17杂环化合物

考研有机化学《杂环化合物》章节思维导图，希望可以帮助到大家梳理。

17杂环化合物

• 分类和命名
• 呋喃、噻吩、吡咯
  • 结构
    • 呋喃中的O，噻吩中的S和吡咯中的N都是SP2杂化的，p轨道都含有两个电子，其他原子的p轨道平行，形成芳香大π键，这样就相当于是五元环含有六电子，电子云密度比苯高，因此比苯容易发生亲电取代
  • 质子化反应
    • 吡咯的质子化
      • 吡咯可以发生α-C质子化、β-C质子化和N上质子化，但α-C质子化是主要的
        • 因此，吡咯在强酸下会因聚合被破坏。当杂环上有吸电子基时，该质子化反应不易发生
    • 呋喃质子化
      • 呋喃在稀酸的条件下，氧上的质子化会导致开环反应的发生
    • 噻吩的质子化
      • 噻吩既能发生α－C质子化，也能发生硫的质子化反应，但不会聚合和开环
  • 亲电取代反应
    • 反应活性比较
      • 由于呋喃、噻吩、吡咯比苯环电子云密度高，因此比苯容易发生亲电取代反应
        • 吸电子诱导：O＞N＞S，给电子共轭：N＞O＞S
          • 综合来看给电子效应：N＞O＞S
        • 亲电取代反应活性：吡咯＞呋喃＞噻吩＞苯
    • 反应式
      • 硝化
      • 磺化
      • 卤化
      • F-C酰基化
    • 定位效应
      • ★杂原子的电子效应直接判断法
        • 呋喃，噻吩，吡咯的杂原子相当于是给电子的邻对位定位基，α位相当于是杂原子的邻位，β位相当于是杂原子的间位，因此呋喃，噻吩，吡咯的亲电取代主要发生在α位
        • 当环上有取代基时，类似苯环上多取代基定位效应，看各取代基的综合效应
        • 当3-位有取代基时：若为邻对位定位基，在2位反应；若为间位定位基，在5位反应
        • 当呋喃2-位有取代基时：无论是什么取代基，均在5位反应
        • 当吡咯和噻吩2-位有取代基时：若为邻对位定位基，反应主要在5位；若为间位定位基，主要在4位
      • 中间体共振式稳定性判断法
  • 催化氢化
    • 呋喃与吡咯可用一般催化剂还原，噻吩能使一般的催化剂中毒，需要用特殊的催化剂（如：MoS2）
    • 噻吩在兰尼镍作用下，可进行脱硫反应生成烃类化合物
  • D-A反应
    • 呋喃和吡咯都很容易发生D-A反应，而噻吩一般不容易发生D-A反应
    • ★吡咯的加成产物加热还会发生重排
• 吡啶
  • 结构
    • 吡啶的N也是sp2杂化的，孤对电子位于sp2杂化轨道，p轨道含有一个电子，与其他碳原子的p轨道平行，形成芳香大π键。不容易发生亲电取代，而容易发生亲核加成反应
  • 吡啶和吡咯的碱性
    • 吡咯N孤对电子在p轨道上，往芳环供电子，碱性很弱。而吡啶N孤对电子在sp2杂化轨道上，且吸芳环电子，因此碱性大（即，碱性：吡啶＞吡咯）
  • 亲电取代反应
    • 在N上发生反应
      • 吡啶的N上有一定的碱性，用质子的硝化试剂、磺化试剂时，会形成吡啶盐
      • 如果使用非质子的硝化试剂、磺化试剂或卤素、卤代烃、酰氯进行反应时，也能形成相应的吡啶盐，并可作为温和的硝化、磺化、卤化、烷基化、酰基化试剂
    • 在C上发生反应
      • 吡啶整个芳环电子云密度比苯低，且形成吡咯盐后具有正电荷，亲电试剂在进攻会形成双正离子，能量更高，因此亲电取代反应活性，需要比较剧烈的反应条件。环上如有给电子基团，会增加吡啶环上的反应活性
    • 定位效应
      • 杂原子的电子效应判断法
        • 吡啶N原子对芳环不仅有吸电子诱导作用还有吸电子共轭作用，类似于硝基，在进行亲电取代反应时看作吸电子的间位定位基，因此吡啶亲电取代反应主要发生在β位
        • 当吡啶的α位或γ位有邻对位定位基时，反应仍在β位
        • 当β位强给电子取代基（如：氨基，烷氧基）超过吡啶环的吸电子效应时，亲电取代发生在2位
        • 当β位有弱给电子取代基（如烷基），则吡啶N的吸电子作用起决定性作用。亲电取代仍发生在β位
      • 中间体共振式稳定性判断法
