李艳梅有机化学-20 杂环化合物

电荷分布的定量状态
以苯环碳原子的电荷密度为标准（定为0正值表示电荷密度（有效电 荷）比苯小，负值表示电荷密度比苯大 。
0
0
0
0
0
0
-0.04 -0.06
S
-0.02 -0.03
O
-0.06 -0.10
N H
+0.12 +0.05
N +0.15
环碳上净电荷增加，有利于亲电；净电荷减少，有利于亲核。
25oC
S SO3H
3、傅-克酰基化反应 F-C acylation
(CH3CO2)2
O
150~200oC
O COCH3
(CH3CO2)2
N
BF3, 0oC
N COCH3
H
H
(CH3CO2)2
S
H3PO4
S COCH3
4、傅-克烷基化反应 F-C alkylation
很难得到一烷基取代产物，常常得到混合的多烷基取代物。
4-甲基咪唑
3 4N
2 5S
1
5-methylthiazole
5-甲基噻唑
5-methyl-2-phenyl-2,3-dihydro-pyrazole
1-苯基-3-甲基吡唑
当环上含多个相同杂原子时，编号 时应使杂原子所在的位次最小
环上有不同杂原子时，按O、S、N 次序编号
根据相应的碳环来命名
O
O
O
H
O
H O
+
HOO
OO
H
main product
S
O
HOO H
呋喃、噻吩均可与顺丁烯二酸酐反应 吡咯只与苯炔反应
O
O
100oC
+
CC
S RO
O R High pressure
S COOR
COOR
H N + N H
COOR COOR
O
N H
+ H CO C C CH3
HH
BF3
N H
O C
CH3
5、其它反应
ph-N2X
N H
N NN H
2-吡咯偶氮苯
吡咯可与重氮盐起偶联反应
6、定位效应
4 3G
5
2
Y
1
一般地：位 规律性不太强
Y=O, S, N G＝邻、对位定位基, 第二个基团进入与G相邻的α位， 即C-2位。 G＝间位定位基, 第二个基团进入与G间位的α位， 即C-5位。
43
5
O
2 G
氧(杂)茂
O
氮(杂)茂
N H
茂 硫(杂)茂
S
氮苯
N
N N
1,4-二氮苯
1,2-二氮苯
N N
N N
1,3-二氮苯
N 2-氮萘 萘 1-氮萘
N
环上只有一个杂原子时，有时也把靠近杂原子的位置叫α位，其 次是β位，再次为γ位。
β α O
β α
O
γ β α
N
γ β
Nα
20.1.3 杂环化合物的结构
1.44Å 1.35Å
1.40Å 1.39Å
less electrophilic reactivity, substitution occurs on β sites, if any;
shows some baisicity, while pyrrol does not, basicity stronger than benzyl amine;
N+ N
H
SO3
C2H4Cl2 3 days, r.t.
100oC
HCl
O SO3 N H
HCl
N SO3 N
H
H
+
C2H4Cl2
S
N
r.t.
SO3
Ba(OH)2
S SO3 Ba2+ 2
O SO3H +
N H
Cl
N SO3H + H
N H Cl
噻吩较稳定，可以在室温 下直接磺化。
95% H2SO4
S
NH2 OH
,
~~
>
>
>>
N
O
S
H
亲电性比较
室温下乙酸溶液中，噻吩与溴发生取代反应的速率为苯的109倍。
取代反应一般发生在α位，若α 、α’位已经有基团存在，则进入 β位。
Question 1:
Try to explain the sequence: pyrrole, furan, thiophene. 思考：解释呋喃、噻吩和吡咯的亲电取代反应活性顺序
20.1 杂环化合物的分类、命名和结构 杂环化合物
由C原子和至少一个其它原子（如: O、S、N等）所组成的环。
杂原子（Hetroatom）
杂环 （Hetrocycle）
通常具有芳香性
自然界中的杂环化合物
R NN Mg
NN
O CH3 O
O O
R = CH3 Chloropgyll a R= CHO Chloropgyll b
40oC
O
0oC
r.t. , 3 days
(CH
CO)
3
BF
O
2
, 0o
3
C
N
SO3
O
O
O SO3 N H
O Br
HCl
O SO3H +
Cl N
H
Cl S Cl +
S Cl + Cl Cl
Cl S Cl
NO2 S NO2+ S
Cl2 50oC
CH3COONO2
Br2 or NBS
S
r.t.
