有机化学：第13章杂环化合物

1、第第1313章章 杂环化合物杂环化合物杂环化合物：组成环的原子除碳外，还有杂环化合物：组成环的原子除碳外，还有O、S、N等的环状化合物。等的环状化合物。芳杂环：即具有芳香性的杂环化合物芳杂环：即具有芳香性的杂环化合物NSCH2CONHH HOCH3CH3COONa杂环化合物不包括极易开环的含杂原子杂环化合物不包括极易开环的含杂原子的环状化合物，例如：的环状化合物，例如：杂环杂环化合物化合物非芳杂环非芳杂环芳杂环芳杂环OOONH（符合休克尔规则）（符合休克尔规则）ONOOOOOONHO环氧乙烷环氧乙烷内酯内酯酸酐酸酐内酰胺内酰胺一、分类和命名一、分类和命名（一）分类（一）分类五元杂环五元杂环六元

2、杂环六元杂环稠杂环稠杂环 五元杂环五元杂环NHSO吡咯吡咯 (pyrrole)呋喃呋喃(furan)噻吩噻吩 (thiophene)六元杂环六元杂环N吡啶吡啶 (pyridine)吡喃吡喃(pyran)嘧啶嘧啶(pyrimidine)ONN稠杂环稠杂环嘌呤嘌呤 (purine)NNNNH（二）命名：（二）命名：音译法：音译法：1 1、译音、译音 + “+ “口口”字旁。字旁。2 2、编号：从杂原子开始。、编号：从杂原子开始。a.a.相同杂原子数相同杂原子数22，使杂原子编号最小；，使杂原子编号最小；从连有从连有HH的杂原子开始编号。的杂原子开始编号。b.b.如有不同杂原子，按如有不同杂原子，按

3、O O、S S、N N顺序排列，顺序排列，嘌呤较特殊。嘌呤较特殊。3-硝基吡咯硝基吡咯2-呋喃甲醛呋喃甲醛4-嘧啶甲酸嘧啶甲酸 OCHONNCOOHNHNO213213416-氨基嘌呤氨基嘌呤 (A)ONH四氢呋喃四氢呋喃六氢吡啶六氢吡啶NNNNHNH2123456789二、二、吡咯、呋喃和噻吩结构和吡咯、呋喃和噻吩结构和性质性质NHNH（一）结构（一）结构 电子数为电子数为6 6，具有芳香性具有芳香性OOO和和S S原子原子spsp2 2SO结构：吡咯结构：吡咯N N是是spsp2 2杂化，孤电子对参与共轭。杂化，孤电子对参与共轭。 5 56 6 平面共轭体系平面共轭体系 富电子芳香杂环化合

4、物富电子芳香杂环化合物环稳定性的顺序：环稳定性的顺序：苯苯噻吩噻吩吡咯吡咯呋喃呋喃离域能：离域能：噻吩：噻吩：121.3 kJmol-1 吡咯：吡咯： 87.8 kJmol -1呋喃：呋喃：66.9 kJmol -1 苯：苯： 150 kJmol -1S142pm137pm171pmNH143pm137pm138pmO144pm135pm137pmC-C 154pm C-O 143pm C-S 182pm C-N 147pmC=C 134pm C=O 122pm C=S 160pm C=N 128pm（二）（二）吡咯、呋喃和噻吩吡咯、呋喃和噻吩化学性质化学性质2 2、吡咯的酸碱性、吡咯的酸碱性

5、1 1、亲电取代反应、亲电取代反应1 1、亲电取代反应、亲电取代反应（1 1）呋喃、噻吩、吡咯的卤化反应）呋喃、噻吩、吡咯的卤化反应（2 2）呋喃、噻吩、吡咯的硝化反应）呋喃、噻吩、吡咯的硝化反应（3 3）呋喃、噻吩、吡咯的磺化反应）呋喃、噻吩、吡咯的磺化反应（4 4）呋喃、噻吩、吡咯的傅氏酰基化反应）呋喃、噻吩、吡咯的傅氏酰基化反应（1） 呋喃、噻吩、吡咯的卤化反应呋喃、噻吩、吡咯的卤化反应 特点：特点：反应强烈，易得多卤取代物。为得一卤代产反应强烈，易得多卤取代物。为得一卤代产物，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SSBrSIBr2AcOHI2, HgOC6H

