Nonbenzonoid Aromatic 第二十章 非苯芳香化合物 Nonbenzonoid Aromatic Compound 2019/4/11

Aromaticity and Hückel’s Rule 20.1 芳香性和休克尔规则 Aromaticity and Hückel’s Rule 2019/4/11

一、芳香性 芳香化合物具有如下共同性质： ① 芳香化合物是环状化合物，比相应的开链化合物稳定，环不易破坏。 2019/4/11

② 芳香化合物虽是高度不饱和的，但它们易与亲电试剂发生取代反应，而不易发生加成。 ③ 芳香化合物是环状的平面的（或近似平面）分子，为一闭合的共轭体系。 2019/4/11

二、休克尔规则 苯、萘、蒽和菲等结构的共同特点是π电子离域。 根据这一设想，化学家们试图合成一些新的类型具有芳香性的化合物。 2019/4/11

1912年合成的环辛四烯，形式上是一个共轭体系，实际性质上与苯截然不同，具有烯的性质。不具有芳香性。 尤其是合成的环丁二烯极不稳定，只有在5K的超低温下，才能分离出来，温度升高立即聚合。它们都不具有芳香性。 2019/4/11

对于芳香族化合物来说，仅有π电子的离域作用还是不够的。 1931年休克尔用分子轨道法计算环的稳定性，得出休克尔规律： 2019/4/11

一个具有同平面的、环状闭合共轭体系的单环烯，只有当它的π电子数为4m+2时，才具有芳香性。 2019/4/11

结构特点：环中所有碳原子都是以sp2杂化形成环状化合物；成环原子在一个平面上，形成闭合环状共轭大π键；环中π电子数符和4m+2 规则，此化合物具有芳香性。 2019/4/11

π电子数满足4m+2 ，且环中所有碳原子在一个平面，形成环状共轭体系，所以，它们都具有芳香性。 14 10 14 π电子数满足4m+2 ，且环中所有碳原子在一个平面，形成环状共轭体系，所以，它们都具有芳香性。 2019/4/11

20.2 常见的非苯芳烃 定义：不含苯环的，共轭电子数符合4m+2的环多烯化合物，具有芳香性。这类化合物为非苯芳香化合物。 2019/4/11

一、环丙烯正离子(Cyclopropenyl Cation) π电子数为2，符合4m+2，是最简单的非苯芳香化合物。 2019/4/11

1957年后合成 2019/4/11

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二、环丁二烯双正离子 π电子数为2，符合4m+2，具有芳香性！ 2019/4/11

三、环戊二烯负离子 π电子数为 6，符合4m+2，具有芳香性！ 2019/4/11

+ 二茂铁 具有芳香性 2019/4/11

四、环庚三烯正离子 环庚三烯 π电子数为6，符合4m+2，具有芳香性！ 2019/4/11

环庚三烯酚酮 具有芳香性 2019/4/11

五、环辛四烯负离子 + π电子数为10，符合4m+2，具有芳香性！ 2019/4/11

六、轮烯 (Annulenes) 定义：具有交替的单双键单环多烯烃，称为轮烯。 分子式符合(CH)x 其中x ≥ 10 2019/4/11

1. [10]轮烯 π电子数为10，符合4m+2。有芳香性吗？ 2019/4/11

分子中环内空间太小，由于氢原子的阻碍，分子中的原子不可能在同一平面，所以无芳香性。 π电子数为10，符合4m+2。有芳香性吗？ 2019/4/11

2. [14]轮烯 π电子数为14，符合4m+2。有芳香性吗？ 具有芳香性！ 2019/4/11

3. [16]轮烯 有芳香性 [16]-轮烯 无芳香性 2019/4/11

4. [18]轮烯 [18]-轮烯 π电子数为18，符合4m+2，具有芳香性 2019/4/11

20.3 薁(Azulene) 与萘是同分异构体 π电子数为10 有芳香性 2019/4/11

练习：下列化合物是否具有芳香性？ 三者均有芳香性 2019/4/11

二者均有芳香性 二者均无芳香性 二者均无芳香性 2019/4/11

Heterocyclic compounds 20.3 杂环化合物 Heterocyclic compounds 2019/4/11

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 heterroatoms 2019/4/11

Antibiotic：Penicilin 2019/4/11

Antiulcer agent：Cimetidine 2019/4/11

Sedative： Phenobarbital（苯巴比妥） 2019/4/11

Nonnutritive sweetener： Saccharin（糖精） 2019/4/11

Natural Products： Heme（血红素） 2019/4/11

Natural Products： Chlorophyll a 2019/4/11

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20.3.1 分类和命名 Classification and Nomenclature 2019/4/11

