19 第十九章 杂环化合物.pptx

第1页：第十九章杂环化合物

第十九章杂环化合物

第2页：杂环化合物的简解和命名

第一节杂环化合物的简解和命名第二节含一个杂原子的五元杂环体系第三节含两个杂原子的五元杂环体系第四节含一个杂原子的六元杂环体系第五节含两个和三个氮原子的六元杂环体系第六节含一个杂原子的五元杂环苯并体系第七节含一个杂原子的六元杂环苯并环系第八节嘧啶和咪唑的并环体系--嘌呤环系本章提纲

第3页：杂环化合物的简解和命名

第一节杂环化合物的简解和命名一杂环化合物简解二五元杂环化合物的命名三唑的命名四六元杂环化合物的命名

第4页：一杂环化合物的简介1脂杂环没

一杂环化合物的简介1脂杂环没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂环。；三元杂环四元杂环五元杂环七元杂环(氮杂环丙烷)(β-丙内酯)(β-丙内酰胺)(顺丁烯二酸酐)(氧杂)(1H-氮杂)(环氧乙烷)在环上含有杂原子（非碳原子）的有机物称为杂环化合物。

第5页：芳杂环、具有芳香特征的杂环、苯并杂环

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(无芳香性)吲哚喹啉异喹啉嘌呤

第6页：二五元杂环、化合物的命名五元杂环

二五元杂环化合物的命名五元杂环五元杂环苯并体系呋喃(furan)噻吩(thiophene)吡咯(pyrrole)苯并呋喃(benzofuran)苯并噻吩(benzothiophene)苯并吡咯吲哚(indole)

第7页：命名时的编号原则是

三唑的命名含有两个杂原子的五元杂环，若至少有一个杂原子是氮，则该杂环化合物称为唑。

命名时的编号原则是

1）让杂原子的位号尽可能小；

2）当两个杂原子不相同时，编号的次序是：价数小的在前，大的在后；3）价数相等时，原子序数小的在前，大的在后。；OSN2价3价原子序数小原子序数大O、S、N的次序如左：

第8页：杂环化合物的简解和命名

异噻唑(isothiazole)吡唑(pyrazole)异噁唑(isoxazole)1,2-唑噁唑(oxazole)噻唑(thiazole)咪唑(inidazole)1,3-唑

第9页：四六元杂环、化合物的命名六元杂环

四六元杂环化合物的命名六元杂环吡啶(pyridine)吡喃(pyran)γ-吡喃酮(γ-pyrone)α-吡喃酮(α-pyrone)哒嗪(pyridazine)嘧啶(pyrimidine)吡嗪(pyrazine)

第10页：杂环、并杂环、喹啉

杂环并杂环喹啉(quinoline)异喹啉(isoquinoline)苯并吡喃(benzopyran)苯并-γ-吡喃酮(benzo-γ-pyrone)嘌呤(purine)六元杂环苯并环系

第11页：含有一个杂原子的五元杂环体

一呋喃、噻吩、吡咯的结构二呋喃、噻吩、吡咯的制备三呋喃、噻吩、吡咯的反应第二节含有一个杂原子的五元杂环体系

第12页：吡咯结构、反应的定义

吡咯的结构孤电子对在p轨道上。

吡咯结构

吡咯N是sp2杂化，孤电子对参与共轭。

反应

碱性较弱，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。；一呋喃、噻吩、吡咯的结构呋喃、噻吩的结构请同学自己分析。

第13页：二呋喃、噻吩、吡咯的制备

二呋喃、噻吩、吡咯的制备

• 1.工业制备（略）2.实验室制备
• (1)帕尔-诺尔(Paal, C.-Knorr, L.)合成法

第14页：诺尔合成法氨基酮酸酯

三种化合物的相互转化(有氧化铝存在的情况下)

• （2）诺尔合成法氨基酮酸酯

第15页：1.呋喃、噻吩、吡咯的质子化

• 1.呋喃、噻吩、吡咯的质子化反应
• 2.呋喃、噻吩、吡咯的亲电取代反应
• 3.呋喃、噻吩、吡咯的加成反应三呋喃、噻吩、吡咯的反应

第16页：1.呋喃、噻吩、吡咯的质子化

• 1.呋喃、噻吩、吡咯的质子化反应分子接受一个质子的反应称为质子化反应.
• （1）呋喃、噻吩、吡咯在酸的作用下可质子化；
• （2）质子化反应主要发生在C-2上；α-C质子化β-C质子化N-质子化

