杂环化学.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,杂 环 化 学,杂环化学与其他学科的关系,量子化学,无机化学,分子生物学,有机合成化学,医药化学,配位化学,染料化学,高分子化学,农药化学,脂杂环：饱和环烃,芳杂环：非饱和环烃，即不饱和环烃,大 环：冠醚、环番、环糊精、杯芳烃和,C60,等,1.1,杂环化合物的分类,第一章 概述,三元杂环,四元杂环,五元杂环,七元杂环,(,氮杂环丙烷,),(,-,丙内酯,),(,-,丙内酰胺,),(,顺丁烯二酸酐,),(,氧杂,),(1,H-,氮杂,),(,环氧乙烷,),1,、脂杂环,没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂环。,小环,中环,八元杂环,十二元杂环,大环,超大环,大于十三元杂环,2,、芳杂环,具有芳香特征的杂环化合物称为芳杂环,苯并杂环,杂环并杂环,五元杂环,六元杂环,呋喃,噻吩,吡咯,噁唑,噻唑,咪唑,吡唑,吡啶,嘧啶,吡喃,吲哚,喹啉,异喹啉,嘌呤,3.大环,冠醚,环糊精,杯芳烃,环番,C60,六元杂环,吡啶,(,pyridine),吡喃,(,pyran),-,吡喃酮,(,-pyrone),哒嗪,(,pyridazine),嘧啶,(,pyrimidine),吡嗪,(,pyrazine),杂环并杂环,喹啉,(,quinoline),异喹啉,(,isoquinoline),苯并吡喃,(,benzopyran),苯并,-,-,吡喃酮,(,benzo-,-,pyrone),嘌呤,(,purine),六元杂环苯并环系,第二章,五元杂环化合物,含有一个杂原子的五元环体系,呋喃、噻吩、吡咯,含两个杂原子的五元杂环,2.1,含有一个杂原子的五元环体系,芳香性：,4n+2,体系,0.70D,0.51D,1.81D,呋喃、噻吩、吡咯在结构上具有共同点，即构成环的五个原子都为,sp2,杂化，故成环的五个原子处在同一平面，杂原子上的孤对电子,参与共轭形成共轭体系，其,电子数符合休克尔规则,（,电子数,=4,n+2），,故它们都具有芳香性。,吡咯的结构,孤电子对在,p,轨道上。,吡 咯,结构：吡咯,N,是,sp,2杂化，孤电子对参与共轭。,反应：环易发生亲电取代反应，环上相当,有一个邻对位定位基。,共轭效应是给电子的。诱导效应是吸电子的。,呋喃、噻吩、吡咯的结构,1,电子结构及芳香性,物理性质：诱导效应和共轭效应相反,键长未完全平均化,都能溶于有机溶剂,水溶解度都小于六元杂环吡啶,溶解度顺序为：吡咯呋喃噻吩,吡咯几乎不显碱性,相反具有弱酸性,呋喃、噻吩、吡咯在结构上具有共同点，即构成环的五个原子都为,sp,2,杂化，故成环的五个原子处在同一平面，杂原子上的孤对电子参与共轭形成共轭体系，其,电子数符合休克尔规则（,电子数,=4,n+2），,所以，它们都具有芳香性。,化学性质,易发生亲电取代反应：反应活性芳香性,（一）合成方法,2.1.1,呋喃及衍生物,2.1.1.1,呋喃,A,：,1,4-,环合法,B：Pacl-knorr合成法,烯醇式,酮式,C,：,1,4-,丁二醇衍生物,D,：,-,卤代羧基化合物,（二）化学反应,A,：加氢反应,B,：,Anti-pacl-knorr,反应,C：Diels-Alder反应（双稀合成）,呋喃容易发生,Diels-Alder,反应,D：安息香反应（Aldol缩合）,E：砍尼扎罗反应（歧化反应）,Perkin,反应：脂肪酸酐在相应的脂肪酸碱金属盐的催化作用下与杂环芳醛（或不含,-H,的脂肪醛）缩合生成,-,芳基丙烯酸类化合物。