一、分类 2019/4/11

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丁公藤碱 河豚毒素 2019/4/11

二、命名 1. 单杂环的命名 常见的单杂环为五元、六元环。 根据每个杂环化合物的英文名称音译，加上“口”字旁。 编号——使杂原子的位号尽可能小，如不止一个杂原子，按O，S，N的顺序编号。 2019/4/11

例如： Furan Thiophene Pyrrole Pyridine 吡啶 呋喃 吡咯 噻吩 2019/4/11

Pyrazine Pyrimidine Pyridazine 哒嗪 吡嗪 嘧啶 2019/4/11

2,5-二甲基呋喃 1-甲基吡咯 5-甲基咪唑 4-甲基-5-(2-羟乙基)噻唑 2019/4/11

对不同程度饱和的杂环化合物，不但要标明氢化(饱和)的程度，而且要标出氢化的位置。 四氢呋喃 四氢吡咯 六氢吡啶 Tetrahydrofuran 哌啶 2019/4/11

-吡喃 2,3-二氢吡咯 -Pyran 2019/4/11

2. 稠杂环的命名 简单稠杂环，采用与单杂环相同的方法。 复杂稠杂环，采用确定主体环的方法。 Quinoline Indole Isoquinoline 吲哚 喹啉 异喹啉 2019/4/11

Purine 嘌呤 咔唑 苯并噻唑 8-羟基喹啉 2019/4/11

在杂环化合物中，由于成环原子的排列组合方式和键合类型的多样性，杂环化合物的数量非常庞大，据统计，占已知有机化合物总数的65%以上。 饱和杂环化合物的性质与其相应的开链化合物相近，一般不列入杂化化合物讨论。 2019/4/11

Five-Membered Unsaturated Heterocycles 20.3.2 五元杂环化合物 Five-Membered Unsaturated Heterocycles 2019/4/11

一、吡咯、呋喃和噻吩的结构、芳香性和反应活性 2019/4/11

Lone Pair in p Orbital 1. 结构 sp2 Hybridized 2019/4/11

呋喃 噻吩 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 2019/4/11

2. 芳香性 五元杂环化合物的结构均符合休克尔规则，都具有一定程度的芳香性。 但由于环上存在电负性较大的杂原子，所以与苯不同，共轭体系中各原子电子密度不是平均分布，键长也不是完全相等，只是趋向于平均化，芳香性比苯小。 2019/4/11

五元杂环化合物的热力学稳定性小于苯，其共轭能(kJ/mol)数据如下： 苯 噻吩 吡咯 呋喃 150.6 117.5 90.4 66.9 三种五元杂环化合物的稳定性次序为： 苯 > 噻吩 > 吡咯 > 呋喃 2019/4/11

3. 反应活性 五元和六元杂环化合物偶极矩方向及数值(10-30C · m)如下： 2.33 1.70 6.03 5.25 5.76 6.33 2019/4/11

在五元杂环化合物中，电子离域的结果使环上碳原子周围电子密度增加，大大超过苯环。 其中呋喃和噻吩杂原子的+C效应部分抵消了-I效应，从而使偶极矩数值明显下降。 而吡咯杂原子的+C效应大于-I效应，使偶极矩的方向也发生改变。 2019/4/11

杂原子的+C效应又使共轭体系内部两个位(杂原子的邻位)的电子密度高于两个位(杂原子的间位)，因而亲电取代反应优先发生在位。 2019/4/11

五元杂环化合物一般发生在-位。 亲电取代反应的活性次序： 2019/4/11

二、吡咯、呋喃和噻吩的反应 1. 吡咯的性质和反应 （1）吡咯的弱酸性 它的pKa=16.5，比酚弱，可与强碱(NaNH2，KNH2、RMgX)或金属反应。 2019/4/11

