第10章杂环化合物10170.pdf

第 10 章 杂环化合物 杂环化合物的分类和命名 分类 1、按照环的多少分类 单杂环：常见的是五元杂环和六元杂环，环上的杂原子有一个或两个。五元杂环：六元杂环：吡喃没有芳香性，生成盐后则具有芳香性。稠杂环：由苯环与单杂环或两个以上单杂环稠合而成的。命名 常见的基础杂环多数是具有芳香性的，命名时作为杂环化合物的母核。1、音译法 中文名称采用音译法，用带口字旁的同音汉字表示。对于无特定名称的杂环化合物，中国化学会1980 年颁布的有机化学命名原则规定：采用“杂”字作介词，把杂环看作是相应的碳环母核中碳原子被杂原子置换后的衍生物来命名。国外现在采用的 Hantzsch-Widman 系统，规范了 10 元以下一般杂环的词尾词干的书写格式。为了正确表明取代基位置，需将杂环母核编号，编号规则主要有：（1）含一个杂环原子的单杂环，从杂原子开始编号。有时也使用希腊字母，把靠近杂原子的位置叫做 位，其次是 位，再其次是 位。（2）含两个及以上相同杂环原子的单杂环，编号从连有氢原子的杂原子开始，并使另一杂原子所在位次保持最小。（3）含两个及以上不同杂环原子的单杂环，编号从价数小杂原子开始，价数相同时则从原子序数小的开始。因此，常见杂原子编号优先顺序为 O、S、N。一般常见的稠杂环有特定的编号，或是沿用习惯。五元杂环化合物 结构和物理性质 1、结构 这三种杂环上的原子都是 sp2杂化，为平面结构。每个碳原子垂直于环平面的p 轨道有一个电子，杂原子垂直于环平面的p 轨道有二个电子。三种杂环 电子数都是 6 个，符合休克尔规则，都具有一定的芳香性。结构特点：杂原子 sp2杂化，未成键电子对在 2p 轨道上，参与共轭。从吡咯的共振式看出，杂原子氮上部分负电荷分布到了碳原子上。杂原子共轭效应是推电子的，诱导效应是吸电子的。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：苯噻吩吡咯呋喃，这与杂原子电负性顺序相反，从离域能数据也得出这一结论。三种杂环都具有共轭二烯烃结构，芳香性最弱的呋喃可以顺利地进行双烯合成反应。2、物理性质 呋喃：无色液体，难溶于水，有氯仿的气味。与盐酸浸过的松木片反应，显绿色。吡咯：无色液体，有苯胺的气味，难溶于水。与盐酸浸过的松木片反应，显红色。噻吩：无色液体，不溶于水。在硫酸存在下和吲哚醌作用，显蓝色。质子化反应 呋喃、噻吩、吡咯在酸的作用下可质子化，反应主要发生在-C 上。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。亲电取代反应 1、亲电取代的活性 a、杂原子对环上电子的贡献为：N 最多，O 其次，S 最少；b、亲电取代反应的活性为：吡咯呋喃噻吩苯吡啶。c、由于呋喃、吡咯、噻吩环上的 电子云分布不匀，亲电取代反应主要发生在-位上。（1）芳香性对亲电取代的影响 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，更像二烯醚，亲电取代往往是通过 加成-消除的方式进行的。（2）环的稳定性对亲电取代的影响 吡咯在强酸性溶液中容易聚合或开环，因此亲电取代反应不能在强酸性溶液中进行。噻吩对酸不如吡咯和呋喃敏感，可以用硫酸磺化，用混酸硝化。2、卤化反应 低温；溶剂稀释等温和条件 3、硝化反应 乙酰基硝酸酯作催化剂；低温 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。原因：呋喃芳香性较弱。4、磺化反应 吡咯、呋喃：吡啶与三氧化硫的加合物作磺化剂；噻吩：.下硫酸直接磺化 吡咯、呋喃不太稳定，所以须用温和的磺化试剂磺化，常用吡啶与三氧化硫的加合化合物作磺化试剂。噻吩和硫酸在室温下就能顺利地进行磺化，生成的噻吩磺酸能溶于硫酸中。常用这个反应除去苯中的噻吩，苯和噻吩的沸点接近，不能用蒸馏的方法分离。5、FriedelCrafts 酰基化反应 呋喃、噻吩的酰化反应在-C 上发生，呋喃要用较温和的催化剂SnCl4、BF3等。噻吩的酰化反应可以用酸催化。吡咯的酰化反应，不用催化剂就顺利进行，既能在-C 上发生，又能在 N 上发生。但在-C上发生比在 N 上发生容易。亲电取代反应中的基团定位效应 1、位有取代基（1）位有第二类定位基，后续基团进入不相邻的位；（2）位有第一类定位基，后续基团进入相邻的位。2、位有取代基 （1）当 Z=O 时，不论呋喃的位是何种类型定位基，则后续基团均进入另一位。（2）当 Z=N、S 时，位有第二类定位基，后续基团进入不相邻的位；位有第一类定位基，则后续基团进入另一位。加成反应 1、催化加氢 反应活性与芳香顺序相反：呋喃吡咯噻吩。噻吩可以停留在二氢化物阶段，也不能用钯催化，因为噻吩能使钯催化剂中毒。