大学无机化学 第十二章 杂环化合物

1、第一节第一节 杂环化合物的简介和命名杂环化合物的简介和命名 第十二章第十二章 杂环化合物杂环化合物 杂环化合物：杂环化合物： 在环上含有杂原子（非碳原子）的环状有机物称为。在环上含有杂原子（非碳原子）的环状有机物称为。 通常杂原子有：通常杂原子有：O 、N 、S 等等 从形式上看，它们都是含从形式上看，它们都是含杂原子杂原子的的环状化合物环状化合物，但其性质，但其性质 与相应的开链化合物相似，不属于与相应的开链化合物相似，不属于杂环化合物杂环化合物讨论的范畴。讨论的范畴。 O O 内酯内酯 O NH 内酰胺内酰胺 O O O 环状酸酐环状酸酐 CH2CH2 O 环氧化合物环氧化合物 90%以上

2、药物和以上药物和60%以上的有机化合物为杂环化合物。以上的有机化合物为杂环化合物。 碳水化合物：碳水化合物：以杂环形式存在，为生命提供能量。以杂环形式存在，为生命提供能量。 叶绿素：叶绿素：绿色植物进行光合作用不可或缺的物质。绿色植物进行光合作用不可或缺的物质。 血红素：血红素：赋予血液以鲜红的颜色，高等动物体内输送赋予血液以鲜红的颜色，高等动物体内输送 氧氧 的物质。的物质。 核酸：核酸：大量杂环（嘧啶和嘌呤）存在，对大量杂环（嘧啶和嘌呤）存在，对DNA的复制起的复制起 着至关重要的作用并使生命得以代代相传。着至关重要的作用并使生命得以代代相传。 生物酶：生物酶：杂环化结构通常还是酶和辅酶中

3、催化活性部位。杂环化结构通常还是酶和辅酶中催化活性部位。 杂环化合物存在和作用：杂环化合物存在和作用： 杂化化合物特指：杂化化合物特指： 环状化合物具有芳香结构（闭合共轭体系）和一定程度的环状化合物具有芳香结构（闭合共轭体系）和一定程度的 稳定性。稳定性。 H 3C H 3C OOCCH 2CH2 O OCH 3 C H H O NN N N CH=CH 2 C 2H5 H CH 3 Mg R R 叶绿素叶绿素a (R=CH3) 叶绿素叶绿素b (R=CHO) R=(CH3)2CHCH2CH2(CH2CHCH2CH2)CH2C=C CH2 CH3 CH3 1 杂环化合物的分类杂环化合物的分类

4、1.1 脂杂环脂杂环 没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂环。没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂环。 三元杂环三元杂环 (氮杂环丙烷氮杂环丙烷) O H N (环氧乙烷环氧乙烷) 四元杂环四元杂环(-丙内酯丙内酯)(-丙内酰胺丙内酰胺) O O NH O 七元杂环七元杂环(氧杂桌氧杂桌)(1H-氮杂桌氮杂桌) O N H 五元杂环五元杂环(顺丁烯二酸酐顺丁烯二酸酐) N O N H 多杂原子环多杂原子环 或多杂环或多杂环 1-氧氧-4-氮杂环己烷氮杂环己烷奎宁环奎宁环 1.2 芳香杂环化合物的分类芳香杂环化合物的分类 单环单环 五元环五元环 含一个杂原子含一个杂原子 O N H S F ura n

5、T h io p h e n eP yrrole 呋喃呋喃 吡咯吡咯 噻吩噻吩 含两个杂原子含两个杂原子 N O N N H N S Thiazole O xazole lm idazole 噁噁唑唑 咪唑咪唑 噻唑噻唑 N O N N H N S Isoxazole Pyrazole Isothiazole 异异噁噁唑唑 吡唑吡唑 异噻唑异噻唑 杂化化合物特指：杂化化合物特指： 环状化合物具有芳香结构（闭合共轭体系），一定程度的环状化合物具有芳香结构（闭合共轭体系），一定程度的 稳定性。稳定性。 六元环六元环 含一个杂原子：含一个杂原子： 含两个杂原子：含两个杂原子： N N Pyrimid

