第十六 章杂环化合物

1、1 杂环化合物的分类和命名杂环化合物的分类和命名； 五元、六元杂环化合物的结构和性质五元、六元杂环化合物的结构和性质； 稠杂环化合物，喹啉的制法稠杂环化合物，喹啉的制法； 了解生物碱、毒品的种类与危害。了解生物碱、毒品的种类与危害。 呋喃、吡咯、噻吩的结构和性质；呋喃、吡咯、噻吩的结构和性质； 吡啶、喹啉的结构和性质。吡啶、喹啉的结构和性质。第十六章第十六章 杂环化合物杂环化合物2v非芳香杂环：非芳香杂环： v常见的杂原子：常见的杂原子：O、N、S。OOONHONSv杂环：指由碳原子和至少一个杂原子构成的环。杂环：指由碳原子和至少一个杂原子构成的环。杂环化合物：含有杂环的且具有一定芳性的化合物

2、。杂环化合物：含有杂环的且具有一定芳性的化合物。一、一、分类分类与命名与命名 单杂环单杂环：OHNS呋喃呋喃 furan 吡咯吡咯 pyrrole 噻吩噻吩 thiophene 16-1 16-1 杂环化合物的分类与命名杂环化合物的分类与命名音译法：按照音译法：按照IUPAC推荐的普通命名方法，用推荐的普通命名方法，用23个汉字音个汉字音译，使用带口字旁的同音汉字。译，使用带口字旁的同音汉字。4稠杂环：稠杂环： NNH喹啉喹啉 quinoline 吲哚吲哚 indole NHNNN嘌呤嘌呤 purine NNNthiazole imidazole pyridine NNHSN噻唑噻唑 咪唑咪唑

3、 吡啶吡啶 pyrimidine 嘧啶嘧啶 5系统命名法：系统命名法：根据相应的碳环命名。根据相应的碳环命名。 ONH氮杂氮杂-2,4,6-2,4,6-环庚三烯环庚三烯 氧杂氧杂-2,4-2,4-环戊二烯环戊二烯 杂环的编号杂环的编号 NCH3OCHO3-3-甲基吡啶甲基吡啶 2-2-呋喃甲醛呋喃甲醛 使杂原子的位号尽可能小（含一个杂原子）使杂原子的位号尽可能小（含一个杂原子）； 6含有两种以上杂原子时：含有两种以上杂原子时：有些稠杂环化合物的原子编号是固定的。有些稠杂环化合物的原子编号是固定的。 N18765432NHNNN198765432异喹啉异喹啉 嘌呤嘌呤 则依照则依照O,S,N 次

4、序编号，编号时杂原子的位次之和应最小次序编号，编号时杂原子的位次之和应最小 。SNONNNH123451234512345噻唑恶口唑咪唑7一、呋喃、吡咯、噻吩的结构一、呋喃、吡咯、噻吩的结构 sp2杂化杂化 16-2 16-2 五元杂环化合物五元杂环化合物8v结构特点：结构特点：杂原子为杂原子为 sp2杂化，孤电子对在杂化，孤电子对在2p轨道上，参与共轭。轨道上，参与共轭。 由于由于6个个电子分布于电子分布于5个原子上，整个环的个原子上，整个环的电子几率密电子几率密度比苯大，为富电子芳环。度比苯大，为富电子芳环。v芳香性顺序：芳香性顺序：噻吩噻吩 吡咯吡咯 呋喃呋喃 电负性：电负性： S 2.

5、6 N 3.0O 3.5电负性的差异造成包括杂原子在内的五元环上的电子云密电负性的差异造成包括杂原子在内的五元环上的电子云密度分布不均匀。度分布不均匀。 9离域能离域能/kJmol-1： 苯苯噻吩噻吩吡咯吡咯150.3121.3 87.8 呋喃呋喃66.9 具有共轭二烯烃结构，呋喃可以进行双烯合成反应。具有共轭二烯烃结构，呋喃可以进行双烯合成反应。 二、呋喃、吡咯、噻吩的性质二、呋喃、吡咯、噻吩的性质 1 1、主要物理性质、鉴别方法与光谱性质、主要物理性质、鉴别方法与光谱性质 v呋喃：与盐酸浸过的松木片反应，显绿色。呋喃：与盐酸浸过的松木片反应，显绿色。 v吡咯：吡咯：与盐酸浸过的松木片反应，

