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第二十章 杂环化合物 (Heterocyclic compounds). 第二十章 杂环化合物 (Heterocyclic compounds). 一 . 分类和命名 二 . 吡咯、呋喃和噻吩 三 . 吲哚 四 . 吡 啶 五 . 喹啉、异喹啉. 第一节 杂环化合物的分类和命名. 1.1 杂环化合物的分类. 第一类:无芳香性的杂环化合物. 例:. 四氢呋喃. 四氢吡咯. 六氢吡啶. 第二类:具有一定程度的芳香性的杂环化合物. 例. 呋喃. 吡咯. 吡啶. 芳杂环的数目很多,可根据环大小、杂原子的多少以及单环和稠环来分类。. - PowerPoint PPT Presentation
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第二十章 杂环化合物(Heterocyclic compounds)
一 .分类和命名
二 .吡咯、呋喃和噻吩
三 .吲哚
四 .吡 啶
五 .喹啉、异喹啉
第二十章 杂环化合物
(Heterocyclic compounds)
1.1 杂环化合物的分类
第一类:无芳香性的杂环化合物
例:O N
H NH
四氢呋喃 四氢吡咯 六氢吡啶
第一节 杂环化合物的分类和命名
第二类:具有一定程度的芳香性的杂环化合物
O
呋喃
NH
吡咯N
吡啶
例
芳杂环的数目很多,可根据环大小、杂原子的多少以及单环和稠环来分类。常见的杂环为五元、六元的单杂环稠杂环。
稠杂环是由苯环及一个或多个单杂环绸合而成。
1.1 杂环化合物的命名
1. 五元杂环
O
呋喃furan
S
thiophene
噻吩
NH
pyrrole
吡咯
采用外文名的音译,用带“口”字旁的同音汉字表示。
五元环中含两个或两个(至少有一个氮原子)以上的杂原子的体系称唑。
例:
imidazole
咪唑
NH
N
12
34
5NH
N12
34
5
pyrazole
吡唑
S
N
1
2
34
5
thiazole
噻唑
O
N
1
2
34
5
oxazole
噁唑
3. 稠杂环
N1
5
8
6
2
3
4
7
quinoline isoquinoline indole purine
N
1
5
8
6
2
3
4
7 NH12
3
4
5
6
7 9
N
N NH
N1
2
34
56
7
8
2. 六元杂环
N
pyridine
N
N
pyrimidine pyridazine pyrazine
吡啶 嘧啶
NN
哒嗪
N
N
吡嗪
喹啉 异喹啉 吲哚 嘌呤
第二节 吡咯、呋喃和噻吩
1.1 结构特点
O S N H
呋喃 噻吩 吡咯
平面结构 环上的原子均为 sp2 杂化
闭环共轭体系 π 电子数符合 4m+2
具有方香性¦° 56 体系
亲电取代反应活性: 吡咯、呋喃、噻吩大于苯
五元环亲电取代反应的主要产物: α– 取代
X+ E
X EX E X E
X
E
X
E
芳香性:苯>噻吩>吡咯>呋喃
1.2 性质1. 吡咯a. 吡咯的弱酸性
NH
KNH2
NH3
NK
K
NK
+ H2
C2H5MgBr
NMgBr
+ C2H6
吡咯的 pKa=16.5 ,比酚弱,比醇强,可与强碱( NaNH2 , KNH2 、 RMgX )或金属作用。
NK
1. CO2
2. H3O NH
COOH
CH3I
N
CH3
CH3CCl
O
N
COCH3
CHCl3/KOH
NH
CHO
△NH
CH3
△NH
COCH3
b. 亲电取代反应 主要产物为 α– 取代产物。吡咯环的稳定性较差,遇酸容易聚合,因此进行亲电取代反应要用较温和的试剂。
