非苯芳香化合物課件

1、2022/8/11第二十章 非苯芳香化合物Nonbenzonoid Aromatic Compound2022/8/1220.1 芳香性和休克爾規(guī)則Aromaticity and Hckels Rule2022/8/13芳香化合物具有如下共同性質(zhì)： 芳香化合物是環(huán)狀化合物，比相應(yīng)的開鏈化合物穩(wěn)定，環(huán)不易破壞。一、芳香性2022/8/14 芳香化合物雖是高度不飽和的，但它們易與親電試劑發(fā)生取代反應(yīng)，而不易發(fā)生加成。 芳香化合物是環(huán)狀的平面的（或近似平面）分子，為一閉合的共軛體系。2022/8/15二、休克爾規(guī)則苯、萘、蒽和菲等結(jié)構(gòu)的共同特點是電子離域。根據(jù)這一設(shè)想，化學(xué)家們試圖合成一些新的類型具

2、有芳香性的化合物。2022/8/161912年合成的環(huán)辛四烯，形式上是一個共軛體系，實際性質(zhì)上與苯截然不同，具有烯的性質(zhì)。不具有芳香性。尤其是合成的環(huán)丁二烯極不穩(wěn)定，只有在5K的超低溫下，才能分離出來，溫度升高立即聚合。它們都不具有芳香性。2022/8/17對于芳香族化合物來說，僅有電子的離域作用還是不夠的。1931年休克爾用分子軌道法計算環(huán)的穩(wěn)定性，得出休克爾規(guī)律：2022/8/18一個具有同平面的、環(huán)狀閉合共軛體系的單環(huán)烯，只有當(dāng)它的電子數(shù)為4m+2時，才具有芳香性。4m+2m = 0，1，2，3 當(dāng)4m+2 = 2，6，10，14 有芳香性注意： m 不能趨于無窮大！2022/8/19結(jié)

3、構(gòu)特點：環(huán)中所有碳原子都是以sp2雜化形成環(huán)狀化合物；成環(huán)原子在一個平面上，形成閉合環(huán)狀共軛大鍵；環(huán)中電子數(shù)符和4m+2 規(guī)則，此化合物具有芳香性。2022/8/110101414電子數(shù)滿足4m+2 ，且環(huán)中所有碳原子在一個平面，形成環(huán)狀共軛體系，所以，它們都具有芳香性。2022/8/11120.2 常見的非苯芳烴 定義：不含苯環(huán)的，共軛電子數(shù)符合4m+2的環(huán)多烯化合物，具有芳香性。這類化合物為非苯芳香化合物。 2022/8/112電子數(shù)為2，符合4m+2，是最簡單的非苯芳香化合物。一、環(huán)丙烯正離子(Cyclopropenyl Cation)2022/8/1131957年后合成2022/8/1

4、142022/8/115二、環(huán)丁二烯雙正離子電子數(shù)為2，符合4m+2，具有芳香性！2022/8/116三、環(huán)戊二烯負(fù)離子電子數(shù)為 6，符合4m+2，具有芳香性！2022/8/117+二茂鐵具有芳香性2022/8/118四、環(huán)庚三烯正離子電子數(shù)為6，符合4m+2，具有芳香性！環(huán)庚三烯2022/8/119環(huán)庚三烯酚酮具有芳香性2022/8/120五、環(huán)辛四烯負(fù)離子+電子數(shù)為10，符合4m+2，具有芳香性！2022/8/121六、輪烯 (Annulenes) 定義：具有交替的單雙鍵單環(huán)多烯烴，稱為輪烯。分子式符合(CH)x 其中x 102022/8/122電子數(shù)為10，符合4m+2。有芳香性嗎？1.

5、 10輪烯2022/8/123分子中環(huán)內(nèi)空間太小，由于氫原子的阻礙，分子中的原子不可能在同一平面，所以無芳香性。電子數(shù)為10，符合4m+2。有芳香性嗎？2022/8/124電子數(shù)為14，符合4m+2。有芳香性嗎？具有芳香性！2. 14輪烯2022/8/125無芳香性有芳香性16-輪烯3. 16輪烯2022/8/126電子數(shù)為18，符合4m+2，具有芳香性18-輪烯4. 18輪烯2022/8/12720.3 薁(Azulene)與萘是同分異構(gòu)體電子數(shù)為10有芳香性2022/8/128練習(xí)：下列化合物是否具有芳香性？三者均有芳香性2022/8/129二者均有芳香性二者均無芳香性二者均無芳香性202

