第十三章 杂环化合物

1、 第十三章第十三章 杂环化合物及生物碱杂环化合物及生物碱 杂环化合物种类繁多，约占全部已杂环化合物种类繁多，约占全部已知有机化合物的知有机化合物的三分之一三分之一。许多。许多药物药物都都是杂环化合物，杂环化学现已成为最热是杂环化合物，杂环化学现已成为最热门的研究领域之一。在生物界，广泛存门的研究领域之一。在生物界，广泛存在杂环化合物。如一些在杂环化合物。如一些维生素维生素(B1,B5,B6)和和生物碱生物碱、叶绿素叶绿素和和血红素血红素等都是杂环等都是杂环化合物。化合物。NCOOHNCONH2烟烟酰酰胺胺(维生素pp)NCON(C2H5)烟酰二乙胺(可拉明)NCONHNH2NCH2OHHOH3

2、CCH2OH异烟酰肼(雷米封)维生素B6NNH烟烟碱碱(尼尼古古丁丁) )NNOH3CONNCH3CH3NNNNFeCHCH2H3CCH3CHCH2H3CHOOCCH2CH2CH2CH2COOHCH3 血红素血红素(heme) 构成环的原子除碳原子外还有构成环的原子除碳原子外还有O、S、N、P等杂等杂原子的一类环状化合物称为原子的一类环状化合物称为杂环化合物杂环化合物。环状化合物可分为两大类：环状化合物可分为两大类： 碳环化合物和杂环化合物碳环化合物和杂环化合物 构构成环的原子只有碳原子的环状化合物为成环的原子只有碳原子的环状化合物为碳环化合物。碳环化合物。杂环化合物：环中含有杂原子的环状化物

3、。杂环化合物：环中含有杂原子的环状化物。常见的杂原子有：常见的杂原子有：O、S、N。本章主要讨论的是最重要的、最令人感兴趣的那本章主要讨论的是最重要的、最令人感兴趣的那些环比较稳定，具有芳香结构和芳香性的杂环化些环比较稳定，具有芳香结构和芳香性的杂环化合物。（简称芳杂化合物）。合物。（简称芳杂化合物）。 已经学过的杂环化合物：已经学过的杂环化合物： 这些化合物容易开环，它们的性质与相应的脂肪族这些化合物容易开环，它们的性质与相应的脂肪族化合物相近。化合物相近。13.1 杂环化合物的分类、命名和结构杂环化合物的分类、命名和结构 13.1.1 分类分类常见的分类有两种：常见的分类有两种：1. 按骨

4、架分类按骨架分类单杂环单杂环(五元、六元、一杂、二杂等五元、六元、一杂、二杂等)稠杂环稠杂环2.按芳香性分类按芳香性分类非芳香性杂环非芳香性杂环芳香性杂环芳香性杂环五元芳杂环五元芳杂环六元芳杂环六元芳杂环ONOO非芳香性杂环非芳香性杂环:OOO四氢呋喃四氢呋喃 1,41,4二氧六环二氧六环NNHH四氢吡咯四氢吡咯六氢吡啶六氢吡啶芳杂环化合物芳杂环化合物 :五元杂环：五元杂环： 呋喃呋喃 噻吩噻吩 吡咯吡咯furan thiophene pyrrole OSNH吡唑吡唑 咪唑咪唑 唑唑 噻唑噻唑pyrazole imidazole oxazole thiazole NNNNONSNHH六元杂环：

5、六元杂环： 吡啶吡啶 哒嗪哒嗪 嘧啶嘧啶 吡嗪吡嗪Pyridine pyridazine pyrimidine pyrazine NNNNNNNOSNH 苯并呋喃苯并呋喃 苯并噻吩苯并噻吩 吲哚吲哚( (苯并吡咯苯并吡咯) )benzofuran thionaphthene indole 稠杂环：稠杂环：苯并咪唑苯并咪唑 苯并苯并 唑唑 苯并噻唑苯并噻唑 嘌呤嘌呤benzomidazole benzoxazole benzothiazole purine NNHONSNNNNNHNNN 喹啉喹啉 异喹啉异喹啉 吖啶吖啶quinoline isoquinoline acridine 13.1.2