例:磺化试剂: N SO3
CH3CONO2
O硝化试剂:
NH
NBSNH
Br
ßÁà¤SO3
NH
SO3H
NH
NH
HNO3ÒÒôû
NH
NO2
Ac2O
NH
NH
CCH3
O
DMF,POCl3
NH
NH
CHO
NH
C6H5N2 Cl+ NH
N N C6H5
c. 加成反应
CH2 CHCO2CH3NH
+BF3
NH
CH2CH2CO2CH3
2). 呋喃a. 亲电取代反应
呋喃的稳定性较吡咯小,与亲电试剂往往得到加成产物,即使得到取代产物,也是由加成产物转化来的。
O
Br2,CS2
_ 50 ¡æ
HBr
OBr
O
H
Br H
Br
O
H
Br Br
H+
b. 加成反应
呋喃与亲双烯体迅速发生狄尔斯 - 阿德尔反应。
O
O
O
O+ 25℃
O
O
O
O
HH
+
OHH
OOO
O
H2 , Ni
O
HCl
140¡æ, 0.4MPaCl(CH2)4Cl
NaCN
H2OHOOC(CH2)4COOH
H2,NI
NC(CH2)4CN
H2N(CH2)6NH2
OCH3CH3
H2O,H2SO4,HOAcCH2 CH2
CC CH3CH3
O O
2, 5– 己二酮
呋喃遇浓酸聚合,遇稀酸呋喃水解为二醛:
O
H
O
HH H2O
O
HHH
OH2OO
HH
丁二醛
3). 噻吩a. 亲电取代反应
S
DMF,POCl3
NBS
SBr
HNO3, H2SO4
SNO2
H2SO4(95%)
SSO3H
Ac2O, SnCl4
SCCH3
O
SCHO
应用:把粗苯中的噻吩除去。
b. 加成反应S
O
O
O
HHS
+ O
O
O
100℃
高压
S
H2 , NiCH3CH2CH2CH3 + H2S
3. 合成a. 呋喃的工业制备
C5H8O4 n
聚戊糖
H , H2O
戊糖
3H2O
OCHO
HO CH CH OH
C CH OHH
OH CHO
H
O
NH S
Al 2O 3
, NH 3
Al 2O 3
, H2O
Al2O3, NH3
Al2O3, H2S
b. 取代吡咯、呋喃、噻吩的合成吡咯环的合成:①. Knorr (克诺耳)合成法:
CH3CO
CH3CH2OOCH
NH2
+
α– 氨基酮
COCH3
CH2COOCH2CH3
β– 二羰基化合物
H
NH
COOCH2CH3CH3
CH3CH2OOC CH3
CH3CO
CH3CH2OOCH2
Na NO2
HOAc
CH3CO
CH3CH2OOCH NO
CH3CO
CH3CH2OOC NOH
Zn , HOAcCH3CO
CH3CH2OOCH
NH2
②. Paal-Knorr (帕尔 - 克诺耳)合成法:
CH2 CH2
CC CH3CH3
O O
+ NH3△
NH
CH3CH3
CH2 CH2
CC CH3CH3
O O
+ RNH2△
NCH3CH3
R
2, 5- 己二酮
CH3COCH2CO2Et
③. Hantzsch (汉栖)合成法:
+ RNH2 CH3C CHCO2Et
NHR
ClCH2
COCH3
CH
C
EtO2C
NHRH3C
+ NCH3CH3
R
EtO2C
呋喃环和噻吩环的合成:
CH2 CH2
CCH2CO2HCC6H5
O O
C6H6 , P2O5
P2S5 △CH2 CH2
CC CH3CH3
O OS
CH3CH3
OCH2CO2HC6H5
第三节 吲哚吲哚为白色结晶,熔点 52.5℃ 。具有极臭的气味,但纯粹的吲哚在极稀时有香味,可作香料。
NH
可发生亲电取代反应,取代位置一般在第 3 位。
NH
Br
3- 溴吲哚Br2
OO 0¡æ
DMF, POCl3
