第十五章杂环化合物

1、第十五章第十五章 杂环化合物杂环化合物 heterocyclic compounds主要内容主要内容1.芳香杂环化合物分类、命名芳香杂环化合物分类、命名2.五员芳杂环（五员芳杂环（呋喃、噻吩、吡咯呋喃、噻吩、吡咯）的结构、性质）的结构、性质 酸碱性、亲电取代酸碱性、亲电取代3.六员芳杂环（六员芳杂环（吡啶吡啶）的结构、性质）的结构、性质 碱性、亲核性、亲电取代、亲核取代、还原和氧化碱性、亲核性、亲电取代、亲核取代、还原和氧化4.稠杂环简介（略）稠杂环简介（略）5.生物碱简介（略）生物碱简介（略）杂环所涉及的领域杂环所涉及的领域1.药物药物2.染料染料3.工程高分子材料工程高分子材料4.生物模拟

2、材料生物模拟材料5.有机导体和超导材料有机导体和超导材料6.贮能材料贮能材料nnhnoco2hfhclh2o盐酸环丙杀星ciprofloxacin hydrochlorideconhhnh2nhoshco2hch3h2o头孢氨苄ssssttfsesesesememememepf62双四甲基四硒富瓦烯（第一个有机超导体）oobrco2nahgohnaobr红汞oobrco2nabrnaobr曙红（红墨水）nnohoooho10-羟基喜树碱（抗癌药） 芳香杂环芳香杂环 普通杂环普通杂环重点内容重点内容环醚，内酯，内环醚，内酯，内酰胺，环状酸酐酰胺，环状酸酐nhnnnhnnnnhnnnsoo oo

3、oo oo oo oo on nh ho oo o杂环化合物的类型杂环化合物的类型杂环分类杂环分类: i. 杂原子的类型和数目杂原子的类型和数目 ii. 环的大小环的大小 （五员环、六员环等）（五员环、六员环等） iii. 环的个数（单环、稠环）环的个数（单环、稠环）例：例：nhnnnhnnhonnnhnsfusedmonocyclic单环单环稠环稠环 五员芳杂环衍生物五员芳杂环衍生物nhos吡吡咯咯呋呋喃喃噻噻酚酚pyrrolefuranthiophene13452 nhcl3 nmeet1 1- -甲甲基基- -3 3- -乙乙基基吡吡咯咯123453-吡咯 -吡咯 onh吡咯烷四氢呋喃p

4、yrrolidinetetrahydrofuran(thf)nh2, 3-二氢吡咯23一、五员芳杂环一、五员芳杂环（1）含有一个杂原子的五元杂环）含有一个杂原子的五元杂环（2）含）含 2 个以上杂原子的五员环个以上杂原子的五员环nnhno3452112345吡唑噁噁唑pyrazolennh34521咪唑imidazoleoxazoleno12345异噁噁唑isoxazolennnh345211, 2, 4 三唑ns12345噻噻唑thiazoles 三唑二、二、 六员芳杂环六员芳杂环（1 1）含有一个杂原子的六元杂环）含有一个杂原子的六元杂环（2 2）含两个以上杂原子的六员环）含两个以上杂原子

5、的六员环n63452 吡啶pyridine1 nch2ch32-乙基吡啶nh六氢吡啶（哌啶）piperidine（ -乙基吡啶） nnnnn吡嗪1, 3, 5 三嗪nnnn嘧啶哒嗪pyrazinepyridazinepyrimidine135121314(1,3,5-triazine)（5）稠杂环）稠杂环nnnn13268945h7 嘌呤 purinen453261784532617nh喹啉 吲哚quinoline indole四、杂环命名的标氢四、杂环命名的标氢o4h-吡喃o2h-吡喃nnnhn7h-嘌呤nnnhn9h-嘌呤123456789ccccnhccccoccccsq n, o, s

6、: sp2杂化轨道；杂化轨道；q 分子具有芳香性；分子具有芳香性；q 五中心六电子的五中心六电子的键，整体电子云密度升高键，整体电子云密度升高 发生芳香族化合物的典型反应发生芳香族化合物的典型反应-亲电取代反应亲电取代反应吡咯吡咯 呋喃呋喃 噻吩噻吩一、结构与性质特点一、结构与性质特点亲亲电电反反应应取取向向： -位比-位更容易onhs离离域域能能kj/mol6788121151(稳定性)芳香性大小： 苯 噻吩 吡咯 呋喃nhos电电子子云云密密度度000000-0.10-0.06-0.08-0.02-0.06-0.04nhos偶偶极极距距0.81d0.70d0.51d0.00d 杂原子本身的