第17页：在稀的酸性水溶液中

• （3）由于α-C的质子化反应，吡咯在强酸作用下会因聚合而被破坏；
• （4）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。

第18页：亲电取代反应的活性顺序为

• 2.呋喃、噻吩、吡咯的亲电取代反应

*1亲电取代反应的活性顺序为

吸电子诱导：O(3.5) >N(3.0) >S(2.6)给电子共轭：N>O>S综合：N贡献电子最多，O其次，S最少①电子密度②σ-络合物八隅体结构最稳定无最稳定结构

• （1）概述

第19页：8kJ·mol-1呋喃

• *2取代反应主要发生在α-C上；
• *3吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感，选择试剂时需要注意；
• *4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。离域能：噻吩：121.3 kJ·mol-1吡咯：87.8 kJ·mol-1呋喃：66.9 kJ·mol-1

第20页：*5杂原子和取代基的定位效应

• *5杂原子和取代基的定位效应A杂原子的定位效应：B取代基的定位效应：第一取代基进入到杂原子的α-位。

3位上有取代基时，呋喃、吡咯、噻吩的定位效应一致。

第21页：2位上有取代基时，吡咯、噻吩

2位上有取代基时，吡咯、噻吩的定位效应一致，情况如下：2-取代呋喃在强亲电试剂的作用下易发生2,5-加成反应：

第22页：通常用比较温和的非质子硝化试剂，如

• （2）呋喃、噻吩、吡咯的硝化反应呋喃,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。

第23页：呋喃比较特殊

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。

第24页：(固体，含量90%)

• （3）呋喃、噻吩、吡咯的磺化反应吡咯、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。；噻吩比较稳定，既可以直接磺化（产率稍低），也可以用温和的磺化试剂磺化。；(固体，含量90 %)

第25页：(固体，含量90%)（续）

S+NSO3ClCH2CH2Clr.t.SSO3-Ba(OH)22Ba2+

第26页：碘不活泼，要用催化剂才能发生一元取代

• （4）呋喃、噻吩、吡咯的卤化反应反应强烈，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。；碘不活泼，要用催化剂才能发生一元取代

第27页：（5）呋喃、噻吩、吡咯的傅氏

• （5）呋喃、噻吩、吡咯的傅氏酰基化反应Eg 1Eg 4Eg 3Eg 2

第28页：sp2杂化sp3杂化碳上酰化

sp2杂化sp3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α-C上发生，而吡咯的酰化反应（不用催化剂）既能在α-C上发生，又能在N上发生。；在α-C上发生比在N上发生容易。

第29页：（6）呋喃、噻吩、吡咯的傅氏

• （6）呋喃、噻吩、吡咯的傅氏烷基化反应总体看，在合成上无实用价值。
• *1
• *2

第30页：吡咯的特殊反应吡咯的性质与苯酚类似

• （7）吡咯的特殊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。

第31页：吡咯的特殊反应吡咯的性质与苯（续）

HCON(CH3)2POCl3CHCl325%NaOH(NH4)2CO3130oCC6H5N2+X-C2H5OH-H2O AcONaRMgX1 CO22 H2OCO2加热加压RCOClRX

第32页：杂环化合物的简解和命名

• 3.呋喃、吡咯、噻吩的加成反应
• （1）加氢反应
• （2）Diels-Alder反应呋喃最易发生Diels-Alder反应AlCl3NHCCH3H3CCOOCHCOOCHOCH333

第33页：噻吩基本上不发生双烯加成

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。

第34页：含有两个杂原子的五元杂环体

一唑的结构二唑的合成三唑的反应第三节含有两个杂原子的五元杂环体系

第35页：-甲基咪唑

• （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)一唑的结构

第36页：结构吡咯N

• （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sp3杂化。

N的孤电子对处于sp3杂化轨道sp3轨道碱性：N的孤电子对处于sp2杂化轨道吡啶N与吡咯N均为sp2杂化。

第37页：杂环化合物的简解和命名

• （3）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。

第38页：11,2-唑的合成(只介绍

1 1,2-唑的合成(只介绍吡唑与异噁唑的合成)