6、2/8/13020.3 雜環(huán)化合物Heterocyclic compounds2022/8/131 Cyclic Organic Compounds Carbocycles Heterocycles Carbocyclic rings contain only carbon atoms Heterocyclic rings contain one or more different atoms in addition to carbon N, O, S are the most common heterroatoms2022/8/132Antibiotic：Penicilin2022/8/13

7、3Antiulcer agent：Cimetidine2022/8/134Phenobarbital（苯巴比妥）Sedative：2022/8/135Saccharin（糖精）Nonnutritive sweetener：2022/8/136Heme（血紅素）Natural Products：2022/8/137Natural Products：Chlorophyll a2022/8/1382022/8/13920.3.1 分類和命名Classification and Nomenclature2022/8/140一、分類2022/8/1412022/8/1422022/8/1432022/8

8、/1442022/8/145丁公藤堿河豚毒素2022/8/146二、命名1. 單雜環(huán)的命名 常見的單雜環(huán)為五元、六元環(huán)。 根據(jù)每個雜環(huán)化合物的英文名稱音譯，加上“口”字旁。 編號使雜原子的位號盡可能小，如不止一個雜原子，按O，S，N的順序編號。2022/8/147例如：呋喃FuranThiophene噻吩Pyrrole吡咯Pyridine吡啶2022/8/148PyrimidinePyridazinePyrazine嘧啶噠嗪吡嗪2022/8/149 2,5-二甲基呋喃1-甲基吡咯 5-甲基咪唑4-甲基-5-(2-羥乙基)噻唑2022/8/150 對不同程度飽和的雜環(huán)化合物，不但要標(biāo)明氫化(飽和

9、)的程度，而且要標(biāo)出氫化的位置。Tetrahydrofuran四氫呋喃四氫吡咯六氫吡啶哌啶2022/8/1512,3-二氫吡咯 -吡喃 -Pyran2022/8/152QuinolineIsoquinolineIndole喹啉異喹啉吲哚2. 稠雜環(huán)的命名 簡單稠雜環(huán)，采用與單雜環(huán)相同的方法。 復(fù)雜稠雜環(huán)，采用確定主體環(huán)的方法。2022/8/153Purine嘌呤8-羥基喹啉咔唑苯并噻唑2022/8/154 在雜環(huán)化合物中，由于成環(huán)原子的排列組合方式和鍵合類型的多樣性，雜環(huán)化合物的數(shù)量非常龐大，據(jù)統(tǒng)計，占已知有機化合物總數(shù)的65%以上。 飽和雜環(huán)化合物的性質(zhì)與其相應(yīng)的開鏈化合物相近，一般不列入雜

10、化化合物討論。2022/8/15520.3.2 五元雜環(huán)化合物Five-Membered Unsaturated Heterocycles2022/8/156一、吡咯、呋喃和噻吩的結(jié)構(gòu)、芳香性和反應(yīng)活性呋喃噻吩吡咯2022/8/1571. 結(jié)構(gòu)Lone Pair in p Orbitalsp2 Hybridized2022/8/158呋喃噻吩 平面結(jié)構(gòu) 環(huán)上的原子均為sp2雜化 閉環(huán)共軛體系 電子數(shù)符合4m+22022/8/159 五元雜環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)均符合休克爾規(guī)則，都具有一定程度的芳香性。 但由于環(huán)上存在電負(fù)性較大的雜原子，所以與苯不同，共軛體系中各原子電子密度不是平均分布，鍵長也不是完全

11、相等，只是趨向于平均化，芳香性比苯小。2. 芳香性2022/8/160 五元雜環(huán)化合物的熱力學(xué)穩(wěn)定性小于苯，其共軛能(kJ/mol)數(shù)據(jù)如下： 苯 噻吩 吡咯 呋喃150.6 117.5 90.4 66.9 三種五元雜環(huán)化合物的穩(wěn)定性次序為：苯 噻吩 吡咯 呋喃2022/8/1613. 反應(yīng)活性 五元和六元雜環(huán)化合物偶極矩方向及數(shù)值(10-30C m)如下：2.331.706.035.766.335.252022/8/162 在五元雜環(huán)化合物中，電子離域的結(jié)果使環(huán)上碳原子周圍電子密度增加，大大超過苯環(huán)。 其中呋喃和噻吩雜原子的+C效應(yīng)部分抵消了-I效應(yīng)，從而使偶極矩數(shù)值明顯下降。 而吡咯雜原子

