有机化学精品课件——杂环化合物

+
Br O CH3O O Br H3CO O Br
Br H3CO O
OCH3 H3CO O OCH3
32
• 合成上的应用举例
Br2 / CH3OH O H3CO O Br
CH3OH H3CO O OCH3
H2 / Pd H3CO O OCH3
H2O H+ H O O H
琥珀醛 1, 4-丁二醛
E
H
- H+
E
未满足八隅体 （较不稳定）
11
取代位置
E
E
+
+
A
A
E
A
α-取代 反应中间体的相对稳定性
E+ A 取代 A E A E A
β-取代
主要产物
H E
三个主要共振式稳定
贡献最大 （满足八隅体）
E E+ A
β-取代
E H
二个主要共振式不稳定
A A
贡献最大 （满足八隅体）
12
亲电取代反应举例
ONa CO2 加压 OH CO2 H
+
OH CO2H
Kolbe-Schmitt反应
OH OH CHO
OH CHCl3 OH
+
CHO OH
Reimer-Tiemann反应
O O C
R
O AlCl3 R C
OH + C O R
Fries重排
39
5. 呋喃、吡咯和噻吩环的制法
8
• 芳香性 • 共轭二烯性质 • 不饱和性
N H
H C H C A C
H
C
H
O
A
• 杂原子的性质
S
• 杂原子对环的影响
9
1、 五员芳杂化合物的亲电取代反应
亲电取代反应相对活性
>
N H O
>
S
>
5 109 1
3
1018
6
1011
i.电子云密度
吡咯>呋喃 >噻吩>苯
苯环上六个原子共有六个电子，吡咯、呋喃、噻吩上杂原子提供一对 电子五个原子共有六个电子，电子云密度大于苯，因此它们亲电取代 反应活性大于苯。
• 二个共振式 • 推电子基使 稳定
A
G E+ E+
较稳定
进入4位
E G
E A G
进入5位
A
• 二个共振式 • 推电子基未 起作用
不稳定 • 三个共振式 • 推电子基使 稳定
E
A
G
E
A
G
E
A
G
最稳定
22
(ii) 位有吸电子基
E 4 5 3 E
E 进入3位
+
A A W
W
A
W
• 二个共振式 • 吸电子基使 不稳定
应用：除去苯或甲苯中的噻吩
&
S
H2SO4 r. t. S SO3H
（少量） 反应快
溶解于硫酸中
17
Br2 / 0 C
o
Br N H
Br Br
• 卤代（稀释或低温控制在一卤代）
Br2 / 0oC O
N H
乙醇
Br
,
活性最大得四取代产物
Br2
稀溶液
O
Br
,
S
HOAc
S
Br
• Friedel－Crafts反应
不稳定
E+ E
+
进入4位
E
E
进入5位
A
W
A
W
• 二个共振式 • 吸电子基未 起作用
最稳定 • 三个共振式 • 推电子基使 不稳定
EБайду номын сангаас
A
E W
A
W
E
A
W
较稳定
23
(iii) 位有给电子基
G G G
E+ 进入2位
A E A E A E
• 三个共振式 • 推电子基使 稳定
最稳定
4 5 G E G G
E 进入4位
注意：五员杂环较活泼，遇酸不稳定
氧化 强酸
A
聚合 分解 反应剧烈
（吡咯，呋喃，噻吩）
硝化：HNO3/H2SO4 磺化：H2SO4
用温和试剂代替
13
（1） 五员杂环的硝化反应 硝化试剂
AcONO2 AcO + NO2
硝酸乙酰酯由硝酸和乙酸酐反应制备
• 吡咯和噻酚发生正常亲电取代反应
AcONO2 N H Ac2O,10oC N H NO2
性质与相应的开链化合物极相似，则不看作是杂环化合物。如环状内酯， 环状酸酐、环状酰胺、环醚、环状酰亚胺等。
2
常见杂环化合物的分类、名称
含一个杂原子 五元杂环
O S N H
呋喃
N
噻吩
N N H
吡咯
N S O N
含二个杂原子
单 杂 环 六元杂环
N H
咪唑 含一个杂原子
N
吡唑
噻唑
噁唑
O
吡啶
γ-吡喃 α-吡喃
29
21~22
16
(i) 2, 5-二取代呋喃的酸性开环反应（成 1, 4-二酮）
H2O / H+ R O R R O O R
•合成上进一步应用——制备环戊烯酮衍生物
H2O / H+ RCH2 O CH2R RCH2 O O CH2R RCH2 R
29
OH O
• 呋喃酸性开环机理:
H H+ R O R R O H H2O R R O R
（噻吩能使常用 氢化催化剂中毒）
26
• 用Raney Ni催化氢化使噻酚还原脱硫
H2 R S R Raney Ni R R
+
NiS
O C R S C
O R
H2 Raney Ni
O C R C
O R
+
NiS
