Heterocyclic compounds

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1 Heterocyclic compounds
有机化学 第十六章 杂环化合物 Heterocyclic compounds

2 环状化合物，环上除碳，还有杂原子（N、O、S等） 环具有芳香结构和一定的稳定性（闭合共轭体系）
根据以上定义，酸酐、环氧、内酯、内酰胺不属杂环化合物 核酸碱基 ： B= 自然界分布 血红素、叶绿素 生物碱、天然或合成药成分 维生素、植物色素、植物染料

3 一 、杂环化合物的分类和命名 含一个杂原子 单环 呋喃 吡咯 噻吩 五元环 噁唑 咪唑 噻唑 含两个杂原子 异噁唑 吡唑 异噻唑

4 含一个杂原子： 吡啶 吡喃 六元环 含两个杂原子： 哒嗪 嘧啶 吡嗪

5 喹啉 异喹啉 蝶啶 吖啶 稠杂环 吲哚 嘌啉 咔唑

6 命名： 1. 音译名 （同音汉字加“口”字旁） 2. 当作碳环芳香化合物的衍生, 如： 3. 环上原子的编号顺序
1. 音译名 （同音汉字加“口”字旁） 2. 当作碳环芳香化合物的衍生, 如： 3. 环上原子的编号顺序 ① 从杂原子开始 1，2，3，4…… ② 不止一个杂原子，按O，S，N顺序编号 ③ 取代基位次之和最小原则

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8 二、一杂五元杂环化合物 1. 结构特点 a. 杂原子p轨道上一对未共用电子参与环上共轭——π56

9 杂原子电负性比C大，周围电子云密度较大。 环上电子云分布不均，芳香性不如苯。 O电负性最大，呋喃芳香性最差
b. 芳香性顺序： 电负性 O N S 杂原子电负性比C大，周围电子云密度较大。 环上电子云分布不均，芳香性不如苯。 O电负性最大，呋喃芳香性最差

10 芳香性证据： ① NMR 化学位移低 环电流的存在，各向异性去屏蔽 ②偶极矩：

11 芳香性不如苯： 键长不完全平均化 电子云密度分布不均 c. 环上电子云密度比苯大， 亲电取代反应的活性大于苯

12 反应活性太高，环稳定性差， 需在温和条件下进行，否则产物复杂
2. 呋喃、噻吩、吡咯的反应 a. 亲电取代活性： ，反应速度以苯为1 则 以若 反应活性太高，环稳定性差， 需在温和条件下进行，否则产物复杂

13 取代一般发生在α-位

14 b. 亲电取代的定位规则 i. 杂原子的定位效应——邻位定位效应 p-π 共轭——邻位电子云密度最大 生成的中间体正离子稳定性大小
α-位取代： β-位 取代：

15 ii. 当环上已有一个取代基 β- 取代： α- 取代：

16 c. Diels-Alder反应

17 d. 加氢还原

18 e. 吡咯的酸碱性 p-π 共轭，碱性极弱，pKb＝13.6 N上的H有酸性，pKa＝15

19 吡咯特有的反应 与重氮盐的反应

20 三、含一个杂原子的六元环化合物 1. 吡啶的结构 5C、1N共面，都是sp 杂化， 6个p轨道侧面交叠形成闭合大π 键。 2

21 N的电负性>C，吸电子使环上电子云密度降低（性质与硝基苯相似）
① N上一对未成键电子在sp2杂化轨道上， 未参与形成环上共轭体系，可接受H＋——碱性 N的电负性>C，吸电子使环上电子云密度降低（性质与硝基苯相似） ② 可发生亲电取代，活性不如苯，主要在间位 ③ 邻对位可发生亲核取代 ④ 邻对位的侧链α-H有酸性 ⑤ 比苯难氧化，但易还原

22 2. 吡啶的化学反应 a. 碱性 b. 亲电取代

23 c. 亲核取代 d. 氧化还原反应 N吸电子，使环稳定性 增加，氧化主要发生在 侧链，异环或N原子上

24 还原比苯易 e. 侧链α-H的反应性： 2,4,6-位有烷基取代，其α -H有酸性

25 四、含两个杂原子的杂环化合物 1. 五元双杂环化合物 a. 物理性质 分子间形成氢键，b.p.(m.p.)高

26 b. 结构与反应性 ①电负性较大，吸电子，环上电子 云密度降低，亲电取代变难，主要 发生在该N的间位 ② 引入的N，电子结构与吡啶中相 引
同未共用电子对在sp2杂化轨道上不 参与环的共轭，也有碱性 ③ 环上电子云密度降低，对酸、 氧化剂的稳定性增大 引 入 一 个 N 以咪唑为例：

27 跟引入的N原子与另一杂原子的相对位置和性质有关：
i. 碱性 跟引入的N原子与另一杂原子的相对位置和性质有关： 1,3-唑：另一杂原子在间位，诱导吸电子弱，碱性较强。 1,2-唑：另一杂原子在邻位，诱导吸电子大得多， 碱性较1,3-唑弱，但比吡咯强。

28 ii. 亲电取代反应 活性比相应的但杂化合物差。反应条件要求比较剧烈。 1,3唑5位， 唑的间位定位效应。 1,2唑4位， 1,2唑：
1,3唑：

29 iii. 侧链的氧化（环的稳定性） iv. 互变异构的现象 含两个N原子的杂环化合物，这两个杂原子的电子结构 不同，在一定的条件下可以互变：

30 2. 双杂六元杂环化合物 食用香精20多种 ……

31 结构与反应性 环上引入第二个N原子， 相当于一个NO2的吸电子效应。 使 另一个N上的电子云密度降低碱性变弱
环上电子云密度降低亲电取代变难 （不能发生硝化、磺化，只发生卤代） 使

32 pKb＝12.7 亲核取代变易： 稳定性增加: （嘧啶空气中不氧化，而吡啶则变色）

33 五、稠杂环化合物和生物碱 1. 吲哚

34 吲哚的制备 ——Ficher合成法

35 要制备吲哚本身：

36 2. 喹啉 pKb=9.06 性质与 相似 pKb=8.8 亲电取代较难：主要发生在异环α -位 也能发生邻、对位的亲核取代：

37 喹啉的制备——Skraup 合成法 历程：

38 3. 嘌呤 核酸DNA中的 两种碱基

39 合成方法：陶贝（Traube）合成方法

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41 五元单杂化合物的合成：

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