有機(jī)化學(xué)-第16章雜環(huán)化合物

1、有機(jī)化學(xué)有機(jī)化學(xué)龔流柱龔流柱中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室，化學(xué)系驗室，化學(xué)系第十六章：雜環(huán)化合物、生物堿第十六章：雜環(huán)化合物、生物堿16.1 雜環(huán)化合物的分類和命名雜環(huán)化合物的分類和命名16.1.1 雜環(huán)化合物的分類雜環(huán)化合物的分類非芳香雜環(huán)非芳香雜環(huán)雜雜環(huán)環(huán)非非芳芳香香雜雜環(huán)環(huán)芳芳香香雜雜環(huán)環(huán)NH四四氫氫吡吡咯咯O四四氫氫呋呋喃喃NH六六氫氫吡吡啶啶OO1,4-二氧六環(huán)N奎奎寧寧環(huán)環(huán)芳香雜環(huán)化合物的分類芳香雜環(huán)化合物的分類雜環(huán)分類雜環(huán)分類含一個雜原子的雜環(huán)含一個雜原子的雜環(huán)含兩個以上雜原子的雜環(huán)含兩個以上雜原子的雜環(huán)單單雜雜環(huán)環(huán)五五元元

2、雜雜環(huán)環(huán)O呋喃FuranS噻吩ThiopheneNH吡咯PyrroleNO噁唑OxazoleNS噻唑ThiazoleNHN吡唑PyrazoleNNH咪唑Imidazole雜環(huán)分類雜環(huán)分類含一個雜原子的雜環(huán)含一個雜原子的雜環(huán)含兩個以上雜原子的雜環(huán)含兩個以上雜原子的雜環(huán)單單雜雜環(huán)環(huán)六六元元雜雜環(huán)環(huán)N吡啶PyridineO吡喃PyranNN噠嗪PyridazineNN嘧啶PyrimidineNN吡嗪Pyrazine根據(jù)環(huán)的大小和數(shù)目分類：五元雜環(huán)，六元雜環(huán)和稠雜環(huán)，根據(jù)環(huán)的大小和數(shù)目分類：五元雜環(huán)，六元雜環(huán)和稠雜環(huán)，然后根據(jù)雜原子數(shù)目和種類分類然后根據(jù)雜原子數(shù)目和種類分類雜環(huán)分類雜環(huán)分類含一個雜原子

3、的雜環(huán)含一個雜原子的雜環(huán)含兩個以上雜原子的雜環(huán)含兩個以上雜原子的雜環(huán)稠雜環(huán)NH吲哚Indole喹啉QuinolineN異喹啉IsoquinolineNNH咔唑CarbazoleN吖啶AcridineNNNHNNNNN12345678912345678嘌呤Purine喋啶Pteridine16.1.2 雜環(huán)化合物的命名雜環(huán)化合物的命名 通常用音譯命名通常用音譯命名 如果雜環(huán)上有取代基，取代基位次從如果雜環(huán)上有取代基，取代基位次從 雜原子雜原子算起算起16.2 一五元雜環(huán)化合物一五元雜環(huán)化合物物理性質(zhì)物理性質(zhì)化合物化合物m.p. (oC)b.p. (oC)1H-MNMR (ppm)13C-MNMR

4、 (ppm)-86317.42 (1-H)6.37 (2-H)142.6 (1-C)109.6 (2-C)-38847.30 (1-H)7.10 (2-H)125.4 (1-C)127.2 (2-C)1316.68 (1-H)6.22 (2-H)118.5 (1-C)108.2 (2-C)7.25 128.5OH (1)1H (2)2SH (1)1H (2)2NHH (1)1H (2)216.2.1 呋喃、噻吩呋喃、噻吩 、吡咯的結(jié)構(gòu)、吡咯的結(jié)構(gòu)NHNHOOSS 碳原子和雜原子都是碳原子和雜原子都是SP2雜化雜化 都符合都符合Hckel規(guī)則：規(guī)則：4n+2 = 6, n = 1，具有芳香性，具

