有机化学11第十一章杂环化合物

如果以苯的硝化反应速率为1，噻吩的位硝化速 率为1.9104，位为3.2107
11.2 吡咯、呋喃、噻吩的性质与合成
亲电取代反应活性：
>
>
>
>
N
O
S
N
H
1．五元杂环化合物的亲电取代反应机理
亲电试剂进攻3,4-位
E
Z
E H
Z
E
H 两个共振式
Z
Z=N,O,S
-H+
E
杂原子利用其孤对电子
来稳定正碳离子 Z
H
ZG
E
E
H Z G HZ G
4．五元杂环化合物的加成反应
O
+
O
O O
O
N+
O
H
O
O O
O
O
O
N
O
O
O
N+
O
R
O
R N
O
O O
O S O
O O
O
O
H2O2
O
S
S
O
O O
O 不反应
5．吡咯的特殊反应
A. 酸性
pKb=2.89 N H
RMgX N -RH H
N MgX
K
N
N
H
K
pKb=13.6 说明吡咯N上的H具有酸性。 N
Br CH3COOH
Z NO2 Br2
Z NO2
位有第二类定位基， 后续基团进入不相邻 的位；
CH3COONO2
Z Br
O2N Z Br
位有第一类定位基， 则后续基团进入另一 位。
解释：
G为第二类定位基 Z=N,S
E ZG
E H
ZG
E
EH
ZG
ZG
亲电试剂进攻3-位，则导致正碳离子直接与 吸电子基团相连，这样的正碳离子不稳定。
机理：
X
Nu-
加成
N
X Nu
X Nu
N -X-
N Nu
X Nu N
消除
以上性质可以导致 在位和位生成苄 基负碳离子，生成 的苄基负碳离子可 以通过共振分散到 吡啶环上：
电负性大的N原子刚好带有负电，
N
有效地帮助分担加成产生的负电
荷，对稳定中间体——负碳离子
非常有好处，而且只有取代2-和
4-位时才能出现这样的情况。
亲电试剂进攻2,5-位
E
Z
E ZH
E ZH
E ZH
Z=N,O,S
-H+
产生三个共振式，
Z E 正碳离子更稳定
2．五元杂环化合物的亲电取代反应
A. 硝化
硝化试剂为温和的硝酸乙酰酯 (CH3CO)2O + HNO3 CH3COONO2
CH3COONO2
N
-100C
H
N NO2 H 51%
CH3COONO2
S I 00C
苯不能直接与碘反应 但噻吩可以，说明其 亲电取代活性远远高 于苯
Br2/CH3COOH
S
00C
S Br
C. 磺化
温和的磺化试剂
N SO3
N H
N SO3
O
N SO3 N
HCl
H
O SO3 N
HCl
H2SO4
S
室温
S SO3H
H2O
苯中含有少量噻吩可以用浓硫酸萃取除去
N SO3H H
O SO3H
S
00C
CH3COONO2
O
-5~300C
S NO2 60%
O NO2 35%
B. 卤代
氯化硫酰
SO2Cl2/(C2H5)2O
N Cl H
00C
N
H
Br2/C2H5OH Br
Br
00C
Br N Br
H
氯化硫酰是一种 温和的氯代试剂
Cl2 O Cl -400C
Br2/ O O
O
00C
O Br
I2/H2O
H NaNH2 N
O Cl
Na O
N
O +N
O Cl
O N
H
O +N
H
B. 活泼芳环的性质
a. 与重氮盐偶联
+ N
N NCl
H
b. Reimer-Tiemann反应
N NN H
N H
c. Kolbe反应
N H
CHCl3 NaOH
N CHO H
(NH4)2CO3 高温
H3+O N COONH4 H
N COOH H
E H
Z
只有进攻4-位时方可避开这种 情况，所以，当2-位为吸电子 基团时，后续基团进入4-位。
G
EE
E
E
Z G H Z G H Z G HZ G
G为第一类定位基 Z=N,S
E ZG
E H
ZG
E
EH
ZG
ZG
EE Z G HZG
E H
ZG E
虽然亲电试剂进攻3-位和5-位均 能产生正碳离子与推电子基团相 连的情况，但是，进攻5-位时产 生三个共振式，而且5-位的反应 活性比3-位高。
CH3 N
H CH3
源自乙酸铵
源自乙酰乙酸乙酯
R
C2H5OOC
COOC2H5 20 mol %
O N-OH C2H5OOC
R COOC2H5
CH3
N H
CH3
O O2, CH3CN, 回流
CH3 N CH3
在CH3COOH/H2O体系中，以H2O2为氧化剂，在加热回流条件下也可发生上述反应。
11.4 喹啉、异喹啉的性质与合成
+ H2SO4 S
D. Friedel-Crafts酰基化