,反应历程：酸酐对醛的亲核取代反应历程,G：脱羧反应,H：亲电取代反应,亲电反应活性顺序,a：硝化反应,呋喃,噻吩和吡咯易氧化,一般不用硝酸直接硝化,;,通常用比较温和的非质子硝化试剂，如：硝酸乙酰酯。,反应在低温下进行。,b：磺化反应,吡咯、呋喃不太稳定，所以须用温和的磺化试剂磺化。常用的温和的非质子的磺化试剂有：吡啶与三氧化硫的加合化合物。,c,：卤化反应,：,反应强烈，易得多卤取代物。为了得一卤代,(,Cl,Br),产物，要采用低温、溶剂稀释等温和条件。,d：F-C反应,86%,2.1.1.2,呋喃衍生物,苯并呋喃,苯并b呋喃,苯并c呋喃,（一）合成方法,-,卤代酮,A：,B：Perkin 重排,-2HBr,只有一个稳定共振式,两个主要共振式,二位被取代的呋喃衍生物，发生亲电取代反应是，先进入三位，三位被占时，进入二位，二三为均被占，进入苯环。,（二）化学反应,2.1.1.3,天然存在的活性呋喃及衍生物,苯并呋喃衍生物,呋喃香料,面包香料,烤肉香料,链状呋喃萜,-,呋喃甲酸,2.1.2,噻吩及衍生物,2.1.2.1,噻吩,（一）合成方法,A：Paal-knorr法,B：Hinsberg法,C：Gewald法,机理：,D：Fisselmann反应(与Gewald生成物方位相反),（二）化学反应,对取代位置的解释,取代在,位,取代在,位,A：卤化,碘不活泼，要用催化剂才能发生一元取代,B：酰化反应,C：硝化反应2,2,E：还原反应,F：脱硫反应,D：乙腈化反应,此外，噻吩基本上不发生双烯加成，即使在个别情况下生成也是一个不稳定的中间体，直接失硫转化为别的产物。,2.1.2.2,噻吩衍生物,苯并噻吩,硫代,-3-,吲哚吩,氨基苯并噻吩衍生物,2.1.2.3,天然存在的具有生物活性的噻吩化合物,三噻嗯,四氢噻吩,过硫醚香料,2.1.3,吡咯及衍生物,2.1.3.1,吡咯及衍生物的合成,A,：工业合成法,B,：,Paal-knorr,合成法,C,：,knorr,合成法,2,4-,二取代吡咯,2.1.3.2,吡咯及衍生物的反应,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吡咯成盐后，使环上电荷密度增高，亲电取代反应更易进行。,特殊性：吡咯的,N,原子上也可以发生亲电取代反应,八隅体结构最稳定,取代反应主要发生在,-C,上,HCON(CH,3,),2,POCl,3,CHCl,3,25%NaOH,(,NH,4,),2,CO,3,130,o,C,C,6,H,5,N,2,+,X,-,C,2,H,5,OH-H,2,O AcONa,RMgX,1,CO,2,2 H,2,O,CO,2,加热 加压,RCOCl,RX,sp,2,杂化,sp,3,杂化,碳上酰化，正电荷处在离域范围内，较稳定。,氮上酰化，正电荷不处在离域范围内。,呋喃、噻吩的酰化反应在,-,C,上发生，而吡咯的酰化反应（不用催化剂）既能在,-,C,上发生，又能在,N,上发生。在,-,C,上发生比在,N,上发生容易。,酰化反应,A,：亲电取代反应,卤化反应,硝化反应,磺化反应,F-C,烷基化反应,B,：与金属的反应,C,：聚合反应,Cope,重排是,1,5-,二稀及其衍生物在加热条件下的,3,3,碳迁移反应。是通过环状过渡态的协同反应。