第十八章-杂环化合物.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,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,*,非芳香杂环：,常见的杂原子：,O,、,N,、,S。,芳香杂环：,一、,分类,单杂环,：,呋喃,furan,吡咯,pyrrole,噻吩,thiophene,噻唑,thiazole,咪唑,imidazole,吡啶,pyridine,嘧啶,pyrimidine,第一节 杂环化合物的,分类和命名,稠杂环：,喹啉,quinoline,吲哚,indole,嘌呤,purine,苯并吡喃盐,benzopyran,1.,杂环母核,二、命名,音译法：按照,IUPAC,推荐的普通名称，用,23,个汉字音译，使用带口字旁的同音汉字。,系统命名法：,根据相应的碳环命名。,氮杂,-,2,4,6,-,环庚三烯,azacyclohepta-2,4,6-triene,氧杂,-,2,4,-,环戊二烯,oxacyclopent-2,4-diene,2.,原子的编号,3,-,甲基吡啶,3-methylpyridine,2,-,呋喃甲醛,2-furaldehyde,4,-,甲基咪唑,4-methylimidazole,含有两种以上杂原子时：,1,2,3,4,5,1,2,3-,噁二唑,1,2,3-oxadiazole,让杂原子的位号尽可能小,；,当两个杂原子不相同时,，价数小的在前，大的在后；,价数相等时，原子序数小的在前，大的在后。,有些稠杂环化合物的原子编号是固定的。,异喹啉,isoquinoline,嘌呤,purine,一、呋喃、吡咯、噻吩的结构,sp,2,杂化,第二节 五元杂环化合物,结构特点：,杂原子共轭效应是供电子的，诱导效应是吸电子的。,杂原子是,sp,2,杂化，未成键电子对在,2p,轨道上，参与共轭。,由于6个,电子分布于5个原子上，整个环的,电子几率密度比苯大，是富电子芳环因而比苯环活泼，亲电取代反应比苯快得多。,芳香性顺序：,电负性：,S 2.6,噻吩,吡咯,呋喃,N 3.0,O 3.5,离域能,/kJmol,-,1,：,苯,噻吩,吡咯,150.3,121.3,87.8,呋喃,66.9,具有共轭二烯烃结构，呋喃可以进行双烯合成反应。,二、呋喃、吡咯、噻吩的性质,1.,主要物理性质和鉴别,呋喃：与盐酸浸过的松木片反应，显绿色。,吡咯：与盐酸浸过的松木片反应，显红色。,噻吩：在硫酸存在下和吲哚醌作用，显蓝色。,吲哚醌,红外光谱：,呋喃、,吡咯、噻吩的,CH,伸缩振动：,吡咯的,NH,伸缩振动：,非极性稀溶液中在,3495,cm,-1,有一尖锐的峰，,浓溶液中在,3400,cm,-1,出现一宽峰。,环伸缩振动(骨架振动)：,16001300,cm,-1,处出现,24,个峰。,30773303,cm,-1,。,核磁共振谱,：吡咯的,-,氢化学位移值为,6.68,，,-,氢为,6.22,，氮上的氢为,8.0,。,呋喃的红外光谱：,CH,伸缩振动：,3160,cm,-1,环伸缩振动：,1692,cm,-1,、,1663,cm,-1,、,1485,cm,-1,、,1380,cm,-1,吡咯的红外光谱：,N,H,伸缩振动：,3400,cm,-1,环伸缩振动：,1630,cm,-1,、,1580,cm,-1,、,1470,cm,-1,、,1420,cm,-1,C,H,伸缩振动：,3100,cm,-1,噻吩的红外光谱：,CH,伸缩振动：,3100,cm,-1,环伸缩振动：,1690,cm,-1,、,1666,cm,-1,、,1410,cm,-1,2.