6、显红色。与盐酸浸过的松木片反应，显红色。 v噻吩：在硫酸存在下和吲哚醌作用，显蓝色。噻吩：在硫酸存在下和吲哚醌作用，显蓝色。 10v红外光谱：红外光谱： 呋喃、呋喃、吡咯、吡咯、噻吩噻吩的的CHCH伸缩振动伸缩振动：吡咯的吡咯的NHNH伸缩振动伸缩振动： 非极性稀溶液中在非极性稀溶液中在3495cm-1有一尖锐的峰，有一尖锐的峰， 浓溶液中在浓溶液中在3400cm-1出现一宽峰。出现一宽峰。 环伸缩振动环伸缩振动( (骨架振动骨架振动) )：16001300cm-1处出现处出现24个峰。个峰。 30773303cm-1。 v核磁共振谱：吡咯的核磁共振谱：吡咯的-氢化学位移值为氢化学位移值为6.

7、68，-氢为氢为6.22，氮上的氢为，氮上的氢为8.0。 11v呋喃的红外光谱：呋喃的红外光谱： CH伸缩振动伸缩振动：3160cm-1环伸缩振动环伸缩振动：1692cm-1、1663cm-1、1485cm-1、1380cm-112v吡咯吡咯的红外光谱：的红外光谱： NH伸缩振动伸缩振动：3400cm-1环伸缩振动环伸缩振动：1630cm-1、1580cm-1、1470cm-1、1420cm-1CH伸缩振动伸缩振动：3100cm-113v噻吩的红外光谱：噻吩的红外光谱： CH伸缩振动伸缩振动：3100cm-1环伸缩振动环伸缩振动：1690cm-1、1666cm-1、1410cm-1142 2、

8、亲电取代反应、亲电取代反应 电子云密度比苯环大。电子云密度比苯环大。 亲电取代反应的活性为：吡咯亲电取代反应的活性为：吡咯 呋喃呋喃 噻吩噻吩 苯；苯； 吸电子诱导吸电子诱导-I：O(3.5) N(3.0) S(2.6)，取代反应主要发生在取代反应主要发生在-位上。位上。 供电子共轭供电子共轭+C：N O S，综合：贡献电子综合：贡献电子N最多，最多，O其次，其次，S最少。最少。15噻吩、吡咯的芳香性较强，所以易取代而不易加成噻吩、吡咯的芳香性较强，所以易取代而不易加成； 呋喃的芳香性较弱，虽然也能与大多数亲电试剂发生呋喃的芳香性较弱，虽然也能与大多数亲电试剂发生亲电取代，但在强亲核试剂存在下

9、，能发生亲核加成；亲电取代，但在强亲核试剂存在下，能发生亲核加成； 吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感；吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感； 由于这些五元杂环容易被破坏，稳定性差，因而对试由于这些五元杂环容易被破坏，稳定性差，因而对试剂及反应条件应有所控制。剂及反应条件应有所控制。 16（1 1）硝化：）硝化： NHNHNO2CH3COONO210(CH3CO)2O , SSNO2CH3COONO210(CH3CO)2O , 由于环的稳定性差，在强酸或强氧化剂的作用下环被由于环的稳定性差，在强酸或强氧化剂的作用下环被破坏，不能用混酸硝化。因此，应在较低的温度下，使用破坏，不能用混酸硝化。因此，应在较低

10、的温度下，使用温和的硝化剂乙酰硝酸酯。温和的硝化剂乙酰硝酸酯。 v呋喃比较特殊，先生成不稳定的呋喃比较特殊，先生成不稳定的2,52,5加成产物，然后加热加成产物，然后加热或用吡啶除去乙酸，得到硝化产物。或用吡啶除去乙酸，得到硝化产物。17OCH3COONO230 5 ONO2H+ONO2HHCH3COO吡啶ONO2（2 2）卤代：）卤代：NHNHBrBrBrBrBr20OOBrBr20SSBrBr22518（3 3）、磺化：）、磺化： NHNHSO3HN SO3+OOSO3HN SO3+SSSO3H25H2SO4 ,19（4 4）酰化：）酰化： NHNHCOCH3(CH3CO)2O+150 2

