚
N (pyridine)
d) 付—克酰基化
(C H 3 C O )2 O ,B F 3
O
OC O C H 3
(C H 3 C O )2 O ,S n C l4
S
S C O C H 3
(C H 3 C O )2 O ,1 5 0 ~2 0 0℃
N H
N C O C H 3 H
小结： a. 活性顺序：吡咯＞呋喃＞噻吩＞苯 b.亲电取代通常主要发生在2位（α - 位）
C H 3 C O O N O 2
N -1 0℃ H
N N O 2 + H
N O 2 N H
H N O 3 + H 2S O 4
N O 2
S
S
12
c) 磺化
S O 3吡 啶
O 1 0 0 ℃ O S O 3 H
SO3 吡 啶
N
N SO 3H
H
H
95% H 2SO 4
S 室 温
S S O 3 H
13
由四个吡咯环和四个次甲基(－CH= )交替相连组成的大环叫
卟啉环(又称为卟吩)，卟啉的化合物广泛存在于自然界中。
HC = CH2
CH3
NH N N HN
H 3C
NN Fe
NN
H 3C
CH = CH2 C l-
CH3
卟啉环
HOOC
HOOC
血红素
21
Y
H3C N 2+ N Mg
H3C
N
N
H
CH3
CH2 H CH2
1. 吡啶的结构 氮原子以不等性sp2杂化轨道成键。
Sp2 轨道
N
P轨道
氮原子杂化情况
N 吡啶分子结构
1.01 0.84
0.87
N
1.43
2.22D
吡啶
30
2. 吡啶的性质
碱性：吡啶为一弱碱，pKb＝8.75，其碱性比脂肪胺弱，但 比苯胺强。吡啶能与质子酸和非质子酸形成盐。
+ HCl N
+ BF3 N
1.81D
1.01 0.84
0.87
N
1.43
2.22D
芳香性：苯 ＞ 噻吩 ＞ 吡咯 ＞ 呋喃 > 吡啶
9
2、吡咯、呋喃、噻吩的化学性质 （1） 亲电取代反应（Electrophilic Substitution）
反应活性：噻吩 、 吡咯 、 呋喃＞苯 单取代位置：α -位 a) 卤代：
Cl2
O
N
N
O
吡啶比苯容易还原，可用催化氢化或化学试剂还原为六氢 吡啶。
[ H]
N
N
H
36
（4）侧链α-H的反应：吡啶2,4,6-位的烷基侧链α-H比较活波， 在强碱催化下可进行缩合反应。
N C H 3+
O
N aN H 2
O H
C
N C H 2 C
CH3 N
CH3I NaNH2
CH2CH3 N
1. NaNH2 2. H2O
N
NH2
N
LiC6H
5
C6H5 N
CH 3O K
Cl N
OCH3 N
Cl
NH2
NH3
N
N
34
吡啶环的2-位和4-位比较容易进行亲核取代，这与形成碳负 离子的稳定性有关。亲核试剂在2-位和4-位进攻，有负电荷 在电负性较大的氮上的共振式参与共振，比较稳定。
2-位进攻：
H N N u
O COOCH3
COO CH2
Y = CH3 叶绿素a Y = CHO 叶绿素b
22
（3）含吡咯、呋喃、和噻吩的稠环化合物
4 5
6 7
3
2
N1 H
吲哚 Indole
O
苯并呋喃 Benzofuran
S
苯并噻吩 Benzothiophene
23
二. 含两个杂原子的五元杂环(azole)
1,3-唑 1,2-唑
3-位进攻： 4-位进攻：
H N u N
H N u
N
H N N u
H N u N
H N u
N
H N N u
H N u N
H N u
N
35
（3）氧化与还原 ：吡啶环不容易被氧化，但吡啶环上的
烷基取代基容易氧化成羧基。
CH3
KMnO4
N
H+, 加热
COOH N
H 2 O 2+ C H 3 C O O H
O
O
苯炔
O
O
H 2, Pd
N H
N H
H2 , MoS2
S
S
H2 , Ni
（3） 水解反应
16
(三) 呋喃、吡咯和噻吩环的制法
呋喃容易从糠醛去羰基得到：
O
C H O ＋ H 2 O Z n 4 O 0 0 -℃ C r 2 O 3
+ C O 2+ H 2 O O
噻吩可以用丁烷或丁烯与硫磺加热反应得到：
O 吡喃 pyran
N
N 吡嗪
pyrazine
3
五元杂环与 苯环稠合
O
苯并呋喃 benzofunan
稠杂环
六元杂环与 苯环稠合
N
喹啉 quinoline
杂环与杂 环稠合
N
N
N
N
H
嘌呤 purine
N H
吲哚 indole
N
S 苯并噻唑 benzothiophene
N
异喹啉 isoquinoline
Br2
S
Cl + Cl
Cl
O
O
Br S
Br2
Br
Br
N H
EtOH Br
Br N H
10
因为中间体的稳定性：
E ＞
E ＞
E ＞
N H
H
OH
SH
E H
吡咯在2-或3-位取代的共振式如下：
+
E
..
