有機化學(xué)雜環(huán)類ppt課件

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第二十章 雜環(huán)化合物 heterocyclic compound,,exit,,1,,,本 章 提 綱 第一節(jié) 雜環(huán)化合物的分類和命名 第二節(jié) 含一個雜原子的五元雜環(huán) 吡咯、呋喃、噻吩 第三節(jié) 含一個雜原子的苯并五元雜環(huán)-吲哚 第四節(jié) 含兩個雜原子的五元雜環(huán)體系 第五節(jié) 含一個雜原子的六元雜環(huán)-吡啶 第六節(jié) 含兩個和三個氮原子的六元雜環(huán)體系 第七節(jié) 含一個雜原子的苯并六元雜環(huán) 喹啉和異喹啉 第八節(jié) 嘧啶和嘌呤,2,第一節(jié) 雜環(huán)化合物的分類和命名,一 雜環(huán)化合物分類 二 五元雜環(huán)化合物的命名 三 六元雜環(huán)化合物的命名,,,3,一 雜環(huán)化合物的分類,1 脂雜環(huán) 沒有芳香特征的雜環(huán)化合物稱為脂雜環(huán)。,,,,在環(huán)上含有雜原子（非碳原子）的有機物稱為雜環(huán)化合物。,,4,2 芳雜環(huán) 具有芳香特征的雜環(huán)化合物稱為芳雜環(huán) ★,,,,5,二 五元雜環(huán)化合物的命名,五元雜環(huán) （音譯命名）,五元雜環(huán)苯并體系,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),,,,6,四 六元雜環(huán)化合物的命名,六元雜環(huán),吡啶(pyridine),吡喃(pyran),γ-吡喃酮 (γ-pyrone),α-吡喃酮 (α-pyrone),噠嗪(pyridazine),嘧啶(pyrimidine),吡嗪(pyrazine),,,,7,雜環(huán)并雜環(huán),喹啉 (quinoline),異喹啉 (isoquinoline),苯并吡喃(benzopyran),苯并-?-吡喃酮 (benzo-?-pyrone),嘌呤(purine),六元雜環(huán)苯并環(huán)系,,,8,一 呋喃、噻吩、吡咯的結(jié)構(gòu) 二 呋喃、噻吩、吡咯的制備 三 呋喃、噻吩、吡咯的反應(yīng),第二節(jié) 含有一個雜原子的五元雜環(huán)體系,,,9,吡咯的結(jié)構(gòu),孤電子對在p軌道上。,吡 咯 結(jié)構(gòu)：吡咯N是sp2雜化，孤電子對參與共軛。 ∏56 平面共軛體系 富電子芳香雜環(huán)化合物 反應(yīng)：堿性較弱，環(huán)易發(fā)生親電取代反應(yīng)，環(huán)上相當(dāng)于有一個鄰對位定位基。,,共軛效應(yīng)是給電子的。誘導(dǎo)效應(yīng)是吸電子的。,,,一吡咯、呋喃、噻吩的結(jié)構(gòu),呋喃、噻吩的結(jié)構(gòu)請同學(xué)自己分析。,,10,吡咯： 存在于煤焦油、骨焦油中。無色液體，沸點130-131℃。鑒定：蒸汽遇鹽酸浸濕的松木片顯紅色。 呋喃： 存在于松木焦油中。無色液體，沸點32℃。鑒定：蒸汽遇鹽酸浸濕的松木片顯綠色。 3. 噻吩： 與苯共存在于煤焦油中。無色液體，沸點84℃。 鑒定：與吲哚醌在硫酸作用下發(fā)生墨綠色反應(yīng)。