杂环化合物的反应

由这种N-氧化所得到的杂环N-氧化物在某些领域十分有用。
A）4-硝基吡啶的制备
直接硝化 X
N O
NO2
N NO2
mixed acid
N
N
O
O
实际操作如下：
H2O2/H+
HNO3
N
N
H2SO4
O
N-氧化吡啶
NO2 POCl3
N
O
NO2 N
B）含能材料的制备
连有氨基和硝基的吡嗪在更低浓度过氧化氢和三氟乙酸(TFA) 下氧 化2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪得到的ANPZ，密度高达1.93g/cm3，显著 地提高了产物的能量。
no catalyst 75%
第三节. 亲核反应
杂环化合物的亲核反应
SNAr反应 苯炔过渡态反应 芳香C-H键反应
1.SNAr反应
O
O
-40℃
O
O O 稀释
Br (86 %) O
+ ( CH3CO)2O
O
SnCl4
30 o C
+ (来自百度文库H3CO)2O
S
SnCl4 30 o C
+ ( CH3CO )2O
100 - 200 o C
N H
COCH3 O
S
COCH3
COCH3 N H
唑的活性低于单杂五元环。1,2-唑反应发生在C-4位; 1,3-唑主要发生在C4位。
SnR3
N
R3SnX
SiR3 R3SiX N
ZnX2 ZnX
N
HO R R'
N 1)O R R' 2) H+/H2O
DMF
Li N
1) ArCN 2) H+/H2O
Br I2
O N
O Ar
N
N I N
SO3H
40 oC H2SO4
160 oC
85%
SO3H
85% Br
Br2, CCl4 (solvent)
ii ii
_
N+ AlCl3
N ii, AlCl3, RCOCl
N
O R
N
How can we nitrate pyridine?
NO2
H2O2, AcOH
HNO3, H2SO4
N Mechanism
N O
+_
ON +_
Pyridine N-oxide
85%
ONO +
We now have_an activating and protecting group +O
t-BuOK, 室温
N
COOH N
CH3
COOH
N [O]
N
H3C
N
KMnO4 HOOC N
CH3
N
CH3 N
N H 4- 甲 基 吡 唑
KMnO4
KMnO4 OH
COOH
N
HOOC
N N
H 吡 唑 -4-甲 酸
烟碱
烟酸
烟酰胺
B）环氧化 没有侧链取代基的稠环杂环化合物其氧化一般发生在电子云密度大的环上：
ON H
N O
+_
N+ O
NO2
N O
+_
PPh3
NO2
+ O PPh3
N 75%
Br Br
Br
+
N
N
H3C N CH3
HNO3 H2SO4
NO2 H3C N CH3
81%
Direct Reactions with Electrophiles: Additions, Substitutions
Some examples (c.f. react. with ArLi)
再如用过氧化氢在三氟乙酸的存在下室温氧化5-亚硝基-2,4,6-三氨 基嘧啶4h得到5-亚硝基-2,4,6-三氨基嘧啶-1,3-二氧化物,收率超过50%.
2) C-氧化
杂环化合物的C-氧化
侧链氧化 环氧化 芳香C-H键氧化
A）侧链氧化
杂环化合物含有侧链烷基时，其氧化一般发生在侧链：
CH3
O2, DMF
N
N
H
稠合杂环的还原与氧化不同，可以渐次展开，且还原优先发生在杂环上：
H2,Ni
H2,Ni
N
N
H
N H
1,2-二氢 喹 啉
1， 2， 3， 4-四 氢 喹 啉
H2,Pt CH3COOH, 40 O C N
N
H
十 氢喹啉
因此，喹啉的氧化还原如下：
第二节. 亲电反应
一般而言，五员杂环化合物的杂原子具有+C效应，能活化杂环，故此它们容 易发生亲电取代反应。
六员杂环化合物不易发生亲电取代反应，且反应一般发生在β位。
进攻 α 位
+ E+
N
进攻β 位
+
E NH
+
N
E
E
H
+
N
H
不稳定极限结构
E H
+
N
E H
+N
+E H
N
Attempted Electrophilic Aromatic Substitution
i
i
NO2
N+
N
H
i, HNO3, H2SO4
Unreactive, Stable
Pyridine is less active, than benzene toward electrophilic agents, because nitrogen is more electronegative, than carbon and acts like an electron withdrawing substituent, including the meta-directing effect.
进攻 2 位
+ E+
+E XH
E
+
XH
E
+
X
H
X
E
E
H
X=O,S,NH
进攻 3 位
H
+
X
+
X
亲电取代反应活性顺序： 吡咯>呋喃>噻吩>苯。 -位比-位活泼，亲电取代主要发生在-位。
N
N Cl
H
H 80%
Cl
Cl
N
Cl N Cl
H
H 80%
作为比较，实际操作中：
Cl
Cl +
Cl
Cl2
Br2, 0℃
杂环化合物的N-氧化一般是在酸性条件下用过氧化氢等过氧化物进 行反应. 除了过氧化氢外, 间氯过氧苯甲酸(mCPBA)、单过氧邻苯二甲 酸、过硼酸钠(SPB)等都可以完成N-氧化且具有较高的收率.
如 Coperet等采用低浓度过氧化氢和催化剂甲基三氧化铼(MTO)配 合使用, 在室温下对各种简单取代吡啶进行氧化6h, 效果甚好, 收率多 在80%以上.
KMnO4
COOH
N
N COOH
N [O] HOOC N KMnO4 HOOC
N N
C）芳香C-H键氧化
O2 ( 空 气 ）
N H
OH
N H
2.还原
杂环化合物的还原相对较易：
2H2,Pd
O 150℃
O
2H2,Pd
N 200℃
N
H
H
2H2,MoS2
S
S
H2, Pt, 25℃, 3atm
or Na + C2H5OH
第八讲 杂环化合物的反应
第一节. 氧化还原 第二节. 亲电反应 第三节. 亲和反应 第四节. 重排反应 第五节. 其它反应
第一节. 氧化还原
1.氧化
杂环化合物的氧化
N-氧化 C-氧化
1) N-氧化
杂环化合物的N-氧化主要体现在吡啶等六员杂环上. 由于这类杂环 化合物的N原子上含有孤对电子，这对孤电子可以与O的空位P轨道产生 配位，从而形成N-氧化物。