有机化学课件-第二十章杂环化合物.ppt
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1、 第二十章第二十章 杂环化合物杂环化合物(heterocyclic compounds)12/31/2022有机化学课件 主要内容主要内容20.1 杂环化合物的分类与命名杂环化合物的分类与命名20.2 五元单杂环化合物五元单杂环化合物20.3 唑唑20.4 吡啶吡啶20.5 喹啉与异喹啉喹啉与异喹啉20.6 嘧啶与嘌呤嘧啶与嘌呤20.7 杂环化合物的合成杂环化合物的合成(自学自学)20.8 生物碱生物碱12/31/2022有机化学课件环状有机化合物中,成环原子除碳原子外还含有环状有机化合物中,成环原子除碳原子外还含有其他原子,这种环状化合物称为其他原子,这种环状化合物称为杂环化合物杂环化合物。
2、本章讨论的是那些环为平面型,环内本章讨论的是那些环为平面型,环内电电子数符合子数符合4n+24n+2规则,具有一定芳香性的芳规则,具有一定芳香性的芳杂环化合物。杂环化合物。12/31/2022有机化学课件20.1 杂环化合物的分类与命名杂环化合物的分类与命名 一、杂环化合物的分类一、杂环化合物的分类12/31/2022有机化学课件常见的杂环化合物常见的杂环化合物12/31/2022有机化学课件12/31/2022有机化学课件二、杂环化合物的命名二、杂环化合物的命名1 1、音译法:音译法:在同音汉字左边在同音汉字左边+口口字。字。12/31/2022有机化学课件2.2.杂环及环上取代基的编号杂环
3、及环上取代基的编号(1)(1)母体杂环的编号:母体杂环的编号:杂原子的编号为杂原子的编号为“1”“1”。杂原子邻位的碳原子也可依次用杂原子邻位的碳原子也可依次用、编编号号。(2)(2)环上有不同杂原子时,按环上有不同杂原子时,按OSNOSN次序编号。若次序编号。若环有不同取代基,其编号按次序规则和最低系列。环有不同取代基,其编号按次序规则和最低系列。12/31/2022有机化学课件12/31/2022有机化学课件2 0.2 五元单杂环化合物五元单杂环化合物一、呋喃、噻吩、吡咯杂环的物理性质和结构一、呋喃、噻吩、吡咯杂环的物理性质和结构1.1.物理性质物理性质A.呋喃:无色液体,存于松木焦油中呋
4、喃:无色液体,存于松木焦油中,b.p.,b.p.31.3631.36o oC.C.遇盐酸浸湿的松木片呈绿色。遇盐酸浸湿的松木片呈绿色。B.B.噻吩:无色有特殊气味的液体,存于煤焦油中噻吩:无色有特殊气味的液体,存于煤焦油中o oC.C.与吲哚醌在硫酸作用下显兰色。与吲哚醌在硫酸作用下显兰色。C.C.吡咯:无色液体,存于煤焦油和骨焦油中吡咯:无色液体,存于煤焦油和骨焦油中,b.p.130-131b.p.130-131o oC.C.遇盐酸浸湿的松木片呈红色遇盐酸浸湿的松木片呈红色.12/31/2022有机化学课件2.2.结构结构 呋喃、噻吩、吡咯结构上共同点呋喃、噻吩、吡咯结构上共同点:构成环的五
5、构成环的五个原子都为个原子都为spsp2 2杂化,成环五原子处在同一平面,杂化,成环五原子处在同一平面,杂原子上孤对电子参与共轭形成共轭体系,杂原子上孤对电子参与共轭形成共轭体系,电电子数符合休克尔规则子数符合休克尔规则(4n+2)(4n+2),所以,它们都具芳,所以,它们都具芳香性。香性。12/31/2022有机化学课件二、呋喃、噻吩、吡咯杂环的化学性质二、呋喃、噻吩、吡咯杂环的化学性质1 1亲电取代反应亲电取代反应 从结构上分析,五元杂环为从结构上分析,五元杂环为5656共轭体系,共轭体系,电荷密度比苯大,电荷密度比苯大,发生亲电取代反应的速度也比苯发生亲电取代反应的速度也比苯快得多。快得