,吡咯、呋喃、噻吩的物理性質(zhì)及鑒定,,,,偶極矩 ：吡咯指向雜環(huán)，呋喃、噻吩指向雜原子 質(zhì)子化學(xué)位移: 類似苯環(huán)，在 6.22-7.29之間,11,主要化學(xué)反應(yīng) 吡咯、呋喃、噻吩的親電取代反應(yīng) 吡咯、呋喃、噻吩的加成反應(yīng),吡咯、呋喃、噻吩 的化學(xué)性質(zhì),,,,12,,,1. 吡咯、呋喃、噻吩的親電取代反應(yīng) 重點,*1 親電取代反應(yīng)的活性順序為：,吸電子誘導(dǎo)：O(3.5) N(3.0) S(2.6) 給電子共軛：N O S 綜合：N貢獻(xiàn)電子最多，O其次，S最少,,八隅體結(jié)構(gòu) 最穩(wěn)定,無最穩(wěn)定結(jié)構(gòu),,,（1）概述,,13,,*2 取代反應(yīng)主要發(fā)生在α-C 即2-位上；,*3 吡咯、呋喃對酸及氧化劑比較敏感，選擇試劑 時需要注意；,*4 噻吩、吡咯的芳香性較強，所以易取代而不易 加成；呋喃的芳香性較弱，雖然也能與大多數(shù) 親電試劑發(fā)生親電取代，但在強親核試劑存在 下，能發(fā)生親核加成。,離域能：噻吩：121.3 kJ·mol-1 吡咯：87.8 kJ·mol -1 共振能 呋喃：66.9 kJ·mol -1 苯： 150 kJ·mol -1 試問它們的穩(wěn)定性順序如何？,,,,,芳香性、穩(wěn)定性： 苯〉噻吩〉吡咯〉呋喃,14,*5 雜原子和取代基的定位效應(yīng),A 雜原子的定位效應(yīng)：鄰位,B 取代基的定位效應(yīng)：,第一取代基進(jìn)入到雜原子的α-位。,3位上有取代基時，呋喃、吡咯、噻吩的定位效應(yīng)一致。,,,,15,,6 吡咯的特殊反應(yīng) -氮原子上的取代反應(yīng),吡咯的性質(zhì)與苯酚類似，都具有酸性，但吡咯的酸性比苯酚小。吡咯與苯胺也有類似性質(zhì)。,,,,吡咯成鹽后，使環(huán)上電荷密度增高，親電取代反應(yīng)更易進(jìn)行。,16,C6H5N2+X- C2H5OH-H2O AcONa,,,,或K+NH2-,17,（2） 呋喃、噻吩、吡咯的硝化反應(yīng),呋喃, 噻吩和吡咯易氧化, 一般不用硝酸直接硝化; 通常用比較溫和的非質(zhì)子硝化試劑，如：硝酸乙酰酯。 反應(yīng)在低溫下進(jìn)行。,,,,18,呋喃比較特殊,先生成穩(wěn)定的或不穩(wěn)定的2,5加成產(chǎn)物, 然后加熱或用吡啶除去乙酸,得到硝化產(chǎn)物。,,,,19,,（3） 吡咯、呋喃、噻吩的磺化反應(yīng),吡咯、呋喃不太穩(wěn)定，所以須用溫和的磺化試劑磺化。常用的溫和的非質(zhì)子的磺化試劑有：吡啶與三氧化硫的加合化合物。,噻吩比較穩(wěn)定，既可以直接磺化（產(chǎn)率稍低），也可以用溫和的磺化試劑磺化。,(固體，含量90 %),,,,20,,,,21,,（4） 吡咯、呋喃、噻吩的鹵化反應(yīng),反應(yīng)強烈，易得多鹵取代物。為了得一鹵代(Cl, Br)產(chǎn)物，要采用低溫、溶劑稀釋等溫和條件（NBS溴化劑）。,碘不活潑，要用催化劑才能發(fā)生一元取代,,,,22,,（5） 吡咯、呋喃、噻吩的傅氏?；磻?yīng),,,,N-?；量?23,呋喃、噻吩的?；磻?yīng)在?-C上發(fā)生，而吡咯的?；磻?yīng)（不用催化劑）既能在? -C上發(fā)生，又能在N上發(fā)生。,,,,24,,（6） 呋喃、噻吩、吡咯的傅氏烷基化反應(yīng),總體看，在合成上無實用價值。,,,,25,,3. 