        • 在C-2位，C-4位进攻生成的中级体共振式中，有正离子位于N上的，特别不稳定，因此反应在C-3位发生
  • 亲核取代反应
    • 氢被置换的亲核取代反应
      • 置换氢的亲核取代反应，最后一步负氢的离去需要氧化剂作为负氢的接受体
      • 烷基化与芳基化
        • 与烷基锂或芳基锂进行加成，得到二氢吡啶锂盐，在氧化剂的作用下或加热，使环芳构化
      • 氨化
        • 用氨基钠进行反应，将氢置换为氨基，通常吡啶的N的邻位比对位反应活性高，邻位被占据时，再在对位反应
    • 易离去基团被置换的亲核取代反应
      • 吡啶N的邻位或对位有好的离去基团时，如（Cl，Br，NO2等），可以与氨（或胺）、烷氧化物、水等亲核试剂发生亲核取代反应
    • 定位效应
      • 杂原子的电子效应判断法
        • 吡啶N的吸电子效应使得其类似于硝基，在芳香亲核取代反应中是邻对位定位基
      • 中间体共振式定位判断法
        • 在C-2和C-4位进攻，形成的中间体有负离子在N上的共振式，比较稳定
        • 而在C-3位进攻，形成的中间体没有负离子在N上的共振式
  • 氧化反应
    • 吡啶不易被氧化，因此烷基吡啶氧化时主要是侧链氧化
    • 吡啶与过酸反应会生成吡啶N-氧化物
  • 吡啶N-氧化物的反应
    • 亲电取代反应
      • 吡啶N－氧化物与吡啶不同，进行亲电取代反应比较容易。反应可以在α位和γ位发生，且主要在γ位发生
        • 因为亲电取代试剂进攻α位和γ位时，生成的中间体中有满足所有原子都是八隅体的共振式，比较稳定
    • 亲核取代反应
      • N-氧化吡啶还能进行亲核取代反应。反应也在α位和γ位发生
        • 也因为生成的中间体中有满足所有原子都是八隅体的共振式，比较稳定
    • 与卤代烃反应
      • 卤代烃与N-氧化吡啶反应，生成N-烷氧基吡啶，然后在碱中过通过加热形成醛
    • N-氧化物的还原
      • N-氧化物亲电取代或亲核取代后，还可以用三氯化磷处理，又会得回吡啶
  • 吡啶侧链α-H的反应
    • 吡啶N的邻位和对位侧链α-H失去后，形成的碳负离子的负电荷可以共振到吡啶N上，因为吡啶N的电负性大，稳定负电荷的能力强，所以很稳定
      • 因此吡啶N的邻位和对位侧链α-H与羰基的α-H相似，在强碱催化下可进行缩合、烷基化反应
• 唑
  • 结构
    • 都含有一个吡啶N和一个p轨道上有孤对电子的O、S或吡咯N。也是五原子六电子体系
  • 亲电取代反应
    • 反应活性比较
      • 唑是五原子六电子芳香体系，比苯环电子密度高，因此比苯容易发生亲电取代反应。但由于唑性吡啶N的吸电子作用，其电子云密度小于呋喃、噻吩、吡咯，亲电反应活性小于呋喃、噻吩、吡咯
    • 反应式
      • 硝化
      • 卤化
      • 磺化
      • 烷基化
        • 唑中吡啶N的碱性大，一般烷基化总是在吡啶N上发生
        • 咪唑中的吡啶N能与吡咯N互变，因此可以形成二烷基化产物
      • 酰基化
        • 与烷基化类似，反应发生在吡啶N上。由于酰基的吸电子作用，可以停留在一元阶段
    • 定位效应
      • 中间体共振式稳定性判断法
        • 1，2–唑的亲电取代主要在C-4位发生
          • 因为亲电试剂在C-3位和C-5进攻时，生成的中间体有正电荷位于吡啶N上的共振式，特别不稳定
        • 1，3–唑的亲电取代主要在C-4，C-5位发生
          • 因为亲电试剂在C-2位进攻时，生成的中间体有正电荷位于吡啶N上的共振式，特别不稳定
• 二嗪
  • 结构
    • 二嗪含有两个吡啶N，电子云密度更低，更难发生亲电取代反应。在吡啶N的邻对位同样能发生亲核取代反应
  • 亲电取代反应
    • 二嗪亲电取代反应活性低。反应主要发生在吡啶N的间位
  • 亲核取代反应
    • 与吡啶类似，二嗪吡啶N的邻对位也能发生芳香亲核取代反应
  • 氧化反应