6、ine Pyridazine N N N N Pyrazine 哒嗪哒嗪 嘧啶嘧啶 吡嗪吡嗪 吡啶吡啶 吡喃吡喃 NO Pyridine Pyran 稠杂环稠杂环 N N N N N NN Quinoline Isoquinoline 喹啉喹啉 异喹啉异喹啉 蝶啶蝶啶 丫啶丫啶 N N N N H N H Indole PurineCarbazole N H 吲哚吲哚 嘌啉嘌啉 咔唑咔唑 本章主要讨论芳香杂环化合物。本章主要讨论芳香杂环化合物。 命名总体原则命名总体原则 : 母体杂环名称：母体杂环名称：音译名音译名 ，同音汉字加，同音汉字加“ 口口”字旁。字旁。 O N H S Furan T

7、hiophenePyrrole 呋喃呋喃 吡咯吡咯 噻吩噻吩 环上原子的编号顺序环上原子的编号顺序 无论取代基如何，都从杂原子开始无论取代基如何，都从杂原子开始 1，2，3，4 不止一个杂原子，按不止一个杂原子，按O，S，N顺序编号顺序编号 取代基位次之和最小原则取代基位次之和最小原则 2 杂环化合物的命名杂环化合物的命名 当两个杂原子不相同时，编号的次序是：价数小的在前，当两个杂原子不相同时，编号的次序是：价数小的在前， 大的在后。大的在后。 （1）单杂原子五元杂环命名）单杂原子五元杂环命名 呋喃呋喃(furan) 噻吩噻吩(thiophene)吡咯吡咯(pyrrole) O 1 2 3 4

8、 5 S 1 2 34 55 N H 1 2 34 2.1 五元杂环化合物的命名五元杂环化合物的命名 O C H 3 B r B r 1 2 34 5 5 2 2，3- 3-二溴呋喃二溴呋喃 2- 2-甲基甲基-5-5-硝基硝基-1-1-（2-2-羟羟 乙基）吡咯乙基）吡咯 只含一个杂原子的杂环，可把靠近杂原子的位置叫做只含一个杂原子的杂环，可把靠近杂原子的位置叫做位，位， 其次为其次为位。位。 （2) 五元杂环苯并体系五元杂环苯并体系 O 1 2 3 4 5 6 7 S 1 2 3 4 5 6 7 N H1 2 3 4 5 6 7 苯并呋喃苯并呋喃 (benzofuran) 苯并噻吩苯并噻吩

9、 (benzothiophene) 苯并吡咯苯并吡咯 吲哚吲哚 (indole) 5，6-二羟基苯并噻吩二羟基苯并噻吩 3-甲氧基苯并呋喃甲氧基苯并呋喃 S HO HO 1 2 3 4 5 6 7 2.2 单杂原子的六元杂环化合物的命名单杂原子的六元杂环化合物的命名 N 1 2 3 4 5 6 O 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 O O 1 2 3 4 5 6 OO （1) 单原子六元杂环单原子六元杂环 吡啶吡啶(pyridine) 吡喃吡喃(pyran)-吡喃酮吡喃酮 (-pyrone) -吡喃酮吡喃酮 (-pyrone) 2-氯氯-5-甲基吡啶甲基吡啶 2-甲氧基甲氧基-4

10、-硝基吡喃硝基吡喃 N 1 2 3 45 6 7 8 1 2 3 45 6 7 8 O O O 喹啉喹啉 (quinoline) 异喹啉异喹啉 (isoquinoline) 苯并吡喃苯并吡喃(benzopyran) 苯并苯并- -吡喃酮吡喃酮 (benzo- -pyrone) （2）六元杂环苯并环系）六元杂环苯并环系 含有两个杂原子的五元杂环，若至少有一个杂原子是含有两个杂原子的五元杂环，若至少有一个杂原子是 氮，则该杂环化合物称为氮，则该杂环化合物称为唑唑。 2.3 含有多个杂原子的杂环化合物含有多个杂原子的杂环化合物 （1）含有两个杂原子的）含有两个杂原子的 五元杂环五元杂环 1 2 34