6、多。如以苯环上碳原子的电荷密度为标准(作如以苯环上碳原子的电荷密度为标准(作为为0 0),则五元杂环化合物的有效电荷分布为:),则五元杂环化合物的有效电荷分布为:12/31/2022有机化学课件亲电取代反应活性:亲电取代反应活性:吡咯吡咯 呋喃呋喃 噻吩噻吩苯苯 主要进入主要进入-位位说明:说明:吡咯、呋喃、噻吩的亲电取代反应,吡咯、呋喃、噻吩的亲电取代反应,对试剂及反应条件必须有所选择和控制。对试剂及反应条件必须有所选择和控制。12/31/2022有机化学课件五元杂环化合物亲电取代反应发生在五元杂环化合物亲电取代反应发生在-位可用位可用共振论解释:共振论解释:由此可见,进攻由此可见,进攻22
7、位所形成的共振杂化体比位所形成的共振杂化体比进攻进攻33位所形成的共振杂化体稳定。位所形成的共振杂化体稳定。12/31/2022有机化学课件说明:说明:噻吩环芳性比呋喃环和吡咯环强,较稳定;噻吩环芳性比呋喃环和吡咯环强,较稳定;噻吩环上电子云密度比苯环大,更易磺化。噻吩环上电子云密度比苯环大,更易磺化。(1)(1)磺化:磺化:呋喃、吡咯不能用浓硫酸磺化,要用呋喃、吡咯不能用浓硫酸磺化,要用特殊磺化试剂特殊磺化试剂吡啶三氧化硫的络合物,噻吩可吡啶三氧化硫的络合物,噻吩可直接用浓硫酸磺化。直接用浓硫酸磺化。HH!不能用强酸NC5H5N SO3NSO3HOSO3HC5H5N SO3O 吡啶三氧化硫,
8、吡啶三氧化硫,一种温和的磺化剂一种温和的磺化剂12/31/2022有机化学课件利用磺化反应可分离苯和噻吩:利用磺化反应可分离苯和噻吩:.Cb.p81。Sb.p84 C。()室温H2SO4浓SSO3H(酸层)(苯层)分液蒸馏无噻吩苯12/31/2022有机化学课件(2)(2)硝化硝化不能用混酸硝化,一般是用乙酰基硝酸不能用混酸硝化,一般是用乙酰基硝酸(CH3COONO2)作硝化试剂,在低温下进行。作硝化试剂,在低温下进行。不用强酸,否则呋不用强酸,否则呋喃或噻吩开环聚合喃或噻吩开环聚合硝化O+CH3COONO2ONO2CH3COONO2+SNO2S醋酸硝酰 一种弱的硝化试剂,12/31/2022
9、有机化学课件(3 3)卤代)卤代 由于反应太活泼,所以反应要控制,常在低由于反应太活泼,所以反应要控制,常在低温及非极性溶剂中反应。温及非极性溶剂中反应。O+卤代卤代Br2OBr+HBr。1,4-二氧六环25 C,75%12/31/2022有机化学课件(4)傅傅-克酰基化克酰基化:12/31/2022有机化学课件(5)(5)吡咯的特殊反应吡咯的特殊反应吡咯十分活泼,活性类似于苯胺、苯酚吡咯十分活泼,活性类似于苯胺、苯酚.12/31/2022有机化学课件(6 6)、五元杂环化合物亲电取代反应的定位规律)、五元杂环化合物亲电取代反应的定位规律以噻吩为例:以噻吩为例:A.-A.-位上有取代基位上有取
10、代基B.B.-位上有取代基位上有取代基12/31/2022有机化学课件注意:注意:吡咯和呋喃也遵循上述规律,但当吡咯和呋喃也遵循上述规律,但当-位上有位上有m 定位基定位基(如如:CHO、COOH)时,新引入基团进入的位置与反时,新引入基团进入的位置与反应试剂有关。应试剂有关。12/31/2022有机化学课件2.2.加成反应加成反应 12/31/2022有机化学课件D-AD-A反应反应12/31/2022有机化学课件3.3.吡咯的弱碱性和弱酸性吡咯的弱碱性和弱酸性 吡咯分子中氮原子孤对电子,由于其参与了环状吡咯分子中氮原子孤对电子,由于其参与了环状5 56 6的共轭,为整个环状共轭体系所共享,
