第12章杂环化合物.ppt
第十二章第十二章 杂环化合物杂环化合物Heterocyclic CompoundsHeterocyclic Compounds内容提纲：内容提纲：杂环化合物的命名杂环化合物的命名 杂环化合物的结构特点杂环化合物的结构特点*杂环的反应杂环的反应*杂环的合成杂环的合成 V V 生物碱简介生物碱简介重点：重点：杂环化合物的命名杂环化合物的命名 杂环化合物的结构特点杂环化合物的结构特点*杂环的反应杂环的反应*难点：难点：杂环的反应，杂环的合成杂环的反应，杂环的合成2课时及讨论安排：课时及讨论安排：第一次课（4.20）一、杂环化合物的命名（第六组）二、杂环化合物的结构（第五组）三、五元杂环化合物的亲电取代反应（第五组）四、五元杂环化合物的加成反应（第三组）第二次课（4.22）五、唑的结构与反应（第四组）六、吡啶、稠杂环的取代反应（第四组）七、杂环化合物的氧化及其它反应（第四组）八、杂环化合物的合成（第二组）3含一个杂原子含二个杂原子杂环分类：杂环分类：ONHS 呋喃 噻吩 吡咯 Furan thiophene pyrroleNNHNNHSN 吡唑 咪唑 噻唑Pyrazole imidazole thiazole单杂环五元杂环六元杂环 嘧啶 吡嗪Pyrimidine pyrazine含二个杂原子含一个杂原子NNNN 吡啶 吡喃Pyridine pyranNO4五元杂环与苯环稠合苯并呋喃benzofunan吲哚indole苯并噻唑benzothiophene稠杂环O ON NH HN NS S六元杂环与苯环稠合 喹啉quinoline 异喹啉isoquinolineN NN N杂环与杂环稠合嘌呤purine蝶啶pteridineN NN NN NN NH HN NN NN NN N5I 杂环化合物命名杂环化合物命名我国一般采用音译法，即按英文名称音译。我国一般采用音译法，即按英文名称音译。如：NHOSNNN(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6 2、命名的编号规则、命名的编号规则a、从杂原子开始编号，兼顾取代基；、从杂原子开始编号，兼顾取代基；b、稠环从大环的杂原子开始编号；、稠环从大环的杂原子开始编号；c、有不同的杂原子，则按照、有不同的杂原子，则按照O、S、N原子顺序。原子顺序。例如：例如：呋喃呋喃-2-甲醛（糠醛）甲醛（糠醛）2-甲基咪唑甲基咪唑OCHONS12345NCOOHNNH2NNHCH312345NOHHNCH2COOH1234567NNNHNNH2123456789噻唑噻唑2-氨基吡啶氨基吡啶吡啶吡啶-3-甲酸（烟酸）甲酸（烟酸）6-氨基嘌呤（腺嘌呤）氨基嘌呤（腺嘌呤）8-羟基喹啉羟基喹啉3-吲哚乙酸吲哚乙酸7 噁唑 噻唑 咪唑 Oxazole Thiazole Imidazole 5-乙基噻唑 4-氨基嘧啶 2-甲基-5苯基噁唑5-ethylthiazole 4-aminopyrimidine 2-methyl-5-phenyloxazoleNNH2NNH5C6OCH3NC2H5SSN12345ON12345NNH123458II 杂环化合物的结构杂环化合物的结构3、吡咯、呋喃、噻吩、吡啶的结构吡咯、呋喃、噻吩、吡啶的结构 N NHSSSSSO OO ON N2、苯系芳烃与非苯系芳烃、苯系芳烃与非苯系芳烃 NN1、休克尔规则、休克尔规则比较吡咯、吡啶和苯胺的碱性！比较吡咯、吡啶和苯胺的碱性！