有機化學雜環(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、吡咯的結構 二 呋喃、噻吩、吡咯的制備 三 呋喃、噻吩、吡咯的反應,第二節(jié) 含有一個雜原子的五元雜環(huán)體系,,,9,吡咯的結構,孤電子對在p軌道上。,吡 咯 結構：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：堿性較弱，環(huán)易發(fā)生親電取代反應，環(huán)上相當于有一個鄰對位定位基。,,共軛效應是給電子的。誘導效應是吸電子的。,,,一吡咯、呋喃、噻吩的結構,呋喃、噻吩的結構請同學自己分析。,,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。,吡咯、呋喃、噻吩的物理性質及鑒定,,,,偶極矩 ：吡咯指向雜環(huán)，呋喃、噻吩指向雜原子 質子化學位移: 類似苯環(huán)，在 6.22-7.29之間,11,主要化學反應 吡咯、呋喃、噻吩的親電取代反應 吡咯、呋喃、噻吩的加成反應,吡咯、呋喃、噻吩 的化學性質,,,,12,,,1. 吡咯、呋喃、噻吩的親電取代反應 重點,*1 親電取代反應的活性順序為：,吸電子誘導：O(3.5) N(3.0) S(2.6) 給電子共軛：N O S 綜合：N貢獻電子最多，O其次，S最少,,八隅體結構 最穩(wěn)定,無最穩(wěn)定結構,,,（1）概述,,13,,*2 取代反應主要發(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,A 雜原子的定位效應：鄰位,B 取代基的定位效應：,第一取代基進入到雜原子的α-位。,3位上有取代基時，呋喃、吡咯、噻吩的定位效應一致。,,,,15,,6 吡咯的特殊反應 -氮原子上的取代反應,吡咯的性質與苯酚類似，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。,,,,吡咯成鹽后，使環(huán)上電荷密度增高，親電取代反應更易進行。,16,C6H5N2+X- C2H5OH-H2O AcONa,,,,或K+NH2-,17,（2） 呋喃、噻吩、吡咯的硝化反應,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子硝化試劑，如：硝酸乙酰酯。 反應在低溫下進行。,,,,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,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,反應強烈，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?,,,N-?；量?23,呋喃、噻吩的?；磻?-C上發(fā)生，而吡咯的酰化反應（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,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,（1） 加氫反應 噻吩在鎳催化下加氫生成丁烷,（2） Diels-Alder反應,呋喃最易發(fā)生Diels-Alder反應,,,,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，直接失硫轉化為別的產(chǎn)物。,,,27,,四 呋喃、噻吩、吡咯的制備 請同學們自學,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,1.親電取代反應活性順序 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,33,34,4 呋喃的反應,35,4 噻吩的主要反應,如何除去苯中少量噻吩？,36,一 吲哚的反應 二 吲哚的合成（自學）,第三節(jié) 含有一個雜原子的五元雜環(huán)苯并體系,,,吲哚的結構共振式,,,37,一 吲哚的反應,親電試劑易進攻3位,38,一 吲哚的反應,,常用的親電試劑,硝化： (HNO3 + HOAc),磺化：,鹵化： (低溫、稀釋條件下進行，常用 ，HOAc稀釋，試劑為X2),?；?(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，取代基均進入苯環(huán)。進入哪個位置，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 唑的結構 唑的反應 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?。?2）當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,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 唑的結構,,47,（2）結構,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 由綜合電子效應決定。,,,,49,,三 唑的反應 主要討論親電取代反應,1 反應性,唑的反應性比呋喃、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攻。,2 1,2-、1,3-唑的硝化、磺化、鹵化,（1） 進入環(huán)的位置及活性順序,（2） 反應試劑：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,常用的烷基化試劑是RX,烷基化反應的幾點說明：,（1） 唑的吡啶N上的電子云密度較大，所以在一般情況 下，烷基化反應總是吡啶N上發(fā)生；,,,,53,,（2） 咪唑上有兩個N，烷基化反應首先在吡啶N上發(fā)生 一 烷基化產(chǎn)物經(jīng)互變異構又產(chǎn)生一個吡啶N，可進 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?