第六章含氮五员杂环及其稠环体系

第六章 含氮五元杂环及稠环体系
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(3) Knorr合成法 a-氨基酮和β-酮酸酯或β-二酮发生环 缩合反应，生成3-烷氧羰基-或3-酰基取代吡 咯；
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(4) Kenner合成法 3-取代吡咯-2-羧酸酯19由N-对甲苯磺酰甘 氨酸酯(17)和乙烯甲基酮反应得到 ；
吡咯
结构和物理性质
吡咯分子上的所有原子共平面，形成近乎规 则的五角形。 吡咯的电离能为8. 23eV。偶极矩为1.58D。
吡咯也是五原子六电子大π体系，是富电子 环，所以，较易进行亲电取代反应。
N原子在组成大π体系时，提供2个电子，而 得到的只有1.624，所以有所失，C2和C3则有所 得。 吡咯的经验共振能约为100kJ/mol-1，因此吡 咯的芳香性比呋喃大，比噻吩小。
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§6
§6.1
含氮五员杂环及其稠环体系
吡咯
§6.1.1结构和物理性质 §6.1.2化学性质和反应 §6.1.3合成方法
§6.2
吲哚
§6.2.1简介 §6.2.2结构和物理性质 §6.2.3化学性质和反应 §6.2.3合成方法 §6.2.4 应用
§6.1
§6.1.1
吡咯的逆合成分析
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（1)在Paal-Knorr合成
1,4-二羰基化合物在乙醇或乙酸中与NH3或伯胺 (或与铵或烷基铵盐)反应生成2,5-二取代吡咯 ；
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(2) Hantzsch合成法（汉奇吡咯合成）
a-卤代羰基化合物与β-酮酸酯或β-二酮及氨水 或伯胺反应，分别生成3-烷氧羰基或3-酰基吡咯衍生 物。
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§6.2.5 应用
靛蓝染料
青，取之于蓝，而胜于蓝。
凡可制取靛青（即靛蓝）的植物，均可统称为 “ 蓝 ” 。
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蓝的粗制浮沫即中药青黛，蓝草的根即著名中药板蓝 根，其果为中药蓝实。它们皆有杀菌消炎，清热解毒 之药效，可用于防治流脑、流感及肝炎等传染疾病。
（1）催化氢化 吡咯只有在高温高压下才能被雷尼镍还原生 成四氢吡咯。吡咯的自氧化以及过氧化氢氧化都 是加成反应。
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（2）[2+2]环加成反应 Paterno-Bü chi反应
中间体氧杂环烷烃在反应条件下异构化生成 3-（羟烷基)吡咯:
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(4)烷基化反应
吡咯及其同系物十分容易发生烷基化反应， 常得到许多多烷基化产物和聚合物。
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(5)酰基化反应
在Lewis酸催化下，吡咯的酰基化主要发 生在α-位。在无催化剂存在下、吡咯与乙酐 反应得到N-酰基化和a-酰基化产物。
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霍本-赫施反应 Houben-Hoesch酰化反应
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3.吲哚与羰基化合物的反应
吲哚和乙醛反应生成3-乙烯基吲哚，进一步 和吲哚反应生成1 ，1-二(吲哚-3-基)乙烷:
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4.氮的亲电取代反应
吲哚的碱金属化合物像盐一样可与亲电试剂 如卤代烷、酰氯、磺酰卤和三甲基氯硅烷反应 生成相应的1-取代吲哚。
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传统靛蓝染色原理概述
将蓝草放入发酵池中，加水浸泡发酵，数月后捞出残渣， 加入生石灰充分搅拌后由于产生了碳酸钙沉淀，其吸附 了悬浮于水中却不溶于水的靛蓝形成蓝色泥浆状即为蓝 靛，在蓝靛中加入酒糟（其中含有多种还原作用的酵 素），使不溶于水的靛蓝泥还原成为可溶性的靛白隐色 酸，染在布上之后，经空气氧化后再变回不溶性的蓝色 染料。 把上述染料的制做和还原染色过程用进程图可表示为： 蓝草→浸泡→菘蓝甙→水解→吲哚酚→吲哚酮→缩合→ 蓝淀→酒糟→氢化酵素→还原吲哚酚→石灰（提供碱性） →靛白隐色盐→靛蓝。
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1-苯磺酰基吡咯在3-位发生Friedel-Crafts酰 基化反应，生成3-酰基吡咯。
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正丁基锂使吡咯生成1-位锂盐。如果1-位被 取代基占据，则生成2-位锂盐。它们可用于取代 吡咯的合成:
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4. 加成反应
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2.碳原子上的亲电取代反应
在多数亲电取化反应中，吲哚比吡咯慢得多， 但比苯并[b]呋喃快。 与吡咯相比，吲哚的H-原子取代反应优先 发生在3-位。
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原因: 亲电试剂进攻3-位生成的亚胺铵盐结 构中间体能量低;而进攻2-位生成的邻苯醌类亚胺铵盐中间体能量高:
吲哚可能是自然界中分布最广的杂环化合物。
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§6.2.2
结构和物理性质
吲哚是9原子10个π电子芳香环。
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各成环原子的π电荷密度，其中有下面的数据：
氮在组成大π体系时，提供2个p电子，所以它有所失； 其余各C原子均有所得，其中β-C得到更多。
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(5)酰基化反应
甲酰化和乙酰化则更容易一些。 与乙酸酐加热反应生成3-乙酰吲哚。
Vilsmier-Haack反应生成吲哚-3-甲 醛； 在Houben-Hoeseh酰化中，反应发 生在3-位。
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Vilsmeier-Haack反应
(2)磺化反应
可用吡啶-三氧化硫使吡咯及其同系物磺化。
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(3)卤化反应
吡咯及其同系物十分容易卤化。常用SO2Cl2代替 Cl2以降低反应的剧烈程度。与NBS反应，生成2-溴吡 咯。
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用单质卤素进行卤化反应容易得多卤代物。 氯和溴由于有较强的氧化性，常得到氧化产物。
在同样条件下，吡咯的亲电取代反应比呋喃 快大约105倍。
吡咯形成了碳正离子-亚胺的互变异构体使 其复合物特别稳定所致。
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(1)硝化反应
吡咯即使在-70℃下的低温也能硝化，但在常温 下进行反应，可得较高收率。