7、性质杂原子本身的性质 杂原子对环的影响杂原子对环的影响onhsa 芳香性芳香性 不饱和共轭双烯性质不饱和共轭双烯性质 反应相对活性反应相对活性 -取代取代 -取代取代主要产物主要产物nhos310186101151091 取代位置取代位置ae+aeae+ +1) 1) 五员芳杂环的亲电取代反应五员芳杂环的亲电取代反应 取代位置选择性的解释取代位置选择性的解释 位取代位取代ae+aeaeae贡贡献献最最大大（满满足足八八隅隅体体） 取代h h+ae中间体有三个主要共振式，中间体有三个主要共振式，中间体较稳定中间体较稳定 位取代位取代 h+aeaeae+aeh中间体只有二个主要共振式，中间体只有二

8、个主要共振式，中间体较不稳定中间体较不稳定 对亲电取代反应活性的解释对亲电取代反应活性的解释 i. i. 由五员杂环的结构分析由五员杂环的结构分析杂原子起给电子基的作用，环上的电荷密度比苯环大杂原子起给电子基的作用，环上的电荷密度比苯环大 ii. 由中间体的稳定性分析由中间体的稳定性分析e+e- h+eh比较：苯的亲电取代比较：苯的亲电取代aeh h+aeae+ 取代满足八隅体满足八隅体（较稳定）（较稳定）未满足八隅体未满足八隅体（较不稳定）（较不稳定）a=o, s, nh 亲电取代反应实例亲电取代反应实例caution：遇强酸时杂原子被质子化，导致芳环遇强酸时杂原子被质子化，导致芳环键的破坏

9、键的破坏 硝化：硝化：hno3/h2so4磺化：磺化：h2so4用温和试剂代替用温和试剂代替acono2acono2+a强强酸酸氧氧化化聚聚合合分分解解反反应应剧剧烈烈（a = o,s, nh）（1 1） 五员杂环的硝化反应五员杂环的硝化反应nhacono2ac2o, ocnhno2nhno283%17%+sacono2ac2o-acoh, 0ocsno2sno260%10%+ 吡咯和噻酚发生正常亲电取代反应吡咯和噻酚发生正常亲电取代反应 呋喃发生加成反应（共轭烯烃性质）呋喃发生加成反应（共轭烯烃性质）oacono2 5 30ocono2aco碱 或ono2 hoac加成消除（2） 五员杂环的

10、磺化反应五员杂环的磺化反应磺化试剂：磺化试剂：nso3（吡啶 so3加合物）nh100ocnhso3hssh+r. t.so32ba2+oh+oso3h+oso3hho3s41%15%90%86%ba(oh)2nso3nso3nso3r. t.噻吩较稳定：可直接用硫酸磺化噻吩较稳定：可直接用硫酸磺化应用：从煤焦油中得到的苯含噻吩，利用该反应将其除去应用：从煤焦油中得到的苯含噻吩，利用该反应将其除去ssso3hh2so4r. t.s（少量）h2so4r. t.sso3h溶解于硫酸中反应快+（3） 五员杂环的卤化反应五员杂环的卤化反应nh0ocbr2 / etohnhbrbrbrbrso2cl2

11、/ et2o0ocnhclo0ocobr0ococlcl2s0ocbr2 / hoacsbr0ocsii2 / h2obr2硫酰氯硫酰氯so2cl2是温和的氯代试剂是温和的氯代试剂（4） friedel-crafts反应反应nhnhcoch32 2- -乙乙酰酰基基吡吡咯咯oococh32 2- -乙乙酰酰基基呋呋喃喃sscoch32 2- -乙乙酰酰基基噻噻吩吩(ch3co)2o(ch3co)2obf3(ch3co)2osncl4使用特殊催化剂使用特殊催化剂噻吩能使常用氢化催噻吩能使常用氢化催化剂中毒）化剂中毒）thf（常用有机溶剂）（常用有机溶剂）吡咯烷：一个仲胺吡咯烷：一个仲胺osnhh

12、2 / nih2 / niosnhh2 / mos2ni/h2脱s2）五员芳杂环的加成反应）五员芳杂环的加成反应（1 1）催化加氢）催化加氢(2) dields-alder反应反应 o+ +ooooooo n-h: 弱酸性弱酸性(ph=5)吡咯钾盐的生成吡咯钾盐的生成nhpkb 13.6nh2.89pka 17.5由于共轭由于共轭 n-h键极性增加，键极性增加，使吡咯表现出使吡咯表现出弱酸性弱酸性 nhnk+dry kohh2o3) 吡咯的弱酸性吡咯的弱酸性吡啶的结构吡啶的结构n共振能：共振能：96 kj/molsp2轨道轨道cchchccnhhhhh电电子子云云密密度度0 00 00 00

