有机化学-第13章 杂环化合物共45页

➢ 稠杂环固定编号。
NH2
6
1N
5
N7
2
498
NN
3H
6-氨基嘌呤
5 6
4 3
7 8
N2
OH 1
8-羟基喹啉
N
OH
N
5-羟基嘧啶
4 5
Br 6 7
COOH
3
2
N1 H
6-溴-3-吲哚甲酸
13-5
➢ 存在异构体时，标氢（H）区别。
4
3
2
O
O
4H-吡喃 2H-吡喃
N1 H
1H-吲哚
N
3H-吲哚
N1 H
13-7
•共振能对比
S
N
H
O
(kJ/mol) 150
122
90
68
芳香性：苯 > 噻吩 > 吡咯 > 呋喃
2. 吡咯、呋喃、噻吩的化学性质
✓ 芳香性——亲电取反应代
✓ 不饱和性——加氢还原
A
✓ 共轭二烯性质——Diels-Alder反应
✓ 杂原子的性质——吡咯的酸碱性
13-8
① 亲电取代反应
取代位置
一．分类和命名
五元杂环
N H
吡咯
O 呋喃
S 噻吩
N N
H 咪唑
N
N
O
S
噁唑
噻唑
N
N
H 吡唑
N O
异噁唑
13-2
六元杂环 稠杂环
N
吡啶
O
吡喃
N
N
嘧啶
N H
吲哚
N
喹啉
N
N
N
N H
嘌呤
特定杂环的命名常采用音译法：
以杂环的英文谐音汉字，加“口”字旁来表示 杂环母环的名称。
13-3
杂环的命名与芳香族化合物相似。若环上连有 取代基，需对环进行编号，编号原则如下：
S NO2 60%
13-13
b) 磺化反应
磺化试剂：
N SO3
CH2Cl2
吡啶-SO3加合物
N SO3
H+
N
100oC
H
N SO3H H
N + SO3 90%
N SO3 Ba(OH)2
Ba2+
S
S SO3 2
86%
N SO3
H+
+
O
O SO3H
HO3S O SO3H
41%
15%
13-14
• 噻吩还可直接用硫酸磺化（活性大，较稳定）
13-20
N H (1)
pKa≈ 17.5
Na 或 K 或浓NaOH
N COR
RCOCl
N
RX
K+
N
(2)
R
CO2 加热 加压
COOH N H
13-21
3. 吡咯的重要衍生物——红细胞中的血红素
CH=CH2
CH3
CH3 N
N CH3 HOOCH2CH2C
N
N Fe
N
CH=CH2 CH3
CH2CH2COOH
R
N H
pKa
~ 35
~17.5
ROH P hOH
~17
~10
K N H
N
+ H2
K
13-19
吡咯的性质与苯酚类似，都具有酸性，但吡咯 的酸性比苯酚小。吡咯与苯胺也有类似性质。
OH
O
OH-
Na 或 K
N
或浓NaOH
H
N K+
pKa=10
pKa≈ 17.5
吡咯成盐后，使环上电荷密度增高，亲电取代 反应更易进行。
S
S
催化剂中毒
13-17
呋喃具有共轭双烯性质，很容易与亲双烯体 进行Diels-Alder反应。
O+
O
O△ O
OH HO
O O
CO2CH3 +O
CO2CH3
O H3CO2C
H3CO2C
13-18
③ 吡咯的酸碱性
吡咯N的碱性很弱 吡咯N-H的弱酸性
N H
pKb 13.6
H R NR
2~3
R NH
CH3
HN
CH3
O2
CH=CH2
NN Fe
NN
CH3 CH=CH2
CH3
NH N
卟吩
HOOCH2CH2C
蛋白 质
CH2CH2COOH N
NH
13-22
三．含有一个杂原子的六元杂环化合物
1. 吡啶（C5H5N）的结构 难亲电取代，易亲核取代
难氧化，易还原
H
H
H
N
H
H
H H