11、00OOCOCH3(CH3CO)2O+10BF3SSCOCH3H3PO4(CH3CO)2O+203 3、 加成反应加成反应 v催化加氢：催化加氢： OOH2Ni or PdNHNHH2Ni or PdSSH2 , NiSH2 , NivD-A反应：反应： 呋喃与顺丁烯二酸酐很容易加成，噻吩较难，吡咯一呋喃与顺丁烯二酸酐很容易加成，噻吩较难，吡咯一般不发生般不发生D-A反应。反应。 21+OOCOCOOCOCOO30+60 120SCH3CH3NC C C CN SSCH3CH3CNCNCH3CNCNCH3224 4、 吡咯的弱酸性和弱碱性吡咯的弱酸性和弱碱性 v碱性：苯胺碱性：苯胺 吡咯吡咯酸

12、性：苯酚酸性：苯酚 吡咯吡咯 醇醇 NH+ RMgBr+RHNMgBrNH+ NK+ H2OKOH（固）v吡咯的钾盐和吡咯卤化镁，都可以用来合成吡咯的衍生物。吡咯的钾盐和吡咯卤化镁，都可以用来合成吡咯的衍生物。 2S2P2S2P23+C6H5COClNCOC6H5NCOC6H5NK+HCH3ClCH3+NNCH3NK+HHNMgBr+ C6H5COClNCOC6H5NCOC6H5CH3Cl NMgBr+NCH3NCH3H24三、糠醛及其衍生物三、糠醛及其衍生物 1 1、制法、制法 (C5H8O4)nH2OOOHHOOHOHH+OHHOOHOHHOCHOHOOHHOHOHH2OCHOHOHOHO

13、OCHO2-2-呋喃甲醛呋喃甲醛 戊多糖戊多糖 戊糖戊糖 25烯醇式转化CHOHOHOOH2OCHOHOOCHOOOHOH2OCHOZnO/CrO3COO262 2、主要性质、主要性质 OCHOOCOOHKMnO4 , OHOCHOOCH2OHCuO , Cr2O3150 , 10M PaOCHOOCH2OHOCOOH+NaOH浓27OCHOV2O5 , Mo2O3O2OCOCO+ CO2OCHOKCN , C2H5OHOCH COOHO3 3、 应用应用 v良好的溶剂；良好的溶剂；v许多药物和工业产品的原料。许多药物和工业产品的原料。28四、呋喃、四、呋喃、吡咯、吡咯、噻吩的制备法噻吩的制备

14、法 OCHOO+ H2OZnO-Cr2O3-MnO2400ON+ NH3Al2O3430HCH CH2HCHOCu2O2HOCH2 C C CH2OHNH3压力NH29CH3CH2CH2CH3+ S650S+ SO2SCH3CH2CH CH2vPaal-Knorr合成法：合成法：CH3 CC CH3CH2 CH2OO+ NH3NHCH3CH330OOCH3 CC CH3CH2 CH2+ RNH2NRCH3CH3CH3 CC CH3CH2 CH2OOOCH3CH3P2O5,C6H5CH3 CC CH3CH2 CH2OOSCH3CH3P2S531血红素血红素NNNNFeCH CH2CH3CH3CH

15、 CH2CH3CH3CH2CH2COOH CH2CH2COOH1853年分离得到晶体，年分离得到晶体，1929年年Fischer人工合成。人工合成。五、卟啉五、卟啉化合物化合物 32NNNNMgCH CH2RCH3CH2CH3CH3CH3CH2COOCH3CH2C OOCH2CH CCH2(CH2CH2CHCH2)2CH2CH2CH(CH3)2CH3CH3O叶绿素叶绿素aR=CH3叶绿素叶绿素bR=CHOWoodward完成完成Jounal of American Chemistry Society, 1960, 82, 3800-380233维生素维生素B12NNNNCH3CH3CH3CH3

16、Co+CH3NNNCOCH2OHHOHOPOOHOH2NOCH2CH2CH2NOCH2CCH2CONH2CH2CH2CONH2CH3CH2CH2CONH2CH3CH3CH3CH3H2NOCH2CHNOCH2CH2CH3C34Woodward与与Eschemiser合作完成。合作完成。有机合成化学的里程碑。有机合成化学的里程碑。维生素维生素B12的作用：的作用：促进红血球形成及再生，促进红血球形成及再生， 预防贫血。预防贫血。维护神经系统的健康。维护神经系统的健康。促进儿童成长、增进食欲。促进儿童成长、增进食欲。增强记忆及平衡感增强记忆及平衡感 ，减少刺激引起的反应。，减少刺激引起的反应。Pur