11、 5 N O 异噁唑异噁唑(isoxazole) 1,2-两个杂原两个杂原 子的五元杂环子的五元杂环 N O 1 2 34 5 噁唑噁唑(oxazole) 1,3-两个杂原两个杂原 子的子的 五元杂环五元杂环 命名时的编号原则是：命名时的编号原则是： 1）让杂原子的位号尽可能小；让杂原子的位号尽可能小； 2）当两个杂原子不相同时，编号的次序是：当两个杂原子不相同时，编号的次序是：价数小的在前，大的价数小的在前，大的 在后；在后； 3）价数相等时，原子序数小的在前，大的在后。价数相等时，原子序数小的在前，大的在后。 1 2 34 5 N O 1 2 34 5 N S N N H1 2 34 5

12、异噻唑异噻唑(isothiazole) 吡唑吡唑(pyrazole)异噁唑异噁唑(isoxazole) 1,2-唑唑 N O 1 2 34 5 N S 1 2 34 5 N N H 1 2 34 5 噁唑噁唑(oxazole) 噻唑噻唑(thiazole)咪唑咪唑(inidazole) 1,3-唑唑 O、S、N的的 次序如左：次序如左： （2）含有两个杂原子的）含有两个杂原子的 六元杂环六元杂环 N N 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 N N 1 2 3 4 5 6 N N 哒嗪哒嗪(pyridazine)嘧啶嘧啶(pyrimidine)吡嗪吡嗪(pyrazine) （2）其他

13、杂环结构）其他杂环结构 N N N H N 1 2 3 4 5 67 8 9 嘌呤嘌呤(purine)喋啶喋啶 第二节第二节 含有一个杂原子的五元杂环体系含有一个杂原子的五元杂环体系 O N H S F u ra n T h io p h e n eP y rro le 呋喃呋喃 吡咯吡咯 噻吩噻吩 1 呋喃、吡咯和噻吩的结构呋喃、吡咯和噻吩的结构 1.1 电子结构和芳香性电子结构和芳香性 OSN H B:每个碳原子的每个碳原子的p轨道有一个电子，杂原子的轨道有一个电子，杂原子的p轨道有二个电子。轨道有二个电子。 这五个这五个p轨道都垂直于分子所在平面，侧面相互交盖，形成（轨道都垂直于分子所在

14、平面，侧面相互交盖，形成（4n+2） 电子共轭体系。电子共轭体系。 A:构成环的原子都是构成环的原子都是sp2杂化，五个原子在同一平面内。杂化，五个原子在同一平面内。 （1）单杂原子五元杂环结构和电子云特点：）单杂原子五元杂环结构和电子云特点： A：符合：符合Hckel规则，具有芳香性。规则，具有芳香性。 （2）单杂原子五元杂环的芳香性）单杂原子五元杂环的芳香性 B:共轭体系是共轭体系是56 结构，芳环结构电子云密度较大，亲电结构，芳环结构电子云密度较大，亲电 反应活性强。反应活性强。 D:芳香性芳香性 O S N H C: 杂原子电负性比杂原子电负性比C大，周围电子云密度较大。环上电子大，周

15、围电子云密度较大。环上电子 云分布不均，芳香性不如苯。云分布不均，芳香性不如苯。O电负性最大，呋喃上电子云最电负性最大，呋喃上电子云最 不均匀，芳香性最差不均匀，芳香性最差 。 氧原子电负性大，其未公用电子对参加体系离域程度小。氧原子电负性大，其未公用电子对参加体系离域程度小。 稳定性增加，芳香性增强。稳定性增加，芳香性增强。 N H SO 共振能共振能:（KJ / mol） 152 125.5 90.4 71.1 12.6 苯五元杂环苯五元杂环 （富电子环）（富电子环） 在稀的酸性水溶液中，呋喃的质子化在氧上发生并在稀的酸性水溶液中，呋喃的质子化在氧上发生并 导致水解开环。导致水解开环。 O

16、 O H HO OHOH2 OHOH OO H2SO4 - H2O HOAc, 90 % H2O -H+ 2.1 呋喃水解反应呋喃水解反应 2 呋喃、噻吩、吡咯的反应呋喃、噻吩、吡咯的反应 亲电取代反应的活性和顺序为亲电取代反应的活性和顺序为 2.2 呋喃、噻吩、吡咯的亲电取代反应呋喃、噻吩、吡咯的亲电取代反应 （1）亲电取代反应概述）亲电取代反应概述 五元杂环共轭体系是五元杂环共轭体系是56 结构，芳环结构电子云密度较大，亲结构，芳环结构电子云密度较大，亲 电反应活性强。电反应活性强。 O N H S 电子云电子云 密度顺序：密度顺序： 吡咯最容易发生亲电取代反应，噻吩最困难。吡咯最容易发生