• (1)用1,3-二羰基化合物合成吡唑和异噁唑
• (2)用1,3-偶极环加成反应制吡唑和异噁唑实例：用腈类氧化物制异噁唑氧化苯甲腈苯甲醛肟氧化苯甲腈二唑的合成

第39页：21,3-唑的合成

2 1,3-唑的合成(噁唑类)(咪唑类)(噻唑类)

第40页：杂环化合物的简解和命名

三唑的反应主要讨论亲电取代反应1反应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。2 1,2-、1,3-唑的硝化、磺化、卤化

• （1）进入环的位置及活性顺序

（2）反应试剂

一般的硝化、磺化、卤化试剂即可。实例eg 1

第41页：eg25-硝基咪唑4-硝基

eg 25-硝基咪唑4-硝基咪唑eg 3

第42页：eg4磺化须强烈条件eg

eg 4磺化须强烈条件eg 5硝化、卤化须有给电子取代基

第43页：唑的傅氏烷基化、反应常用的烷基化

3 1,2-唑、1,3-唑的傅氏烷基化反应常用的烷基化试剂是RX烷基化反应的几点说明：

• （1）唑的吡啶N上的电子云密度较大，所以在一般情况下，烷基化反应总是吡啶N上发生；

第44页：咪唑上有两个N

• （2）咪唑上有两个N，烷基化反应首先在吡啶N上发生一烷基化产物经互变异构又产生一个吡啶N，可进一步产生二烷基化产物，因此咪唑烷基化时经常得到一烷基化产物和二烷基化产物；

第45页：在强碱作用下

• （3）在强碱作用下，烷基化反应也能在噻唑的α-位甲基上发生。

第46页：杂环化合物的简解和命名

4 1,2-唑、1,3-唑的傅氏酰基化反应常用的酰基化试剂是一般情况下，酰基化反应主要在吡啶N上发生。；酰基是一个吸电子基，所以反应能控制在一元酰基化阶段。

例如

咪唑的酰基化反应N-酰基咪唑

第47页：N-酰基咪唑的两种应用应用一

N-酰基咪唑的两种应用应用一

N-酰基咪唑是吡咯的酰化试剂应用二：酰卤经制成N-酰基咪唑可转化成醛

第48页：青霉素噻唑环青霉素是噻唑的衍生物

青霉素噻唑环青霉素是噻唑的衍生物。；青霉素G疗效最好。

第49页：含有一个杂原子的六元杂环体

一吡啶环系

• 1.吡啶的结构
• 2.吡啶环系的合成
• 3.吡啶的亲电取代反应
• 4.吡啶的亲核取代反应
• 5.吡啶的氧化还原反应
• 6.吡啶侧链α-H的反应
• 7.吡啶N-氧化物的反应二吡喃环系第四节含有一个杂原子的六元杂环体系

第50页：吡啶结构、反应的定义

• 1.吡啶的结构共轭效应和诱导效应都是吸电子的孤电子对在sp2杂化轨道上。

吡啶结构

吡啶N是sp2杂化，孤电子对不参与共轭。

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。；发生亲电取代反应时，环上N起间位定位基的作用。；发生亲核取代反应时，环上N起邻对位定位基的作用。；μ=2.20Dμ=1.17D

第51页：杂环化合物的简解和命名

• 2.吡啶环系的合成
• （1）韩奇(Hantzsch, A.)合成法由二分子β-羰基酸酯、一分子醛、一分子氨经缩合反应制备吡啶同系物的方法称为韩奇合成法。

第52页：（2）β-二羰基化合物与氰乙

• （2）β-二羰基化合物与氰乙酰胺合成法

第53页：（3）β-二羰基化合物和

• （3）β-二羰基化合物和β-氨基-α,β-不饱和羰基化合物合成法

第54页：(1)亲电试剂与吡啶N的反应

• (1)亲电试剂与吡啶N的反应
• 3.吡啶的亲电取代反应NO2+BF4+乙醚室温CH3IRCOClH+SO3Br2CCl4石油醚

第55页：吡啶盐的两个十分重要的用途

吡啶盐的两个十分重要的用途：

• *1可用来做温和的磺化、硝化、卤化、烷基化、酰基化的试剂
• *2利用吡啶N的烷基化反应制备醛

第56页：在C上发生亲电取代反应

• (2)在C上发生亲电取代反应

第57页：吡啶环上有给电子基团时

反应特点

• *1不能发生傅氏烷基化、酰基化反应。
• *2硝化、磺化、卤化必须在强烈条件下才能发生；
• *3吡啶环上有给电子基团时，反应活性增高；
• *4吡啶N可以看作是一个间位定位基。