11、使氮上的共轭,为整个环状共轭体系所共享,使氮上电子云密度降低,孤对电子难以给出。所以,吡电子云密度降低,孤对电子难以给出。所以,吡咯碱性很弱,甚至大大弱于苯胺碱性。咯碱性很弱,甚至大大弱于苯胺碱性。(1)(1)弱碱性弱碱性NHsp2sp2pNH参与环体系共轭离域于整个共轭体系难以表现出碱性12/31/2022有机化学课件碱性碱性:苯胺苯胺(K(Kb b=3.810=3.810-10-10)吡咯吡咯(K(Kb b=2.510=2.510-14-14)能与强酸成盐能与强酸成盐 不能与强酸成不能与强酸成盐遇酸分解盐遇酸分解(2)(2)弱酸性弱酸性 pKa=16.5 pKa=16.5,比酚弱,比醇强,
12、可与强碱,比酚弱,比醇强,可与强碱(NaNH2,KNH2、RMgX)或金属作用。)或金属作用。12/31/2022有机化学课件12/31/2022有机化学课件12/31/2022有机化学课件三、呋喃、噻吩、吡咯杂环的合成三、呋喃、噻吩、吡咯杂环的合成1.1.工业制备工业制备12/31/2022有机化学课件2.2.合成合成12/31/2022有机化学课件四四.吡咯、呋喃和噻吩的重要衍生物吡咯、呋喃和噻吩的重要衍生物 1.1.糠醛糠醛:无色液体,无色液体,bp.162bp.162,空气中易变黑。是,空气中易变黑。是良好的溶剂。不含良好的溶剂。不含-H-H,性质类似于苯甲醛。,性质类似于苯甲醛。由农
13、由农副产品如甘蔗杂渣、花生壳、高粱杆、棉子壳等稀副产品如甘蔗杂渣、花生壳、高粱杆、棉子壳等稀酸加热蒸煮制取。酸加热蒸煮制取。有有-H-H的醛的一般性质。的醛的一般性质。(1 1)氧化还原反应)氧化还原反应12/31/2022有机化学课件(2 2)歧化反应)歧化反应(3 3)羟醛缩合反应)羟醛缩合反应(4 4)安息香缩合反应)安息香缩合反应12/31/2022有机化学课件2.2.吲哚吲哚:白色结晶,白色结晶,mp.52.5mp.52.5。具有极。具有极臭的气味,纯粹的吲哚在极稀时有香味,可臭的气味,纯粹的吲哚在极稀时有香味,可作香料。可发生亲电取代反应,活性位置在作香料。可发生亲电取代反应,活性
14、位置在第第3 3位。位。12/31/2022有机化学课件 含吲哚的生物碱广泛存在于植物中,含吲哚的生物碱广泛存在于植物中,如麦角碱、马钱子碱、利血平等如麦角碱、马钱子碱、利血平等 12/31/2022有机化学课件12/31/2022有机化学课件3.3.卟啉环系化合物卟啉环系化合物卟啉环系是由四个吡咯和四个次甲基交替相联组卟啉环系是由四个吡咯和四个次甲基交替相联组成的共轭体系。卟啉环呈平面结构,环的中间空成的共轭体系。卟啉环呈平面结构,环的中间空隙以共价键、配位键和不同的金属结合。隙以共价键、配位键和不同的金属结合。卟啉族化合物广泛分卟啉族化合物广泛分布于自然界。血红素,布于自然界。血红素,叶绿
15、素都是含叶绿素都是含 环的环的卟啉族化合物。血红卟啉族化合物。血红素中环络合的是素中环络合的是FeFe,叶绿素环络合的是叶绿素环络合的是MgMg。12/31/2022有机化学课件20.3 唑唑一噻唑一噻唑 噻唑是含一个硫原子和一个氮原子的五元杂环,噻唑是含一个硫原子和一个氮原子的五元杂环,无色,有吡啶臭味液体,沸点无色,有吡啶臭味液体,沸点117117,与水互溶,有,与水互溶,有弱碱性,是稳定的化合物。弱碱性,是稳定的化合物。一些重要的天然产物几合成药物含有噻唑结构,一些重要的天然产物几合成药物含有噻唑结构,如青霉素、维生素如青霉素、维生素B1B1等。等。12/31/2022有机化学课件维生素
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