17、亲电取代反应，噻吩最困难。 五元杂环进行亲电取代反应绝大多数都在五元杂环进行亲电取代反应绝大多数都在-位上。位上。 （2） 呋喃、噻吩、吡咯的硝化反应呋喃、噻吩、吡咯的硝化反应 CH3COCCH3 + HNO3 OO CH3CONO2 + CH3COOH O S AcONO2O oC Ac2O/AcOH S NO2 S NO2 + N H AcONO2O oC Ac2O/AcOH N H NO2 N H NO2 + 60 % 10 % 51 %13 % 呋喃、呋喃、 噻吩和吡咯易氧化噻吩和吡咯易氧化, 一般不用硝酸直接硝化一般不用硝酸直接硝化; 通常用比较温和的非质子硝化试剂，如：硝酸乙酰酐在

18、低温通常用比较温和的非质子硝化试剂，如：硝酸乙酰酐在低温 下进行反应。下进行反应。 （3） 呋喃、噻吩、吡咯的磺化反应呋喃、噻吩、吡咯的磺化反应 吡咯、呋喃不太稳定，所以须用温和的磺化试剂磺化。常用吡咯、呋喃不太稳定，所以须用温和的磺化试剂磺化。常用 的温和的非质子的磺化试剂有：吡啶与三氧化硫的加合化合物。的温和的非质子的磺化试剂有：吡啶与三氧化硫的加合化合物。 噻吩比较稳定，既可以直接磺化（产率稍低），也可噻吩比较稳定，既可以直接磺化（产率稍低），也可 以用温和的磺化试剂磺化。以用温和的磺化试剂磺化。 N + SO3 CH 2Cl2 室温N SO3 N H + N SO3 100 oC N

19、H SO3-N H HCl N H SO3H （4） 呋喃、噻吩、吡咯的卤化反应呋喃、噻吩、吡咯的卤化反应 反应强烈，易得多卤取代物。为了得一卤代反应强烈，易得多卤取代物。为了得一卤代(Cl, Br)产产 物，要采用低温、溶剂稀释等温和条件。物，要采用低温、溶剂稀释等温和条件。 OOO ClClCl Cl2 -40 + O Br OO Br2, 0 稀释 (86 %) S S Br S I Br2 AcOH I2, HgO C6H6, 0 (78 % ) 碘不活泼，要用催化剂碘不活泼，要用催化剂 才能发生一元取代才能发生一元取代 Br2, 0 N H N H Cl N H BrBr BrBr

20、EtOH SOCl2 (1 mol) Et2O, 0 (80 %) 呋喃、噻吩的酰化反应在呋喃、噻吩的酰化反应在 -C上发生，而吡咯的酰化反应上发生，而吡咯的酰化反应 （不用催化剂）既能在（不用催化剂）既能在 -C上发生，又能在上发生，又能在N上发生。在上发生。在 -C上上 发生比在发生比在N上发生容易。上发生容易。 （5） 呋喃、噻吩、吡咯的傅呋喃、噻吩、吡咯的傅-克酰基化反应克酰基化反应 (60 %) N H + Ac2O 150 - 200 N H CCH3 O (70 %) N H Na 或 NaOH(浓) PhCCl N Na+ O N COPh O BF3 + Ac2O O CCH

21、3 O (75%-92 %) S Ac2O 与 AlCl 3 的混合体系 S CCH 3 O 3 重要化工原料重要化工原料-糠醛（糠醛（- 呋喃甲醛）呋喃甲醛） 由由米糠米糠、甘蔗渣甘蔗渣、高粱杆高粱杆、玉米芯玉米芯、花生壳花生壳等与等与酸酸共热、蒸馏制取。共热、蒸馏制取。 农业副产品农业副产品 含含戊多糖戊多糖 打碎打碎 水解为水解为 戊糖戊糖 脱水脱水 糠醛糠醛 稀稀H2SO4（） (C5H8O4)n + n H2O n C5H10O5 3%5% H2SO4 ，水解，水解 戊多糖戊多糖戊糖戊糖 H-CH CH-CHO -3H2O HO-CHCH-OH OH OH 戊糖戊糖 O -CHO 糠