呋喃、吡咯、噻吩的加成反應(yīng),（1） 加氫反應(yīng) 噻吩在鎳催化下加氫生成丁烷,（2） Diels-Alder反應(yīng),呋喃最易發(fā)生Diels-Alder反應(yīng),,,,26,,噻吩基本上不發(fā)生雙烯加成，即使在個別情況下生成也是一個不穩(wěn)定的中間體，直接失硫轉(zhuǎn)化為別的產(chǎn)物。,,,27,,四 呋喃、噻吩、吡咯的制備 請同學(xué)們自學(xué),1. 工業(yè)制備（略）,2. 實驗室制備,(1)帕爾-克諾爾(Paal, C.-Knorr, L.)合成法,,,,1，4 二酮,28,,,三種化合物的相互轉(zhuǎn)化(有氧化鋁存在的情況下),（2）諾爾合成法,氨基酮酸酯,,,,29,五、 呋喃、吡咯、噻吩的衍生物,(1) 糠醛,30,31,小 結(jié),1.親電取代反應(yīng)活性順序 三者是富電子的芳香化合物，親電取代活性比苯大。 吡咯〉呋喃〉噻吩 〉苯 2.環(huán)的穩(wěn)定性順序 （根據(jù)離域能的大?。?苯〉噻吩〉吡咯〉呋喃 150 122 90 68 遇氧化劑或酸不穩(wěn)定,32,3 吡咯的反應(yīng),33,34,4 呋喃的反應(yīng),35,4 噻吩的主要反應(yīng),如何除去苯中少量噻吩？,36,一 吲哚的反應(yīng) 二 吲哚的合成（自學(xué)）,第三節(jié) 含有一個雜原子的五元雜環(huán)苯并體系,,,吲哚的結(jié)構(gòu)共振式,,,37,一 吲哚的反應(yīng),親電試劑易進(jìn)攻3位,38,一 吲哚的反應(yīng),,常用的親電試劑,硝化： (HNO3 + HOAc),磺化：,鹵化： (低溫、稀釋條件下進(jìn)行，常用 ，HOAc稀釋，試劑為X2),酰基化： (酸酐、酰鹵。AlCl3 , ZnCl2 ，BF3為催化劑),氯甲基化：(CH2O, HCl, ZnCl2),醛基化：[ + POCl3 ],避免用強酸,,,,39,下面四種情況，取代基均進(jìn)入苯環(huán)。進(jìn)入哪個位置，具體分析。,,,[試分析] 親電取代發(fā)生在苯環(huán)還是雜環(huán)上? 并指出具體位置。,40,3-吲哚甲醛,2-乙?；?-甲基吲哚,5-硝基2-甲基吲哚,41,,二 吲哚的合成,苯肼與醛、酮類化合物在酸性條件下加熱生成吲哚及其衍生物的反應(yīng)稱為費歇爾(Fischer, E.)合成法。,,,,42,利血平,?-吲哚乙酸,色氨酸,43,一 唑的命名 二 唑的結(jié)構(gòu) 唑的反應(yīng) 唑的合成,第三節(jié) 含有兩個雜原子的五元雜環(huán)體系,,,44,一 唑的命名 azole,含有兩個雜原子的五元雜環(huán)，若至少有一個雜原子是氮，則該雜環(huán)化合物稱為唑。,,命名時的編號原則是： 1） 讓雜原子的位號盡可能小； 2）當(dāng)兩個雜原子不相同時，編號的次序是：價數(shù)小的在前，大的在后； 3）價數(shù)相等時，原子序數(shù)小的在前，大的在后。,O 〉S 〉 N,,,2價,3價,,,原子序數(shù)小,原子序數(shù)大,,,O、S、N的次序如右：,,,45,異噻唑(isothiazole),吡唑(pyrazole),異噁唑(isoxazole),1,2-唑,噁唑(oxazole),噻唑(thiazole),咪唑(inidazole),1,3-唑,,,,46,（1）互變異構(gòu),N-N(單鍵),N=N(雙鍵),5-甲基咪唑,4-甲基咪唑,4(5)-甲基咪唑(因為4-甲基咪唑和5-甲基咪唑不可分離),,,,一 唑的結(jié)構(gòu),,47,（2）結(jié)構(gòu),吡咯N(孤電子對參與共軛，所以堿性較弱),吡啶N(孤電子對不參與共軛，所以堿性較強),,,,,,,吡咯N的孤電子對處于p軌道,一般胺中的N是sp3雜化。 