常用的?；噭┦?一般情況下，酰基化反應主要在吡啶N上發(fā)生。酰基是一個吸電子基，所以反應能控制在一元酰基化階段。,例如：咪唑的酰基化反應,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. 吡啶的結構 2. 吡啶的親電取代反應 3. 吡啶的親核取代反應 4. 吡啶環(huán)系的合成 5. 吡啶的氧化還原反應 6. 吡啶側鏈α-H的反應 7. 吡啶N-氧化物的反應 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. 吡啶的結構,共軛效應和誘導效應都是吸電子的,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 結構：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：弱堿性。環(huán)不易發(fā)生親電取代反應但易發(fā)生親核取代反應。發(fā)生親電取代反應時，環(huán)上N起間位定位基的作用。發(fā)生親核取代反應時，環(huán)上N起鄰對位定位基的作用。類似硝基苯的反應。,61,(1) 吡啶N的親核性：與親電試劑生成吡啶鎓鹽或絡合物,2. 吡啶的親電取代反應,,,,,,,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的烷基化反應制備醛,,,,63,(2) 在C上發(fā)生親電取代反應 N吸電子，類似硝基苯，反應活性低， 在 ?位上即3-位碳上反應。,,,,64,,反 應 特 點,*1 不能發(fā)生傅氏烷基化、?；磻?*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，親電反應活性增高； *4 吡啶N可以看作是一個間位定位基。,,,,,進攻2位,進攻3位,進攻4位,更穩(wěn)定,65,,（1） 置換易離去基團的親核取代反應,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（在親核取代反應中，吡啶N對鄰、對位活化）。,,,,3. 吡啶的親核取代反應,4-吡啶酮,66,[分析中間體的共振結構] 親核試劑進攻?位：,617頁 2或4位取代的氯代吡啶的親核取代反應活性大 生成的活性中間體穩(wěn)定,67,,（2） 置換氫的親核取代反應,一般機制：,*1 負氫不易離去，一般需要一個氧化劑作為負氫的接受體；,*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 反應在γ位上發(fā)生。,,,,68,,實例：烷基化、芳基化反應,,,,69,實例：齊齊巴賓(Chichibabin, A.E.)反應——氨化,定義：吡啶與氨基鈉作用生成2-氨基吡啶的反應稱為齊齊巴賓反應。,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,吡啶環(huán)本身不易被氧化，但它的側鏈很容易被氧化成醛或羧酸。,(吡啶氧化物),還原反應,,,,72,,6. 吡啶側鏈α-H的反應,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 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,1. 成鹽：,堿性強弱：喹啉＜吡啶＜異喹啉,成鹽反應：,,,,78,,2. 氧化反應,*1 喹啉和異喹啉與絕大多數(shù)氧化劑不發(fā)生反應；,*2 與高錳酸鉀能發(fā)生反應：,,,,79,,3. 親電取代反應: ★,反應產(chǎn)物受介質的影響。若反應在酸性介質中進行，取代主要在苯環(huán)上5，8位反應。,,,若反應在有機溶劑如硝基苯中進行，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 ★,*1 親核取代反應主要在吡啶環(huán)上發(fā)生，喹啉的反應位置 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,83,5. 側鏈? -H的反應:,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：苯胺、甘油、硫酸和硝基苯等氧化劑一起作用，生成喹啉的反應稱為斯克洛普反應。 ★,eg 2,eg 1,,,,86,,,eg 4,eg 3,,,,87,一 嘧啶的反應 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,1. 親電取代反應 活性小于吡啶,,,,89,,,反應最易在2位發(fā)生，其次是4,6位,取代鹵素要比取代負氫更容易,2. 親核取代反應 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. 側鏈? -H反應,羥醛縮合型,烷基化反應,,,,92,尿嘧啶(U),胞嘧啶(C),胸腺嘧啶(T),三 嘧啶的衍生物,93,名稱,結構,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)的親電取代反應及穩(wěn)定性 3 吡啶的堿性、親電、親核取代反應活性、條件及位置 4 喹啉、異喹啉的親電、親核取代反應的位置 5 喹啉環(huán)的合成（斯克洛甫合成）,作業(yè) 《學習指導》習題 一、二、十三,試分析已學過的含氮雜環(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,