S Br
“译音法”
N
S
H
pyrrole thiophene
吡咯
噻吩
O furan 呋喃
N
N
S
N
thiazole pyrimidine
噻唑
嘧啶
N
pyridine 吡啶
N
N
quinoline isoquinoline
喹啉
异喹啉
H N indole 吲哚
环上有取代基时的命名
43
5 O2 1
2-methylfuran
Hetrocyclic compounds
第二十章 杂环化合物
Organic Chemistry A (2) By Prof. Li Yan-Mei Tsinghua University
Contents
20.1 杂环化合物的分类、命名和结构 第一部分 五元杂环化合物
20.2 含一个杂原子的五元杂环体系 20.3 含一个杂原子的五元杂环苯并体系 20.4 含两个或两个以上杂原子的五元杂环体系 20.5 含卟啉环的化合物 第二部分 六元杂环化合物 20.6 含一个杂原子的六元杂环体系 20.7 含一个杂原子的六元杂环苯并体系 20.8 含两个或两个以上杂原子的六元杂环体系 第三部分 其它杂环化合物 20.9 三元、四元、七元杂环体系
1
43
5
Y
2 G
1
无论G是什么基团， 第二个基团均进入C-5位。
Y=S, N G＝邻、对位定位基, 第二个基团进入C-5位。 G＝间位定位基, 第二个基团进入C-4位。
N Br
NO2
H
II
N
+
N
NO2
H
H
main product 5 oC
COONO 2 CH 3
I NBS
I2
NaOH
NI H
Br Br
Cl2
Br2
Cl N
0oC
N
0oC
Br N Br
O
H
O
(CH 3C1O50)~2O200o C
H
N
C 6H
5N 2X
H
100oC
N H
SO3
N H
HCl
N SO3 N
N
H
H
H
SO3H +
Cl N H
H
H
H3COOC O NO2
or
N
O NO2
CH3COONO2 -5~-30oC
Cl2
Br2
Cl O Cl
1.42Å 1.37Å
1.37Å 呋喃 Furan
1.71Å 噻吩 Thiophene
1.43Å 1.37Å
1.38Å 吡咯 Pyrrole
C=C C-O C-N C-S
1.34Å 1.43Å 1.47Å 1.82Å
sp2杂化
每个杂原子给出2 个电子参与共轭
杂环具有芳香性、 富含电子
键长平均化 分子极性方向：指向芳环 环上亲电反应性高 吡咯的碱性与弱酸性
20.1.1 杂环化合物的分类
含一个杂原子 含两个杂原子 含三个杂原子
…………
Chemical bonds in coupling rings
…………
杂环
含 含含 N OS 杂 杂杂 环 环环
三元环 四元环 五元环 六元环
…………
Type, and number of coupled rings
20.1.2 杂环化合物的命名
1、卤化
室温下，与Cl2、Br2反应，一般得到多卤代物。
Br Br
Br2
N
0oC Br N Br
H
H
Cl2 O - 40oC
O Cl + Cl O Cl
Cl2
S
50oC
S Cl + Cl S Cl
在温和的条件下，如溶剂稀释及低温，可以得到一取代物。
N Br H O Br
NBS
S Br
SO2Cl2
Answer 1:
Electronegativie of N is smaller than that of oxygen; S atom in thiophene has a weaker conjugating effect with
carbon, and contributes less electric density to the ring.
N H
Et2O, 0oC
N Cl H
Br2, 0oC
O
OO
O Br
Br2
S
AcOH S Br
与碘的反应
I2, HgO
S
benzene,0oC
• 碘不活泼，需要催化剂
SI
2、硝化和磺化
• Pyrrol and furan easily polymerizes in acidic solution. Ring breaking reaction may also take place under that condition. • So in nitration and sulfonation reactions, proper reagents should always be chose to avoid the reactions.
SO
4
(CH
H
2
oC
CO)
3
H
25
95 %
PO
3
O
2
4
S SO3H
O S
CH3
20.2.2.2 加成反应
1、催化加氢
N2/Ni O
N2/Ni S
N2/Ni N H
N2/Ni
O
O
N2/Ni
S
S
N2/Ni
N
N
H
H
2、Diels-Alder反应
+ O
+ S
O
30oC
O
O
O
100oC
O
High pressure
N SO3H H O SO3H
N SO3
N H
H3C C O N O
OO
O 吡啶三氧化硫
乙酰基硝酸酯
N NO2 H O NO2
CH3COONO2
Nபைடு நூலகம்
5oC
H
CH3COONO2
S
0oC
N NO2 H S NO2
CH3COONO2
H
H
O
-5~30oC
H3COOC O NO2
or N
O NO2
O+ N SO3
（Learn on your own）
20.2.2 呋喃、噻吩、吡咯的化学性质
1.44Å 1.35Å
1.37Å 呋喃 Furan
-0.04 -0.06
S
-0.02 -0.03
O
-0.06 -0.10
N H
键长平均化 分子极性方向：指向芳环 环上亲电反应性高 吡咯的碱性与弱酸性
20.2.2.1 亲电取代反应
20.2.2 Chemical properties of furan, thiophene, and pyrrole 20.2.3 Preparation of furan, thiophene, and pyrrole 20.2.4 α-furanformaldehyde
20.2.1 呋喃、噻吩、吡咯的物理性质与光谱性质
Morphine base
吗啡碱
Heroin
海洛因
Codeine
可待因
一些其它含杂原子的环状化合物
Lactone OO
O O Butanedioicanhydride
Lactam NO H
O
Epoxide
O O NH Succimide
O
这些化合物性质与相应的脂肪族化合物相近，环系不稳定， 且无芳香性，一般不归入杂环化合物。
O
20.2.2.3 吡咯的弱碱、弱酸性
碱性
One pair of p electrons in nitrogen is involved in the
1.34Å
accessible by nucleophilic reagents, substitution occurs on β sites; 2.22 Debye
sp2杂化
每个杂原子给出1 个电子参与共轭
杂环具有芳香性、 缺电子
键长平均化 分子极性方向：指向杂原子 环上亲电反应性低 环上可亲核反应 吡啶的碱性
O
Hemoglobin
NN
Fe NN
β-subunit of hemoglobin
O
O
HO
OH
Vitamin B12
Studies on synthesis of Vitamin B12, please see attached files.
RO
O R'O
H
R,R' = H
O R,R' = H3C C H NCH3 R = CH3, R' = H
第一部分 五元杂环化合物
20.2 Five membered heterocyclic compounds with one heteroatom
含有一个杂原子的五元杂环化合物
20.2.1 Physical and spectroscopic properties of furan, thiophene, and pyrrole
2-甲基呋喃
5
4 3O OH
6N2 1
nicotinic acid
Pyridine-3-formic acid
吡啶-3-甲酸
以杂环为母体 一般从杂原子开始，沿着环编号
3 NH
N1
当杂原子 上有取代 基时，从 含取代基 的原子开 始编号
3 4N
5
2 NH1
4-methyl-imidazole