5、有芳香性 芳香性順序：苯芳香性順序：苯 噻吩噻吩 吡咯吡咯 呋喃；與雜原子的電呋喃；與雜原子的電負(fù)性有關(guān)，雜原子的電負(fù)性越大，芳香性越弱。負(fù)性有關(guān)，雜原子的電負(fù)性越大，芳香性越弱。 芳香性越弱，分子越不穩(wěn)定，表現(xiàn)出雙烯的性質(zhì)芳香性越弱，分子越不穩(wěn)定，表現(xiàn)出雙烯的性質(zhì) 親電取代親電取代活性順序：吡咯活性順序：吡咯 呋喃呋喃 噻吩噻吩 苯苯16.2.2 呋喃、噻吩呋喃、噻吩 、吡咯的化學(xué)性質(zhì)、吡咯的化學(xué)性質(zhì) 親電取代反應(yīng)親電取代反應(yīng)1. 區(qū)域選擇性區(qū)域選擇性 - -位進(jìn)攻位進(jìn)攻 - -位進(jìn)攻位進(jìn)攻XE+XXE+EHXEH正電子分散在四個原子組成的共軛體系中正電子分散在四個原子組成的共軛體系中正電子

6、分散在兩個原子組成的共軛體系中正電子分散在兩個原子組成的共軛體系中呋喃、噻吩呋喃、噻吩 和吡咯的取代反應(yīng)主要生成和吡咯的取代反應(yīng)主要生成a-取代產(chǎn)物取代產(chǎn)物XE+XEHXE+XEHXEH2. 反應(yīng)活性：反應(yīng)活性：NH+Br2EtOH0 oCNHBrBrBrBrO+Br20 oCdioxaneOBrS+Br2RTSBrAcOH親電取代反應(yīng)中的反應(yīng)活性：親電取代反應(yīng)中的反應(yīng)活性：吡咯吡咯 呋喃呋喃 噻吩噻吩鹵代反應(yīng)鹵代反應(yīng)硝化反應(yīng)硝化反應(yīng)S+SNO2ONO2O乙乙酸酸酐酐-10 oC70%S5%+NO2吡咯和呋喃用混酸硝化時，發(fā)生聚合反應(yīng)或者被氧化吡咯和呋喃用混酸硝化時，發(fā)生聚合反應(yīng)或者被氧化磺化

7、反應(yīng)磺化反應(yīng)NHNSO3NSO3NHSO3NHClNHSO3HOOSO3NHClOSO3HS+H2SO4RTSSO3HFriedelCrafts酰基化反應(yīng)?；磻?yīng)用用Lewis酸，如酸，如SnCl4，BF3作促進(jìn)劑作促進(jìn)劑NH+150 oCNHCOMeO+BF3OCOMe(CH3CO)2O(CH3CO)2O 呋喃、噻吩呋喃、噻吩 、吡咯親電取代反應(yīng)取代基效應(yīng)、吡咯親電取代反應(yīng)取代基效應(yīng)XY+Br2Y = Electron donating groupXYBrY = Electron withdrawing groupXYBrX+E+Y = Electron donating groupXYY

8、 = Electron withdrawing groupXYYE+E+E+E+SOCH3HNO3H2SO4SOCH3NO2SNO2Br2AcOHSNO2BrHNO3H2SO4SOCH3SOCH3O2NSOCH3+NO2majorMinorSOCH3O2NBr2AcOHSOCH3O2NBrSCO2CH3H3CHCHO/HClZnCl2SCO2MeH3CClH2C 加成反應(yīng)加成反應(yīng)Diels-Alder 反應(yīng)反應(yīng)BrKNH2NH3HNNHHN苯苯炔炔O+EtO2CCO2Et?O+OOOOOOOOOOOOHHOOOP軌軌道道孤孤對對電電子子之之間間的的排排斥斥u呋喃水解為呋喃水解為- -二羰基化合

