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)NNHCH2OHNCH2OHHOH3CH2NCH3ONSO2NHCH3ONOCH3OONSCH3CH3COOHORCNHO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。OCH2CH2OO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。NOHCOCOOCHCHHOCH2CH2OHHOOCCH2CH2COOHCH2CH2CH2COOHOHCH2CH2CH2CH2COOHNH2OSNONNNNHNHNHN17-1 概概 述述一、杂环化合

2、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ONNNHNNNNH17-1 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

3、 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OSNHNSNNHfuranpyrrolethiopheneimidazole呋喃呋喃吡咯吡咯噻吩噻吩thiazole咪唑咪唑ONNNNHNNNNHpyranpyridinepyrimidineindolepurine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

4、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1234567891,3,7,9-1,3,7,9-四氮杂茚四氮杂茚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 、 、 OCH3CH32,4-2,4-二甲基呋喃二甲基呋喃NHC2H53-3-乙基吡咯乙基吡咯SCH3O2N2-2-甲基甲基-5-5-硝基噻吩硝基噻吩1

5、7-1 概概 述述NCH3NNCH33-3-甲基吡啶甲基吡啶4-4-甲基嘧啶甲基嘧啶NHCH33-3-甲基吲哚甲基吲哚NSCH3123455-5-甲基噻唑甲基噻唑SCH3 - -甲基噻吩甲基噻吩OCH3 - -甲基呋喃甲基呋喃 - -甲基吡啶甲基吡啶NCH3以上均为杂以上均为杂环为母体环为母体NNHCH32-2-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：OCHONCOOHNHCNH2O - -呋喃

6、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NCOOH - -吡啶甲酸吡啶甲酸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

7、。有芳香性。NHHHHHCCCCNNH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。2psp26 C2psp28 O2psp27 N(2)键长平均化键长平均化OSNH 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6856230.91.5CH (芳芳)CH (烯烯)CH (炔炔)CH (烷烷

8、)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+COOOCOCOOOC17-1 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。NHHHHHCCCCNC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

9、-1 概概 述述NCCCCC(1)C和和N均为均为sp2杂化，杂化， 电子数电子数=4n+2。2psp27 N2psp27 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0.1340.1400.13917-1 概概 述述NH吡咯(pyrroe)1.061.100.68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0.820.950.851.59缺电子的芳杂环，亲电取代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

10、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( C5H1 0O5)nH3+O水 解H O _ _ _C H C H_ _ _ O HH_ _ _C H C H_ _ _ HO H H - O- 3 H2OH+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

11、得到呋喃。O_CHOZn- Cr2O3 - MnO2400 415O+ CO217-2 杂环化合物的制备杂环化合物的制备( C5H1 0O5)nH3+O水 解H O _ _ _C H C H_ _ _ O HH_ _ _C H C H_ _ _ HO H H - O- 3 H2OH+O_ _C H O( C5H1 0O5)nH3+O水解H O _ _ _C H C H_ _ _ O HH_ _ _C H C H_ _ _ HO H H - O- 3 H2OH+O_ _C H O( C5H1 0O5)nH3+O水解H O _ _ _C H C H_ _ _ O HH_ _ _C H C H_ _

12、 _ HO H H - O- 3 H2OH+O_ _C H O2、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)SP2S5H3CC H3OH3CC H3P2O5(N H4)2C O31 0 0 NHC H3H3CCH3_C C_ CH3OOCH2 CH2OH3CC H3P2O5(N H4)2C O31 0 0 NHC H3H3CSP2S5H3CC H317-2 杂环化合物的制备杂环化合物的制备ONHSH2ON H3H2SN H3H2OH2S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ONHSH2ON H3H2SN

13、 H3H2OH2SONHSH2ON H3H2SN H3H2OH2SONHSH2ON H3H2SN H3H2OH2SONHSH2ON H3H2SN H3H2OH2SONHSH2ON H3H2SN H3H2OH2S17-2 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。NH+ KOHNK+ H2ONK+

14、 H2ONH+ 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NH17-3 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+ HClN HClN2 2、吡啶的弱碱性、吡啶的弱碱性NNH3NH2NHNHNNH2NH比较碱性：比较碱性：17-3 杂环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

15、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SNO2SNO2XXCOCF3CF3CO)2O1 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SCH3CO)2O Br2HNO3H2SO4H2SO4SBrSNO2SSO3HSCOCH3S由于噻吩比苯容易由于噻吩比苯容易磺化磺化,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OCH3CO)2OBr2OB

16、rONO2OSO3HOCOCH3(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NHCH3CO)2OCH3COONO2Br2SO3NNO2NHSO3HNHCOCH3NHBrNHBrBrBr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OAXABXABOAB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XA总发生总发生在在 -位位总发生总发生在在

17、5-位位主要在主要在5-位位主要在主要在4-位位SNO2OCHOOBrNCHOHXAXABXAB 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)取代在取代在 位位AE+AEAEAE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+AEAE+AEAEAE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

18、取取 代代H- H+AEAE+AEAEAE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+AEAE+AEAEAE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+AEAE+AEAEAE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+AEAE+AEAEAE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

19、取代代H- H+AE 取代在取代在 位位AEAE满满足足八八隅隅体体贡贡献献大大AE+- H+AEH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AEAE满满 足足 八八 隅隅 体体贡贡 献献 大大AE+- H+AEH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AEAE满满足足八八隅隅体体贡贡献献大大AE+- H+AEH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AE+AEAEAE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+AE17-3 杂环化合

20、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。NNBr+ Br2浮石催化浮石催化300300+ Br2FeBr35050BrN - -溴吡啶溴吡啶N+ HNO3+ HNO3H2SO430030050-60H2SO4NO2NNO2 - -硝基吡啶硝基吡啶 亲电取代：亲电取代：17-3 杂环化合物的性质杂环化合物的性质N+ H2SO4+ H2SO4NSO3HSO3H -

21、 -吡啶磺酸吡啶磺酸35035070-8070-80 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：NNH2N氨化：氨化：主要发生在主要发生在NOHNCl17-3 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:NNNNNN 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.

22、取代在取代在 位位NE 位位NENENEHHH-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NE 位位NENENEHHH- 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NE 位位NENENEHHH-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NE 位位NENENEHHH-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NE 位位NENENEHHH-H+NE正正 电电 荷荷

23、在在 电电 负负 性性 大大 的的原原 子子 上上 , ,不不 稳稳 定定NE 位位NENENEHHH-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NNEHNEHNEH中间体较为稳定中间体较为稳定3. 取代在取代在 位位E 位位NNEHNEHNEH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 H2S O4发发 烟烟 H N O3 /无无 反反 应应 发发 生生发发 烟烟 H2S O4发发 烟烟 H N O3 /NN

24、 O2取取 代代 在在 位位N ( C H3)3发发 烟烟 H2S O4发发 烟烟 H N O3 /N ( C H3)3N O2起起 吸吸 电电 子子 基基 作作 用用3 0 0oC / 2 4 hN发发烟烟 H2SO4发发烟烟 HNO3 /无无反反应应发发生生发发烟烟 H2SO4发发烟烟 HNO3 /NNO2取取代代在在 位位N( CH3)3发发烟烟 H2SO4发发烟烟 HNO3 /N( CH3)3NO2起起吸吸电电子子基基作作用用300oC / 24h17-3 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

25、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。NCH3KMnO4/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NCH3NCOOH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：OH2OHOOC(CH2)4COOHNCCH2CH2CH2CH2CNClCH2CH2CH2CH2ClH2N(CH2)6NH21）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NNH还原：还原：NHH2NH H2MoS2SS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，故噻吩的还原用一个特