质子化反应,呋喃、噻吩、吡咯在酸的作用下可质子化；,质子化反应主要发生在,-C上；,-C质子化,-C质子化,N-质子化,由于,-C的质子化反应，吡咯在强酸作用下会因聚合而被破坏；,在稀的酸性水溶液中，呋喃的质子化在氧上发生并导致水解开环。,反应过程为：,3.,亲电取代反应,电子云密度比苯环大。,亲电取代反应的活性为：,吡咯,呋喃噻吩,苯,；,吸电子诱导-I：,O(3.5)N(3.0)S(2.6)，,取代反应主要发生在,-,位上。,供电子共轭,+C：N O S，,综合：贡献电子,N最多，O,其次，,S最少。,噻吩、吡咯的芳香性较强，所以易取代而不易加成；,呋喃的芳香性较弱，虽然也能与大多数亲电试剂发生亲电取代，但在强亲核试剂存在下，能发生亲核加成；,吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感；,由于这些五元杂环容易被破坏，稳定性差，因而对试剂及反应条件应有所控制。,卤代：,硝化：,由于环的稳定性差，在强酸或强氧化剂的作用下环被破坏，不能用混酸硝化。因此，应在较低的温度下，使用温和的硝化剂乙酰硝酸酯。,呋喃比较特殊，先生成稳定的或不稳定的2,5加成产物，然后加热或用吡啶除去乙酸，得到硝化产物。,磺化：,酰化：,4加成反应,催化加氢：,双烯合成：,呋喃与顺丁烯二酸酐很容易加成，噻吩较难，吡咯一般不发生双烯合成。,5.,吡咯的弱酸性和弱碱性,碱性：苯胺,吡咯,酸性：苯酚,吡咯,醇,吡咯的钾盐和吡咯卤化镁，都可以用来合成吡咯的衍生物。,吡咯溴化镁,三、糠醛及其衍生物,1.,制法,2.,主要性质,3.,应用,良好的溶剂；,许多药物和工业产品的原料。,四、呋喃、,吡咯、噻吩的制法,电子云密度比苯环大。,吸电子诱导-I：O(3.,由于6个电子分布于5个原子上，整个环的电子几率密度比苯大，是富电子芳环，因而比苯环活泼，亲电取代反应比苯快得多。,oxacyclopent-2,4-diene,氮杂-2,4,6-环庚三烯,吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感；,有些稠杂环化合物的原子编号是固定的。,环不易发生亲电取代反应但易发生亲核取代反应；,(or CHO or CH2NH2),电子云密度比苯环大。,实际操作为一次投料，但反应是分步进行的。,吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感；,六元杂环化合物中重要的有吡啶、嘧啶和吡喃等。,第三节 六元杂环化合物,杂原子是sp2杂化，未成键电子对在2p轨道上，参与共轭。,实验室合成，,帕尔诺尔（,Paal-Knorr）,合成法,：,五、卟啉,化合物,卟吩,prophine,血红素,叶绿素,a,R=CH,3,叶绿素,b,R=CHO,常见的杂原子：O、N、S。,第一节 杂环化合物的分类和命名,亲核取代：吡啶氨基化反应,呋喃比较特殊，先生成稳定的或不稳定的2,5加成产物，然后加热或用吡啶除去乙酸，得到硝化产物。,系统命名法：根据相应的碳环命名。,噻唑易与水混溶，具有弱碱性，它的许多衍生物是重要的药物或生理活性物质。,由于-C的质子化反应，吡咯在强酸作用下会因聚合而被破坏；,由于6个电子分布于5个原子上，整个环的电子几率密度比苯大，是富电子芳环，因而比苯环活泼，亲电取代反应比苯快得多。,嘧啶的碱性比吡啶弱得多，亲电取代反应也比吡啶更难，原因是氮原子的吸电子作用。,呋喃比较特殊，先生成稳定的或不稳定的2,5加成产物，然后加热或用吡啶除去乙酸，得到硝化产物。,反应比苯难，不能发生傅氏烷基化、酰基化反应；,氮杂-2,4,6-环庚三烯,吡咯的弱酸性和弱碱性,离域能/kJmol-1：,由于-C的质子化反应，吡咯在强酸作用下会因聚合而被破坏；,维生素,B,12,六、噻唑和咪唑,噻唑,thiazole,咪唑,imidazole,噻唑易与水混溶，具有弱碱性，它的许多衍生物是重要的药物或生理活性物质。