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3 2 4

O1

5

呋喃

N H 吡咯 五元杂环

S 噻吩

N 吡啶 六元杂环

N 喹啉 异喹啉 稠杂环

N

2.结构N H键长0.1383nm 键长0.1371nm 键长0.1429nm

O键长0.1362nm 键长0.1361nm 键长0.1431nm

S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。 如果以苯的硝化反应速率为1,噻吩的 位硝化速 率为1.9 104, 位为3.2 107

11.2 吡咯、呋喃、噻吩的性质与合成亲电取代反应活性：N H

>

O

>

S

>

>

N

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 Z Z=N,O,S EZ-H+ Z

E H Z E

E H

两个共振式

杂原子利用其孤对电子 来稳定正碳离子E H E H

亲电试剂进攻2,5-位 Z Z=N,O,S

EZ

E H

Z

Z

-H+ Z E

产生三个共振式， 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 CH3COONO2CH3COONO2 N H -100C NO2 N H 51%

CH3COONO2 O -5~300C NO2 O 35%

CH3COONO2 S 00C S NO2 60%

B. 卤代氯化硫酰N H Cl SO2Cl2/(C2H5)2O 00 C

Br2/C2H5OH

Br Br N H

Br Br

N HCl2

0 0C O O

氯化硫酰是一种 温和的氯代试剂O

Br2/

Cl

-400C I2/H2O

O

00C Br2/CH3COOH

O

Br

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

S

I

00C

S

00C

S

Br

C. 磺化温和的磺化试剂 NN H

SO3N H SO3 N

HCl N H HCl OH2O

SO3H

NO

SO3O SO3 N

SO3H

H2SO4S

室温

S

SO3H

+ H2SO4 S

苯中含有少量噻吩可以用浓硫酸萃取除去

D. Friedel-Crafts酰基化(CH3CO)2O N H 150~2000C N H O C-CH3

(CH3CO)2O S SnCl4 S

O C-CH3

(CH3CO)2O O BF3 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 合物氧化或聚合。

3.基团定位效应A. 位有取代基COOH CH3COOH Z Z=N,O,SBr CH3COONO2 Z Z=N,O,S Z NO2

COOH Br ZBr

Br2

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 ZG E Z H Z E G H Z

G E ZE

G E HG

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。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 E H Z

G E Z E H Z

G E H Z

进攻5-位最有利。

G为第一类定位基 G E Z Z

Z=N,O,S G E H Z G E H Z G

亲电试剂进攻2E 位，则导致正碳 H 离子直接与推电 子基团相连，这 样正碳离子稳定。

G E ZG E Z E H

E H Z

G H

E

G亲电试剂进攻这两 个位置时则无此共 振式。

ZG G E H Z E H Z G

Z

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)CH3COOH Z NO2 Br2 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， 则后续基团进入另一 位 。

CH3COONO2 Z Br O2N Z Br

解释：G为第二类定位基 Z=N,S E H ZE E Z G H Z G H Z G

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。

E Z G

GE

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。

E Z G

E H

Z

G

E H

Z

G

E H

Z

G

G为第一类定位基

Z=N,S E H Z E G

E Z G E Z G E Z G

虽然亲电试剂进攻3-位和5-位均 E 能产生正碳离子与推电子基团相 H 连的情况，但是，进攻5-位时产 G 生三个共振式，而且5-位的反应 Z 活性比3-位高。E H

H Z E H G

Z E H

G E H

Z

G

Z

G

Z

G

4.五元杂环化合物的加成反应O + O O O O O O O

O N HO S O O O O

O N O OO O

O N R + O OO OH2O2 S O

N

R O O O

+

O O

O S

不反应

5.吡咯的特殊反应

A. 酸性pKb=2.89N H N HNaNH2 N Na O

pKb=13.6

说明吡咯N上的H具有酸性。

RMgX N H -RH N MgX

O ClO Cl

O + N H

N

K N H N K

O N + N H

O

B. 活泼芳环的性质a. 与重氮盐偶联N H + N NCl N H N N

b. Reimer-Tiemann反应CHCl3 N NaOH N HH3+O N H

CHO

c. Kolbe反应(NH4)2CO3 N H 高温

H

N H

COONH4

COOH

d. 吲哚、咔唑及噻吩的Vilsmeier反应CHO POCl3 / DMF N C6H13 ClCH2CH2Cl N C6H13CHO N CH3 DMF / POCl3 N CH3

S S

DMF / POCl3 CH2Cl2 室温 S

S

CHO

6.五元杂环化合物的合成A. 无取代基的五元杂环的合成OH (C5H8O4)n H3+O HO 多聚戊糖2HCHO CH CH CuCl/NH4Cl

OH O OH

Cr2O3 O5000C NH3N H

CHO

ZnO

O

HOCH2C CCH2OH600 C S0

CH3CH2CH2CH3 + 4S

HOOC(CH2)4COOH

SOCl2 HOOC S COOH

H2O NH3

O

H2S H2O

H2SN H

NH3

S

B. 位有两个取代基P2O5 R1 O R2

O1

O2

P2S5

R -C-CH2CH2 -C-R

R1

S

R2R2

(NH4)2CO3

R1

N H

1,4-二酮的合成要用到“负碳离子反应”的内容

O O O O O H HCl, C2 H5OH 24 h, 650C 酯基水解为醇 O OH OH

酸性条件下 C=O烯醇化

H OH O OH -H2O 芳构化

O OH 69%