12、的+C效應(yīng)大于-I效應(yīng)，使偶極矩的方向也發(fā)生改變。2022/8/163 雜原子的+C效應(yīng)又使共軛體系內(nèi)部兩個位(雜原子的鄰位)的電子密度高于兩個位(雜原子的間位)，因而親電取代反應(yīng)優(yōu)先發(fā)生在位。2022/8/164 五元雜環(huán)化合物一般發(fā)生在-位。 親電取代反應(yīng)的活性次序：2022/8/165二、吡咯、呋喃和噻吩的反應(yīng)1. 吡咯的性質(zhì)和反應(yīng)（1）吡咯的弱酸性 它的pKa=16.5，比酚弱，可與強堿(NaNH2，KNH2、RMgX)或金屬反應(yīng)。2022/8/166吡咯鉀2022/8/167-吡咯甲酸2022/8/1682022/8/169 主要產(chǎn)物為-取代產(chǎn)物。 吡咯環(huán)的穩(wěn)定性較差，遇酸容易聚合，

13、因此進行親電取代反應(yīng)要用較溫和的試劑。（2）親電取代反應(yīng) 磺化試劑： 硝化試劑：2022/8/170 吡咯環(huán)遇酸容易聚合。2022/8/171（3）鹵代反應(yīng) 吡咯與鹵素直接反應(yīng)得到多鹵代產(chǎn)物。2022/8/172 吡咯一鹵代產(chǎn)物，只能采取特殊的方法。2022/8/1732-吡咯磺酸（4）磺化反應(yīng) 吡咯不能直接與濃硫酸反應(yīng)進行磺化。1002022/8/174（5）硝化反應(yīng)2-硝基吡咯2022/8/1752乙?；量?0%（6）FriedelCrafts?；磻?yīng)2022/8/176+（7）加成反應(yīng)2022/8/177四氫吡咯吡咯催化加氫生成四氫吡咯2022/8/178 呋喃的穩(wěn)定性較吡咯小，鹵代反

14、應(yīng)在低溫或非極性稀溶液中進行。2. 呋喃的反應(yīng) 鹵代反應(yīng)（1）親電取代反應(yīng)2022/8/1792022/8/180 磺化反應(yīng) 呋喃不能直接與濃硫酸進行磺化。2022/8/181 硝化反應(yīng) 呋喃必須用溫和的硝化試劑在低溫下進行。2022/8/182 FriedelCrafts ?；磻?yīng)2022/8/183（2）加成反應(yīng) 催化加氫2022/8/1842022/8/185 呋喃表現(xiàn)出明顯的共軛二烯烴性質(zhì)。在低溫下能與順丁烯二酸酐發(fā)生D-A反應(yīng)。 DA環(huán)加成反應(yīng)+25外型內(nèi)型2022/8/186 呋喃遇稀酸能水解為二醛丁二醛2022/8/1872,5己二酮反應(yīng)機理是？2022/8/188（1）親電取代

15、反應(yīng)3. 噻吩的反應(yīng) 鹵代反應(yīng)2022/8/189 硝化反應(yīng)2022/8/190 磺化反應(yīng)25應(yīng)用：除去苯中的噻吩！ 2022/8/191 付克反應(yīng)2022/8/192（2）加成反應(yīng)+ 噻吩中的硫?qū)︹Z有毒化作用，使用Raney Ni 脫硫；二硫化鉬催化氫化得四氫噻吩。2022/8/193聚戊糖戊糖三、吡咯、呋喃和噻吩工業(yè)制備糠醛2022/8/1944002022/8/195四、吡咯和呋喃的重要衍生物2022/8/1961. 糠醛 是一種無色液體，沸點162，在空氣中易變黑。 是一種良好的溶劑。它不含-H，有許多類似于苯甲醛的化學(xué)性質(zhì)。2022/8/197+2022/8/198醇溶液2022/8

16、/199+2022/8/11002. 吲哚 吲哚為白色結(jié)晶，熔點52.5。具有極臭的氣味，但純粹的吲哚在極稀時有香味，可作香料。 可發(fā)生親電取代反應(yīng)，反應(yīng)活性高于苯低于吡咯，主要發(fā)生在雜環(huán)上第3位。2022/8/11013-溴吲哚（1）鹵代反應(yīng)2022/8/11023-硝基吲哚（2）硝化反應(yīng)2022/8/11033-吲哚甲醛（3）付-克反應(yīng)2022/8/11043-吲哚磺酸（4）磺化反應(yīng)2022/8/1105 含吲哚的衍生物廣泛存在于植物中。-吲哚乙酸植物生長調(diào)節(jié)劑色氨酸蛋白質(zhì)組分2022/8/11065-羥基色胺哺乳動物及人腦中思維活動的重要物質(zhì)2022/8/1107五、含兩個以上雜原子的五