N
H
H
+ .. N H
E H .. + N H
E H
E H +N H
E N+ H H
11
b) 硝化
O C - H 5 3 ~ C - 3 O 0 O ℃ N O 2C H 3 C O O O N O 2 加 热 O N O 2
吡啶
N
N
NN H
(purine) 嘌呤
5
2、命名的编号规则
a、从杂原子开始编号，兼顾取代基；
b、稠环从大环的杂原子开始编号；
c、有不同的杂原子，则按照O、S、N原子顺序。
例如：
4 N3
COOH
O CHO
5
呋喃-2-甲醛（糠醛）
2 S 1 噻唑
N NH2
2-氨基吡啶
N 吡啶-3-甲酸（烟酸）
4 N3
O
S
NH
N
O
SS
N
S
比较吡咯、吡啶和苯胺的碱性！
N
8
偶极矩
O
1.73D
S
1.90D
N H
1.58D
键长
0 .1 4 3 1 0 .1 3 6 1
0 .1 3 6 2O
0.70D
0 .1 4 2 3 0 .1 3 7 0
0 .1 7 1 4S
0.51D
0 .1 4 2 9 0 .1 3 7 1
0 .1 3 8 3N H
R
R
S
(NH4)2SO4 R 或 NH3，
R N H
H 3 CCO H 2 CC O O C 2 H 5 +
H 2 CN H 2OCC H 3
H +
α－氨基酮
β－二羰基化合物
H 3 C C O O C 2 H 5 N C H 3 H
18
4、 呋喃、吡咯的重要衍生物
（1） 糠醛( Furfural)
2
杂环分类：
五元杂环
含一个杂原子
O
呋喃 Furan
单杂环
含二个杂原子
N N
H
吡唑 Pyrazole
S 噻吩 thiophene
N
N H 咪唑 imidazole
N H 吡咯 pyrrole
N
S
噻唑 thiazole
六元杂环
含一个杂原子
N 吡啶 Pyridine
含二个杂原子
N
N 嘧啶 Pyrimidine
14
e) 吡咯的特征反应：
KNH2 ,液NH3
吡 咯
N K
具 有
N H
C2H5MgBr
较
干醚
N
弱
M gBr
的
1.CO2
酸 性
2.H3O+
N COOH H
和
碱
RX
性
NH
N R
RCOCl
△
N COR
COR N H
15
（2） 加成反应 （Addition Reaction）
H2 , Pd
O
O O
顺丁烯二酸酐
N
N 发 烟 H2SO4
N
S HgSO 4,250℃ HO 3S S
26
唑的烷基化或酰基化通常发生在氮原子上。
N C H 3I S
NC H 3
I S
NC H 3 SI
N C H 3I
N H
NC H 3 H +
I N H
N C H 3I
N C H 3
NC H 3 I
N C H 3
N(C H 3C O )2O N H
制法：由玉米芯、高粱杆、棉籽壳、燕麦壳、谷糠等农副 产品经稀硫酸处理而制得。
(C5H8O4)n + nH2O 聚戊糖
5%硫酸 加热水解
nC5H10O5 戊糖
HO–CH——CH–OH
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