13、00 00 0偶极距0.00dnn2.26d+0.15+0.18+0.05 亲电反应活性低于苯亲电反应活性低于苯 亲电取代以亲电取代以为主为主15.3 15.3 含一个杂原子六员芳杂环含一个杂原子六员芳杂环( (吡啶）吡啶）类似叔胺类似叔胺有亲核性和碱性有亲核性和碱性n可被氧化可被氧化 吡啶性质的初步分析吡啶性质的初步分析n亚胺结构片断亚胺结构片断有亲电性有亲电性与亲核试剂反应与亲核试剂反应不饱和性不饱和性可加氢还原可加氢还原与苯相似与苯相似有芳香性有芳香性可亲电取代可亲电取代一、吡啶的碱性和亲核性一、吡啶的碱性和亲核性1. 1. 吡啶氮原子上的反应吡啶氮原子上的反应有机合成中常用有机合成中常

14、用的一个有机碱的一个有机碱nnpkb9414hr3nnnso3so3（2 2）亲核性）亲核性吡啶的烷基化吡啶的烷基化nc16h33brnbrc16h33消消毒毒剂剂、抗抗菌菌剂剂溴溴化化十十六六烷烷基基吡吡啶啶盐盐吡啶吡啶-so3加合物加合物nennneee 取取代代 取取代代 取取代代+取代位置：取代位置：位置选择性？位置选择性？反应活性：反应活性：与苯比快或慢与苯比快或慢? ?？ 若干实验事实若干实验事实钝化芳环、钝化芳环、 取代为主取代为主相当于强相当于强吸电子基吸电子基n发烟 h2so4发烟 hno3 /无反应发生发烟 h2so4发烟 hno3 /nno2300oc / 24h结论结论

15、: 1. 环上带正电核环上带正电核, 不利于不利于亲电亲电取代取代2. 位的正电荷密度位的正电荷密度相对相对较低、较低、 较易受亲电试剂进攻较易受亲电试剂进攻 nnnnnn eei）由吡啶共振式分析）由吡啶共振式分析:对反应位置选择性及钝化现象的解释对反应位置选择性及钝化现象的解释 位取代位取代中间体有中间体有两个两个主要共振式主要共振式不稳定不稳定正电荷在电负性正电荷在电负性大的原子上大的原子上nenenenehhh- - h+ne 位位ii）根据中间体的稳定性分析：）根据中间体的稳定性分析：对反应位置选择性及钝化现象的解释对反应位置选择性及钝化现象的解释中间体有中间体有三个三个主要主要共振

16、式，共振式，较稳定较稳定e nnehnehneh- - h+neattack 位取代位取代与与 位取代类似）位取代类似）中间体有两个主要共振式中间体有两个主要共振式不稳定不稳定正电荷在电负性正电荷在电负性大的大的n原子上原子上ennehnehneh- - h+ne 位取代位取代nnkno3+h2so4fe 350ocno2(15%)nnh2so4.so3230oc，24hso3h(71%)- 硝基吡啶nn300ocbr+ br2- 吡啶磺酸- 溴吡啶 nnunnhnunnunu = nh2, phnu h通过氧化去氢通过氧化去氢或或与负氢接受体结合与负氢接受体结合亲核加成亲核加成-负氢消除负氢

17、消除3.3.吡啶环上的亲核取代反应吡啶环上的亲核取代反应（1） nanh2与吡啶的亲核取代与吡啶的亲核取代- chichibabin 反应反应chichibabin 反应机理反应机理:nnnh2+nanh2h2nh3 或 phnme2nnh2nhnh2hnh2nnh2+hhnnhh或nnh2+nhn+hhnh2nnh+nh3nh2hh3o+nclnohnaohnho -吡啶酮异构化nhonclnohcl clnohoh机理：机理：good leaving group （2 2） 或或 位有离去基团时发生亲核取代位有离去基团时发生亲核取代实例实例nclphnh2nnhphnbrnh3nnh2brbrnoch3nclnaoch3 hoch3ncl2, alcl3nclbr2300 0cnbr+nbrbrhno3/h2so4300 0cnno2h2so4(so3)200 0cnso3hhclnhcl1. nanh22. h2onnh2（1 1）吡啶侧链的氧化反应）吡啶侧链的氧化反应-4.4.氧化还原反应氧化还原反应kmno4nch3nch3尼古丁(烟碱)烟酸吡啶甲酸nnch3hno3ncooh（2 2）吡啶的还原反应）吡啶的还原反应喹啉中吡啶环比苯环易被还原喹啉中吡啶环比苯环易被还原（但是苯环比吡啶环更易被氧化）（但是苯环比吡啶环更易被氧化）六氢吡啶又称哌啶六氢吡啶又称哌啶(pk