(CH3CO)2O N 150~2000C H
(CH3CO)2O
S
SnCl4
(CH3CO)2O
O
BF3
O N C-CH3 H
O S C-CH3
O O C-CH3
五元杂环化合物的 亲电取代反应活性 高，所以，一般选 用弱的亲电试剂、 在低温条件下、采 用溶剂稀释时反应， 以防止五元杂环化
N
E H
N
亲电试剂进攻位
EH E
EH
EH
N
N
N
N
电负性大的N原子联有正电荷，很不稳定，只有取 代位时，方可避免这种情况。
B. 亲核取代反应
Cl Cl NaOCH3
N
OCH3 Cl
N
Cl 2NaNH2
N Cl
NH2 N NH2
Cl Cl NaCN
N
CN Cl
N
吡啶的亲核取代反 应发生在位和位
吡啶的亲电取代反 应发生在 位
5 6
4 3
7 8
N2
1
喹啉
b.p. 243C; pKa=5.4
1. 喹啉与异喹啉的性质
A. 亲电取代反应
5 6
7 8
4 3
N2
1
异喹啉
b.p. 238C; pKa=4.8
HNO3 N H2SO4
NO2 N
+ N
NO2
Br2 N
Br N
+ N
Br
H2SO4 N
浓H2SO4 HO3S 3000C
N SO3H
NaOCH3 N CH3
N CH2
N CH2
N CH2 N CH2
CH3
CH3 Br2
N CH3 H2SO4, 回流
Br CH3
CH3
Br CuCN, DMF NC
回流
N CH3
CH3
CH3 CN
N CH3
Ar
ArCHO, n-C3H7OH NC
CN
Ar =
N
回流
N
N
H
Ar
Ar
Cl
Cl
O
Br
CHO
A. 亲电取代反应——比苯的活性低
KNO3/HNO3/H2SO4/Fe
N
3000C
NO2 N 22%
20%SO3/H2SO4 N 2300C 24 hr
SO3H
N
71%
Br2 N 3000C 24 hr
Br N 30%
机理：
亲电试剂进攻位
E
E
N
NH
E NH
E NH
亲电试剂进攻位
E
E
H
N
N
E H
合物氧化或聚合。
3．基团定位效应
A. 位有取代基
COOH
CH3COOH
Z
Br2 Br
Z=N,O,S
COOH Z
Br CH3COONO2
Z Z=N,O,S
Br Z NO2
位有第二类定位基， 后续基团进入不相 邻的位；
位有第一类定位基， 后续基团进入相邻 的位。
解释：
G为第二类定位基 Z=N,O,S
C2H5OOC CH3
CH3 COOC2H5
N CH3
1. KOH 2. CaO
CH3 CH3 N CH3
R2
O CH3COCH2COOC2H5
R1
CHO CH3COONH4
R1
O
R1=H; CH3; Cl; Br; CH2Cl R2=H; CH3; Cl
R2
源自原料中的-CHO
O
COOC2H5
O C2H5OOC
一般硝化
O 条件即可
NO2 N
PCl3 还原
O
NO2 N
吡啶的亲电取代反应发生在位；N-氧化吡啶的
亲电取代反应发生在位；吡啶的亲核取代反应 发生在位和位。
D. 侧链的氧化反应
CH3 CH2CH3
N
KMnO4 H+
COOH COOH
N
CH3 KMnO4
N
H+
COOH N
H2NNH2
CONHNH2
N
O
CH3
NS
N CH3
CH3
NS
N
CH3C O OH
(CH3CO)2O
CH3C O OH
Br
O
O百度文库
CH2CH3 CH3 NaOCH3
N
NaOCH3 N CH3
CHCH3 CH3
N
ClCH2
O C-H
N CH2
CH3
N
CHCH2
CH3
N
C. N-氧化吡啶的亲电取代反应
H2O2 N
HNO3
N H2SO4
异烟酰肼(雷米封)
N N CH3
尼古丁
KMnO4 H+
COOH NH3 N
烟酸
CONH2 N
Cl
Cl
SeO2
CH3COO
N
CH3 O
O CH3COO
N CHO
E. 还原反应及成盐
H2 N Pt N 六氢吡啶(哌啶)
H
SO3
SO3
N
N
温和的磺化试剂
CrO3
CrO3
N
N
温和的氧化试剂，将醇氧化为醛。
RX N
d. 吲哚、咔唑及噻吩的Vilsmeier反应
POCl3 / DMF
N
ClCH2CH2Cl
C6H13
CHO
N C6H13
DMF / POCl3 N
CH3
CHO
N CH3
S DMF / POCl3
S CHO
S
CH2Cl2 室温
S
6．五元杂环化合物的合成
A. 无取代基的五元杂环的合成
