第17章杂环--2

1、第十七章第十七章 杂环化合物杂环化合物 (Hetercyclic compound) N N H CH2OH N CH2OH HO H3C H2N CH3 O N SO2NH CH3O N OCH3 O O N S CH3 CH3 COOH O RCNH O 第一节第一节 概述概述 定义：含有非定义：含有非C原子、具有芳香性的环状化合物。原子、具有芳香性的环状化合物。 O CH2CH2 O O 泛指含义：含有非泛指含义：含有非C原子的环状化合物。原子的环状化合物。 N O H C O C O O CH CH HOCH2CH2OH HOOCCH2CH2COOH CH2CH2CH2COOH OH

2、CH2CH2CH2CH2COOH NH2 OS NON N N N H N H N H N 17-1 概概 述述 一、杂环化合物的分类与命名一、杂环化合物的分类与命名 1 1、杂环化合物的分类、杂环化合物的分类 杂环化合物杂环化合物 单杂环单杂环 稠杂环稠杂环 五员单杂环五员单杂环 六员单杂环六员单杂环 苯并单杂环苯并单杂环 单杂环并单杂环单杂环并单杂环 O N N N H N N N N H 17-1 概概 述述 2 2、杂环化合物的命名方法、杂环化合物的命名方法 杂环化合物的命名方法有两种：译音法杂环化合物的命名方法有两种：译音法 和系统命名法。其中最常用的是译音法。和系统命名法。其中最常

3、用的是译音法。 （1 1）译音法：译音法：根据其外文读音，选用带根据其外文读音，选用带 “口口”字旁的同音汉字来书写。字旁的同音汉字来书写。 （2 2）系统命名法系统命名法 将杂环看作是相应碳环中的碳原子被杂原子将杂环看作是相应碳环中的碳原子被杂原子 取代取代, ,命名时命名时, ,在相应的环名字前加上在相应的环名字前加上“杂杂”字字 和相应的杂原子名称。和相应的杂原子名称。 茂茂 17-1 概概 述述 O S N H N S N N H furan pyrrole thiopheneimidazole 呋喃呋喃吡咯吡咯 噻吩噻吩 thiazole 咪唑咪唑 ON N N N H N N N

4、N H pyran pyridinepyrimidineindole purine 吡喃吡喃 吡啶吡啶 嘧啶嘧啶吲哚吲哚嘌呤嘌呤 五员单杂环五员单杂环 六员单杂环六员单杂环 稠杂环稠杂环 氧杂茂氧杂茂 氮杂茂氮杂茂硫杂茂硫杂茂1-1-硫硫-3-3-氮杂茂氮杂茂 噻唑噻唑 氧杂苯氧杂苯 氮杂苯氮杂苯 1,3-1,3-二氮杂苯二氮杂苯 1-1-氮杂茚氮杂茚 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1,3,7,9-1,3,7,9-四氮杂茚四氮杂茚 1,3-1,3-二氮杂茂二氮杂茂 17-1 概概 述述 编号编号 只有一个取代基只有一个取代基 两个以个杂原子两个以个杂原子 相同时：相同时：使两个原子位次最

5、小使两个原子位次最小 不同时：不同时： OSN 从杂原子开始从杂原子开始 取代基位取代基位 次最小的方向进行次最小的方向进行 以杂原子为点以杂原子为点 、 、 OCH3 CH3 2,4-2,4-二甲基呋喃二甲基呋喃 N H C2H5 3-3-乙基吡咯乙基吡咯 SCH3O2N 2-2-甲基甲基-5-5-硝基噻吩硝基噻吩 17-1 概概 述述 N CH3 N N CH3 3-3-甲基吡啶甲基吡啶 4-4-甲基嘧啶甲基嘧啶 N H CH3 3-3-甲基吲哚甲基吲哚 N S CH3 1 2 3 4 5 5-5-甲基噻唑甲基噻唑 S CH3 - -甲基噻吩甲基噻吩 O CH3 - -甲基呋喃甲基呋喃 -

6、 -甲基吡啶甲基吡啶 N CH3 以上均为杂以上均为杂 环为母体环为母体 N N H CH3 2-2-甲基甲基-1,3-1,3-二氮杂茂二氮杂茂 17-1 概概 述述 当杂环上有当杂环上有- -COOH、 - -COOR、- - CONH2、- -CHO、- - SO3H、- -COR等基团时，等基团时， 可将可将环环看作看作取代基取代基。例：。例： O CHO N COOH N H C NH2 O - -呋喃甲醛呋喃甲醛 3-3-呋喃甲醛呋喃甲醛 - -吡啶甲酸吡啶甲酸 3-3-吡啶甲酸吡啶甲酸 - -吡咯甲酰胺吡咯甲酰胺 2-2-吡咯甲酰胺吡咯甲酰胺 N COOH - -吡啶甲酸吡啶甲酸