,对于链状体系，其历程被认为是通过椅式的环状,过渡态。,2.1.3.3,吲哚衍生物,3-,羟基吲哚的合成,重要的染料中间体,路线一：,路线二：,2.1.3.4,天然存在的具有生物活性的吡咯化合物,单吡咯化合物,吡咯香料,昆虫激素,植物激素,-,吲哚乙酸,多吡咯化合物,卟啉血红素,2.2,含有两个杂原子的五元杂环体系,咪唑,吡唑,噻唑,异噻唑,唑,异,4-,咪唑啉,3-,咪唑啉,咪唑烷,唑,烷,唑,命名：杂环命名按照,O,、,S,、,N,的顺序，含,O,的称为 含,N,称为唑，含,S,称为噻。部分双键的称为啉，饱和的称为烷。,结构,（,1,）互变异构,N-N(,单键,),N=N(,双键,),5-,甲基咪唑,4-,甲基咪唑,4(5)-,甲基咪唑,(,因为,4-,甲基咪唑和,5-,甲基咪唑不可分离,),（,2,）结构,吡咯,N(,孤电子对参与共轭，所以碱性较弱,),吡啶,N(,孤电子对不参与共轭，所以碱性较强,),吡咯,N,的孤电子对处于,p,轨道,一般胺中的,N是,sp,3,杂化。,N,的孤电子对处于,sp,3,杂化轨道,sp,3,轨道,碱性：,N,的孤电子对处于,sp,2,杂化轨道,吡啶,N,与吡咯,N,均为,sp,2,杂化。,物理性质,（,2,）碱性,1.,1,2-,唑与,1,3-,唑都有吡啶,N,，,所以都有碱性。,2.1,3-,唑的碱性比,1,2-,唑强。,因为两个杂原子互相影响大。,3.,咪唑的碱性噻唑的碱性噁唑的碱性,由综合电子效应决定。,(1),熔沸点,2.2.1,吡唑,A,：,3C+2X,（肼和,-,不饱和醛酸的反应,）,B,：,Pechman,反应（佩希曼反应）,（一）合成方法,（二）化学反应,反应活性,：唑的反应性比呋喃、噻吩、吡咯差，这是因为分子中多了一个吡啶,N,，,使共轭体系的电子云密度降低，所以亲电试剂不易进攻。,进攻位置,：亲电取代发生在,N,原子的间位，亲核取代发生在,N,原子邻位。,A,：卤化反应,B,：硝化反应,（三）吡唑衍生物及其应用,A,：芳基取代的吡唑啉化合物具有优良的光导性质,B,：药物中间体,C,：颜料中间体,2.2.2,咪唑,（一）合成方法,A,：,3C+3X,（,-,卤代酮与脒的反应,）,脒,B,：,-,羟基酮与氨基醛的反应,C,：,类,Paal-knorr,反应,（二）化学反应,A,：质子化反应,氮原子上的孤对电子易于质子酸成盐,B,：烷基化反应,C,：酰化反应,（三）咪唑衍生物及其应用,二咪唑酮，是实验室常用的酯化反应的催化剂,A,：,N,N-,羧基二咪唑,治疗癫痫病的药物,B,：氢化咪唑（咪唑啉）,C,：氢化咪唑酮（咪唑烷酮）,D,：咪唑烷衍生物,2.2.3,噻唑,（一）合成方法,2C+3X,环合反应,（二）化学反应,A,：卤化反应,硝化、卤化须有给电子取代基,B,：硝化化应,C,：磺化反应,磺化须强烈条件,D,：亲核取代反应,D,：亲核置换反应,（三）咪唑衍生物及其应用,青霉素,太阳能电池的一部分,2.2.4,唑,唑,（一）合成方法,A,：,类,paal-knorr,反应,C,：,Fischer,唑,合成法,B,：,-,卤代酮与甲酰胺的反应,（,2C+3X,）,（二）化学反应,A,：,亲电取代反应,B,：,双稀加成反应,（三）衍生物,唑,2-,唑啉,3-,唑啉,4-,唑啉,2.2.5,天然存在的重要生物活性化合物,A,：,咪唑化合物,拆分,B,：,噻唑,化合物,噻唑香精化合物,第三章,六元杂环化合物,含有一个杂原子的六元环体系,含两个杂原子的六元杂环,3.1,吡啶,共轭效应和诱导效应都是吸电子的,孤电子对在,sp,2,杂化轨道上。