22、醛糠醛 3.1 制备：制备： 最初从最初从米糠米糠制得而得名。制得而得名。 O CHO 3.2 性质及用途性质及用途 糠醛是无色透明液体，在空气中逐渐变为黄棕色。能溶作为糠醛是无色透明液体，在空气中逐渐变为黄棕色。能溶作为 一个良好的溶剂。在有机工业是油漆、树脂和多种精细化工产品一个良好的溶剂。在有机工业是油漆、树脂和多种精细化工产品 的重要原料。的重要原料。 糠醛糠醛与与苯甲醛苯甲醛具有类似结构，表现出具有类似结构，表现出无无-H的的醛醛的性质。的性质。 O -CHO + H2 O -CH2OH Cr2O3CuO 150 ，10MPa 糠醇糠醇 O -CHO O -COOH KMnO4 中性

23、或碱性中性或碱性 糠酸糠酸 催化加氢催化加氢 氧化氧化 N H 吡咯吡咯N(孤电子孤电子 对 参 与 共 轭 ，对 参 与 共 轭 ， 所以碱性较弱所以碱性较弱) N N H N S N O 吡啶型吡啶型N孤电子对不参孤电子对不参 与共轭，所以碱性较强与共轭，所以碱性较强 1,2-唑与唑与1,3-唑都有唑都有未成键孤电子对未成键孤电子对，所以都有碱性。所以都有碱性。 1. 唑类杂环的碱性唑类杂环的碱性 吡咯吡咯N(孤电子对参与孤电子对参与 共轭，所以碱性较弱共轭，所以碱性较弱) 第三节第三节 含有两个杂原子的五元杂环体系含有两个杂原子的五元杂环体系 噁唑噁唑噻唑噻唑咪唑咪唑吡唑吡唑 N O N

24、 S N N H N N H 2 唑类杂化的反应唑类杂化的反应-亲电取代反应亲电取代反应 唑的反应性比呋喃、噻吩、吡咯差，这是因为分子中多了一个唑的反应性比呋喃、噻吩、吡咯差，这是因为分子中多了一个 吡啶吡啶N，使共轭体系的电子云密度降低，所以亲电反应活性降低。，使共轭体系的电子云密度降低，所以亲电反应活性降低。 2.1 1,2-、1,3-唑的硝化、磺化、卤化唑的硝化、磺化、卤化 N O H3C CH3 N O H3C CH3O2N 浓 HNO3 浓 H2SO4 (56 %) N N H N N H Br Br 2 AcOH - H 2O N N H N N H O2N NH N O2N 1

25、2 3 HNO3 H2SO41:400 5-硝基咪唑硝基咪唑 4-硝基咪唑硝基咪唑 (90 %) N S N S HO3S SO3 + 浓 H 2SO4 (65 %) N S N S HO3S 发烟 H 2SO4 , HgSO4 250 磺化须强烈条件下进行反应磺化须强烈条件下进行反应 (63 %) N S CH3 H3C N S CH3 H3C Br Br2 CHCl3 , 硝化、卤化须有给电子取代基硝化、卤化须有给电子取代基 第四节第四节 六元杂环化合物六元杂环化合物 1. 吡啶类六元杂环化合物吡啶类六元杂环化合物 1. 1 吡啶杂环化合物电子结构吡啶杂环化合物电子结构 成环的六个电子在同

26、一平面内，键角成环的六个电子在同一平面内，键角120，键长趋于平均，键长趋于平均 化。化。但与苯环键长完全平均化不同。但与苯环键长完全平均化不同。 具有偶极矩，电具有偶极矩，电 子分布不均匀。子分布不均匀。N 2.22D N 0.134nm 0.139nm 0.140nm 吡啶是一种典型芳香性杂环化合物，具有和苯非常相似的骨吡啶是一种典型芳香性杂环化合物，具有和苯非常相似的骨 架结构和架结构和电子结构。电子结构。 吡啶电子结构与吡咯不同：吡啶电子结构与吡咯不同： N H N 吡啶电子结构特点：吡啶电子结构特点： 吡啶吡啶N是是sp2杂化，其中有一对孤电子对在杂化，其中有一对孤电子对在sp2轨道