9、物二羰基化合物OH3CCH3CH3CO2H, H2SO4, H2OOOPlausible MechanismOH3CCH3H+OH3CCH3H+OH3CCH3HHH2OOH3CCH3HOHOH3CCH3OHHOH3CCH3OHHOHOH-H+OHOOO 呋喃、噻吩呋喃、噻吩 、吡咯的催化氫化、吡咯的催化氫化ONiH2ONHNiH2NHSMoS2H2S 吡咯的酸堿性吡咯的酸堿性NH氮原子的堿性：氮原子的堿性：由于氮的孤對電子和二烯共軛，由于氮的孤對電子和二烯共軛，所以堿性極弱：所以堿性極弱：Kb = 2.5 x 10-14;比苯胺弱：比苯胺弱：Kb = 3.8 x 10-10；質(zhì)子的酸性：質(zhì)子的

10、酸性：由于氮的孤對電子和二烯共軛作用，由于氮的孤對電子和二烯共軛作用，使吡咯的質(zhì)子容易離去，呈弱酸性：使吡咯的質(zhì)子容易離去，呈弱酸性： Ka = 10-15，比醇強(qiáng)：比醇強(qiáng)：Ka = 10-16，比酚弱：，比酚弱： Ka = 1.3 x 10-10 吡咯的重排反應(yīng)吡咯的重排反應(yīng)NHKOHNKCH3COClNCOCM3加加熱熱NHCOCH3CH3I (RI)NCH3 (R)加加熱熱NHCH3 (R)(1) CO2NH(2) H3O+COOHNHRMgXNMgXR XNRheatNHR 瑞穆爾瑞穆爾-蒂曼反應(yīng)蒂曼反應(yīng) (Reimer-Tiemann Reaction)NHCHCl3KOHNHCHO

11、+NClClClClHOHCl2CNNHKClClNClClHNHClH2ONHClHOHNHHClHONHHOHNHHOH-H+NHHOCl2CNHNHClClOH-NClClHOH-NClNClN NClN NN NNHNHHN與重氮鹽的偶聯(lián)反應(yīng)與重氮鹽的偶聯(lián)反應(yīng)呋喃、噻吩呋喃、噻吩 、吡咯的合成、吡咯的合成MeMeO OMeMeO OHOMeOHMeHP2O5OMeMe-H2OMeMeO OMeMeN OHNH2MeMeNHMeMe-H2O(NH4)2CO3HHNHMeOH2MeHOHMeMeO OP2S5SMeMeKnorr合成法合成法NH2OONH2NH2OEtOO+CH3CO2HN

12、HEtO2CCH3H3CCO2EtOEtNOEtOOOEtOOMeCO2HOEtOOHHHNH2OEtOHOOEtOOHNEtOH2OOOOEtOH-H2OHNEtOOOOEtONHEtO2COMeCOEt-H+H+NHEtO2COHMeCOEtNHEtO2CMeCOEtOHNEtO2CMeCOEtOH2HNHEtO2CMeCOEtHNHEtO2CMeCOEt-H+NOEtOOHH+MeMeO+NaOHNHCH3H3CONH3Cl-MeMeONaOHNHCH3H3CONH3Cl-ONHHNOHNHOHHOH-OH-16.3 一雜六元雜環(huán)化合物一雜六元雜環(huán)化合物16.3.1 吡啶的結(jié)構(gòu)吡啶的結(jié)構(gòu)

13、NHHHHHN 吡啶的軌道結(jié)構(gòu)吡啶的軌道結(jié)構(gòu) N0.134 nm0.139 nm0.140 nmCN: 0.146 nmC=N: 0.128 nm16.3.1 吡啶的性質(zhì)吡啶的性質(zhì)堿堿性性是弱堿：是弱堿：pKb = 8.8，但比三級胺弱：，但比三級胺弱： pKb = 4.2原因：吡啶上氮原子的孤對電子在原因：吡啶上氮原子的孤對電子在SP2軌道上，比三級軌道上，比三級胺（孤對電子在胺（孤對電子在SP3軌道上）軌道上）S成分多，降低了結(jié)合質(zhì)子成分多，降低了結(jié)合質(zhì)子的能力。的能力。堿性比苯胺強(qiáng)堿性比苯胺強(qiáng)2,6-二甲基吡啶的二甲基吡啶的Hantzsch的合成的合成H3CEtO2COOHHNH3CH3