6、6, 0(78 %)Br2,0-40HI2+NaOHSOCl2(1mol)EtO2,0H(80%)NClHNNIIII因环的电子云密度比苯大，故因环的电子云密度比苯大，故比苯活比苯活泼泼。取代基进入。取代基进入位。位。吡咯吡咯呋喃呋喃噻吩噻吩苯苯不同五元杂环化合物亲电取代反应活性：不同五元杂环化合物亲电取代反应活性： 呋喃呋喃, , 噻吩和吡咯可氧化噻吩和吡咯可氧化, , 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：硝酸乙酰酯。通常用比较温和的非质子硝化试剂，如：硝酸乙酰酯。反应在低温下进行。反应在低温下进行。（2） 呋喃、噻吩、吡咯的硝化反应呋喃、噻吩

7、、吡咯的硝化反应CH3COCCH3 + HNO3OOCH3CONO2 + CH3COOHOSAcONO2O oCAc2O/AcOHSNO2SNO2+NHAcONO2O oCAc2O/AcOHNHNO2NHNO2+60 %10 %51 %13 %CH3COCCH3 + HNO3OOCH3CONO2 + CH3COOHOSAcONO2O oCAc2O/AcOHSNO2SNO2+NHAcONO2O oCAc2O/AcOHNHNO2NHNO2+60 %10 %51 %13 %（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，所以须用温吡咯、呋喃不太稳定，所以须用温和的磺

8、化试剂磺化。常用的温和的非质和的磺化试剂磺化。常用的温和的非质子的磺化试剂有：吡啶磺酸。子的磺化试剂有：吡啶磺酸。 噻吩相对稳定，既可以直接磺化（产率稍噻吩相对稳定，既可以直接磺化（产率稍低），也可以用温和的磺化试剂磺化。低），也可以用温和的磺化试剂磺化。N+ SO3CH2Cl2室温NSO3(固体，含量固体，含量90 %)O+SO3OSO3H吡啶吡啶-呋喃磺酸呋喃磺酸（90%90%）S+SSO3HH2SO4室温室温NH+SO3NSO3HH吡啶吡啶（4） 呋喃、噻吩、吡咯的傅氏酰基化反应呋喃、噻吩、吡咯的傅氏酰基化反应(60 %)NH+ Ac2O150 - 200 NHCCH3OSAc2O 与

9、AlCl3 的混合体系SCCH3OOBF3+ Ac2OOCCH3O(75%-92 %)0-吡咯乙酮吡咯乙酮-呋喃乙酮呋喃乙酮-噻吩乙酮噻吩乙酮2、 吡咯的酸碱性吡咯的酸碱性 吡咯的性质与苯酚类似，都具有酸性，吡咯吡咯的性质与苯酚类似，都具有酸性，吡咯的酸性比苯酚小。吡咯与苯胺也有类似性质。的酸性比苯酚小。吡咯与苯胺也有类似性质。吡咯成盐后，使环上电荷密度增高，吡咯成盐后，使环上电荷密度增高，亲电取代反应更易进行。亲电取代反应更易进行。NHKOH，NK+Na或KPKaPKa=17.5=17.5NK+CH3ICH3COClONINCOCH3NCH2CH2OH 同时，同时，N负离子具有亲核性，可与许

10、多试剂，负离子具有亲核性，可与许多试剂，生成一系列氮取代产物。生成一系列氮取代产物。碱性碱性:四氢吡咯苯胺吡咯四氢吡咯苯胺吡咯NHNHNH2Kb3.8 10-102 10-42.5 10-14原因： 上的未共用电子对参与了环的共轭体系，减弱了与 的结合力。NH原因：原因：N上的未共用电子对参与了环的共轭体系，上的未共用电子对参与了环的共轭体系，减弱了与减弱了与H+的结合力的结合力 四、吡啶的结构和性质四、吡啶的结构和性质 （一）结构：（一）结构：NN原子原子Sp2杂化杂化1.000.841.040.87134pm139pm140pm139pm139pm吡啶有芳香性，氮原子的作用相当于苯环上的硝