第58页：在强烈条件下，C取代为主

• （3）取代反应位置的控制浓度低浓度高在温和条件下，亲电试剂主要与N反应；

在强烈条件下，C取代为主。

第59页：亲核取代优先在α位上发生

• 4.吡啶的亲核取代反应
• （1）置换氢的亲核取代反应一般机制：
• *1负氢不易离去，一般需要一个氧化剂作为负氢的接受体；
• *2亲核取代优先在α位上发生，如果α位上有取代基，则反应在γ位上发生。

第60页：杂环化合物的简解和命名

实例

烷基化、芳基化反应

第61页：杂环化合物的简解和命名

实例

齐齐巴宾(Chichibabin, A.E.)反应——氨化定义：吡啶与氨基钠作用生成2-氨基吡啶的反应称为齐齐巴宾反应。

H2O+ NaNH2100oCC6H5N(CH3)2

第62页：（2）置换易离去基团的亲核取

• （2）置换易离去基团的亲核取代反应如在α,γ位有好的离去基团，如Cl、-NO2、Br，可以与氨（或胺）、烷氧化物、水等亲核试剂发生亲核取代反应（在亲核取代反应中，吡啶N对邻、对位活化）。

第63页：(吡啶氧化物)还原反应

• 5.吡啶的氧化还原反应吡啶环本身不易被氧化，但它的侧链很容易被氧化成醛或羧酸。

(吡啶氧化物)还原反应

第64页：吡啶侧链α-H的反应

• 6.吡啶侧链α-H的反应2,4,6-位烷基的α-H与羰基α-H相似醇醛缩合型

第65页：N-烷基吡啶盐的侧链α-H更

N-烷基吡啶盐的侧链α-H更活泼醇醛缩合型

第66页：吡啶N-氧化物的反应

• 7.吡啶N-氧化物的反应

第67页：杂环化合物的简解和命名

• *1需要时，氧能提供电子，使整个环上的电荷密度增高；
• *2不需要时，氧不提供电子，整个环系相当于吡啶盐；
• *3吡啶的N-氧化物为亲核试剂，可以将卤代烃变成醛。从动态的角度看，与氮相连的氧可以看作是一个电子储存库。

第68页：二吡喃环系吡喃及其衍生物无芳

二吡喃环系吡喃及其衍生物无芳香特性吡喃酮的钅羊盐是芳香体系。

第69页：含两个和三个氮原子的六元杂环体系

一嘧啶的合成二嘧啶的反应三嘧啶的衍生物第五节含两个和三个氮原子的六元杂环体系

第70页：由β-二羰基化合物

由β-二羰基化合物（或类似物）与1,1-二胺类化合物合成常用的1,1-二胺类化合物：尿素硫脲胍脒甲脒乙脒一嘧啶的合成

第71页：实例、一实例

实例一实例二

第72页：含两个和三个氮原子的六元杂环体系

实例三

第73页：亲电取代反应

二嘧啶的反应

• 1.亲电取代反应

第74页：

第75页：亲核取代反应

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

第76页：利用亲核取代反应可制取烃基取代的二嗪

利用亲核取代反应可制取烃基取代的二嗪。

第77页：氧化二嗪不易被氧化

• 3.氧化二嗪不易被氧化。

若用过酸氧化，得嘧啶单N-氧化物

第78页：侧链α-H反应羟醛缩合型烷基化反应

• 4.侧链α-H反应羟醛缩合型烷基化反应

第79页：嘧啶的衍生物

三嘧啶的衍生物

第80页：西可巴比妥钠、硫喷妥钠、长时间作用

名称结构用途巴比妥(佛罗拿)苯巴比妥(鲁米那)异戊巴比妥(阿米妥)西可巴比妥钠硫喷妥钠长时间作用的镇静催眠药长时间作用的镇静催眠药，又有抗癫痫作用中时间作用的催眠药短时间作用的镇静催眠药超短时间的静脉麻醉药，可用于麻醉前给药