吡 咯 钾 2019/4/11

α-吡咯甲酸 △ △ 2019/4/11

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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。 （2）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。 磺化试剂： 硝化试剂： 2019/4/11

吡咯环遇酸容易聚合。 2019/4/11

（3）卤代反应 吡咯与卤素直接反应得到多卤代产物。 ℃ 2019/4/11

吡咯一卤代产物，只能采取特殊的方法。 ℃ 2019/4/11

（4）磺化反应 吡咯不能直接与浓硫酸反应进行磺化。 100℃ 2-吡咯磺酸 2019/4/11

（5）硝化反应 2-硝基吡咯 2019/4/11

（6）Friedel—Crafts酰化反应 2–乙酰基吡咯 ~60% 2019/4/11

（7）加成反应 + 2019/4/11

吡咯催化加氢生成四氢吡咯 四氢吡咯 2019/4/11

2. 呋喃的反应 （1）亲电取代反应 ① 卤代反应 呋喃的稳定性较吡咯小，卤代反应在低温或非极性稀溶液中进行。 2019/4/11

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② 磺化反应 呋喃不能直接与浓硫酸进行磺化。 2019/4/11

③ 硝化反应 呋喃必须用温和的硝化试剂在低温下进行。 2019/4/11

④ Friedel—Crafts 酰化反应 2019/4/11

（2）加成反应 ① 催化加氢 2019/4/11

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② D—A环加成反应 呋喃表现出明显的共轭二烯烃性质。在低温下能与顺丁烯二酸酐发生D-A反应。 外型 25℃ + 内型 2019/4/11

③ 呋喃遇稀酸能水解为二醛 丁二醛 2019/4/11

2,5–己二酮 反应机理是？ 2019/4/11

3. 噻吩的反应 （1）亲电取代反应 ① 卤代反应 2019/4/11

② 硝化反应 2019/4/11

③ 磺化反应 25℃ 应用：除去苯中的噻吩！ 2019/4/11

④ 付—克反应 2019/4/11

（2）加成反应 + 噻吩中的硫对钯有毒化作用，使用Raney Ni 脱硫；二硫化钼催化氢化得四氢噻吩。 2019/4/11

三、吡咯、呋喃和噻吩工业制备 聚戊糖 戊糖 糠醛 2019/4/11

400℃ 2019/4/11

四、吡咯和呋喃的重要衍生物 2019/4/11

1. 糠醛 是一种无色液体，沸点162℃，在空气中易变黑。 是一种良好的溶剂。它不含α-H，有许多类似于苯甲醛的化学性质。 2019/4/11

+ 2019/4/11

醇溶液 2019/4/11

+ 2019/4/11

2. 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。 可发生亲电取代反应，反应活性高于苯低于吡咯，主要发生在杂环上第3位。 2019/4/11

（1）卤代反应 3-溴吲哚 2019/4/11

（2）硝化反应 3-硝基吲哚 2019/4/11

（3）付-克反应 3-吲哚甲醛 2019/4/11

（4）磺化反应 3-吲哚磺酸 2019/4/11

β-吲哚乙酸 植物生长调节剂 色氨酸 蛋白质组分 含吲哚的衍生物广泛存在于植物中。 β-吲哚乙酸 植物生长调节剂 色氨酸 蛋白质组分 2019/4/11

5-羟基色胺 哺乳动物及人脑中思维活动的重要物质 2019/4/11

五、含两个以上杂原子的五元杂环 噁唑 吡唑 咪唑 噻唑 2019/4/11

1. 结构和性质 新增加的一个氮原子上的孤电子对在环平面上，与环内的π电子不共轭，提供了接受质子的位置，因此吡咯系杂环的碱性都比吡咯强。 2019/4/11

思考： 的酸性大于 为什么？ 2019/4/11

咪唑分子间可形成氢键 吡唑通过氢键可缔合成二聚体 2019/4/11

吡咯系列杂环的亲电取代反应活性小于吡咯、呋喃和噻吩。 2. 亲电取代反应 吡咯系列杂环的亲电取代反应活性小于吡咯、呋喃和噻吩。 吡唑 异噻唑 异噁唑 2019/4/11