6、 命名命名：一般按英文音译：一般按英文音译(音译法音译法)。 常见的杂环有：常见的杂环有：喹啉喹啉 呋喃呋喃 噻吩噻吩吡咯吡咯吡啶吡啶吲哚吲哚 噻唑噻唑 嘧啶嘧啶 母体选择：母体选择：磺酸、羧酸及其衍生物外，一般磺酸、羧酸及其衍生物外，一般 以杂环为母体。以杂环为母体。 杂环的编号：杂环的编号：从杂原子开始从杂原子开始;环上有多个环上有多个相同杂原子时，使杂原子位号符合最低系列相同杂原子时，使杂原子位号符合最低系列原则；原则；不同杂原子按不同杂原子按O、S、N的次序编号。的次序编号。O12345NN12345CH3H3CSNCH3123453 3甲基呋喃甲基呋喃4 4甲基咪唑甲基咪唑 5 5甲

7、基噻唑甲基噻唑 命名命名1：带有取代基的杂环化合物：带有取代基的杂环化合物NCOOH3-吡啶甲酸吡啶甲酸或或-吡啶甲酸吡啶甲酸 命名命名2：环上只有一个杂原子时，也可把靠近杂原：环上只有一个杂原子时，也可把靠近杂原子的位置叫子的位置叫 位，其次为位，其次为 位，再次为位，再次为 位：位：N命名命名3：根据相应的碳环来命名。把杂环看作相应碳环：根据相应的碳环来命名。把杂环看作相应碳环中的碳原子被杂原子取代而形成的化合物，命名时中的碳原子被杂原子取代而形成的化合物，命名时在相应的碳环名称前加上杂原子的名称：在相应的碳环名称前加上杂原子的名称： 在没有误会的情况下，在没有误会的情况下，“杂杂”字可以

8、省去。字可以省去。NHHHHHsp2 杂化杂化参与大参与大键生成键生成的的p轨道中的电子轨道中的电子图图17.1 吡咯的轨道结构吡咯的轨道结构 NH13.1.3 结构和芳香性结构和芳香性 1. 呋喃、噻吩和吡咯：呋喃、噻吩和吡咯：C、N(O、S)：sp2；N上孤电子对上孤电子对参与形成参与形成大大键键闭合共轭体系，闭合共轭体系， 6个个电子，电子，多多芳杂环。芳杂环。 环上碳原子环上碳原子 电子密度比苯大的称为电子密度比苯大的称为多多 芳杂环芳杂环，通，通常为五元芳杂环；比苯小的，称为常为五元芳杂环；比苯小的，称为缺缺 芳杂环芳杂环，六元，六元杂环。杂环。杂原子均以杂原子均以sp2杂 化 （杂

9、 化 （未杂化的未杂化的P上有上有2个电个电子参加成环子参加成环）p(2), sp2(1,1,2)p(2), sp2(1,1,2) 杂原子的未共用电子对参加了芳香性的六杂原子的未共用电子对参加了芳香性的六 电电子体系的形成。体系符合子体系的形成。体系符合4n+2休克尔规则。休克尔规则。芳香性强弱的次序芳香性强弱的次序 苯苯 噻吩噻吩 吡咯吡咯 呋喃呋喃取代反应活性的次序取代反应活性的次序 吡咯吡咯 呋喃呋喃 噻吩噻吩 苯苯离域能离域能：152 117 88 67 KJ/mol -0.10 -0.03 -0.06 0 (不一致不一致)位电子位电子云密度云密度NHHHHH图图17.2 17.2 吡

10、啶的轨道结构吡啶的轨道结构 2. 吡啶吡啶N0.134 nm0.139 nm0.140 nmCN: 0.147 nmC=N: 0.128 nm芳香性：苯芳香性：苯 噻吩噻吩 吡咯吡咯 呋喃呋喃亲电取代活性：吡咯亲电取代活性：吡咯 呋喃呋喃噻吩噻吩 苯苯 吡啶吡啶C、N：sp2杂化杂化，N上孤电子对在上孤电子对在sp2轨道上；轨道上；闭合共轭体系；闭合共轭体系；缺缺 芳杂环芳杂环13.2 五元杂环化合物五元杂环化合物XX = NH,O,S 杂原子的杂原子的C 效应，增加了杂环的亲电效应，增加了杂环的亲电取代反应的活性。亲电取代反应活性顺序：取代反应的活性。亲电取代反应活性顺序：NOSH 存在于松