17、元雜環(huán)咪唑噻唑吡唑噁唑2022/8/11081. 結(jié)構(gòu)和性質(zhì) 新增加的一個氮原子上的孤電子對在環(huán)平面上，與環(huán)內(nèi)的電子不共軛，提供了接受質(zhì)子的位置，因此吡咯系雜環(huán)的堿性都比吡咯強。2022/8/1109的酸性大于為什么？思考：2022/8/1110 咪唑分子間可形成氫鍵 吡唑通過氫鍵可締合成二聚體2022/8/11112. 親電取代反應(yīng) 吡咯系列雜環(huán)的親電取代反應(yīng)活性小于吡咯、呋喃和噻吩。吡唑異噻唑異噁唑2022/8/1112咪唑噻唑噁唑2022/8/111320.5 六元雜環(huán)化合物Six-Membered Unsaturated Heterocycles2022/8/111420.5.1 含一

18、個雜原子的六元環(huán)化合物2022/8/1115主要有下面幾個重要的化合物2022/8/1116一、結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)2022/8/1117堿性： 吡啶是一個無色有惡臭的液體，與水及許多有機溶劑，如乙醇、乙醚等混溶，是良好的溶劑。 脂肪胺 吡啶 芳香胺2022/8/1118二、化學(xué)性質(zhì)芳環(huán)親電取代親核取代氮上未成鍵電子對堿性親核性2022/8/11191. 吡啶環(huán)上氮的堿性及親核性2022/8/1120+2022/8/11212. 吡啶環(huán)上親電取代反應(yīng) 與苯環(huán)比較吡啶環(huán)是缺電子的芳香雜環(huán)，性質(zhì)類似于硝基苯，它不能進行傅氏烷基化和酰基化反應(yīng)。 親電取代位置在位進行，為什么？2022/8/11223-硝基

19、吡啶2022/8/11233-吡啶磺酸2022/8/11243-溴吡啶2022/8/1125 親電取代反應(yīng)可以進行，但是比較困難。 所有共振式均不如苯取代所生成的中間體穩(wěn)定。2022/8/11263. 吡啶環(huán)上親核取代反應(yīng) 吡啶環(huán) 2, 4, 6 位上的鹵素容易被親核試劑取代。2022/8/11272022/8/1128 除吡啶環(huán) 2, 4, 6 位上的鹵素容易被親核試劑取代外，吡啶 2位上的負(fù)氫離子也能被取代。+2022/8/1129+ 吡啶環(huán)上2位的負(fù)氫離子被親核性極強的氨基負(fù)離子取代，同時有氫氣放出，稱齊齊巴賓(Chichibabin)反應(yīng)。2022/8/11304. 側(cè)鏈-H的反應(yīng) 吡

20、啶環(huán)2, 4, 6位上烷基的-H具有一定的酸性，其酸性與甲基酮的-H相當(dāng)。2022/8/11312022/8/1132+ZnCl2的作用：2022/8/1133 吡啶成鹽后，使吡啶環(huán)2, 4, 6位上烷基的-H酸性進一步增強，更易發(fā)生羥醛縮合和邁克爾反應(yīng)。+2022/8/1134+2022/8/11356. 吡啶的氧化反應(yīng)2022/8/1136尼古丁(煙堿)尼古丁酸(煙酸)煙酰胺2022/8/11372022/8/11387. 吡啶的N-氧化物生成與反應(yīng)（1）吡啶N-氧化物制備2022/8/11392022/8/1140（2）應(yīng)用2022/8/1141練習(xí)：2022/8/1142六氫吡啶(哌啶)8. 吡啶的還原反應(yīng)思考：六氫吡啶和吡啶哪一個堿性強？2022/8/1143三、吡啶環(huán)合成 主要采用Hantzsch合成法以-酮酸酯、醛和氨原料進行縮合反應(yīng)。包括四步反應(yīng)。2022/8/1144 第一步：-酮酸酯和醛發(fā)生羥醛縮合+2022/8/1145 第二步：發(fā)生邁克加成反應(yīng)+2022/8/1146 第三步：關(guān)環(huán)，生成二氫吡啶環(huán)2022/8/1147 第四步：二氫吡啶環(huán)脫氫，生成吡啶衍生物2022/8/114820.5.2 含二個雜原子的六元環(huán)化合物2022/8/114920.6 苯