20-30¡æNH N
H
CHO
3- 吲哚甲醛
NH
ßÁà¤SO3
NH
SO3H
3- 吲哚磺酸
含吲哚的生物碱广泛存在于植物中,如麦角碱、马钱子碱、利血平等。
NH
CH2COOH
β- 吲哚乙酸(植物生长调节剂)
色氨酸(蛋白质组分)NH
CH2CHCOOH
NH2
NH
CH2CH2 NH2HO
5- 羟基色胺(哺乳动物及人脑中思维活动的重要物质)
吲哚环的合成:
Fischer (费歇尔)吲哚合成法:将醛、酮、酮酸、酮酸酯或二酮的芳基取代腙在氯化锌、聚磷酸、三氟化硼等路易斯酸存在下加热。
NN
CH3H
苯乙酮苯腙
100℃PPA
NH
2- 苯基吲哚
环己酮苯腙
BF3,CH3CO2H
65℃ NH
四氢咔唑
机理:相当于联苯胺重排。
NH
N
第四节 吡啶一 . 结构和物理性质
N
N : sp2 杂化氮上还有一对电子未参与共轭,易接受质子,具有碱性。
碱性:脂肪胺>吡啶>芳香胺
吡啶是一个无色有恶臭的液体,与水及许多有机溶剂,如乙醇、乙醚等混溶,是良好的溶剂。
二 . 化学性质
芳环亲电取代
亲核取代氮上未成键电子对
碱性
亲核性
1. 吡啶环上氮的碱性及亲核性
N+ HCl
N
HCl
应用:OH
+ CH3CCl
O N OCCH3
O
N
+ CH3IN
CH3
I
2. 吡啶环上亲电取代反应
与苯环比较吡啶环是缺电子的芳香杂环,性质类似于硝基苯,它不能进行傅氏烷基化和酰基化反应。
N
BrBr2 , H2SO4(SO3)
130¡æN
N 265¡æ
H2SO4(SO3) , HgCl2
N
SO3H
3- 溴吡啶
3- 吡啶磺酸
N300¡æ
KNO3 , H2SO4(SO3)
N
NO2
3- 硝基吡啶
N NH220¡æ
Br2 , HOAc
N NH2
Br
3. 吡啶环上亲核取代反应吡啶环 2, 4, 6 位上的卤素容易被亲核试剂取代。
亲电取代位置在 3- 或 5- 位进行,为什么?
N Cl220¡æ
NH3 , ZnCl2
N
Br
Br
N NH2
NH3 , H2O
160¡æ N
Br
NH2
N Cl
NaOMe CH3OH
N OMe
除吡啶环 2, 4, 6 位上的卤素容易被亲核试剂取代外,吡啶环 2 位上的负氢离子也能被取代。
N H+ NaNH2
N NHNa+ H2
N NHNa
+ H2ON NH2
+ NaOH
N H+
N C6H5
+
4. 侧链 α-H 的反应
吡啶环 2, 4, 6 位烷基的 α-H 具有一定的酸性,其酸性与甲基酮的 α-H相同。
吡啶环上 2 位的负氢离子被亲核性极强的氨基负离子取代,同时有氢气放出,称齐齐巴宾( Chichibabi
n )反应。
C6H5Li LiH
N CH3
+H H
O ZnCl2
N CH2CH2OH
N
CH2CH3
CH3
NaNH2
N
CH2CH3
CH2CH3I
N
CH2CH3
CH2CH3
ZnCl2 的作用: N ZnCl2
吡啶成盐后,使吡啶环 2, 4, 6 位烷基的 α-H 酸性进一步增强,可以发生羟醛缩合和迈克尔反应:
N
CH3I
CH3
N CH3
+ CH3I
N
CH3I
CH3 + CHONH
25¡æ N
CH3I
CH2C
OH
H
NCH3 CH3I
+ 3CH2 CHCN(C2H5)3N
C2H5OH 25¡æ
NCH3 C(CH2CH2CN)3I
5. 吡啶的氧化和还原a. 氧化
CrO3
N N
COOH
COOH
N
N
CH3
HNO3
N
COOH NH3
N
CNH2
O
尼古丁(烟碱) 尼古丁酸(烟酸) 尼古丁酰胺(烟酰胺)
N
CH3 30%H2O2
70¡æ, 24h.