    • 与吡啶类似，二嗪的吡啶N也能被过酸氧化成N-氧化物。生成的N-氧化物也能进行亲电取代和亲核取代反应
  • 侧链α－H的反应
    • 与吡啶相似，二嗪的吡啶N的邻对位烷基的α-H也很活泼，可以发生缩合、烷基化等反应
• 苯并呋喃、苯并噻吩、吲哚
  • 结构
    • 杂环中的杂原子与呋喃、噻吩、吡咯中的杂原子相似，也是有一对孤对电子在P轨道，因此是有10个π电子的共轭体系，具有芳香性。杂原子电子云密度比苯环大，因此亲核取代反应在杂环发生
  • 亲电取代反应
    • 杂环电子云密度比苯环大，亲电取代反应在杂环发生
    • 定位效应
      • 中间体共振式稳定性判断法
        • 对于吲哚和苯并噻吩：在3位进攻时，生成的中间体中带有完整苯环的有两个共振式；在2位进攻时，生成的中间体中带有完整苯环的只有一个共振式
          • 因此反应在3位发生
        • 对于苯并呋喃：由于氧的电负性大，在3位进攻时，虽然生成的中间体共振式个数多，但是氧带正电荷和旁边连正电荷都很不稳定
          • 所以主要在C-2位反应
• 喹啉、异喹啉
  • 结构
    • 喹啉和异喹啉含有一个苯环和一个吡啶环
  • 亲电取代反应
    • 喹啉和异喹啉硝化、磺化和卤化反应主要在苯环上发生，因为杂环的氮可以接受质子或Lewis酸结合带有正电荷，相比之下苯环上的电荷密度略高一些
  • 亲核取代反应
    • 喹啉的亲核取代反应主要发生在C-2位
    • 异喹啉的亲核取代反应主要发生在C-1位
  • 侧链α－H的反应
    • 除3-烷基异喹啉外，其他在喹啉、异喹啉吡啶N邻对位的烷基α-H能发生缩合、烷基化反应
• 杂环化合物的合成
  • 呋喃，噻吩，吡咯的合成
    • 帕尔-诺尔合成法
      • 使1，4-二羰基化合物作为原料，在无水酸性条件下可以失水得呋喃及其衍生物
      • 与氨或胺反应得吡咯及其衍生物；与硫化物（如：P2S5)反应得噻吩及其衍生物
    • 诺尔合成法
      • 用氨基酮与β-二羰基化合物反应来制备
        • 相当于是用β－羰基化合物的α碳负离子与氨基酮的酮羰基进行缩合形成C-C键，用氨基与β-二羰基化合物的羰基进行亲核加成形成C-N键
  • 吡啶的合成
    • 韩奇合成法
      • 用两分子的β二羰基化合物，一分子酸，一分子氨进行反应合成
        • 一分子β-二羰基化合物的α碳负离子与醛进行缩合，一分子β-二羰基化合物的羰基与氨亲核加成，然后这两个产物进行迈克尔加成形成C-C键，再互变异构后，用氨基与羰基亲核加成构建C-N键
  • 唑的合成
    • 1，2-二唑
      • 可以用1，3-二羰基化合物分别与肼和羟胺来合成
    • 1，3-二唑
      • 可以用链中带有杂原子的1，4-二羰基化合物来制备，类似于合成呋喃，噻吩和吡咯的帕尔-诺尔合成法
  • 二嗪环系的合成
    • 哒嗪
      • 用1，4-二羰基化合物与肼反应合成，利用氨基与羰基的亲核加成构建C-N键
    • 嘧啶
      • 1，3-二羰基化合物与尿素，硫脲，胍，眯等反应来合成，也是利用氨基与羰基的亲核加成构建C-N键
    • 吡嗪
      • 用α氨基酮自身缩合，或邻二胺与1，2-二羰基化合物反应制备，都是利用氨基与羰基的亲核加成构建C-N键
  • 吲哚的合成
    • 费歇尔合成法
      • 用苯腙在酸性催化下加热重排消除来合成吲哚
  • 喹啉的合成
    • 斯克劳普合成法：用苯胺和甘油作为底物，硫酸作为催化剂，硝基苯，五氧化二砷等作为氧化剂进行合成
      • 甘油在硫酸催化下先生成丙烯醛，然后再与苯胺发生迈克尔加成，生成C－N键。然后醛互变异构成烯醇，在酸的催化下与苯环失水关环，生成二氢喹啉，然后再被氧化剂氧化成喹啉
      • 当苯胺间位有给电子取代基时，主要在给电子基团对位关环。当苯环在电位有吸电子基时，主要在吸电子基团，邻对位关环。（在正电性的位置关环)
  • 异喹啉的合成
    • 异喹啉最常用毕歇尔－钠皮尔拉斯基合成法，它是用苯乙胺与酰氯反应生成酰胺，然后在失水剂作用下与苯环失水关环，再脱氢生成1取代异喹啉