有机化学第十八章杂环化合物课件.ppt

1、11/28/2022第十八章第十八章 杂环化合物杂环化合物11/28/2022 3、认识嘧啶、嘌呤；了解叶绿素、血、认识嘧啶、嘌呤；了解叶绿素、血红素等卟啉环化合物；了解生物碱的有关红素等卟啉环化合物；了解生物碱的有关知识。知识。学习要求学习要求 1、掌握各类常见杂环化合物的结构和、掌握各类常见杂环化合物的结构和命名。命名。2、掌握呋喃、噻吩、吡咯、吡啶的化、掌握呋喃、噻吩、吡咯、吡啶的化学性质。学性质。11/28/2022181 杂环化合物的分类和命名杂环化合物的分类和命名 一、分类一、分类 杂环化合物是指组成环的原子中含有除杂环化合物是指组成环的原子中含有除碳以外的原子碳以外的原子(杂原子

2、杂原子-常见的是常见的是N、O、S等等)的环状化合物。的环状化合物。杂环化合物非芳香杂环芳杂环（符合休克尔规则的杂环）如如OONHNNHO,11/28/2022 杂环化合物不包括极易开环的含杂原杂环化合物不包括极易开环的含杂原子的环状化合物，例如：子的环状化合物，例如：NHO,OOOOOO本章我们只讨论芳香族杂环化合物。本章我们只讨论芳香族杂环化合物。根据以上定义，酸酐、环氧、内酯、根据以上定义，酸酐、环氧、内酯、内酰胺不属杂环化合物内酰胺不属杂环化合物1 1、单环、单环五员环五员环 杂环化合物的分类杂环化合物的分类:11/28/2022含一个杂原子的五员杂环，例如含一个杂原子的五员杂环，例如

3、 ONSHFuranPyrroleThiophene 呋喃呋喃 吡咯吡咯 噻吩噻吩含两个杂原子的五员杂环，例如含两个杂原子的五员杂环，例如 NONNNSHOxazoleImidazoleThiazole噁唑噁唑 咪唑咪唑 噻唑噻唑11/28/20222 2、单环、单环六员环六员环 含一个杂原子含一个杂原子：NOPyridinePyran 吡啶吡啶 吡喃吡喃含两个杂原子含两个杂原子：NNNNNNPyridazinePyrimidinePyrazine 哒嗪哒嗪 嘧啶嘧啶 吡嗪吡嗪11/28/20223 3、稠杂环化合物、稠杂环化合物 NNNNNNNQuinolineIsoquinoline喹啉喹

4、啉 异喹啉异喹啉 蝶啶蝶啶 吖啶吖啶NNNHNHNNHIndolePurineCarbazole吲哚吲哚 嘌啉嘌啉 咔唑咔唑11/28/2022 例如，中草药的有效成分生物碱大多例如，中草药的有效成分生物碱大多是杂环化合物；动植物体内起重要生理作是杂环化合物；动植物体内起重要生理作用的血红素、叶绿素、核酸的碱基都是含用的血红素、叶绿素、核酸的碱基都是含氮杂环；部分维生素，抗菌素；一些植物氮杂环；部分维生素，抗菌素；一些植物色素、植物染料、合成染料都含有杂环。色素、植物染料、合成染料都含有杂环。二、命名二、命名 杂环化合物是一大类有机物，占已知杂环化合物是一大类有机物，占已知有机物的三分之一。杂

5、环化合物在自然界有机物的三分之一。杂环化合物在自然界分布很广、功用很多。分布很广、功用很多。1.音译名音译名（同音汉字加（同音汉字加“口口”字旁）字旁）11/28/2022NHOSNNN(pyrrole)(furan)(thiophene)(pyridine)(pyrimidine)NNNNHNNH(quinoline)(indole)(purine)吡咯呋喃噻吩吡啶嘧啶喹啉吲哚嘌呤 杂环的命名常用音译法，是按外文名杂环的命名常用音译法，是按外文名词音译成带词音译成带“口口”字旁的同音汉字。字旁的同音汉字。11/28/20222.当作碳环芳香化合物的衍生当作碳环芳香化合物的衍生,如：如：ON氧