H
H
N
H
未共用电子对， 有碱性和亲核性
E
A
亲电取代反应相对活性
+ AE
a-取代 主要产物
E
Aபைடு நூலகம்
b-取代
>
>
>
N H
O
S
3×1018 6×1011 5×109
1
13-9
对取代位置的解释（分析反应中间体的相对稳定性）
i. 取代在a位
E A
H AE
H AE
H AE
-H
中间体有三个主要共振式，较稳定
AE
ii. 取代在b位
E A
E H
A
EH -H
H2SO4 S
S SO3H
应用：除去苯或甲苯中的噻吩
& S
H2SO4
（少量） 反应快
13-15
S SO3H
溶解于硫酸中
c) 其它亲电取代
• 卤代反应
Br2 / 0oC
O
稀溶液
O Br
Br2
S
HOAc
S Br
• 与重氮盐偶联
• Friedel－Crafts反应
Ac2O
O
BF3
O
O
Ph C Cl
S
SnCl2
吡啶中所有成环原子均为sp2杂化，形成 6 中心、6 电子的大π键，具有芳香性。
13-23
2. 吡啶的化学性质 ① 氮原子上的反应
吡啶氮原子上的未共用电子对未参与共轭， 能接受质子，表现出碱性；能与亲电试剂发生反 应，表现出亲核性。
a) 吡啶的碱性
+ HCl
N
N H+C-l
碱性：脂肪胺 > 氨 > 吡啶 > 苯胺 > 吡咯 pKb： 3~4 4.75 8.8 9.12 13.6
A
E A
中间体有两个主要共振式，较不稳定
13-10
对亲电取代反应活性的解释 i. 由五元杂环的结构分析
A
A
A
A
A
环上的电荷密度比苯环大
ii. 由反应中间体的稳定性分析
E A
H
-H
AE
满足八隅体
AE
对比：苯环亲电取代中间体的稳定性
13-11
➢ 亲电取代反应实例 五元杂环电子云密度高，较活泼，遇强酸不稳定
➢ 从杂原子开始；
N CH2CH3 H
2-乙基吡咯 α-乙基吡咯
CHO O
2-呋喃甲醛 α-呋喃甲醛
COOH
N
3-吡啶甲酸 β-吡啶甲酸
➢ 如有两个杂原子，按O、S、NH、N的顺序确定最 小编号位置，并使另一个杂原子的编号尽可能小；
13-4
CH3 N
N H
4-甲基咪唑
S CH2CH3
N
4-乙基噻唑
S
较弱的Lewis酸
CH3 C O
Ph C O
PhN2 X N H
N N N Ph H
13-16
② 加成反应
呋喃、吡咯和噻吩的离域能小于苯，环的稳定性 较低，可进行催化氢化，得到饱和杂环化合物。
H2 / Pd
THF（常用溶剂）
O
O
H2 / Pd
吡咯烷
N
N
H
H
使用特殊催化剂
H2 / M oS2
• 噻吩能使常用氢化
1H-吡咯
2
N
6
1N
5
N7
2
4
9
8
NN
3H
2H-吡咯 9H-嘌呤
6
1N
5
7
NH
2
4
9
8
NN
3
7H-嘌呤
13-6
二．含一个杂原子的五元杂环化合物
1. 吡咯（C4H5N）的结构
富电子，易亲电取代
H H
H NH H
H H
H NH H
吡咯中所有成环原子均为sp2杂化，形成 5 中心、6 电子的大π键，具有芳香性。
强酸
A
A = NH , O
氧化 聚合 开环
硝化：HNO3/H2SO4 磺化：H2SO4
解决办法：用温和试剂替代
13-12
a) 硝化反应
硝化试剂
Ac2O + HNO3
AcONO2
硝基乙酰酯
AcO + NO2
AcONO2
N
-10oC
H
AcONO2
O
-5oC
AcONO2
S
0oC
N NO2 51% H
O NO2 35%