N 的孤電子對處于sp3雜化軌道,sp3軌道,堿性：,,,,N 的孤電子對處于sp2雜化軌道,,,吡啶N與吡咯N均為sp2雜化。,,,強于,48,（3）堿性,1. 1,2-唑與1,3-唑都有吡啶N，所以都有堿性。 2. 1,3-唑的堿性比1,2-唑強。 因為兩個雜原子互相影響大。 3. 咪唑的堿性＞噻唑的堿性＞噁唑的堿性 親電取代活性：咪唑噻唑 噁唑 由綜合電子效應(yīng)決定。,,,,49,,三 唑的反應(yīng) 主要討論親電取代反應(yīng),1 反應(yīng)性,唑的反應(yīng)性比呋喃、噻吩、吡咯差，這是因為分子中多了一個吡啶N，使共軛體系的電子云密度降低，所以親電試劑不易進(jìn)攻。,2 1,2-、1,3-唑的硝化、磺化、鹵化,（1） 進(jìn)入環(huán)的位置及活性順序,（2） 反應(yīng)試劑：一般的硝化、磺化、鹵化試劑即可。,實 例,eg 1,,,,50,,,eg 2,eg 3,,,,51,,,eg 4,磺化須強烈條件,eg 5,硝化、鹵化須有給電子取代基,,,,52,,3 1,2-唑、1,3-唑的傅氏烷基化反應(yīng),常用的烷基化試劑是RX,烷基化反應(yīng)的幾點說明：,（1） 唑的吡啶N上的電子云密度較大，所以在一般情況 下，烷基化反應(yīng)總是吡啶N上發(fā)生；,,,,53,,（2） 咪唑上有兩個N，烷基化反應(yīng)首先在吡啶N上發(fā)生 一 烷基化產(chǎn)物經(jīng)互變異構(gòu)又產(chǎn)生一個吡啶N，可進(jìn) 一步產(chǎn)生二烷基化產(chǎn)物，因此咪唑烷基化時經(jīng)常得 到一烷基化產(chǎn)物和二烷基化產(chǎn)物；,,,,54,,4 1,2-唑、1,3-唑的傅氏?；磻?yīng),常用的?；噭┦?一般情況下，?；磻?yīng)主要在吡啶N上發(fā)生。?；且粋€吸電子基，所以反應(yīng)能控制在一元?；A段。,例如：咪唑的?；磻?yīng),N-?；溥?,,,55,1 1,2-唑的合成(只介紹吡唑與異噁唑的合成),(1)用1,3-二羰基化合物合成吡唑和異噁唑,(2)用1,3-偶極環(huán)加成反應(yīng)制吡唑和異噁唑,,,四 唑的合成,,56,2 1,3-唑的合成,(噁唑類),(咪唑類),(噻唑類),,,,57,,青霉素,噻唑環(huán),青霉素是噻唑的衍生物。,,,,58,一 吡啶環(huán)系 1. 吡啶的結(jié)構(gòu) 2. 吡啶的親電取代反應(yīng) 3. 吡啶的親核取代反應(yīng) 4. 吡啶環(huán)系的合成 5. 吡啶的氧化還原反應(yīng) 6. 吡啶側(cè)鏈α-H的反應(yīng) 7. 吡啶N-氧化物的反應(yīng) 二 吡喃環(huán)系,第四節(jié) 含有一個雜原子的六元雜環(huán)體系,,,｝重點,59,1. 吡啶的結(jié)構(gòu),共軛效應(yīng)和誘導(dǎo)效應(yīng)都是吸電子的,孤電子對在sp2雜化軌道上。,?=2.20D ?=1.17D,,,,,比較三甲基胺、吡啶、苯胺和吡咯的堿性大小,pKb 4.7 8.75 9.4 16.5 pKa 5.23,60,吡 啶 結(jié)構(gòu)：吡啶N是sp2雜化，孤電子對不參與共軛。環(huán)上電子云 密度小于苯環(huán)，是缺電子芳香雜環(huán)。 反應(yīng)：弱堿性。環(huán)不易發(fā)生親電取代反應(yīng)但易發(fā)生親核取代反應(yīng)。