化学竞赛PPT-第八章 芳烃-杂环化合物

★ 孤对电子因为p-π共轭，而呈给电子效应。
★ 吡咯中氮原子为sp2杂化状态；形成三个σ键，一对孤
对电子所在p轨道与四个碳原子的p轨道平行重叠。 ★ 孤对电子因为p-π共轭，而呈给电子效应。
亲电取代反应的活性大于苯, 环上电子云密度比苯大.
芳香性顺序：
环上电子云分布不均，芳香性不如苯。
>
>物
O
O
非芳香性杂环化合物具有与相 O
应脂肪族化合物相类似的性质。 O
体现各自功能团的性质
O
Aromatic Heterocycles 芳香杂环化合物
N H
NO H
一 .Classification & Nomenclature:
按环的大小
Five-membered ring Six-membered ring
2、与NaNH2反应，往吡啶环上引入胺基。 将吡啶与氨基钠在N,N-二甲基苯胺溶液中加热到110℃，
吡啶环上2-位上的氢负离子被亲核性极强的氨基负离子取代， 同时有氢气放出。齐齐巴宾（Chichibabin）反应。
3、与苯基锂作用生成2-苯基吡啶，反应中间体已分离鉴 定，证明为1,2-加成产物：
五、氧化还原反应
N3 2
S 1
CH3 4 3 Br
5 O 2 Br 1
第一节 吡咯、呋喃和噻吩
它们都含有由五个原子和六个π-电子所组成的共轭体系，环 内原子上的电子云密度大于苯环。因此，是富电子的芳香杂环化 合物。如以苯环上碳原子的电荷密度为标准（作为0），则五元杂环化合物
的有效电荷分布为
一、结构
★ 分子呈平面型，氧原子为sp2杂化状态；形成两个σ键， 一对孤对电子所在p轨道与四个碳原子的p轨道平行重叠。
(1)可发生亲电取代，活性不如苯，主要在间位 N上一对未成键电子在sp2杂化轨道上
(2) 未参与形成环上共轭体系，可接受H＋——碱性 (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
二、 碱性和亲核性
吡啶为一弱碱，其共轭酸的pKa为5.23，介于氨和苯
吡咯、呋喃和噻吩衍生物
最重要的吡咯衍生物是含有四个吡咯环和四个次甲基(－CH= )交替相连 组成的大环( 环，读作“雷”) 化合物。其取代物称为卟啉族化合物。卟 啉环中含有四个吡咯环，每两个吡咯环在2位和5位之间由一个原子的碳桥 相连。卟啉环中有交替的单键和双键，整个大环组成共轭体系，有芳性， 其核磁共振谱中5-、10-、15-和20-位质子的化学位移为10 ppm。而氮原 子上的质子则为–2至–5ppm。
美国化学家
1964 年 ， Woodward 用 55 步 合 成 了叶绿素。1965年接着合成VB12，用 11年时间完成了全合成。 Woodward 一生人工合成了20多种结构复杂的有 机化合物，是当之无愧的有机合成大 师。
Woodward 20岁获博士学位，30 岁当教授，48岁时（1965年）获诺贝 尔化学奖。
Br2,CS 2
O
_ 50 ℃
H
Br + H
H
Br O H Br O Br
HB r
Br O
2、加成反应
呋喃的芳香性比较弱, 除进行亲电取代反应外；还容易进行
Diels-Alder反应。
O
+
O
O
O
O
O
+ HO
O
H
H O
O
H
OO
3、浓酸能使呋喃聚合，稀酸则使其水解为二醛(1,4-二羰基化合物):
3、糠醛(α－呋喃甲醛)
1.吡咯的弱酸性：它的pKa=16.5，比酚弱，比醇强，
可与强碱（NaNH2， KNH2、RMgX）或金属作用。
KNH2
吡咯钾 N
NH3 K
N H
K
N C2H5MgB r K
+ H2
+ C2H6
N Mg Br
2、碳原子上的取代反应
吡咯是富电子的芳香杂环化合物，与亲电试剂非常迅 速地反应，主要生成2-取代物。 正电荷分布在
1、呋喃、吡咯和噻吩的结构 2、五元杂芳化合物的化学性质 3、一些具有生理活性五元杂环化合物
三、六元杂环化合物
1、吡啶 2、喹啉
第二十章 杂环化合物
由碳原子和至少一个其他原子，如氧、硫、氮等组成的环， 称 为 杂 环 (hetercycles) 。 碳 以 外 的 原 子 ， 称 为 杂 原 子 (heteroatoms)。含有杂环的化合物，称为杂环化合物(pound)。 有机化合物中约一半为杂环化合物。
思考亲电取代反应主要发生在3位和5位？
H N+ E
+H E
N
HE
+
N
+
H NE
H E +N HE
N+
+
H NE
H E N+
HE
+
N
特点1：亲电取代反应主要发生在3位和5位。 特点2：硝化、卤化、磺化都在比较剧烈的条件下进行。 特点3：弗雷德尔-克拉夫特烃化和酰化反应。
四、卤代吡啶环上的亲核取代反应
20世纪30年代，费歇尔研究叶绿素结构问题， 发表100多篇有关论文。着重论证叶绿素噗吩取代 时，中心有1个镁原子。这些研究成果为最后合成 叶绿素铺平道路。
卟啉环中四个氮原子位置适当，可以与许多金属离子形成螯合物。血红素 分子中含有与卟啉环螯合的铁离子，它是血红蛋白中输送氧的组分。叶绿素 a分子中D环为二氢吡咯环。胆汁色素是血红素的降解产物，其中之一为胆红 素Ⅸα，与黄疸病引起的皮层黄色有关。
2-位和3-位碳上接受质子生成的正离子分别为：
H
NH H
H H
N H
N
N
H
H
HH
-H+
N
N
H
H
H
N
N
H
H
H+
H
N H
......