7、3-3-吡啶甲酸吡啶甲酸 17-1 概概 述述 二、杂环化合物的结构二、杂环化合物的结构 1 1、五员杂环化合物的结构、五员杂环化合物的结构 如吡咯。在吡咯中，成环的五个原子（如吡咯。在吡咯中，成环的五个原子（1 1个个N，4 4 个个C）均为）均为sp2杂化杂化，形成三个，形成三个 键，键，2 2p p轨道以侧面交轨道以侧面交 盖形成盖形成大大 键键，其环上的，其环上的 电子数符合电子数符合4n+24n+2，因而具，因而具 有芳香性。有芳香性。 NH HH H H CC C C N N H 吡咯分子中的吡咯分子中的 键键 吡咯分子中的吡咯分子中的p p轨道轨道 吡咯分子中的共轭体系吡咯分子中

8、的共轭体系 17-1 概概 述述 1、 结构和芳香性结构和芳香性 (1)C和杂原子均为和杂原子均为sp2杂化，杂化， 电子数电子数=4n+2。 2p sp2 6 C 2p sp2 8 O 2p sp2 7 N (2)键长平均化键长平均化 OSN H 苯：苯： =7.27 呋喃：呋喃： H=7.42； H=6.37 噻吩：噻吩： H=7.30； H=7.10 吡咯：吡咯： H=6.68； H=6.22 (3)1HNMR的的 68 56 23 0.91.5 CH (芳芳) CH (烯烯) CH (炔炔) CH (烷烷) 芳烃芳烃H的标的标 志性数据志性数据 (4)芳性比较芳性比较 O + C O

9、O O C O C O O O C 17-1 概概 述述 2 2、六员杂环化合物的结构、六员杂环化合物的结构 如吡啶。在吡啶分子中，六个原子（如吡啶。在吡啶分子中，六个原子（5 5个个C C， 1 1个个N N）均以）均以spsp2 2杂化成键，均为杂化成键，均为sp2杂化，形成三杂化，形成三 个个 键键，2p2p轨道侧面重叠交盖形成大轨道侧面重叠交盖形成大 键键，其，其 电电 子数符合子数符合4n+24n+2，具有芳香性。，具有芳香性。 N H H HH H CC CC NC 吡啶分子中的p轨道 N 吡啶分子中的吡啶分子中的 键键 吡啶分子中的共轭体系吡啶分子中的共轭体系 17-1 概概 述

10、述 N CC C CC (1)C和和N均为均为sp2杂化，杂化， 电子数电子数=4n+2。 2p sp2 7 N 2p sp2 7 N (2)键长平均化键长平均化 (3)1HNMR的的 N H=8.50； H=6.98； H=7.36；(苯苯 =7.27) 结构和芳香性结构和芳香性 0.134 0.140 0.139 17-1 概概 述述 N H 吡咯 (pyrroe) 1.06 1.10 0.68 富电子的芳杂环，亲电取代易发生富电子的芳杂环，亲电取代易发生， 相当于苯酚或苯胺，取代在相当于苯酚或苯胺，取代在位。位。 N 吡啶 0.82 0.95 0.85 1.59 缺电子的芳杂环，亲电取代

11、难发生缺电子的芳杂环，亲电取代难发生， 相当于硝基苯，取代在相当于硝基苯，取代在位。位。 17-1 概概 述述 第二节第二节 杂环化合物的制备杂环化合物的制备 ( C 5 H 1 0 O 5 ) n H 3 + O 水 解 H O _ _ _ C H C H _ _ _ O H H _ _ _ C H C H _ _ _ H O H H - O - 3 H 2 O H + O _ _ C H O 多聚戊糖多聚戊糖 戊糖戊糖 糠醛糠醛 1、利用农副产品生产糠醛、利用农副产品生产糠醛 农副产品如稻糠、玉米蕊、向日葵盘等，它们是农副产品如稻糠、玉米蕊、向日葵盘等，它们是 戊糖的聚合物。酸性条件下加热