14、CO2EtO-3H2ONHEtO2CCO2EtHHHNO3/H2SO4NEtO2CCO2EtHKOHH2ONHO2CCO2HHCaONHHeat+CaCO3吡啶上孤對電子的親核活性吡啶上孤對電子的親核活性NH XNHX-NSO3SO3R XNRX-HeatNHX-RNHX-+RBaseNRN+RNRClOORCl-Becoming more eletronphilic吡啶的親電取代和親核取代反應(yīng)吡啶的親電取代和親核取代反應(yīng)N由于氮原子的電負(fù)性較碳由于氮原子的電負(fù)性較碳大，吡啶環(huán)上碳原子的電大，吡啶環(huán)上碳原子的電子云密度比苯低，子云密度比苯低，親電取代反應(yīng)需要親電取代反應(yīng)需要Brnsted酸或酸

15、或Lewis酸促酸促進(jìn)，而吡啶的氮原子和酸進(jìn)，而吡啶的氮原子和酸作用使氮帶正電荷，進(jìn)一作用使氮帶正電荷，進(jìn)一步降低電子云密度。步降低電子云密度。1. 吡啶很難發(fā)生親吡啶很難發(fā)生親電取代反應(yīng)電取代反應(yīng)2. 不發(fā)生不發(fā)生Freidel-Crafts烷基化和烷基化和酰基化反應(yīng)?；磻?yīng)NBr2, 浮浮石石300 oCNBrHNO3/H2SO4300 oCNNO2濃濃 H2SO4200 oCNSO3HBr2, FeBr3BrHNO3/H2SO450 oCNO2發(fā)發(fā)煙煙 H2SO4SO3HRX/ AlCl3NRRX/ AlCl3R吡啶和苯的親電取代反應(yīng)比較吡啶和苯的親電取代反應(yīng)比較吡啶的親核取代反應(yīng)吡啶

16、的親核取代反應(yīng)由于電子云密度降低，吡啶比苯更容易發(fā)生親核取代反應(yīng)由于電子云密度降低，吡啶比苯更容易發(fā)生親核取代反應(yīng)NMe2RefluxNNHNa+H2H2ONNH2N+NaNH2NNH2NaNNH2HNaNNH2+ H-NNH-H2H2OMeRefluxNPhN+PhLi+LiHChichibabin ReactionNOCH3N+NaOCH3+NaClCl加加熱熱NOCH3ClNClOCH3NOCH3+Cl-氧化還原反應(yīng)氧化還原反應(yīng)NNa + C2H5OHNHor Ni/ H2H2O2NONHNO3NHO2CHO2C吡啶鎓離子的親核加成反應(yīng)吡啶鎓離子的親核加成反應(yīng)NRX-NORCl-吡吡啶啶

17、鎓鎓離離子子2424C-2和和C-4能和親核能和親核試劑發(fā)生加成反應(yīng)試劑發(fā)生加成反應(yīng)NORCl-NRX-Na2S2O4NORNRHHHHNRX-NaOHNROHOxidationNRO16.4 二雜五元雜環(huán)化合物二雜五元雜環(huán)化合物NS噻唑ThiazoleNHN吡唑PyrazoleNNH咪唑ImidazoleNHCH2CH2S噻吩Thiophene吡咯PyrroleCH2NH吡咯Pyrrole和相應(yīng)的吡咯、噻吩相比，吡唑、咪唑和噻唑的堿性和芳香性更強(qiáng)和相應(yīng)的吡咯、噻吩相比，吡唑、咪唑和噻唑的堿性和芳香性更強(qiáng)16.4.1堿性堿性pKb = 11.5NNH咪唑ImidazoleNN HNN HNHN