第81页：含有一个杂原子的五元杂环苯并体

一吲哚的合成二吲哚的反应第六节含有一个杂原子的五元杂环苯并体系

第82页：一吲哚的合成苯肼与醛、酮类化

一吲哚的合成苯肼与醛、酮类化合物在酸性条件下加热生成吲哚及其衍生物的反应称为费歇尔(Fischer, E.)合成法。

第83页：AlCl3,ZnCl2为催化剂)

二吲哚的反应常用的亲电试剂硝化：(HNO3+ HOAc)磺化：卤化：(低温、稀释条件下进行，常用，HOAc稀释，试剂为X2)酰基化：(酸酐、酰卤。；AlCl3,ZnCl2为催化剂)氯甲基化：(CH2O, HCl, ZnCl2)醛基化：[+ POCl3]避免用强酸

第84页：定位规律下面四种情况

定位规律下面四种情况，取代基均进入苯环。；进入哪个位置，具体分析。

第85页：含有一个杂原子的六元杂环苯并环

一喹啉和异喹啉的合成二喹啉和异喹啉的反应第七节含有一个杂原子的六元杂环苯并环系

第86页：实例eg2eg

一喹啉和异喹啉的合成1斯克劳普(Skraup, Z.H.)反应：苯胺、甘油、硫酸和硝基苯等氧化剂一起作用，生成喹啉的反应称为斯克劳普反应。；实例eg 2eg 1

第87页：实例eg2eg（续）

eg 4eg 3

第88页：2弗里德伦德(Friedla

2弗里德伦德(Friedlander)反应：eg 1eg 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。

第89页：苯乙胺与羧酸或酰氯形成酰胺

苯乙胺与羧酸或酰氯形成酰胺，然后在失水剂作用下失水关环，再脱氢得1-取代异喹啉化合物。；3毕歇尔-纳皮尔拉斯基(Bischler, A.–Napieralski, B.)反应：

第90页：母体异喹啉不宜用此法制备

• *1当苯环上有吸电子基团时，反应几乎不能进行；
• *2苯环上有给电子基团时，若此基团处于间位，关环可以在两个不同的位置进行，主要在给电子基团的对位发生；
• *3母体异喹啉不宜用此法制备，因为不存在。

第91页：含两个和三个氮原子的六元杂环体系

二喹啉和异喹啉的反应

1.成盐

碱性强弱：喹啉＜吡啶＜异喹啉成盐反应：

第92页：与高锰酸钾能发生反应

• 2.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：

第93页：*3喹啉与异喹啉在过酸的作用

• *3喹啉与异喹啉在过酸的作用下均可形成N-氧化物。

第94页：亲电取代反应

3.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。；若反应在有机溶剂中进行，取代在杂环上发生。

第95页：4.亲核取代反应*1亲核取代

• 4.亲核取代反应
• *1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；

第96页：常用的亲核试剂有RLi

• *2常用的亲核试剂有RLi, ArLi, RMgX, NaNH2, RONa等。

负氢比较难以取代。；Cl, NO2等基因较易取代。

第97页：侧链α-H的反应

5.侧链α-H的反应

产率很高

第98页：含两个和三个氮原子的六元杂环体系

6.还原

反十氢喹啉顺十氢喹啉

第99页：嘧啶和咪唑的并环体系--嘌呤环系

一结构二两个重要的衍生物第八节嘧啶和咪唑的并环体系--嘌呤环系

第100页：嘧啶和咪唑的嘌呤

一结构9H-嘌呤7H-嘌呤嘌呤是一对互变异构体的平衡体系尿嘧啶(U)胞嘧啶(C)胸腺嘧啶(T)

第101页：二嘌呤的两个重要衍生物腺嘌呤

二嘌呤的两个重要衍生物腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)(6-氨基嘌呤)(2-氨基-6-羟基嘌呤)