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本课件讲解杂环化合物的分类与命名,分析五元、六元杂环的结构与芳香性,展开呋喃、噻吩、吡咯、吡啶的化学性质对比,并介绍喹啉、嘌呤等重要稠杂环与几种重要生物碱。,结构式与反应式以高清图示呈现,便于对照复习。
17.1 杂环化合物的简解和命名17.1.1 杂环化合物简解17.1.2 五元杂环化合物的命名17.1.3 唑的命名17.1.4 六元杂环化合物的命名
17.1.1 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。
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
17.1.2 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)
17.1.3 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
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
17。1。4 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)
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
2-噻吩甲醛4-甲基咪唑3-吡啶甲酸8-羟基喹啉也可以用希腊字母表示位置,与杂原子相邻位为α-位,依次为β,γ 位。α-噻吩甲醛
杂环大体可分为:单杂环和稠杂环两类表17-1
17.2.1 呋喃、噻吩、吡咯的结构17.2.2 呋喃、噻吩、吡咯的反应17.2.3 呋喃、噻吩、吡咯的制备17.2杂环化合物的结构与芳香性
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。呋喃、噻吩的结构请同学自己分析。
芳香性大小,试验结果表明:光谱性质:IR: νc-H = 3077~3003cm-1,νN-H = 3500~3200 cm-1 (在非极性溶剂的稀溶液中,在3495 cm-1,有一尖峰。在浓溶液中则于3400 cm-1,有一尖峰。在浓和淡的中间浓度时,两种谱带都有),杂环C=C伸缩振动:1600~1300 cm-1 (有二至四个谱带)。
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
(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。
2. 呋喃、噻吩、吡咯的亲电取代反应结构上分析,五元杂环为Π56共轭体系,电荷密度比苯大,如以苯环上碳原子的电荷密度为标准(作为0),则五元杂环化合物的有效电荷分布为:五元杂环有芳香性,但其芳香性不如苯环,因环上的π电子云密度比苯环大,且分布不匀,它们在亲电取代反应中的速率也比要苯快得多。亲电取代反应的活性为:吡咯> 呋喃> 噻吩> 苯,主要进入α-位
*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(1)概述
*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。
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
(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。
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。
(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 %)
S+NSO3ClCH2CH2Clr.t.SSO3-Ba(OH)22Ba2+
(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
(5)呋喃、噻吩、吡咯的傅氏酰基化反应Eg 1Eg 4Eg 3Eg 2
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。
(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
(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。
HCON(CH3)2 POCl3CHCl3 25%NaOH(NH4)2CO3 130oCC6H5N2+X-C2H5OH-H2O AcONaRMgX1 CO22 H2OCO2加热加压RCOClRX
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
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。
重要的五元杂环衍生物(1)糠醛(α-呋喃甲醛)1.玉米心,稻糠,花生壳,大麦壳,高粱秆等用稀硫酸处理得戊糖,戊糖失水得糠醛,再在400℃下加热,同时在催化剂ZnO,Cr2O3存在下,失去一氧化碳而得呋喃
(2)歧化反应(3)羟醛缩合反应糠醛的用途糠醛是良好的溶剂,常用作精练石油的溶剂,以溶解含硫物质及环烷烃等。可用于精制松香,脱出色素,溶解硝酸纤维素等。糠醛广泛用于油漆及树脂工业。
三种化合物的相互转化(有氧化铝存在的情况下)诺尔合成法氨基酮酸酯
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=2.20D μ=1.17D
(1) 亲电试剂与吡啶N的反应2. 吡啶的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,和硝基苯相似。其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β-位NO2+BF4+乙醚室温CH3IRCOClH+SO3Br2CCl4石油醚
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
(2) 在C上发生亲电取代反应
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。
(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。
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。
实例:烷基化、芳基化反应
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
5. 吡啶的氧化还原反应烟酸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
17.4.1 唑的结构17.4.2 唑的合成17.4.3 唑的反应17.4 含有两个杂原子的五元杂环体系
(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)17.3.1 唑的结构
(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。
2 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
eg 25-硝基咪唑4-硝基咪唑eg 3
eg 4磺化须强烈条件eg 5硝化、卤化须有给电子取代基
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
(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
(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。
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
维生素B1(VB1)
17.4.2 稠杂环化合物稠杂环化合物是指苯环与杂环稠合或杂环与杂环稠合在一起的化合物。常见的有喹啉、吲哚和嘌呤。1吲哚吲哚是白色结晶,熔点52.5℃。极稀溶液有香味,可用作香料,浓的吲哚溶液有粪臭味。素馨花、柑桔花中含有吲哚。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。
吲哚的性质与吡咯相似,也可发生亲电取代反应,取代基进入β-位
喹啉喹啉存在于煤焦油中,为无色油状液体,放置时逐渐变成黄色,沸点238.05℃,有恶臭味,难溶于水。能与大多数有机溶剂混溶,是一种高沸点溶剂。
喹啉环的合成法——斯克劳普(Skraup)法
喹啉的衍生物在自然界存在很多,如奎宁、氯喹、罂粟碱、吗啡等。
17.5.1 嘧啶的合成17.5.2 嘧啶的反应17.5.3 嘧啶的衍生物17.5 含两个和三个氮原子的六元杂环体系
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17. 5.1 嘧啶的合成
实例一实例二
实例三
二嘧啶的反应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。
3. 氧化二嗪不易被氧化。若用过酸氧化,得嘧啶单N-氧化物
4. 侧链α-H反应羟醛缩合型烷基化反应
三嘧啶的衍生物
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
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
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。
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
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。
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
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
eg 4eg 3
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。
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
*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。
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
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
*3 喹啉与异喹啉在过酸的作用下均可形成N-氧化物。
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。
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
*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。
5. 侧链α-H的反应:产率很高
6. 还原:反十氢喹啉顺十氢喹啉
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
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)
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)
一.将下列羧酸衍生物按亲核加成—消除反应活性排列成序:二.将下列化合物按碱性强弱排列成序:三.指出下列化合物的重氮部分和偶合部分。A 的重氮组分是;偶合组分是:。B 的重氮组分是;偶合组分是:。
四、完成下列反应选择性还原(醛基比羧基容易还原)(取代己二酸)脱水兼脱羧γ-羟基酸的分子内脱水(反应不涉及手性碳,故构型不变)(酰胺的脱水)
( 酯的醇解)( 酸酐的氨解)五、马钱子碱是一种极毒的生物碱,分子中哪个氮碱性强?
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