2、双烯合成 呋喃、吡咯、噻吩都含有共轭二烯结构，理论上都应该能发生Diels-Alder 反应。芳香性最弱的呋喃很容易进行双烯合成反应，和顺丁烯二酸酐加成，主要生成内式异构体。吡咯一般不发生双烯合成。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。吡咯的特殊性质 1、酸碱性（1）弱碱性 吡咯的碱性极弱，原因是氮上的未共用电子对参与了环的共轭体系，减弱了与 H+的结合能力。碱性：吡咯苯胺。（2）弱酸性 吡咯氮原子上的氢有微弱的酸性。酸性：乙醇吡咯苯酚 酸碱性应用：A、吡咯能与固体氢氧化钾加热成为钾盐：B、吡咯与格氏试剂作用生成吡咯卤化镁和烷烃：2、活泼芳环的性质（1）与重氮盐偶联 （2）Reimer-Tiemann 反应 （3）Kolbe 反应 呋喃、吡咯、噻吩的制法 1、呋喃的制备 呋喃很容易由呋喃甲醛脱羰基制得 2、吡咯的制备 吡咯可用呋喃与氨在高温下反应得到。吡咯还可以用乙炔和甲醛经丁炔二醇合成。3、噻吩 噻吩可用丁烷与硫、丁烯与二氧化硫在高温下反应得到。六元杂环化合物 六元杂环化合物中重要的有吡啶、嘧啶和吡喃等。其中吡啶是重要的有机碱，嘧啶是组成核糖核酸的重要生物碱母体。吡啶的结构和物理性质 1、结构 吡啶是含有一个氮原子的六元杂环化合物，分子中的成键情况和苯相似：由于环上氮原子的吸电子作用，使吡啶成为缺电子芳环。2、物理性质 吡啶为有特殊臭味的无色液体；熔点-42，沸点，相对密度；可以和水混溶，能溶解许多有机物和无机物；由于吡啶的性质比较稳定，在有机合成中常用作溶剂和反应介质。吡啶的化学性质 吡啶碱性较强，可看作 3胺；环不易发生亲电取代反应但易发生亲核取代反应。1、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。吡啶亲电取代反应的特点：a、吡啶环上杂原子 N 的定位效应和硝基相似，可以看作是一个间位定位基，亲电取代反应主要在-位上。b、反应比苯难，条件要求很高；不能发生傅-克烷基化、酰基化反应。c、硝化、磺化、卤化必须在强烈条件下才能发生：（1）卤化反应 吡啶氯代要用 AlCl3催化且要加热，苯氯代用 FeCl3催化不用加热；（2）磺化反应 吡啶磺化要用发烟 H2SO4并要加热，苯磺化用浓 H2SO4即可顺利进行；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sp2杂化轨道上，不参与共轭。（3）硝化反应 吡啶环上有推电子基团时，反应活性增高。2、氧化和还原 （1）吡啶环对氧化剂稳定，一般不被酸性高锰酸钾或重铬酸钾氧化。（2）和氧化剂作用时，通常是侧链烃基被氧化成羧基。（3）用过氧化氢氧化，可得 N-氧化吡啶，N-氧化吡啶较容易发生亲电取代，取代基主要进入-位。（4）吡啶比苯容易还原，用钠加乙醇、催化加氢均使吡啶还原为六氢吡啶。3、亲核取代反应 亲核取代反应是吡啶环特有的反应，取代基进入-位。原因：吡啶环电子几率密度低(和苯相比)。吡啶与固体氨基钠一起加热，生成 2-氨基吡啶。4、吡啶的碱性 吡啶分子中氮原子上有一对未共用电子没有参加共轭，可以和质子结合，碱性比苯胺稍强，但比氨弱。碱性强弱的顺序：因此，吡啶可以和无机酸生成盐。吡啶在结构上属于环状叔胺，因此可以和卤代烃作用生成季铵盐，加热到 290300后，可发生重排反应。有时，N-烷基化可用活泼亚甲基化合物与 I2来完成。氮上的未共用电子对还可以结合 SO3，生成吡啶三氧化硫。喹啉和异喹啉 结构及其物理性质 1、结构 喹啉和异喹啉都是由一个苯环和一个吡啶环稠和而成的。分子中所有原子都在同一平面内，具有芳香性。2、物理性质 喹啉为无色油状液体，沸点 238，常用作高沸点溶剂；异喹啉为低熔点固体，熔点 26。化学性质 喹啉分子中吡啶环上碳原子的电子云密度，低于与之并联的苯环，异喹啉也存在类似情况。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。亲核取代则主要发生在吡啶环的 2-或 4-位。受到并联的苯环影响，喹啉的碱性比吡啶稍弱。1、亲电取代反应：反应比吡啶容易，取代基进入 5,8-位。2、亲核取代反应：取代基进入-位 3、氧化反应：用强氧化剂氧化喹啉时，苯环破裂 4、还原反应：发生在吡啶环上 喹啉和异喹啉的合成 1、Skraup 法 原料为苯胺和甘油，将原料与脱水剂浓硫酸、氧化剂硝基苯共热制得。【反应历程】实际操作为一次投料，但反应是分步进行的 选择不同的苯胺衍生物为原料，可以合成不同的喹啉衍生物。2、Doebner-Miller 反应 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。