,电子结构,结构：吡啶,N,是,sp2,杂化，,N,原子含有两个孤对电子，并且孤对电子不参与杂化,反应：碱性较强。环不易发生亲电取代反应但易发生亲核取代反应。发生亲电,取反应时，环上,N,其间位定位基的作用。发生亲核取代反应，环上N,其邻位对为,定位的作用,3.1.1,结构与物性,物理性质,氮原子的电负性较大,使吡啶有较大极性,其偶极距数值较大,.,=2.20,D =1.17D,吡啶能与水以任意比例混溶,又能溶解大多数极性或非极性,有机化合物,甚至许多无机盐类,是一个良好的溶剂。,碱性,吡啶,N,是,sp,2,杂化，孤电子对不参与共轭，可以与质子,结合或给出电子，显弱碱性。利用它的碱性，可从混,合物中分离吡啶类化合物，在化学反应中还可用作催,化剂和除酸剂。,3.1.2,合成方法,A,：,工业法合成,副产物多,历程：,B,：,韩奇法,(Hantzsch,),两分子,-,羰基化合物与一分子醛，在通氨气的条件下反应，生成对称取代的吡啶化合物的反应成为,Hantzsch,法。,三次脱水的过程,3.1.3,化学反应,A,：,亲电取代反应,吡啶环上氮原子为吸电子基，故吡啶环属于缺电子的芳杂环，而且由于氮原子上有未参与杂化的孤对电子，所以吡啶上的,N,原子比环上更容易进行亲电取代反应。与苯环上,NO,2,的定位规则类似，其环上的亲电取代反应很不活泼，反应条件要求很高，不起傅,-,克烷基化和酰基化反应。亲电取代 反应主要在,-,位上。,-,位取代,由吡啶的共振式分析,:,结论,:1.,环上带正电,不利于亲电取代,2.,位的正电荷密相对较低。,原因,:,由取代反应的中间体稳定性分析,取代在,位,取代在,b,位,中间体较为稳定,取代在,位,实验事实：钝化和,取代,其它反应现象,环上有给电子基时反应相对较易进行,B,：,亲核取代反应,置换氢的亲核取代反应,置换易离去基团的亲核取代反应,B,：,氧化反应,由于吡啶的性质与硝基苯类似，其不易被氧化开环，其氧化反应主要发生在侧链和,N,原子上。,氧化在侧链上,氧化在,N,原子上,N-,氧化吡啶的性质：,吡啶被氧化后,O,负的供电性，使吡啶环比吡啶易与亲电试剂和亲核试剂发生反应，但是反应的位置为,，,位。,(,a),与亲电试剂的亲电取代,(,b),与亲核试剂的亲核加成,为什么,N-,氧化吡啶,既有亲电性又有亲核性,(,a),由共振结构分析（有两种形式的共振式）,有苯氧基负离子特点，环上的,2,4,6,三个位置负电荷密度较大,保留吡啶的特点，氧负离子使环上的正电荷密度增大,(,b),由反应过程分析（中间体的稳定性分析）,亲电取代及进一步的反应过程,对比：吡啶的直接亲电取代,不稳定,D,：,侧链,-,H,的酸性,C,：,还原反应,3.1.4,天然存在的吡啶衍生物,A,：,烟酸,烟碱,B,：,维生素,B6,C,：,生物碱,槟榔碱 毒芹碱 石榴皮碱 烟碱,arecoline coniine pelletierine nicotine,3.2,喹啉和异喹啉,喹啉和异喹啉：,苯并,b,吡啶 苯并,c,吡啶,喹啉在常温时是无色油状液体，有类似吡啶的恶臭，,沸点,238,，异喹啉为低熔点的固体，气味类似于,苯甲醛，熔点,26,，沸点,243,。