咪唑 噻唑 噁唑 2019/4/11

Six-Membered Unsaturated Heterocycles 20.5 六元杂环化合物 Six-Membered Unsaturated Heterocycles 2019/4/11

20.5.1 含一个杂原子的六元环化合物 2019/4/11

主要有下面几个重要的化合物 2019/4/11

一、结构和物理性质 2019/4/11

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。 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。 2019/4/11

二、化学性质 亲电取代 芳环 亲核取代 碱性 氮上未成键电子对 亲核性 2019/4/11

1. 吡啶环上氮的碱性及亲核性 2019/4/11

+ + 2019/4/11

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。 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。 亲电取代位置在β位进行，为什么？ 2019/4/11

3-硝基吡啶 2019/4/11

3-吡啶磺酸 2019/4/11

3-溴吡啶 2019/4/11

所有共振式均不如苯取代所生成的中间体稳定。 亲电取代反应可以进行，但是比较困难。 所有共振式均不如苯取代所生成的中间体稳定。 2019/4/11

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。 2019/4/11

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除吡啶环 2, 4, 6 位上的卤素容易被亲核试剂取代外，吡啶 2位上的负氢离子也能被取代。 + 2019/4/11

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(Chichibabin)反应。 + + 2019/4/11

4. 侧链α-H的反应 吡啶环2, 4, 6位上烷基的α-H具有一定的酸性，其酸性与甲基酮的α-H相当。 2019/4/11

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+ ZnCl2的作用： 2019/4/11

吡啶成盐后，使吡啶环2, 4, 6位上烷基的α-H酸性进一步增强，更易发生羟醛缩合和迈克尔反应。 + 2019/4/11

+ 2019/4/11

6. 吡啶的氧化反应 2019/4/11

尼古丁酸 (烟酸) 尼古丁(烟碱) 烟酰胺 2019/4/11

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7. 吡啶的N-氧化物生成与反应 （1）吡啶N-氧化物制备 2019/4/11

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（2）应用 2019/4/11

练习： 2019/4/11

8. 吡啶的还原反应 六氢吡啶 (哌啶) 思考：六氢吡啶和吡啶哪一个碱性强？ 2019/4/11

三、吡啶环合成 主要采用Hantzsch合成法——以β-酮酸酯、醛和氨原料进行缩合反应。包括四步反应。 2019/4/11

第一步：β-酮酸酯和醛发生羟醛缩合 + 2019/4/11

第二步：发生迈克加成反应 + 2019/4/11

第三步：关环，生成二氢吡啶环 2019/4/11

第四步：二氢吡啶环脱氢，生成吡啶衍生物 2019/4/11

20.5.2 含二个杂原子的六元环化合物 2019/4/11

20.6 苯并杂环化合物 2019/4/11

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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 pKa=5.40 2019/4/11

一、喹啉及其衍生物的合成 Skraup合成法：将芳香族伯胺、甘油、硫酸及一种氧化剂(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。 2019/4/11

+ 反应过程——主要有四步 2019/4/11

第一步：甘油在浓硫酸（或磷酸）作用下脱水生成丙烯醛。 2019/4/11

第二步：苯胺与丙烯醛发生迈克加成反应 + 2019/4/11

第三步：质子化的醛对苯环进行亲电取代反应 2019/4/11

第四步：1,2-二氢喹啉氧化 + 注：必须用相应的硝基苯 2019/4/11

例1 85-88% 2019/4/11

例2 + 73% 2019/4/11

二、喹啉和异喹啉反应 （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。 2019/4/11

+ 8-硝基喹啉 （48%） 5-硝基喹啉 （52%） 2019/4/11

+ 90% 10% 2019/4/11

（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。 2019/4/11

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（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。 2019/4/11

90% 2019/4/11

+ 2019/4/11

（4）氧化及还原 吡啶-2,3-二甲酸 2019/4/11

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