9偶极矩偶极矩 0.70D 0.51D 1.81D 2.22DONHS0.14310.13610.13620.14290.14230.13710.13700.13830.17141.73D 1.90D 1.58DONHS键长键长芳香性：苯芳香性：苯 噻吩噻吩 吡咯吡咯 呋喃呋喃 吡啶吡啶0.871.010.841.43N2、吡咯、吡咯、呋喃呋喃、噻吩的化学性质噻吩的化学性质 a)卤代：卤代：（1）亲电取代反应亲电取代反应（Electrophilic Substitution）+Br2Cl2ClOClSBrOClSONHBrBr BrBrNHBr2EtOH反应活性反应活性：噻吩：噻吩、吡咯吡咯、呋喃苯呋喃苯单取代位置单取代位置：-位位11因为中间体的稳定性：因为中间体的稳定性：吡咯在吡咯在2-或或3-位取代的共振式如下：位取代的共振式如下：.+NHHENHHENHHENHHENHHEOEHNHEHSEHEHb)硝化硝化OONO2CH3COONO2-5-30ONO2CH3COO加热NHNHNO2CH3COONO2-10+NHNO2SSNO2HNO3+H2SO4OOSO3H吡啶SO3100NHNH吡啶SO3HSO3SS95%H2SO4室温SO3Hc)c)磺化磺化a.活性顺序：吡咯呋喃噻吩苯活性顺序：吡咯呋喃噻吩苯b.亲电取代通常主要发生在亲电取代通常主要发生在2位（位（-位）位）OOCOCH3(CH3CO)2O,BF3NHNHCOCH3(CH3CO)2O,150 200SSCOCH3(CH3CO)2O,SnCl4d)付付克酰基化克酰基化小结：小结：e)吡咯的特征反应：吡咯的特征反应：吡咯具有较弱的酸性和碱性吡咯具有较弱的酸性和碱性KNH2,液NH3C2H5MgBr干醚NHNMgBrNK 1.CO22.H3O+RXRCOClNHNHCOOHNRCORNCORNH16（2）加成反应加成反应（Addition Reaction）H2,PdH2,MoS2H2,NiOO顺丁烯二酸酐苯炔OOOOONHH2,PdNHSS（3）水解反应水解反应17(三三)呋喃、吡咯和噻吩环的制法呋喃、吡咯和噻吩环的制法 呋喃容易从糠醛去羰基得到：呋喃容易从糠醛去羰基得到：OCHOZnO-Cr2O3400 H2OO+CO2+H2O噻吩可以用丁烷或丁烯与硫磺加热反应得到：噻吩可以用丁烷或丁烯与硫磺加热反应得到：CH3CH2CH2CH3+4S600S 3H2S以氧化铝为催化剂，可以实现以氧化铝为催化剂，可以实现呋喃、吡咯和噻吩环的互变呋喃、吡咯和噻吩环的互变（YuyevYuyev反应）反应）OSNHH2SH2OH2SH2ONH3NH318实验室制法实验室制法-帕尔克诺尔帕尔克诺尔(Paal-Knorr)法法。CCH2H2CCRROOORRSRRNHRRP2O5P2S5(NH4)2SO4NH3，或+NHCH3COOC2H5H3CH+H2CCOCH3COOC2H5COH2CNH2H3C氨基酮氨基酮二羰基化合物二羰基化合物4、呋喃呋喃、吡咯的重要衍生物、吡咯的重要衍生物（1）糠醛糠醛(Furfural)制法：制法：由玉米芯、高粱杆、棉籽壳、燕麦壳、谷糠等农副由玉米芯、高粱杆、棉籽壳、燕麦壳、谷糠等农副产品经稀硫酸处理而制得。产品经稀硫酸处理而制得。(C5H8O4)n +nH2O5%硫酸加热水解nC5H10O5聚戊糖戊糖HOCHCHOH|HCH CH CHO|OH OH 3H2O糠醛（b.p.162）O OC CH HO O20性质：性质：浓浓NaOHOCOONaCH2OHOO CHO2-呋喃甲酸 2-呋喃甲醇O2，V2O5300 oOO顺丁烯二酸酐H2H2,NiO CH2OHOCH2OHZnO-Cr2O3 糠醇 四氢糠醇H2,NiOOZnO-Cr2O3 400呋喃 四氢呋喃（THF）糠醛Cannizaro歧化反应氧化反应还原反应脱羧反应21（2）卟啉及衍生物卟啉及衍生物卟啉环卟啉环血红素血红素NHNNHNNNNNFeHC=CH2CH3CH=CH2CH3H3CH3CHOOCHOOCCl-由四个吡咯环和四个次甲基由四个吡咯环和四个次甲基(CH=)交替相连组成的大环叫交替相连组成的大环叫卟啉环卟啉环(又称为卟吩又称为卟吩)，卟啉的化合物广泛存在于自然界中。，卟啉的化合物广泛存在于自然界中。