12、水解得到戊糖，戊戊糖的聚合物。酸性条件下加热水解得到戊糖，戊 糖失水后就得到糠醛，糠醛失羰水得到呋喃。糖失水后就得到糠醛，糠醛失羰水得到呋喃。 O _CHO Zn- Cr2O3 - MnO2 400 415O + CO2 17-2 杂环化合物的制备杂环化合物的制备 ( C 5 H 1 0 O 5 ) n H 3 + O 水 解 H O _ _ _ C H C H _ _ _ O H H _ _ _ C H C H _ _ _ H O H H - O - 3 H 2 O H + O _ _ C H O ( C 5 H 1 0 O 5 ) n H 3 + O 水解 H O _ _ _ C H C

13、H _ _ _ O H H _ _ _ C H C H _ _ _ H O H H - O - 3 H 2 O H + O _ _ C H O ( C 5 H 1 0 O 5 ) n H 3 + O 水解 H O _ _ _ C H C H _ _ _ O H H _ _ _ C H C H _ _ _ H O H H - O - 3 H 2 O H + O _ _ C H O 2、实验室制备法、实验室制备法 (1)帕尔帕尔-诺尔诺尔(Paal Knorr合成法合成法) S P 2 S 5 H 3 C C H 3 O H 3 C C H 3 P 2 O 5 (N H 4)2 C O 3 1 0

14、 0 N H C H 3 H 3 C CH3_C C_ CH3 OO CH2 CH2 O H 3C C H 3 P 2O5 (N H 4)2C O3 1 0 0 N H C H 3 H 3C S P 2S5 H 3C C H 3 17-2 杂环化合物的制备杂环化合物的制备 O N H S H 2O N H 3 H 2S N H 3 H 2O H 2S 呋喃、吡咯、噻吩相互之间的转化呋喃、吡咯、噻吩相互之间的转化 佑尔业夫反应佑尔业夫反应 O N H S H2O N H3 H2S N H3 H2O H2S O N H S H 2O N H 3 H 2S N H 3 H 2O H 2S O N H

15、 S H2O N H3 H2S N H3 H2O H2S O N H S H 2O N H 3 H 2S N H 3 H 2O H 2S O N H S H 2O N H 3 H 2S N H 3 H 2O H 2S 17-2 杂环化合物的制备杂环化合物的制备 第二节第二节 杂环化合物的性质杂环化合物的性质 1 1、吡咯的弱酸性、吡咯的弱酸性 在吡咯中，由于在吡咯中，由于N N上的一对电子参与上的一对电子参与 键，不键，不 呈碱性；而使呈碱性；而使N-HN-H键的极性加大，键的极性加大，H H原子易以质子原子易以质子 （H+）方式解离，而呈现弱酸性。）方式解离，而呈现弱酸性。 N H + KO

16、H N K + + H2O N K + + H2ON H + KOH 但生成的盐不稳定，遇水则分解重新生成吡咯。但生成的盐不稳定，遇水则分解重新生成吡咯。 一、酸碱性一、酸碱性 N H 17-3 杂环化合物的性质杂环化合物的性质 在吡啶中，在吡啶中，N N原子上的一对电子没有参与原子上的一对电子没有参与 成键，因此呈现弱碱性（成键，因此呈现弱碱性（pKb=8.8=8.8）其碱性比）其碱性比 苯胺强，但比脂肪胺弱。苯胺强，但比脂肪胺弱。 N + HCl N HCl N 2 2、吡啶的弱碱性、吡啶的弱碱性 N NH3 NH2 N H N H N NH2 N H 比较碱性：比较碱性： 17-3 杂环

17、化合物的性质杂环化合物的性质 二、亲电取代反应二、亲电取代反应 由于杂原子通过共轭效应供电，所以比苯容易由于杂原子通过共轭效应供电，所以比苯容易 反应，活性与苯酚、苯胺相当。且主要发生在反应，活性与苯酚、苯胺相当。且主要发生在 -位。位。 亲电取代反应活性：五元环苯亲电取代反应活性：五元环苯 S NO2 S NO2 XX COCF3 CF3CO)2O 1 1、五元杂环化合物、五元杂环化合物 17-3 杂环化合物的性质杂环化合物的性质 S CH3CO)2O Br2 HNO3 H2SO4 H2SO4 S Br S NO2 S SO3H S COCH3 S 由于噻吩比苯容易由于噻吩比苯容易 磺化磺化

18、,产物溶于产物溶于 H2SO4,用于分离苯用于分离苯 中含有的少量噻吩中含有的少量噻吩 17-3 杂环化合物的性质杂环化合物的性质 O CH3CO)2O Br2 O Br O NO2 O SO3H O COCH3 (CH3CO)2O + HONO2 不能用混不能用混 酸、酸、 H2SO4直直 接硝化、接硝化、 磺化磺化 17-3 杂环化合物的性质杂环化合物的性质 N H CH3CO)2O CH3COONO2 Br2 SO3N NO2 N H SO3H N H COCH3 N H Br N H Br Br Br 不能用混酸、不能用混酸、 H2SO4直接直接 硝化、磺化硝化、磺化 17-3 杂环化