6、杂茂茂氮杂苯苯 3.环上原子的编号顺序环上原子的编号顺序 从杂原子开始从杂原子开始 1，2，3，4(,)不止一个杂原子，按不止一个杂原子，按O，S，N顺序编号顺序编号 取代基位次之和最小原则取代基位次之和最小原则11/28/2022182 五元杂环化合物五元杂环化合物 含一个杂原子的典型五元杂环化合物是含一个杂原子的典型五元杂环化合物是呋喃、噻吩和吡咯。含两个杂原子的有噻唑、呋喃、噻吩和吡咯。含两个杂原子的有噻唑、咪唑和吡唑。本节重点讨论呋喃、噻吩和吡咪唑和吡唑。本节重点讨论呋喃、噻吩和吡咯。咯。一、呋喃、噻吩、吡咯杂环的结构一、呋喃、噻吩、吡咯杂环的结构例：SC2H523452-乙基噻唑N2

7、345CH3CH2CH2OHO2N112-甲基-5-硝基-1-(2-羟乙基)吡 咯11/28/20221.结构特点结构特点OSNHSONH56为共轭体系电子=6符合4n+2具有芳性富电子芳环11/28/2022 呋喃、噻吩、吡咯在结构上具有共同点：呋喃、噻吩、吡咯在结构上具有共同点：即构成环的五个原子都为即构成环的五个原子都为sp2杂化，故成环的杂化，故成环的五个原子处在同一平面，杂原子上的孤对电五个原子处在同一平面，杂原子上的孤对电子参与共轭形成共轭体系，子参与共轭形成共轭体系，56，电子数符电子数符合休克尔规则（合休克尔规则（电子数电子数=4n+2），所以，），所以，它们都具有芳香性。它们

8、都具有芳香性。a.杂原子杂原子p轨道上一对未共用电子参与轨道上一对未共用电子参与环上共轭环上共轭56b.芳香性顺序芳香性顺序：SNO电负性电负性O N S3.5 3.0 2.511/28/2022 杂原子电负性比杂原子电负性比C大，周围电子云密度较大，周围电子云密度较大。环上电子云分布不均，芳香性不如苯。大。环上电子云分布不均，芳香性不如苯。O电负性最大，呋喃芳香性最差。电负性最大，呋喃芳香性最差。SNO140142137143137143136 键长不完全平均化，电子云密度分布键长不完全平均化，电子云密度分布不均。不均。c.环上电子云密度比苯大，亲电取代反环上电子云密度比苯大，亲电取代反应的

9、活性大于苯应的活性大于苯11/28/2022二、呋喃、噻吩、吡咯的化学性质二、呋喃、噻吩、吡咯的化学性质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56共轭体共轭体系，电荷密度比苯大，如以苯环上碳原子的系，电荷密度比苯大，如以苯环上碳原子的电荷密度为标准（作为电荷密度为标准（作为0），则五元杂环化），则五元杂环化合物的有效电荷分布为：合物的有效电荷分布为：OSNH000000+0.1-0.03-0.02+0.20-0.06-0.04+0.32-0.10-0.0611/28/2022 五元杂环有芳香性，但其芳香性不如苯五元杂环有芳香性，但其芳香性不如苯环，因环上的环

10、，因环上的电子云密度比苯环大，且分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布不匀，它们在亲电取代反应中的速率也比要苯快得多。比要苯快得多。SNO 亲电取代反应的活性为：亲电取代反应的活性为：吡咯吡咯 呋喃呋喃 噻吩噻吩 苯，主要进入苯，主要进入-位。位。11/28/2022O+Br2NNOBr80%0OC+(CF3CO)2OBF3Et2O.7292%OOCF3O0OCSSS+CH3COO-+NO2+NO2NO20OC 60%10%-10OC 70%5%NHNSO3100OCHClNHSO3+90%.卤卤代代酰酰化化硝硝化化磺磺化化硝硝酸酸乙乙酸酸酯酯11/28/2022 C