•其它脱硫的例子
O R C R' HS
合成开链烃、酮的方法
SH H R C H R'
S C R
7
二、吡咯、呋喃和噻吩的性质
物理性质 1、光谱性质 1HNMR：δ ~7 H 2、芳香性比较：苯>噻吩>吡咯>呋喃 电负性影响：一般来说，杂原子与碳原子的电负性越接 近，其相应的五元芳香杂环的芳香性越强，其共轭能也越 大。 元素 S N O C 电负性：2.5 3.0 3.5 2.5 芳香性： 噻吩> 吡咯> 呋喃 共轭能： 苯> 吡咯> 噻吩> 呋喃 KJ.mol- 1 50 121.1 88.7 66.1
杂环化合物
（heterocyclic compounds）
1
定义：杂环化合物是指构成环的原子除碳原子外还有其 它原子的环状有机化合物。碳原子以外的原子，称为杂 原子（heteroatoms），常见的杂原子有氧、硫、氮等。
分类： 芳香性杂环：（吡咯、吡啶、喹啉等）
非芳香性杂环：（四氢呋喃、四氢吡咯、六氢吡啶等）
pKa
~17.5
~ 35
~17
~10
•吡咯盐的生成
K N H N K + H2
Na, K, KOH,NaNH2
CH3CH3
36
CH3CH2MgBr N H N
+
MgBr
（4） 吡咯钾盐的性质
•吡咯负离子 的结构特点
N N
有烯胺负离子片断 烯醇负离 子片断
O N
烯胺 烯胺负离 子片断
吡咯负离子与 苯氧基负离子 有相似性
S R'
H2 Raney Ni
一种还原羰基至亚 甲基的方法
27
（2） Diels-Alder反应（共轭二烯性质）
CO2CH3 O CO2CH3
+
O CO2CH3
CO2CH3
O F Br
O
Li NH H N
28
（3） 呋喃的几个特殊反应
• 呋喃的芳香性较小
S N H O
共振能
(kcal/mol)
36
A 2
+
E
A
A
• 二个共振式 • 推电子基未 起作用
不稳定
E+ 进入5位
E A
G
G
G
E
A
E
A
• 三个共振式 • 推电子基未 起作用
较稳定
24
(iv) 位有吸电子基
W W W
E+ 进入2位
A E A E A E
• 三个共振式 • 吸电子基使 不稳定
不稳定
4 5 W E W W
E 进入4位
A 2
+
Ac2O O BF3 O O C CH3 , S Ph
O C SnCl2 Cl S O C Ph
（较弱的Lewis酸）
Ac2O N H N H
O CCH3
活性大，直接反应，不加路易斯酸
18
环上已有取代基对亲电取代取向的影响
•由取代基和环上杂原子的α-定位效应决定
位有取代基
O
E
X
W
吸电子基 X=S,N
比较
取代
AcONO2 O 5 ~ 30oC AcO O NO2
碱 或 HOAc O NO2
加成
消除
Br2 / CH3OH O H3CO O Br
CH3OH H3CO O OCH3
31
• 2, 5-二甲氧基二氢呋喃的形成机理：
Br2 + 2 CH3OH CH3O Br + CH3Br H2O
N N N
O
含二个杂原子
N N
N
嘧啶
吡嗪
哒嗪
3
五元杂环与
4 5 7
3 2 O1
4 5 6
3 2 N1 H
4 5 6 7
3 2 S1
苯环稠合体系 6
苯并呋喃
5 4 3 8 N1 2 6 7
吲哚
5
7
苯并噻吩
稠杂环
六元杂环与 苯环稠合体系 杂环与杂环
4 3 N2
6 7
喹啉
7 5 N 8 N H 9
8 1 异喹啉
34
（2）吡咯在酸性条件下发生聚合
H+ n N H H N H H n
聚合机理:
H+ H N H H N H N H H H N H H H N H N H
H H N H H H N H H H N H
……
H N H H
n
35
（3） 吡咯N-H的弱酸性
R N H R N H R O H Ph O H
6 1 N
稠合体系
2 N4 3
嘌呤
4
命名
1、音译法（带“口”旁的同音汉字） 2、当环上连有烷基、硝基、卤素、羟基、氨基等取代基时， 以杂环为母体； 当环上连有醛基、羧基、磺酸基等时，将杂 环作为取代基。 3、编号从杂原子算起依次用1，2，3，4，5…编号。（用α，β ，γ…则从杂原子相邻的碳原子依次编号），如有不同种类 杂原子，则按O，S，N的顺序由小到大编号，使杂原子尽可 能具有较低的编号。
（2） 五员杂环的磺化反应
磺化试剂：
N SO3
（吡啶SO3加合物）
N 100oC
SO3
H+ N H SO3H
N H
90%
N S r. t. SO3 Ba(OH)2 S SO3 Ba2+
2
86%
N SO3 H+ O SO3H
O
r. t.