發(fā)生親電取代反應(yīng)時，環(huán)上N起間位定位基的作用。發(fā)生親核取代反應(yīng)時，環(huán)上N起鄰對位定位基的作用。類似硝基苯的反應(yīng)。,61,(1) 吡啶N的親核性：與親電試劑生成吡啶鎓鹽或絡(luò)合物,2. 吡啶的親電取代反應(yīng),,,,,,,NO2+BF4- 乙醚 室溫,CH3I,RCOCl,H+,SO3,Br2 CCl4,石油醚,,,,62,,,吡啶鹽的兩個十分重要的用途：,*1 可用來做溫和的磺化、硝化、鹵化、烷基化、?；脑噭?*2 利用吡啶N的烷基化反應(yīng)制備醛,,,,63,(2) 在C上發(fā)生親電取代反應(yīng) N吸電子，類似硝基苯，反應(yīng)活性低， 在 ?位上即3-位碳上反應(yīng)。,,,,64,,反 應(yīng) 特 點,*1 不能發(fā)生傅氏烷基化、?；磻?yīng)。 *2 硝化、磺化、鹵化必須在強烈條件下才能發(fā)生； *3 吡啶環(huán)上有給電子基團時，親電反應(yīng)活性增高； *4 吡啶N可以看作是一個間位定位基。,,,,,進(jìn)攻2位,進(jìn)攻3位,進(jìn)攻4位,更穩(wěn)定,65,,（1） 置換易離去基團的親核取代反應(yīng),如在?,γ位有好的離去基團，如Cl、-NO2、Br，可以與氨（或胺）、烷氧化物、水等親核試劑發(fā)生親核取代反應(yīng)（在親核取代反應(yīng)中，吡啶N對鄰、對位活化）。,,,,3. 吡啶的親核取代反應(yīng),4-吡啶酮,66,[分析中間體的共振結(jié)構(gòu)] 親核試劑進(jìn)攻?位：,617頁 2或4位取代的氯代吡啶的親核取代反應(yīng)活性大 生成的活性中間體穩(wěn)定,67,,（2） 置換氫的親核取代反應(yīng),一般機制：,*1 負(fù)氫不易離去，一般需要一個氧化劑作為負(fù)氫的接受體；,*2 親核取代優(yōu)先在α位上發(fā)生，如果α位上有取代基，則 反應(yīng)在γ位上發(fā)生。,,,,68,,實例：烷基化、芳基化反應(yīng),,,,69,實例：齊齊巴賓(Chichibabin, A.E.)反應(yīng)——氨化,定義：吡啶與氨基鈉作用生成2-氨基吡啶的反應(yīng)稱為齊齊巴賓反應(yīng)。,H2O,,,+ NaNH2,100oC,C6H5N(CH3)2,,,,,70,4. 吡啶環(huán)系的合成,漢棲(Hantzsch, A.)合成法,由二分子β-羰基酸酯、一分子醛、一分子氨經(jīng)縮合反應(yīng)制備吡啶同系物的方法稱為漢棲合成法。,,,,,71,,,5. 吡啶的氧化還原反應(yīng),吡啶環(huán)本身不易被氧化，但它的側(cè)鏈很容易被氧化成醛或羧酸。,(吡啶氧化物),還原反應(yīng),,,,72,,6. 吡啶側(cè)鏈α-H的反應(yīng),2,4,6-位烷基的? -H與羰基? -H相似,羥醛縮合型,,,,73,,N-烷基吡啶鹽的側(cè)鏈? -H更活潑,羥醛縮合型,,,,74,吡啶的衍生物—煙酸、煙堿等,煙堿(尼古丁) 煙酸 煙酰胺,75,,二 吡喃環(huán)系,吡喃及其衍生物無芳香特性,吡喃及吡喃酮的钅,羊鹽是芳香體系。,,,苯并-γ-吡喃酮的衍生物 : 黃酮、黃酮色素、花色素等,76,一 喹啉和異喹啉的反應(yīng) 二 喹啉和異喹啉的合成,第六節(jié) 含有一個雜原子的苯并六元雜環(huán)環(huán)系,,,注意異喹啉的編號,77,一 喹啉和異喹啉的反應(yīng),1. 成鹽：,堿性強弱：喹啉＜吡啶＜異喹啉,成鹽反應(yīng)：,,,,78,,2. 