11、、磺化反应、磺化反应 呋喃、吡咯不能用浓硫呋喃、吡咯不能用浓硫酸磺化，要用特殊的磺化试剂酸磺化，要用特殊的磺化试剂吡啶三氧吡啶三氧化硫的络合物，噻吩可直接用浓硫酸磺化。化硫的络合物，噻吩可直接用浓硫酸磺化。注意：吡咯、呋喃、噻吩的亲电取代反注意：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应，对试剂及反应条件必须有所选择和控制 A、卤代反应、卤代反应 不需要催化剂，要在较不需要催化剂，要在较低温度和进行。低温度和进行。B、硝化反应、硝化反应 不能用混酸硝化，一不能用混酸硝化，一般是用乙酰基硝酸酯般是用乙酰基硝酸酯(CH3COONO2)作硝化作硝化试剂，在低温下进行。试剂，

12、在低温下进行。11/28/20222加氢反应加氢反应ONHSH2,Ni or PdH2,Ni or PdH2,NiONHS四氢呋喃四氢吡咯(THF)不能用 催化因噻吩能 使中毒PdPd11/28/2022H2/Ni,rtH2/MoS3Na/C2H5OHCH3CH2CH2CH3 +H2S+SSSSH2/PdZn/AcOH/H2OHNHNHNOONi/H2,125OC100atmH2Pt/AcOHCH3CH2CH2OH11/28/2022OOOO+OOOO90%呋喃的芳香性最差，故共轭双烯的反应最高HH3.Diels-Alder反应反应OOOO+30OOOOOOOO+内式外式(90%)11/28/

13、2022HN+NH吡咯遇活泼亲双烯体也能反应SOOO+SOOO100高压噻吩激烈条件下也能反应HH 吡咯、噻吩要在特定条件下才能发生吡咯、噻吩要在特定条件下才能发生D-A反应。反应。11/28/20224、吡咯的弱酸性和弱碱性、吡咯的弱酸性和弱碱性 吡咯虽然是一个仲胺，但碱性很弱。其吡咯虽然是一个仲胺，但碱性很弱。其 pKb13.6。N上的上的H有酸性，有酸性，pKa15NHNHNH2Kb3.8 10-102 10-42.5 10-14 原因：原因：N上未共用电子对参与了环的上未共用电子对参与了环的共轭体系，减弱了与共轭体系，减弱了与H+的结合力。的结合力。11/28/2022 吡咯具有弱酸性

14、，其酸性介与乙醇和苯吡咯具有弱酸性，其酸性介与乙醇和苯酚之间。酚之间。NHOHKa=1.3 10-101 10-181 10-15CH3CH2OH 吡咯能与固体氢氧化钾加热成为钾盐，吡咯能与固体氢氧化钾加热成为钾盐，与格式试剂作用放出与格式试剂作用放出RH而生成吡咯卤化镁。而生成吡咯卤化镁。NH+KOHNK+H2O固体热11/28/2022NH+RMgXN+H2OMgX干乙醚 吡咯钾盐和吡咯卤化镁都可用来合成吡吡咯钾盐和吡咯卤化镁都可用来合成吡咯衍生物。咯衍生物。NHNK（固体）热RCOClRINCORNRNHCORNHR KOH11/28/2022NHNMgX干乙醚RCOClRINCORNR

15、NHCORNHR RMgX三、重要的五元杂环衍生物三、重要的五元杂环衍生物（一）糠醛（一）糠醛（-呋喃甲醛）呋喃甲醛）1制备制备 由农副产品如甘蔗杂渣、花生壳、高由农副产品如甘蔗杂渣、花生壳、高粱杆、棉子壳等用稀酸加热蒸煮制取。粱杆、棉子壳等用稀酸加热蒸煮制取。11/28/2022(C5H8O4)n35%H2SO4HO CHCH OHCH2OHCH CHOOHH2SO4稀CHO多聚戊糖戊糖呋喃甲醛水蒸气2糠醛的性质糠醛的性质 同有同有-H的醛的一般性质。的醛的一般性质。（1）氧化还原反应）氧化还原反应OCHO弱碱性CuO,Cr2O3150,V2O5-MoO320,O2,OCH2OHOCOOHO