CH3COOH
N
CH3
O
CH3COOH
O
N N
O
注意:N
O
·¢ÑÌHNO3, H2SO4
90¡æ N
O
NO2
PCl3
N
NO2
应用:N N
NO2
b. 还原
N
H2 / Ni
25¡æ, 3 atm. NH
六氢吡啶(哌啶)
Sn , HCl
»òNa ,EtOHN NH
三 . 吡啶环合成
Hantzsch (汉栖)合成法: β- 酮酸酯、醛和氨缩合。
第一步: β- 酮酸酯和醛发生羟醛缩合
H2C O + Et2NH
第二步:发生迈克加成
+Et2NH
CO2EtEtO2C
CH3H3C OO
H2CCO2Et
COCH3
CCO2Et
COCH3
CH2
CCO2Et
COCH3
CH2 H2CCO2Et
COCH3
第四步:二氢吡啶环脱氢,生成吡啶衍生物
CO2EtEtO2C
CH3H3C NH
HNO3, H2SO4
CO2EtEtO2C
CH3H3C N
第三步:关环,生成二氢吡啶环
NH3, EtOHCO2EtEtO2C
CH3H3C OO
CO2EtEtO2C
CH3H3C NH
第五节 喹啉、异喹啉
N1
5
8
6
2
3
4
7quinoline isoquinoline
喹啉N
1
5
8
6
2
3
4
7 异喹啉
喹啉、异喹啉的性质与吡啶相似,具有弱碱性。
喹啉 pKa=4.94 异喹啉 Ka=5.40
Skraup (斯克洛浦)合成法:将芳香族伯胺与甘油同硫酸和一种氧化剂(如:硝基苯、五氧化二砷、氧化铁等)一起加热,即可得喹啉及其衍生物。
一 . 喹啉及其衍生物的合成
NH2
+ CH2 CH CH2
OH OH OH
ŨH2SO4
As2O5 N
反应过程:
①. 甘油在浓硫酸(或磷酸)作用下脱水生成丙烯醛,也可直接用 α , β-不饱和醛或酮。
CH2
CH
CH2
OH
OH
OH
H2SO4CH
CH
CH2
OH
OH
HC
CH2
CH2
O
OH
H2SO4HC
CH
CH2
O
②. 苯胺与丙烯醛发生迈克加成
NH2
+ CH2 CH CHO
NH
CH2
CH2HC
O
③. 质子化的醛对苯环进行亲电取代反应
NH
CH2
CH2HC
O
H
NH
CH2
CH2HC
OH
NH
CH2
CH2HC
OH
NH
CH2
CH2C
OHH
HH
NH
CH2
CH2C
OHH
H2O
NH
NH
④. 1, 2- 二氢喹啉氧化NO2
N
+NH2
例:
NH2
Cl ¸ÊÓÍ , H2SO4
NO2Cl N
Cl( 85-88% )
NH2
+ CH2 CH C CH3
O FeCl3 , ZnCl2
»ò H2SO4 NO2
N
CH3
( 73% )
CH2CH2NH2 Ac2OCH2
CH2
NHC
CH3
OP2O5
205¡æ
CH2CH2
NC
CH3
190¡æ
Pd
N
CH3
( 83% )
二 . 反应1. 亲电取代反应
亲电取代反应主要发生在碳环的 5 位和 8 位。
N
HNO3 , H2SO4
0¡æ N
NO2
+N
NO2
8- 硝基喹啉( 48% ) 5- 硝基喹啉( 52% )
N
HNO3 , H2SO4
0¡æ N
NO2
+N
NO2
10% 90%
2. 亲核取代反应亲核取代反应主要发生在吡啶环上。
喹啉环上 2 位和 4 位,异喹啉环上 1 位的氯原子容易被亲核试剂取代。
N
Cl
Cl
C6H5CH2CN,NaNH2
N
CHCN
Cl
C6H5
N
Cl
Cl
140¡æ
CH2(CO2C2H5)2 , NaH
N
CH(CO2C2H5)
Cl
N
NaNH2
N NH2
N N
C2H5
N Cl
CH3ONa
CH3OH N OCH3
C2H5MgCl
150¡æ
3. 侧链 α-H 的反应喹啉和异喹啉类似于吡啶,在喹啉 2 与 4 位侧链及异喹啉 1 位侧链上有活泼的 α-H ,可进行缩合和亲核取代反应。
N CH3
COOEt
COOEt
EtONa , EtOH
ÊÒÎÂ12h.N CH2 CCOOEt
O
90%
N
CH3
CH3
+
CHO
ZnCl2
100¡æ N
CH
CH3
CH
与吡啶类似,它们形成季铵盐后,侧链 α-H 活性提高。
N CH3
CH3CH2I
N CH3
CH2CH3I
N
CH2CH3I
OH
NCH2
EtN
CH2
CH2CH3I
N C2H5
4. 氧化及还原
N
CrO3
N
COOH
COOH吡啶 -2,3- 二甲酸
N
Sn , HCl
»òNa , ROH NH
H2 / Ni
NH
5. 含氧的六元杂环及含两个以上氮杂原子的六元杂环 (自学 )
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