(C5H8O4)n H3+O HO 多聚戊糖
H
互变异构转化为烯胺
C2H5OOC
CH3 COOC2H5
CH3 NH2 O CH3
H C2H5OOC
CH3 COOC2H5
CH3 N O CH3 H2 H
H CH3
C2H5OOC
COOC2H5
CH3 N O CH3 H2
H -H2O C2H5OOC
CH3 COOC2H5
CH3 N CH3 H
HNO3
G 亲电试剂进攻2E 位，则导致正碳 Z H 离子直接与推电
子基团相连，这 样正碳离子稳定。
G
EG
EH
Z
Z
G
G
EE
Z
HZ
EG H
Z G
E HZ
亲电试剂进攻这两
G
个位置时则无此共 振式。
E
HZ
B. 位有取代基 (当Z=O时)
不论呋喃的位是何种类型定位基，则后续基团均 进入另一位。
B. 位有取代基 (当Z=N,S时)
第十一章 杂环化合物
五元杂环亲电取代反应及基团定位效应 六元杂环亲电取代反应和亲核取代反应
五元杂环的合成 喹啉的反应 喹啉的合成
11.1 结构
1．分类 非芳香性杂环化合物
O
S
四氢呋喃 四氢噻吩 (醚类) (硫醚类)
N
H 四氢吡咯
(仲胺)
N
H 哌啶 (仲胺)
芳香性杂环化合物
34
2 O5
1
呋喃
N
H 吡咯
五元杂环
S 噻吩
N 吡啶 六元杂环
N
N
喹啉
异喹啉
稠杂环
2．结构
NH
O
S
键长0.1383nm 键长0.1371nm 键长0.1429nm
键长0.1362nm 键长0.1361nm
键长0.1431nm
键长0.1741nm 键长0.1370nm 键长0.1423nm
形成 56大键，整体电子云密度升高，使亲电取 代反应更为容易；键长并未完全平均化，电荷密 度分布不均匀，使得亲电取代反应发生的位置具 有选择性。其中2,5-位称为位；3,4-位称为位。
NX R
O R-C-Cl + ROH N
N
O
R-C-N
O
R-C-OR + N Cl ROH H
Cl
HCl
N
N Cl H
2．Hantzsch法合成取代吡啶
O
CH3CCH2COOC2H5
CH3CHO NH3
H CH3
C2H5OOC
COOC2H5
CH3 N CH3
CH3
HNO3 C2H5OOC
COOC2H5 1. KOH
O
O
R1-C-CH2CH2 -C-R2
P2O5
P2S5
R1 O R2
R1 S R2
(NH4)2CO3 R1 N R2 H
1,4-二酮的合成要用到“负碳离子反应”的内容
11.3 吡啶的性质与合成
56
亲电取代反应活性低；
4
N1
32
由于sp2杂化轨道上的电子 可与水形成氢键，吡啶与 水互溶。
1．吡啶的性质
Z
G E
G
EG
EH
Z
Z
G
Z
E H
亲电试剂进攻2-位，则导致正碳离 子直接与吸电子基团相连，不稳定。
E H
Z
G 如果进攻4-位，不仅其本身活性 低，而且也不如进攻5-位时产生 的共振式多。
G
G
G
EE
Z
HZ
E HZ
G E HZ
进攻5-位最有利。
G为第一类定位基 Z=N,O,S
G E
Z
G
E ZH
G
E ZH
OH OH
O OH
Cr2O3
O CHO ZnO
O
CH CH 2HCHO CuCl/NH4Cl
5000C HOCH2C CCH2OH NH3
N
6000C
H
CH3CH2CH2CH3 + 4S
S
HOOC(CH2)4COOH SOCl2 HOOC
S
H2O
O
H2S
COOH
NH3 H2O
H2S
N
NH3
S
H
B. 位有两个取代基
N
-SO3H中的H+与吡啶的N中和生成分子内盐。
生成稳定的热力学产物， 相当于对-氨基苯磺酸内盐。
Cl
Cl
HSO3Cl
N CH3 OH
ClO2S
N CH3
OH
N OH
O H-C-H (37%) 浓盐酸及HCl气体
CH2Cl
N OH
HNO3 N H2SO4
NO2 N
H2SO4 N
SO3H N
Br2 N
Br N
解释：
亲电试剂进攻5,8-位
亲电试剂进攻6,7-位
HE
E
N
N
HE N
产生两个共振式
E
H E
N
N
产生一个共振式
B. 亲核取代反应
CH3
CH3 N CH3
2. CaO CH3 N CH3
反应过程：
O CH3CCH2COOC2H5 CH3CHO
CH3
COOC2H5
C=C
Knoevenagel反应 H
COCH3
O CH3CCH2COOC2H5 NH3
NH CH3CCH2COOC2H5
亲核加成生成亚胺
CH3
COOC2H5
C=C
H2N