16、OO+CO2 +H2O KMnO410MPa11/28/2022（2）歧化反应）歧化反应OCHOOCH2OHOCOOH+浓碱（3）羟醛缩合反应）羟醛缩合反应OCHOOCH=CHCHO+稀碱CH3CHO（4）安息香缩合反应）安息香缩合反应OCHOOCH醇溶液KOHCOOHO11/28/2022183 含一个杂原子的含一个杂原子的六元杂环化合物六元杂环化合物 NNNO吡啶嘧啶吡喃1.吡啶的结构吡啶的结构 吡啶为有特殊臭味的无色液体，沸点吡啶为有特殊臭味的无色液体，沸点115.5，相对密度，相对密度0.982，可与水、乙醇、，可与水、乙醇、乙醚等任意混和。乙醚等任意混和。11/28/2022N5C、

17、1N共面，都是共面，都是sp 杂杂化，化，6个个p轨道侧面交叠形轨道侧面交叠形成闭合大成闭合大 键。键。N上一对未成键电子在上一对未成键电子在sp2杂化轨道上，杂化轨道上，未参与形成环上共轭体系，可接受未参与形成环上共轭体系，可接受H碱性碱性 N的电负性的电负性C，吸电子使环上电子云密，吸电子使环上电子云密度降低（性质与硝基苯相似）度降低（性质与硝基苯相似）11/28/2022N1.430.841.010.87电荷分布亲电取代亲核取代N，位位 可发生亲电取代，活性不如苯，主要在可发生亲电取代，活性不如苯，主要在间位间位 邻对位可发生亲核取代邻对位可发生亲核取代 邻对位的侧链邻对位的侧链-H-H

18、有酸性有酸性 比苯难氧化，但易还原比苯难氧化，但易还原11/28/2022吡啶的性质吡啶的性质1碱性与成盐碱性与成盐CH3NH2NH3NNH2pKb3.384.768.809.42 吡啶的环外有一对未作用的孤对电子，吡啶的环外有一对未作用的孤对电子，具有碱性，易接受亲电试剂而成盐。吡啶具有碱性，易接受亲电试剂而成盐。吡啶的碱性小于氨大于苯胺。的碱性小于氨大于苯胺。吡啶易与酸和活泼的卤代物成盐。吡啶易与酸和活泼的卤代物成盐。11/28/2022N+HClN HClNNH3N+SO3CH2Cl2N SO3(90%)此反应常用于在反应中吸收生成的气态酸室温吡啶三氧化硫络合物是常用的缓和磺化剂NNNR

19、I300INI+RROHNNRROH制取烷基吡啶的一种方法R I11/28/20222亲电取代反应亲电取代反应 吡啶环上氮原子为吸电子基，故吡啶环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，电取代反应很不活泼，反应条件要求很高，不起傅不起傅-克烷基化和酰基化反应。亲电取代克烷基化和酰基化反应。亲电取代 反应主要在反应主要在-位上。位上。N+混酸300NNO2浓H2SO4200NSO3HCl2，AlCl3(2e)NCl11/28/2022NNClNBrNNO2NSO3HCl2,AlCl3Br2

20、,H2SO4HgSO4100300浮石催化气相浓220混酸300催化，氯吡啶溴吡啶硝基吡啶吡啶 磺酸333311/28/20223.亲核取代亲核取代N+RLiPhLiEt2O,0NPh(R)NaNH2NNH2PhN(CH3)280%70-80%NBrBrNH3/H2O160NNH2Br65%11/28/20224氧化还原反应氧化还原反应 吡啶环对氧化剂稳定，一般不被酸性吡啶环对氧化剂稳定，一般不被酸性高锰酸钾、酸性重铬酸钾氧化，通常是侧高锰酸钾、酸性重铬酸钾氧化，通常是侧链烃基被氧化成羧酸。链烃基被氧化成羧酸。NNNN吡啶甲酸（烟酸）CH3KMnO4/HHNO3COOHCOOH吡啶甲酸11/28/2022NCH3HNO3NCOOHNNCOOHCOOHNH2O2(30%),AcOH65NO发烟HNO3发烟H2SO4NONO2PCl3CHCl3NNO290 N吸电子，使环稳定性增加，氧化主吸电子，使环稳定性增加，氧化主要发生在侧链，异环或要发生在侧链，异环或N原子上。原子上。11/28/20226、还原比苯易、还原比苯易NNa+C2H5OHNHH2/PtNH哌啶