11、木焦油中，为无色液体，难溶于水，易溶存在于松木焦油中，为无色液体，难溶于水，易溶于有机溶剂。其蒸汽遇有被盐酸浸过的松木时，即于有机溶剂。其蒸汽遇有被盐酸浸过的松木时，即呈绿色（叫呈绿色（叫松木反应松木反应，鉴别呋喃的存在）。，鉴别呋喃的存在）。 工业上用糠醛（工业上用糠醛（ -呋喃甲醛）制备：呋喃甲醛）制备： 实验室采用糠酸加热脱羧制得：实验室采用糠酸加热脱羧制得：13.2.1 呋喃呋喃1.呋喃的制备呋喃的制备 呋喃具有芳香性，较苯活泼，容易发生取代反应；还呋喃具有芳香性，较苯活泼，容易发生取代反应；还有一定程度的不饱和化合物的性质有一定程度的不饱和化合物的性质(发生加成反应发生加成反应)。

12、溴代溴代： 硝化硝化（缓和试剂）：（缓和试剂）： 磺化磺化（缓和试剂）：（缓和试剂）：吡啶与吡啶与SO3的络合物的络合物2. 化学性质化学性质（1）取代反应）取代反应 位取代位取代 傅傅-克酰基化反应克酰基化反应（使用缓和路易斯酸催化剂）（使用缓和路易斯酸催化剂）结论：五元多结论：五元多芳杂环的亲电取代芳杂环的亲电取代a.反应活性比苯大；反应活性比苯大；b.使用温和的反应条件；使用温和的反应条件；c.反应部位主要为反应部位主要为-位。位。 呋喃具有共轭双键的性质呋喃具有共轭双键的性质(双烯合成双烯合成) 在催化剂作用下在催化剂作用下,呋喃加氢生成呋喃加氢生成四氢呋喃四氢呋喃 (优良的溶剂优良的

13、溶剂和有机原料和有机原料):四氢呋喃四氢呋喃（2）加成反应）加成反应无芳香性无芳香性 学名学名: -呋喃甲醛呋喃甲醛。制造糠醛树脂等。制造糠醛树脂等。1. 糠醛的制法糠醛的制法（麦杆、花生壳、甘蔗渣等含多缩戊糖（麦杆、花生壳、甘蔗渣等含多缩戊糖的物质）：的物质）：13.2.2 糠醛糠醛 糠醛在醋酸存在下与苯胺作用显红色糠醛在醋酸存在下与苯胺作用显红色检验糠醛检验糠醛； 糠醛具有一般醛基的性质：糠醛具有一般醛基的性质：2. 性质和用途性质和用途 糠醛可发生糠醛可发生银镜反应银镜反应； 糠醛为没有糠醛为没有 -氢的醛，其性质与苯甲醛或甲醛相似氢的醛，其性质与苯甲醛或甲醛相似：坎尼扎罗反应（歧化反应

14、）坎尼扎罗反应（歧化反应） 噻吩存在于煤焦油的粗苯中，约为粗苯含量的噻吩存在于煤焦油的粗苯中，约为粗苯含量的0.5%在石油和页岩油中也含有噻吩及其同系物。在石油和页岩油中也含有噻吩及其同系物。 噻吩的结构：噻吩的结构：13.2.3 噻吩噻吩噻吩的性质噻吩的性质亲电取代发生亲电取代发生在在 位位傅傅-克克反应反应 煤焦油中提取的苯含煤焦油中提取的苯含0.5% 噻吩。可用浓噻吩。可用浓H2SO4除去苯中的噻吩除去苯中的噻吩13.2.4 吡咯吡咯（1）弱酸性）弱酸性NHH+NHH+（2）取代反应）取代反应偶合反应偶合反应四碘吡咯四碘吡咯常用来代替碘仿作伤口消毒剂常用来代替碘仿作伤口消毒剂. 1. 存