22叶叶绿绿素素叶叶绿绿素素YYCH3CHO=a ab bYONNMgNN+H3CH3CCH32COOCH3HHCH2CH2COOCH223（3）含吡咯、呋喃、和噻吩的稠环化合物）含吡咯、呋喃、和噻吩的稠环化合物吲哚吲哚Indole2NH134567O苯并呋喃苯并呋喃BenzofuranS苯并噻吩苯并噻吩Benzothiophene24二二.含两个杂原子的五元杂环含两个杂原子的五元杂环(azole)1,2-唑异噁唑 异噻唑 吡唑isoxazole isothiazole pyrazoleONSNNHN1,3-唑ONSNNHN噁唑 噻唑 咪唑Oxazole Thiazole Imidazole251,2-唑与唑与1,3-唑的亲电取代反应的活性顺序有：唑的亲电取代反应的活性顺序有：1,2-唑1,3-唑SNNHNONNSNNHON碱性碱性：ON HNHN HNOHNNHHNSHpKa -2.03 1.3 2.4 2.5 7.01 1 结构和化学性质结构和化学性质26NNHNHNNNHNHNBrO2NBr2AcOH-H2OHNO3,H2SO4NHNO2N浓H2SO4,SO3HNO3,H2SO4ONO2NSNSNHO3SONNSNSHO3S发烟H2SO4HgSO4,250亲电取代反应亲电取代反应1，2-唑取代唑取代在在4-位位27唑的烷基化或酰基化通常发生在氮原子上。唑的烷基化或酰基化通常发生在氮原子上。NSCH3INSCH3NSCH3IINNHCH3IIINNHCH3H+NNCH3CH3INNCH3CH3NNHNNHCOCH3(CH3CO)2OH+NNCOCH3CH3COO-2 2、1 1，2-2-唑与唑与1 1，3-3-唑的合成唑的合成 1，2-唑可用唑可用1，3-二羰基化合物合成二羰基化合物合成 OO+NH2NH2H3O+NHNCH3H3C1，3-唑可用含有杂原子的唑可用含有杂原子的1，4-二羰基化合物合成二羰基化合物合成 NHPhPhOONH4OAc-HOAcNNHPhPhH2SO4120oCNOPhPhNHCH3H3COO120oCNSCH3H3CP2S53 3、咪唑、噻唑的重要衍生物、咪唑、噻唑的重要衍生物 NNH3CNNH2SCH3OHCl-HCl维生素维生素B1B1NNSHHCl盐酸左旋咪唑盐酸左旋咪唑咪唑安定咪唑安定30第二节第二节 六元杂环化合物六元杂环化合物一、吡啶一、吡啶(Pyridine)1.吡啶的结构吡啶的结构 氮原子杂化情况氮原子杂化情况吡啶分子结构吡啶分子结构P轨道Sp2 轨道 吡啶吡啶 NN氮原子以不等性氮原子以不等性sp2杂化轨道成键。杂化轨道成键。2.22D0.871.010.841.43N312.吡啶的性质吡啶的性质碱性：碱性：吡啶为一弱碱，吡啶为一弱碱，pKb8.75，其碱性比脂肪胺弱，但其碱性比脂肪胺弱，但比苯胺强。吡啶能与质子酸和非质子酸形成盐。比苯胺强。吡啶能与质子酸和非质子酸形成盐。N+HClNHClNNBF3+BF3NCH3N+CH3II300NHCH3NHCH3II+32（1）亲电取代）亲电取代：吡啶可以发生卤化、硝化和磺化，但比吡啶可以发生卤化、硝化和磺化，但比苯难以反应，取代位置通常在苯难以反应，取代位置通常在3-位位(-位位)。Cl2200 NClNClClN Br2300 NBrKNO3,H2SO4300350 NNO2HgSO4,H2SO4220 NSO3H33E+进攻3位E+进攻2位E+进攻4位+NHENHENHE+ENHNHEHNENHENHENHE+中间体的稳定性不稳定共振杂合体不稳定共振杂合体（2）亲核取代）亲核取代：吡啶环的一个特点是能发生亲核取代反吡啶环的一个特点是能发生亲核取代反应，主要形成应，主要形成 2位位(-位位)取代产物。取代产物。1.NaNH22.H2OLiC6H5NNC6H5 NClNOCH3 CH3OKNNH2NClNH3NNH235NHNuNHNuNHNuNuNHNHNuHNNuNHNuNHNuNHNu吡啶环的吡啶环的2-位和位和4-位比较容