41%
16
•噻吩还可直接用硫酸磺化（活性大，较稳定）
H2SO4 S r. t. S SO3H
37
吡咯负离子的一些典型反应
H+ N H N H CHO COOH
CO2 H2O CHCl3 KOH O N K O CH3I N R C Cl
这些反应与 那几个反应 相似？
150oC N C R 150oC N H N H C
O R
CH3
PhN2 X
CH3
• 与重氮盐偶联
N H
N
N Ph
38
• 几个相似的反应（酚类的反应）
OH2 R O R R O H
OH R R OH
OH R
- H+
H+ O R OH R R OH O R - H+ R O O R
30
(ii) 呋喃的加成反应（呋喃的共轭二烯性质）
例：与AcONO2的反应（前面已介绍）：
NO2 AcONO2 S Ac2O-AcOH, 0 C
o
S 60%
NO2
+ S 10%
吸电子诱导效应： O(3.5)>N(3.0)>S(2.5) 给电子共轭效应：N>O>S(S的3p轨道与C的2p轨 道共轭相对较差) 综合：N对环的贡献的电子最多，硫最少。
10
ii. 由中间体的稳定性分析
E+ A 取代 A H E H+ A E
满足八隅体 （较稳定） •比较：苯的亲电取代
E
+
AcONO2 S Ac2O-AcOH, 0oC S 60%
14
NO2
• 呋喃发生加成反应（特殊，共轭烯烃性质）
AcONO2 O 5 ~ 30 C
o
碱 或 AcO O NO2 HOAc O NO2
加成
消除
机理：
B NO2 O AcO O NO2 AcO H O H NO2
O
NO2
+
HOAc
15
HNO3 O NO2 O2N O NO2
主要产物（例外）
20
Br HNO3 / Ac2O S S
Br
NO2
位给电子基
COOH
Br2 CH3COOH Br S
COOH
S
位吸电子基
21
从中间体稳定性分析取代基对反应取向的影响
(i) 位有给电子基
E E
4 5 3
+
E G G
进入3位
A A
33
吡咯的一些特殊性质 （1）吡咯N 的孤对电子参与环的共轭吡咯N的碱 性很弱，不能与质子结合。
Kb
N H
~10-14
吡咯碱性比苯胺弱，而还原后的四氢吡咯的碱性
比吡咯的碱性强得多。
吡咯的质子化发生在环上（主要是位）
H+ N H N H H H N H H H
R 3N
~10-4
H N H H
正电荷分散在多个原子上
X
G
给电子基
无论给电子基还是吸电子基 位有取代基 G 给电子基 W 吸电子基
A
A
19
反应举例
NO2 HNO3 / Ac2O + S CH3 (AcONO2) O2N S CH3 S CH3
位给电子基
O2N
70%
HNO3
30%
S
NO2
+ S NO2
O2N
S
NO2
位吸电子基
85%
15%
5
NH2 COOH O CHO N N N
2-呋喃甲醛
N C2H5 S
3-吡啶甲酸 4-氨基嘧啶
CH3 N C6H5 O CH3 N H3C N
5-乙基噻唑
2-甲基-5-苯基噁唑 4,5-二甲基嘧啶
6
第一节呋喃、吡咯和噻吩 一、结构
O N S
呋喃 吡咯 噻吩 杂原子（O、S、N）杂化态均为sp2杂化 符合Hü ckel规则（1. 环状, 2. 共平面, 3. 垂直平面的p轨道, 4. 4n+2 p电子 具有方向性
E
A
A
• 二个共振式 • 吸电子基未 起作用
较稳定
E+ 进入5位
E A
W
W
W
E
A
E
A
• 三个共振式 • 吸电子基未 起作用
最稳定
25
五员芳杂环的其它反应
（1） 还原成饱和杂环化合物
H2 / Pd O O
THF（常用溶剂）
H2 / Pd N H H2 / MoS2 S S N H
四氢吡咯
使用特殊催化剂