,物理性质：,结构：*杂环部分性质象吡啶,(,碱性和亲和性、亲电取代、,亲核取代、氧化反应、还原反应、支链上的反应,),*,碳环部分性质象萘,(,亲电取代及其取代定位作用,),碱性强弱：喹啉吡啶异喹啉,3.2.1,结构与物理性质,3.2.2.1,喹啉的,合成方法,A,：,Skraup,法,芳胺与醛的,Michael,加成,类似物：,B,：,Combes(,康布斯,),反应,芳胺与,-,二羰基化合物的缩合,类似物：,C,：,Friedl,nder,反应,邻氨基苯甲醛或酮与含有活泼亚甲基醛酮,(,及其衍生物,),在酸或碱催化下的反应,不同催化剂条件下生成的产物结构不同,（1）亲电取代反应:,反应产物受介质的影响。若反应在酸性介质中进行，取代主要在苯环上发生。喹啉主要发生在,C-5,与,C-8,位，而异喹啉以,C-5,产物为主。,2 化学反应,喹啉的化学反应,亲电,取代，进入苯环的,5,，,8,-,位（,异环,）,从反应中间体的稳定性解释反应结果：,（2）亲核取代反应,亲核取代反应主要在吡啶环上发生，喹啉的反应位置,在2位和4位(2位为主)，异喹啉在1位；,实例：,（3）氧化反应,*1 喹啉和异喹啉与绝大多数氧化剂不发生反应；,*2 与高锰酸钾能发生反应：,*3 喹啉与异喹啉在过酸的作用下均可形成,N,-,氧化物。,（4还原反应,反十氢喹啉,顺十氢喹啉,(5),光化学反应,3 喹啉及其衍生物的合成,1 斯克劳普(,Skraup,Z.H.),反应：苯胺、甘油、硫酸和氧化剂一起作用，生成喹啉的反应称为斯克劳普反应。,实 例,eg 2,eg 1,eg 4,eg 3,2 弗里德伦德(,Friedlander),反应：,eg 1,eg 2,芳香族邻氨基羰基化合物发生缩合反应，得到喹啉或它的衍生物，这称为弗里德伦德反应。,（,2,）异喹啉,异喹啉比较重要的衍生物,罂粟碱、黄连素,罂粟花,(三）含二个氮原子的六元杂环,含有两个氮原子的六元杂环体系称作二嗪类，因氮原子,在环中的相对位置不同，二嗪类有三种异构体：哒嗪、,嘧啶吡嗪。,哒嗪(,pyridazine),嘧啶(,pyrimidine),吡嗪(,pyrazine),1 结构与物理性质,二嗪类环上的两个氮原子，其电子构形与吡啶中的氮原子,相同，各有一对未共用电子对，位于,sp,2,杂化轨道上，能与,水经氢键缔合。,哒嗪与嘧啶因结构的不对称性，分子有一,定的极性，可与水混溶，吡嗪因分子极性小而水溶性略小。,二嗪类化合物都是一元碱,而且碱性都比吡啶弱.,2 化学反应,（1）.亲电取代反应,反应最易在2位发生，其次是4,6位,取代卤素要比取代负氢更容易,（2）.亲核取代反应,利用亲核取代反应可制取烃基取代的二嗪。,二嗪不易被氧化。若用过酸氧化，得嘧啶单,N-,氧化物,（3）氧化,（4）侧链,-H,反应,羟醛缩合型,烷基化反应,二嗪的制备,良好的离去基团被取代,氧代二嗪的反应,1.,与亲电试剂反应,2.,与亲核试剂反应,3.氧的取代,4.,过渡金属催化的反应,5.,电环化反应,含两个以上杂原子的杂环化合物,五元杂环化合物,1.,唑类,1.1 1,2,3-,三唑,1.2 1,，,2,，,4-,三唑,1.3,四唑,4,吲哚的反应和合成,色氨酸,5-,羟基色胺 褪黑激素,4.1,与亲电试剂的反应,4.1.1,硝化反应,4.1.2,酰基化反应,4.1.3,烷基化反应,4.1.4,与醛和酮的反应,4.1.4,与亚胺离子的反应,4.2,与氧化剂的反应,杂环化合物的应用,1.固相合成,固相合成的优势：纯化、无需萃取，色谱或中间体的分离，产物最终从载体上分离，,夹带的杂质少。,2.,医药工业中的杂环化合物,3.,电子工业中的应用,