N
N
H
H
N
N
N
H
H
H
3、 加成反应 吡咯与亲二烯体不能起正常的狄尔斯-阿德尔反应，
只生成共轭加成产物
三、呋喃的化学反应
1、亲电取代
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。
1、亲电取代反应： 噻吩在亲电取代反应中的活性小于吡咯和呋喃，但
仍比苯大得多。
应用：把粗苯 中的噻吩除去。
2、加成反应 噻吩与马来酐在100℃下起狄尔斯—阿德尔反应：
+
S
O
100℃
O
O
S
O O
HO H
五、颜色反应
呋喃 HCl- 松木片 绿色 吡咯 HCl- 松木片 红色 噻吩 靛红-H2SO4 蓝色 糠醛 醋酸－苯胺 红色
胺之间，只能与强酸生成盐。
注意：吡啶是良好的亲核试剂，能与缺电子的基团发生反应。
N-酰基吡啶鎓盐
碘化N-甲基吡啶鎓盐是比酰氯和酸酐更好的酰化剂，
因为吡啶环是一个良好的离去基团。
三、吡啶环上的亲电取代
在亲电取代反应中吡啶的反应活性约为苯的百万分之 一，相当于硝基苯。
亲电试剂会首先与氮络合，进一步的反应是在活性进一步降低 的吡啶鎓离子上进行，或在平衡浓度极低的未络合的吡啶分子上进 行，因此，反应速率很慢。
3个原子上
前者正电荷分布在3个原子上，比后者更稳定，因此，主要生成2取代物。
注意：由于吡咯遇酸容易聚合，因此，在卤化、硝化和磺 化反应中都要用特殊试剂。吡咯还可以与重氮盐起 偶联反应，说明吡咯环相当活泼。
硝化试剂：
磺化试剂：
O CH 3CONO 2
N SO3
吡咯的碱性很弱，只有在强酸性介质中才能在碳原子上接受质子，在
3
5
4
2A
B
1 NH N
环
20
10
N HN
D
C
15
NN Mg
NN
OO
叶绿素
NN
Fe+
Cl-
NN
HO2C 血红素 CO2H
OO NH HN NH HN
HO2C
CO2H
胆红素Ⅸα
汉斯•费歇尔 （Fischer, Hans）
1881-1945 德国有机化学家
1930年因色素方面研究成就，获诺贝尔化学奖。
当环上有取代基时，取代基的位次从杂原子算起依次
用1, 2, 3, … (或α, β, γ, …)编号。
如杂环上不止一个杂原子时，则从O、S、N顺序依次 编号。两个杂原子相同时，从带有氢的杂原子编号，两个 杂原子都没有氢时，从最接近取代基的杂原子编号。编号 时杂原子的位次号之和应最小。例如：
4 CH35
1、吡啶环 2, 4, 6 位上的卤素容易被亲核试剂取代。
氯代吡啶对亲核取代反应的活性小于硝基氯苯而大于
氯苯，而N-甲基氯代吡啶鎓离子比硝基氯苯更容易起亲核
取代反应。
反应机理与硝基氯苯的亲核取代相似，即先加成，后 消去，活性中间体的结构为：
在2-氯吡啶和4-氯吡啶的活性中间体的共振式中，都 有一个结构式的负电荷在电负性大的氮原子上，因此，比 3-氯吡啶的活性中间体更稳定，使亲核取代反应更容易在 吡啶的2-位和4-位上进行。
费歇尔从胆汁主要有色物质胆红素入手研究吡 咯色素。第一个研究成果是血红蛋白质的非蛋白部 分、脊椎备注的输扭送色素。研究表明，血红蛋白 质是由CH基联结起来的4个不同取代吡咯，中心 有铁原子大环结构。1929年后，证明胆汁色素是 由卟吩氧化降解产生的线型四吡咯结构。1944年 发表有关胆红素合成论文。
用于区别检验五元杂环
小结：吡咯、呋喃、噻吩的亲电取代反应，对试剂及反应 条件必须有所选择和控制。