产物以2-硝吡咯基为主，同时有少量3-硝基吡咯。
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§6.1.2化学性质和反应
1.酸碱反应
（1）吡咯是弱碱，容易用无机酸质子化。
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吡咯的碱性(pka=-3. 8)远小于二甲胺( pka=10.87 )
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烷基取代基的增加，碱性迅速增大。
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(1)硝化反应
用HNO3硝化吲哚除得到3-硝基吲哚外，还得 到其他许多产物。所以要采用硝酸醋作为硝化剂。
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2-甲基吲哚直接用HNO3或HNO3-HOAc硝 化，先生成3-硝基吲哚，然后在苯环上进一步硝 化，而在浓硫酸中进行硝化时，反应在苯环5-位 上进行。
1-吲哚基氯化镁和亲电试剂反应主要生成3取代的吲哚;
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5. 加成反应
（1）催化氢化 吲哚在高温加压下催化氢化生成2，3-二氢 吲哚，也可用还原性试剂(锌和磷酸或锡和盐酸) 还原制备。
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在自氧化中，其3-位被氧进攻生成过氧 化物，继而生成吲哚-3（2H）-酮(吲哚酮):
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(2)磺化反应
吲哚与吡啶-SO3复合物的磺化反应生成 吲哚-3-磺酸。
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(3) 卤化
吲哚的卤化比较有规律，3-卤吲哚可用一般 卤化试剂得到:
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(4)烷基化反应
和吡咯一样，吲哚的C-烷基化反应生成的 是混合产物。
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(2) Batcho-Leimgruber合成法
邻-硝基甲苯和N,N-二甲基甲酰胺二甲基缩醛反 应生成中间体20 , 20经还原环化得到吲哚
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（3）Madelung合成法
N-酰基邻甲苯胺(22)在NaNH2或正丁基锂的 作用下可脱水环化成吲哚环。
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莱默尔-蒂曼反应
吡咯和二氯卡宾的[2+2]环加成反应是一个成 熟的反应，此反应和Reimer-Tiemann甲酰化反应 相竞争;
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5.开环反应
在乙醇中吡咯衍生物和经胺盐酸盐、 Na2CO3反应生成1,4-二羰基化合物的二肟。
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§6.1.3 合成方法
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Leabharlann Baidu
§6.2.4 合成方法
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（1） Reissert合成法
邻-硝基苄基羰基化合物8的还原环化是合成2-取 代吲哚的首选方法。
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邻-硝基苯基丙酮酸由邻-硝基甲苯和 草酸酯经Claisen缩合得到；
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Vilsmeier-Haack反应
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霍本-赫施反应 Houben-Hoesch酰化反应
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3.氮的亲电取代反应
尽管吡咯对亲核加成和取代有阻力，但是它 们对亲电试剂的进攻非常敏感，取代反应几乎 是专属的。
吡咯的钠盐或钾盐和卤代烃、酰卤、磺酰卤、 三甲基氯硅烷反应生成1-位取代的吡咯。 吡咯-1-基碘化镁和碘甲烷反应生成2-甲基 砒咯。
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§6.2.3化学性质和反应
1.酸碱反应
（1）吲哚的碱性(pKa=-3.50)和吡咯相近。
质子化主要发生在C-3上。
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（2）吲哚的酸性(pKa=16.97) NH-酸性也和吡咯相似。 吲哚可以在NaNH2/液氨、NaH/有机溶 剂、格氏试剂或正丁基锂的作用下使 1-位金属化。
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(5) Bartorn-Zard合成法
在碱作用下，硝基烯烃和CH-酸性的异睛 发生环缩合生成三取代吡咯；
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6.2
§6.2.1
吲哚
简介
吲哚一词来源于印度(India)这个词:在十六世纪 从印度进口的蓝色染料被称作靛蓝。
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水解
微生物分泌出的糖化酶使靛甙的甙键发生酶解 断裂，游离出吲羟 。
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吲羟酮式互变异构生成吲哚酮 。
吲哚酮缩合生成靛蓝。
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发酵产生的氢气将不溶性的靛蓝还原成可溶性 的隐色体靛白，使之上染纤维制品。
透风晾干的过程，实质上是使附在纤维上的隐 色体靛白氧化再复变为靛蓝的过程。
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（2）吡咯是二级胺，其NH应显酸性
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泽尔维季诺夫活泼氢定量法 吡咯中“活性氢”的存在也可以用碘 化甲基镁来检测( Zerewitinoff反应)。
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正丁基锂以类似的方式反应:
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2.碳原子上的亲电取代反应
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（4）Bischler合成法
α-芳氨基酮25很容易由芳胺和a-卤代酮制得， 在酸性条件下，它先发生分子内芳环上的亲电取 代反应，然后再脱水生成吲哚:
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（5）Fischer合成法
在Lewis 酸 (SnCl4 , BF3)或无机酸催化下， 芳基腙30失去一分子氨生成吲哚31：