15、在和制取存在和制取存在于煤焦油和页岩油中。存在于煤焦油和页岩油中。 2. 性质性质（1）碱性）碱性吡啶环上氮原子有一对未共用电子没参吡啶环上氮原子有一对未共用电子没参加环上的共轭体系，因此能与质子结合，具有弱碱加环上的共轭体系，因此能与质子结合，具有弱碱性：性：13.3六元杂环化合物六元杂环化合物13.3.1 吡啶吡啶 吡啶容易和吡啶容易和SO3结结合生成合生成N-磺酸吡啶，磺酸吡啶，作为缓和的磺化剂。作为缓和的磺化剂。碱性：碱性： RNH2NH2N: sp3 sp2 sp3 sp2 孤电子对：孤电子对： sp3 sp2 sp3 pp- - 吡啶吡啶与叔胺相似，可与与叔胺相似，可与卤烷卤烷结合

16、生成相当于季铵盐结合生成相当于季铵盐的产物，受热则发生分子重排而生成吡啶的的产物，受热则发生分子重排而生成吡啶的同系物同系物：（2）取代反应）取代反应 吡啶吡啶具有和苯非常相似的骨架结构和具有和苯非常相似的骨架结构和电子结构。电子结构。因因N的电负性大于的电负性大于C，吡啶为缺，吡啶为缺芳杂环，芳杂环，亲电取代活亲电取代活性小于苯。性小于苯。 亲电取代反应与硝基苯类似，发生在亲电取代反应与硝基苯类似，发生在 位位；较苯难磺化、硝化和卤化。；较苯难磺化、硝化和卤化。亲电取代亲电取代吡啶不能起傅吡啶不能起傅-克反应克反应亲电取代亲电取代 位取代位取代 与硝基苯相似：吡啶与强的亲核试剂起与硝基苯相似

17、：吡啶与强的亲核试剂起亲核取代亲核取代反反应，主要生成应，主要生成 取代产物（取代产物（齐齐巴宾反应齐齐巴宾反应）：）： 与与2-硝基氯苯相似，硝基氯苯相似，2-氯吡啶与碱或氨等亲核试剂氯吡啶与碱或氨等亲核试剂作用，可生成相应的作用，可生成相应的羟基吡啶羟基吡啶或或氨基吡啶氨基吡啶：强的亲核试剂强的亲核试剂亲核取代亲核取代 取代产物取代产物亲核取代亲核取代（3）氧化与还原）氧化与还原吡啶比苯稳定，不易被氧化剂氧吡啶比苯稳定，不易被氧化剂氧化。吡啶的同系物被氧化时总是侧链先氧化而芳杂化。吡啶的同系物被氧化时总是侧链先氧化而芳杂环不破坏，生成相应的吡啶甲酸：环不破坏，生成相应的吡啶甲酸： 吡啶用过

18、氧羧酸氧化（或吡啶用过氧羧酸氧化（或30%的的H2O2和和CH3COOH作用）时，生成作用）时，生成吡啶吡啶N-氧化物氧化物或称或称氧化吡啶氧化吡啶： 吡啶经催化氢化或用乙醇和钠还原，可得吡啶经催化氢化或用乙醇和钠还原，可得六氢吡啶六氢吡啶：尼古丁尼古丁吡啶的衍生物吡啶的衍生物NCOOHNCONH2烟烟酰酰胺胺(维生素pp)NCON(C2H5)烟酰二乙胺(可拉明)NCONHNH2异烟酰肼(雷米封)13.3.2 喹啉和异喹啉喹啉和异喹啉 与吡啶类似与吡啶类似, 喹啉和异喹啉都有弱碱性（喹喹啉和异喹啉都有弱碱性（喹啉：啉：pKb=9.15；异喹啉；异喹啉pKb=8.86）。）。 喹啉和异喹啉的喹啉和异喹啉的亲电取代反应亲电取代反应（如硝化、磺化、（如硝化、磺化、溴化等）溴化等）比吡啶容易比吡啶容易，亲电试剂主要进攻苯环，亲电试剂主要进攻苯环部分。部分。 1.喹啉喹啉亲核取代反应亲核取代反应则发生在则发生在吡啶环吡啶环上，其中喹啉主要上，其中喹啉主要在在2-位取代，而异喹啉主要在位取代，而异喹啉主要在1-位。位。N亲电取代反应亲电取代反应 电子密度大电子密度大亲核取代反应亲核取代反应 电子密度小电子密度小喹啉的化学反应喹啉的化学反应 亲电取代，进入苯环的亲电取代，进入苯环的5，8-位（位（异环异环）,比吡啶活泼。比吡啶活泼。 亲核取代，进入