,青霉素G,咪唑易溶于水，碱性比噻唑强，也有弱酸性，它氮上的氢像吡咯一样，能和碱金属作用生成盐。,六元杂环化合物,中重要的有吡啶、嘧啶和吡喃等。,吡啶,pyridine,嘧啶,pyrimidine,吡喃,pyran,第三节 六元杂环化合物,一、吡啶的来源和制法,许多生物碱、维生素、辅酶及辅酶,都含有吡啶环。,工业制法：,实验室制法：,汉茨施（Hantzsch）,合成法。,反应过程：,环不易发生亲电取代反应但易发生亲核取代反应；,氮杂-2,4,6-环庚三烯,呋喃、噻吩、吡咯在酸的作用下可质子化；,30773303cm-1。,吸电子诱导-I：O(3.,吡咯的弱酸性和弱碱性,16001300cm-1处出现24个峰。,吸电子诱导-I：O(3.,亲电取代反应的活性为：吡咯呋喃噻吩苯；,未成键电子对在sp2杂化轨道上，不参与共轭。,反应过程为：,含有两种以上杂原子时：,环不易发生亲电取代反应但易发生亲核取代反应；,(or CHO or CH2NH2),16001300cm-1处出现24个峰。,二、吡啶的结构,结构特点,：杂原子的共轭效应和诱导效应都是吸电子的；未成键电子对在,sp,2,杂化轨道上，不参与共轭。,sp,2,杂化,三、吡啶的化学性质,1.,亲电取代反应,特点：,反应比苯难，不能发生傅氏烷基化、酰基化反应；,硝化、磺化、卤化必须在强烈条件下才能发生；,吡啶环上有供电子基团时，反应活性增高；,吡啶N原子可以看作是一个间位定位基。,反应特点,：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；发生亲电取代反应时，环上,N,起间位定位基的作用。,2.,氧化和还原,吡啶环对氧化剂稳定，,比苯环难氧化。,用过氧化氢氧化，可得,N,-氧化吡啶，,N-,氧化吡啶较易发生亲电取代，取代基主要进入对位。,吡啶比苯易还原。,3.,亲核取代：吡啶氨基化反应,4.,弱碱性,碱性强弱的顺序,：,-,吡啶甲酸,异烟肼,四、吡啶的衍生物,维生素,B,6,：,(or CHO or CH,2,NH,2,),五、嘧啶及其衍生物,嘧啶是,1,3-,位各为一个氮原子的六元杂环化合物。,嘧啶的碱性比吡啶弱得多，亲电取代反应也比吡啶更难，原因是氮原子的吸电子作用。,脲嘧啶,胸腺嘧啶,胞嘧啶,嘧啶本身不存在于自然界，但它的衍生物在自然界分布很广，脲嘧啶、胞嘧啶、胸腺嘧啶是遗传物质核酸的重要组成部分。,喹啉,吲哚,嘌呤,quinoline,indole,purine,第四节 稠杂环化合物,一、吲哚,色氨酸,-,甲基吲哚,吲哚环的衍生物广泛存在于动植物体内，与人类的生命、生活有密切的关系。,5,-,羟基色胺,-,吲哚乙酸,脑白金,吲哚的化学性质和吡咯相似，具有极弱的碱性，吡咯环比苯环活泼，亲电取代反应发生在,-位。,维路斯梅尔（Vilsmeier）,甲酰化反应：,二、喹啉,1.,结构和性质,喹啉的亲电取代反应发生在电子云密度较大的苯环上，取代基主要进入,5,或,8,位。,亲核取代主要发生在吡啶环的,2,或,4,位。,亲电取代：,亲核取代：,氧化反应：,还原反应：,2.,合成,喹啉及其衍生物的合成，常用,斯克劳普法（,Skraup）,。,原料：苯胺和甘油；,脱水剂：浓硫酸；,氧化剂：硝基苯。,实际操作为一次投料，但反应是分步进行的。,反应的过程为：,择不同的苯胺衍生物为原料，可以合成不同的喹啉衍生物。,用不同的,-,不饱和醛、酮代替甘油，也能合成不同的喹啉衍生物，这一反应称为,Doebner-Miller,反应。,三、嘌呤,尿酸,腺嘌呤,鸟嘌呤,