19、合物的性质杂环化合物的性质 取代呋喃、吡咯、噻吩的定位规律取代呋喃、吡咯、噻吩的定位规律 O A X AB X A B O AB 由杂原子的由杂原子的 -定位作用和取代基的定位作用共同决定定位作用和取代基的定位作用共同决定 X A 总发生总发生 在在 -位位 总发生总发生 在在5-位位 主要在主要在 5-位位 主要在主要在 4-位位 S NO2 O CHO O Br N CHO H X A X A B X A B 主要在主要在 2-位位 主要在主要在 5-位位 17-3 杂环化合物的性质杂环化合物的性质 对取代位置的解释对取代位置的解释 (对中间体的相对稳定性的分析对中间体的相对稳定性的分析)

20、 取代在取代在 位位 A E+ A E A E A E 满满 足足 八八 隅隅 体体 贡贡 献献 大大 中中 间间 体体 有有 三三 个个 主主 要要 共共 振振 式式 较较 稳稳 定定 取取 代代 H - H+ A E A E + AEA E AE 满满 足足 八八 隅隅 体体 贡贡 献献 大大 中中 间间 体体 有有 三三 个个 主主 要要 共共 振振 式式 较较 稳稳 定定 取取 代代 H - H + AE A E+ A E A E A E 满满 足足 八八 隅隅 体体 贡贡 献献 大大 中中 间间 体体 有有 三三 个个 主主 要要 共共 振振 式式 较较 稳稳 定定 取取 代代 H

21、- H+ A E A E+ A E A E A E 满满 足足 八八 隅隅 体体 贡贡 献献 大大 中中 间间 体体 有有 三三 个个 主主 要要 共共 振振 式式 较较 稳稳 定定 取取 代代 H - H+ A E A E+ A E A E A E 满满足足八八隅隅体体 贡贡献献大大 中中间间体体有有三三个个主主要要共共振振式式 较较稳稳定定 取取代代 H - H+ A E A E+ A E A E A E 满满足足八八隅隅体体 贡贡献献大大 中中间间体体有有三三个个主主要要共共振振式式 较较稳稳定定 取取代代 H - H+ A E 取代在取代在 位位 A E A E 满满足足八八隅隅体体

22、贡贡献献大大 A E+ - H+ A E H 中中间间体体只只有有二二个个主主要要共共振振式式 较较不不稳稳定定 A E A E 满满 足足 八八 隅隅 体体 贡贡 献献 大大 A E + - H + A E H 中中 间间 体体 只只 有有 二二 个个 主主 要要 共共 振振 式式 较较 不不 稳稳 定定 A E A E 满满足足八八隅隅体体 贡贡献献大大 A E+ - H+ A E H 中中间间体体只只有有二二个个主主要要共共振振式式 较较不不稳稳定定 A E+ A E A E A E 满满足足八八隅隅体体 贡贡献献大大 中中间间体体有有三三个个主主要要共共振振式式 较较稳稳定定 取取代代

23、 H - H+ A E 17-3 杂环化合物的性质杂环化合物的性质 2 2、六元杂环化合物、六元杂环化合物 N N有吸电子的诱导效应有吸电子的诱导效应, ,使杂环上的电子使杂环上的电子 云密度降低，因而比苯难发生亲电取代反应。云密度降低，因而比苯难发生亲电取代反应。 吡啶的一元取代总是发生在吡啶的一元取代总是发生在间位间位。 N N Br + Br2 浮石催化浮石催化 300300 + Br2 FeBr3 5050 Br N - -溴吡啶溴吡啶 N + HNO3 + HNO3 H2SO4 300300 50-60 H2SO4 NO2 N NO2 - -硝基吡啶硝基吡啶 亲电取代：亲电取代： 1

24、7-3 杂环化合物的性质杂环化合物的性质 N + H2SO4 + H2SO4 N SO3H SO3H - -吡啶磺酸吡啶磺酸 350350 70-8070-80 取代反应的难易次序为：取代反应的难易次序为：吡咯吡咯 苯苯 吡啶吡啶 吡啶不能发生吡啶不能发生F-C反应。反应。 亲核取代：亲核取代： N NH2 N 氨化：氨化： 主要发生在主要发生在 N OH N Cl 17-3 杂环化合物的性质杂环化合物的性质 第一：由吡啶的共振式分析第一：由吡啶的共振式分析: N N N NN N 结论结论: 1. 环上带正电环上带正电, 不利于亲电不利于亲电 取代取代 2. 位的正电荷密相对较低位的正电荷密