氧化反應(yīng),*1 喹啉和異喹啉與絕大多數(shù)氧化劑不發(fā)生反應(yīng)；,*2 與高錳酸鉀能發(fā)生反應(yīng)：,,,,79,,3. 親電取代反應(yīng): ★,反應(yīng)產(chǎn)物受介質(zhì)的影響。若反應(yīng)在酸性介質(zhì)中進(jìn)行，取代主要在苯環(huán)上5，8位反應(yīng)。,,,若反應(yīng)在有機溶劑如硝基苯中進(jìn)行，取代在雜環(huán)上發(fā)生， 得到3位或4位取代產(chǎn)物。,,80,4. 親核取代反應(yīng) ★,*1 親核取代反應(yīng)主要在吡啶環(huán)上發(fā)生，喹啉的反應(yīng)位置 在2位和4位(2位為主)，異喹啉在1位；,,,,81,,*2 常用的親核試劑有RLi, ArLi, RMgX, NaNH2, RONa等。 負(fù)氫比較難以取代。Cl, NO2等基團較易取代。,,,,82,喹啉和異喹啉可發(fā)生齊齊巴賓反應(yīng),83,5. 側(cè)鏈? -H的反應(yīng):,產(chǎn)率很高,,,,84,,6. 還原:,反十氫喹啉,順十氫喹啉,,,85,,,二 喹啉和異喹啉的合成,斯克洛普(Skraup, Z.H.)反應(yīng)：苯胺、甘油、硫酸和硝基苯等氧化劑一起作用，生成喹啉的反應(yīng)稱為斯克洛普反應(yīng)。 ★,eg 2,eg 1,,,,86,,,eg 4,eg 3,,,,87,一 嘧啶的反應(yīng) 二 嘧啶的衍生物,第七節(jié) 含兩個和三個氮原子的六元雜環(huán)體系,,,噠嗪(pyridazine),嘧啶(pyrimidine),吡嗪(pyrazine),88,一 嘧啶的反應(yīng),1. 親電取代反應(yīng) 活性小于吡啶,,,,89,,,反應(yīng)最易在2位發(fā)生，其次是4,6位,取代鹵素要比取代負(fù)氫更容易,2. 親核取代反應(yīng) 活性高于吡啶,,,,90,,3. 氧化,二嗪不易被氧化。若用過酸氧化，得嘧啶單N-氧化物,,,,91,,4. 側(cè)鏈? -H反應(yīng),羥醛縮合型,烷基化反應(yīng),,,,92,尿嘧啶(U),胞嘧啶(C),胸腺嘧啶(T),三 嘧啶的衍生物,93,名稱,結(jié)構(gòu),用途,巴比妥(佛羅拿),苯巴比妥(魯米那),異戊巴比妥(阿米妥),西可巴比妥鈉,硫噴妥鈉,長時間作用的鎮(zhèn)靜催眠藥,長時間作用的鎮(zhèn)靜催眠藥，又有抗癲癇作用,中時間作用的催眠藥,短時間作用的鎮(zhèn)靜催眠藥,超短時間的靜脈麻醉藥，可用于麻醉前給藥,,,94,第八節(jié) 嘧啶和咪唑的并環(huán)體系--嘌呤環(huán)系,,,9H-嘌呤,7H-嘌呤,嘌呤是一對互變異構(gòu)體的平衡體系,倒S型,95,二 嘌呤的兩個重要衍生物,腺嘌呤(A),鳥嘌呤(G),(6-氨基嘌呤),(2-氨基-6-羥基嘌呤),,,96,本章重點,1 命名: 呋喃 噻吩 吡咯 吲哚 吡啶 喹啉 異喹啉 嘧啶 嘌呤及其衍生物,2 五元單雜環(huán)的親電取代反應(yīng)及穩(wěn)定性 3 吡啶的堿性、親電、親核取代反應(yīng)活性、條件及位置 4 喹啉、異喹啉的親電、親核取代反應(yīng)的位置 5 喹啉環(huán)的合成（斯克洛甫合成）,作業(yè) 《學(xué)習(xí)指導(dǎo)》習(xí)題 一、二、十三,試分析已學(xué)過的含氮雜環(huán)化合物 它們的堿性與芳香性。,97,將下列化合物按堿性強弱排列成序：,給電子基增強堿性，吸電子基減弱堿性,1〉2〉3〉4,5〉4〉2〉3〉1,98,