27、轨道 上，孤电子对不成键和共轭。上，孤电子对不成键和共轭。-碱性较强。碱性较强。 吡啶吡啶N参与共轭的是未杂化的参与共轭的是未杂化的p轨道上的单个电子。轨道上的单个电子。 吡啶吡啶N原子对环电子云的共轭效应和诱导效应都是原子对环电子云的共轭效应和诱导效应都是 吸电子的，吡啶环电子云密度低。吸电子的，吡啶环电子云密度低。 吡啶环上吡啶环上N具有强吸电子性，环上的电子云密度较低，其亲具有强吸电子性，环上的电子云密度较低，其亲 电取代反应与电取代反应与硝基苯硝基苯类似，一般需要强烈条件下类似，一般需要强烈条件下C上发生亲电取上发生亲电取 代反应。代反应。N起间位定位基的作用，亲电取代主要发生在起间位

28、定位基的作用，亲电取代主要发生在-位。位。 1. 2 吡啶化合物化学性质吡啶化合物化学性质 (1) 吡啶环亲电取代反应吡啶环亲电取代反应 N 浓HNO3，H2SO4 300 oC，1d N NO2 6 % N Br2，浮石 300 oC N Br 66 % （2）吡啶的亲核取代反应）吡啶的亲核取代反应 N Nu- (亲核取代) N N H NuNu Z (负氢接受体) + ZH- 亲核取代优先在亲核取代优先在位上发生，如果位上发生，如果位上有取代基，位上有取代基， 则反应在则反应在位上发生。位上发生。 （3）吡啶的氧化还原反应）吡啶的氧化还原反应 吡啶环本身不易被氧化，但它的侧链很容易被氧化成

29、醛或吡啶环本身不易被氧化，但它的侧链很容易被氧化成醛或 羧酸。羧酸。 NCH3 SeO2 NCHO N N CH 3 HNO 3 N COOH N KMnO4 N COOH COOH N CH3 N COOH O2, DMF t-BuOK, 室温 N N H H2, Pt, 25, 3atm or Na + C2H5OH 还原反应还原反应 N 30% H2O2 - HOAc N O (吡啶氧化物吡啶氧化物) 2. 嘧啶等有两个杂原子的六元杂环化合物嘧啶等有两个杂原子的六元杂环化合物 N N N N N N Pyridazine Pyrimidine Pyrazine 哒嗪 嘧啶 吡嗪 HN N

30、 H O O HN N H O O CH3 N N H NH2 O Uracil Thymine Cytosine 尿嘧啶 胸腺嘧啶 胞嘧啶 N NCH3 N N N N N N CH3 CH3H3C C CH3 SCH3 CH3 O （O） 食用香精食用香精20多种多种 生物碱母环结构生物碱母环结构 2. 1 嘧啶等性质嘧啶等性质 N N OH OH N H NH O O N N NH 2 OH N H N NH 2 O N N OH OH N H NH O O H3C H3C 尿嘧啶尿嘧啶(U) 胞嘧啶胞嘧啶(C) 胸腺嘧啶胸腺嘧啶(T) 2.2 嘧啶的衍生物嘧啶的衍生物 名称名称结构结构用途用途 巴比妥巴比妥(佛佛 罗拿罗拿) 苯巴比妥苯巴比妥 (鲁米那鲁米那) 异戊巴比异戊巴比 妥妥(阿米妥阿米妥) 西可巴比西可巴比 妥钠妥钠 硫喷妥钠硫喷妥钠 长时间作用的镇静催眠药长时间作用的镇静催眠药 长时间作用的镇静催眠长时间作用的镇静催眠 药，又有抗癫痫作用药，又有抗癫痫作用 中时间作用的催眠药中时间作用的催眠药 短时间作用的镇静催眠药短时间作用的镇静催眠药 超短时间的静脉麻醉药，超短时间的静脉麻醉药， 可用于麻醉前给药可用于麻醉前给药 C2H5C C2H5C NH O O NH O C6H5C C6H5C N