25、相对较低 解释原因解释原因: 17-3 杂环化合物的性质杂环化合物的性质 第二：由取代反应的中间体稳定性分析第二：由取代反应的中间体稳定性分析 1. 取代在取代在 位位 N E 位位 N E N E N E H H H -H + NE 正正 电电 荷荷 在在 电电 负负 性性 大大 的的 原原 子子 上上 , ,不不 稳稳 定定 N E 位位 N E N E N E H H H - H + N E 正正 电电 荷荷 在在 电电 负负 性性 大大 的的 原原 子子 上上 , , 不不 稳稳 定定 N E 位位 N E N E N E H H H -H+ NE 正正 电电 荷荷 在在 电电 负负

26、性性 大大 的的 原原 子子 上上 , ,不不 稳稳 定定 N E 位位 N E N E N E H H H -H + NE 正正 电电 荷荷 在在 电电 负负 性性 大大 的的 原原 子子 上上 , ,不不 稳稳 定定 N E 位位 N E N E N E H H H -H+ NE 正正 电电 荷荷 在在 电电 负负 性性 大大 的的 原原 子子 上上 , ,不不 稳稳 定定 N E 位位 N E N E N E H H H -H+ NE 正正电电荷荷在在电电负负性性大大的的 原原子子上上, ,不不稳稳定定 2. 取代在取代在 位位 E 位位 N N E H N E H N E H 中间体较

27、为稳定中间体较为稳定 3. 取代在取代在 位位 E 位位 N N EH N EH N EH 正正电电荷荷在在电电负负性性大大的的原原子子上上, , 不不稳稳定定 17-3 杂环化合物的性质杂环化合物的性质 实验事实：钝化和实验事实：钝化和 取代取代 N 发发 烟烟 H 2S O4 发发 烟烟 H N O 3 / 无无 反反 应应 发发 生生 发发 烟烟 H 2S O4 发发 烟烟 H N O 3 / N N O 2 取取 代代 在在 位位 N ( C H 3)3 发发 烟烟 H 2S O4 发发 烟烟 H N O 3 / N ( C H 3)3 N O 2 起起 吸吸 电电 子子 基基 作作

28、用用 3 0 0 o C / 2 4 h N 发发烟烟 H 2 SO 4 发发烟烟 HNO 3 / 无无反反应应发发生生 发发烟烟 H 2 SO 4 发发烟烟 HNO 3 / N NO 2 取取代代在在 位位 N( CH 3 ) 3 发发烟烟 H 2 SO 4 发发烟烟 HNO 3 / N( CH 3 ) 3 NO 2 起起吸吸电电子子基基作作用用 300 o C / 24h 17-3 杂环化合物的性质杂环化合物的性质 三、氧化反应：三、氧化反应： 五员五员是富电子的芳杂环，易被氧化，在室温下被是富电子的芳杂环，易被氧化，在室温下被 空气中的氧所氧化，生成结构复杂的物质。常导致环空气中的氧所氧

29、化，生成结构复杂的物质。常导致环 的破裂或发生聚合作用得到焦油状聚合物。的破裂或发生聚合作用得到焦油状聚合物。 六员六员不易被氧化。当环上有烃基时，烃基可被氧不易被氧化。当环上有烃基时，烃基可被氧 化成羧基，与取代苯氧化产物相似。化成羧基，与取代苯氧化产物相似。 NCH3 KMnO4/H+ NCOOH 杂环化合物氧化反应顺序为：杂环化合物氧化反应顺序为：吡啶吡啶 苯苯 吡咯吡咯 N CH3 N COOH 侧链氧化侧链氧化 17-3 杂环化合物的性质杂环化合物的性质 四、加成反应：四、加成反应： O H2 O HOOC(CH2)4COOH NCCH2CH2CH2CH2CN ClCH2CH2CH2CH2Cl H2N(CH2)6NH2 1）加氢反应）加氢反应 四氢呋喃是个很重要的有机溶剂。四氢呋喃是个很重要的有机溶剂。 17-3 杂环化合物的性质杂环化合物的性质 NN H 还原：还原： N H H2 N H H2 MoS2 SS 四氢噻吩四氢噻吩 含硫化合物容易使催化剂中毒，故噻吩的还原用一个含硫化合物容易使催化剂中毒，故噻吩的还