11、基，吡啶有芳香性，氮原子的作用相当于苯环上的硝基，吡啶中的氮原子使环上电子云密码降低，形成吡啶中的氮原子使环上电子云密码降低，形成“缺缺”芳杂环。芳杂环。1.00（二）性质（二）性质1、吡啶无色有臭味，与水和多种、吡啶无色有臭味，与水和多种有机溶剂混溶有机溶剂混溶2、亲电取代（比苯难）、亲电取代（比苯难）3、亲核取代、亲核取代4、氧化反应（比苯难）、氧化反应（比苯难）5、还原反应（比苯易）、还原反应（比苯易） 因吡啶氮原子上的孤对电子不参与共轭，而有碱性因吡啶氮原子上的孤对电子不参与共轭，而有碱性碱性：脂肪胺吡啶苯胺吡咯碱性：脂肪胺吡啶苯胺吡咯pKb: 8.8 9.4 13.61、碱性、碱性实

12、验室常利用吡啶清除反应体系中的酸实验室常利用吡啶清除反应体系中的酸.N+HClNH+Cl-NNH2NH（1）氮原子的亲电取代）氮原子的亲电取代2、亲电取代反应、亲电取代反应NSO3SO3NNNCH3+I-CH3IN上有孤对电子，具有碱性，可与上有孤对电子，具有碱性，可与Lewis酸（如酸（如AlCl3,SbCl5,SO3）反应，形成稳定的）反应，形成稳定的N-加合物加合物.N上有孤对电子，具有亲核性，可与卤代烷等发生上有孤对电子，具有亲核性，可与卤代烷等发生的的N-烷基化反应，生成季铵盐烷基化反应，生成季铵盐.N+ Br23000 CNBr+ HBr因氮原子的电负性比碳大，故因氮原子的电负性比

13、碳大，故亲电取代反亲电取代反应比苯难应比苯难。取代基进入。取代基进入位位。33%33%NNNO2HNO3,H2SO4KNO3,30020%20%吡啶环中的吡啶环中的N原子相当于苯环上的原子相当于苯环上的-NO22、吡啶环的亲电取代、吡啶环的亲电取代3、吡啶的亲核取代反应、吡啶的亲核取代反应用强碱性的亲核试剂用强碱性的亲核试剂(氨基钠氨基钠NaNH2、有、有机锂（机锂（RLi）)，能在吡啶的，能在吡啶的位直接发生亲位直接发生亲核取代核取代N+NaNH2NNH2100150吡啶中氮原子的吸电子作用，使吡啶环可吡啶中氮原子的吸电子作用，使吡啶环可发生亲核取代反应，发生在发生亲核取代反应，发生在位或位

14、或位。位。当吡啶当吡啶-位位(或或-位位)具有优良的离去基团具有优良的离去基团（如：卤素）时，较弱的亲核试剂也可取代（如：卤素）时，较弱的亲核试剂也可取代NClNNH2NH3NBrNOHNaOH/H2O1802004、吡啶的氧化与还原反应、吡啶的氧化与还原反应（1）烷基吡啶的氧化）烷基吡啶的氧化NCH3KMnO4H+NCOOH-吡啶甲酸吡啶甲酸NHOOCH+KMnO4N-吡啶甲酸吡啶甲酸吡啶比苯难氧化吡啶比苯难氧化哌啶（六氢吡啶）哌啶（六氢吡啶）由于吡啶分子中氮原子的吸电子作用，造成分子由于吡啶分子中氮原子的吸电子作用，造成分子的对称性降低，及分子偶极增加等一系列分子结构上的对称性降低，及分子

15、偶极增加等一系列分子结构上的不均匀性，吡啶比苯易加氢还原。的不均匀性，吡啶比苯易加氢还原。NNa+C2H5OHPt/H2NNNa+C2H5OHPt/H2N或25，0.3MPaH吡啶比苯易加氢还原吡啶比苯易加氢还原（2）吡啶的还原）吡啶的还原 嘧啶是含有两个氮原子的六元杂环化合物，无色嘧啶是含有两个氮原子的六元杂环化合物，无色固体，具有碱性。固体，具有碱性。四、嘌呤、嘧啶及其衍生物四、嘌呤、嘧啶及其衍生物 9H-嘌呤（生物体内）嘌呤（生物体内） 7H-嘌呤嘌呤(药物中药物中)NNNNH123456789987654321NNNNH 嘌呤由嘧啶和咪唑稠合而成。水溶液中发嘌呤由嘧啶和咪唑稠合而成。水溶液中发生互变异构，平衡偏向于生互变异构，平衡偏向于9H形式形式NN嘧啶嘧啶NNNH2OHHNNOOHHNNOOCH3H胞嘧啶（胞嘧啶（C）尿嘧啶（尿嘧啶（U）胸腺嘧啶（胸腺嘧啶（T）重要的嘧啶衍生物重要的嘧啶衍