18、吡唑PyrazoleNHNNHNpKb = 6.8NS噻唑ThiazolepKb = 11.5吡啶吡啶: pKb = 8.8親電取代反應(yīng)親電取代反應(yīng)NHN吡唑PyrazoleElectron withdrawingElectronphilic吡唑的親電吡唑的親電取代反應(yīng)發(fā)取代反應(yīng)發(fā)生在生在C-4上上NXX = NH, 咪唑X = S, 噻唑Electronphilic親電取代反應(yīng)親電取代反應(yīng)發(fā)生在發(fā)生在C-5上上NXX = NH, 咪唑X = S, 噻唑HNO3 + H2SO4NXX = NH, 咪唑X = S, 噻唑HO3SNHN濃濃 H2SO4NHN200 oCO2N咪唑和吡唑的互變異構(gòu)現(xiàn)

19、象咪唑和吡唑的互變異構(gòu)現(xiàn)象NN5-甲甲基基吡吡唑唑H3CRNNH3C3-甲甲基基吡吡唑唑NN4-甲甲基基咪咪唑唑RNN5-甲甲基基咪咪唑唑H3CH3CRRNN4-甲甲基基咪咪唑唑HNHN5-甲甲基基咪咪唑唑H3CH3CNN5-甲甲基基吡吡唑唑H3CHNNHH3C3-甲甲基基吡吡唑唑16.5 二雜六元雜環(huán)化合物二雜六元雜環(huán)化合物NNNNNN噠噠嗪嗪pyridazine嘧嘧啶啶pyridazine吡吡嗪嗪pyridazineNHNHOO尿尿嘧嘧啶啶UracilNHNHOO胸胸腺腺尿尿嘧嘧啶啶thymineNHNONH2胞胞嘧嘧啶啶CytosineH3C組組成成核核酸酸的的物物質(zhì)質(zhì)嘧啶衍生物的合成嘧

20、啶衍生物的合成OOHHH2NNH2+OHClEtOH, heatHNNHOHOOH-H2OHNNONNOH2 2- -嘧嘧啶啶酮酮OOEtOOEtH2NNH2+OEtONaHNNHOEtOOEt-OEtHNNHONNOH巴巴比比妥妥酸酸EtOHOO-OOHOOHHNNHONNOH巴巴比比妥妥酸酸OOHOOHPOCl3NNClClClPd/CH2NN嘧啶的親電和親核反應(yīng)嘧啶的親電和親核反應(yīng)NNBr2160 oCNNBrNNNaNH2160 oCNNH2NCH3HCH3-H2NNCH3NHNaNaNH2NNCH3H2NH-H2NNCH3NaHN16.6 稠環(huán)雜環(huán)化合物稠環(huán)雜環(huán)化合物16.6.1 吲

21、哚及其衍生物吲哚及其衍生物NHH HROLewis AcidNHROHREWGNHEWGRNHBrBr2NHE+NHEHNHHE苯苯環(huán)環(huán)破破壞壞-H+NHE親親電電加加成成產(chǎn)產(chǎn)物物Fischer吲哚合成法吲哚合成法NHNH2+R1R2ONHNR2R1NHNHR2R13,3- -重重排排H+NNR2R1HHHNNR2R1HHHHNNH2R2R1HHNHNH3R2R1HNHR1R2+NH4NHNH2CO2HONHNCO2HNHNHCO2H3,3-重重排排NHCO2HNH3NNHCO2HHHNHCO2H250 oCNHLarock 吲哚合成法吲哚合成法NHIR1+R2R3LnPd(0)Base, L

22、iClNR3R2R1LnPd(0)LiClLnClPd(0)NHIR1NHPdR1LLClIR2R3LNHPdR1LClIR2R3NHR1PdR3R2LLClIBaseB-HXNR1PdR3R2LLClNR3R2R1氧氧化化加加成成碳鈀化反應(yīng)carbopalladation還還原原消消除除Larock, R. C.; Yum, E. K. J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 6689-669016.6.2 喹啉及其衍生物喹啉及其衍生物親電取代反應(yīng)親電取代反應(yīng)N苯環(huán)部分電子苯環(huán)部分電子云密度高，易云密度高，易發(fā)生親電取代，發(fā)生親電取代，易被氧化易被氧化吡啶環(huán)部分電子吡啶環(huán)部分電子云密度低，易發(fā)云密度低