17、e Appl Chem,1968,17,519-547（IF=1.67）Science 1977, 196, 1410-1420（IF=29.237）35NNNOv六元杂环化合物中重要的有吡啶、嘧啶和吡喃等。六元杂环化合物中重要的有吡啶、嘧啶和吡喃等。吡啶吡啶 pyridine 嘧啶嘧啶 pyrimidine 吡喃吡喃 pyran 36一、吡啶的结构一、吡啶的结构 N0.871.010.841.43v结构特点：杂原子的共轭效应和诱导效应都是结构特点：杂原子的共轭效应和诱导效应都是吸电子的；未成键电子对在吸电子的；未成键电子对在sp2杂化轨道上，不参杂化轨道上，不参与共轭。与共轭。 sp2杂化杂

18、化2S2P2S2P37二、吡啶的来源和制法二、吡啶的来源和制法 OCH2OHNH3500N2CH CH + 2CH2OHOCH3+ NH3Al2O3-SiO2Nv许多生物碱、维生素、辅酶许多生物碱、维生素、辅酶及辅酶及辅酶都含有都含有吡啶环。吡啶环。v工业制法：工业制法：38v实验室制法：实验室制法：Hantzsch合成法（合成法（-酮酸酯、甲醛、酮酸酯、甲醛、氨）。氨）。 + NH32CH3CCH2COOC2H5OCH2 ONCH3CH3COOEtEtOOCHHNO3H2SO4NCH3CH3COOEtEtOOC2,6-二甲基二甲基-3,5-二乙氧羰基吡啶二乙氧羰基吡啶39v反应机理：反应机理

19、： CH3COCH2COOEt +CH2 OCH3COCCOOEtCH2CH2EtOOC CCOCH3+CH2COOEtCOCH3EtOOCCH HCCOOEtCCH3CH3COONCH3CH3COOEtEtOOCHHNO3NCH3CH3COOEtEtOOCNH3H2SO440三、三、 吡啶的化学性质吡啶的化学性质 1、亲电取代反应：亲电取代反应： v反应比苯难，不能发生傅氏烷基化、酰基化反应；反应比苯难，不能发生傅氏烷基化、酰基化反应； v硝化、磺化、卤化必须在强烈条件下才能发生；硝化、磺化、卤化必须在强烈条件下才能发生； v吡啶环上有供电子基团时，反应活性增高；吡啶环上有供电子基团时，反应

20、活性增高； v吡啶吡啶N原子可以看作是一个间位定位基。原子可以看作是一个间位定位基。 v反应特点：碱性较强；环不易发生亲电取代反应反应特点：碱性较强；环不易发生亲电取代反应但易发生亲核取代反应；发生亲电取代反应时，环但易发生亲核取代反应；发生亲电取代反应时，环上上N起间位定位基的作用。起间位定位基的作用。 41Cl2 , AlCl3N ClN100N SO3HN200H2SO4发烟HNO3 , H2SO4N NO3N3002、 氧化和还原氧化和还原 v吡啶环对氧化剂稳定，吡啶环对氧化剂稳定，比苯环比苯环难氧化难氧化。 NCOOHCOOHNKMnO4 , H+3-氯吡啶氯吡啶3-吡啶磺酸吡啶磺酸

21、3-硝基吡啶硝基吡啶42CH3NCOOHNKMnO4 , H+v用过氧化氢氧化，可得用过氧化氢氧化，可得N- -氧化吡啶，氧化吡啶，N-氧化吡氧化吡啶较易发生亲电取代，取代基主要进入对位。啶较易发生亲电取代，取代基主要进入对位。 NOONO2H2O2CH3COOHHNO3 , H2SO490NNNO2POCl3+NPCl343v吡啶比苯吡啶比苯易还原易还原。NHNa , C2H5OHH2 , NiorN3、亲核取代反应：亲核取代反应： NNH2NNaNH24、弱碱性弱碱性 RNH2NH3NH2NHN44NNO2NNO2O2NN+ HClH+ClNN + CH3INCH3+IN HICH3+N2

22、90 300HICH3+N SO3+SO3NN45一、喹啉的一、喹啉的结构和性质结构和性质 N18765432N1.2161.0130.9841.0030.9880.9321.0080.896喹啉的亲电取代反应发生在电子云密度较大的喹啉的亲电取代反应发生在电子云密度较大的苯环上，取代基主要进入苯环上，取代基主要进入5或或8位。位。 亲核取代主要发生在吡啶环的亲核取代主要发生在吡啶环的2或或4位。位。 46v亲电取代：亲电取代： N+HNO3 , H2SO4NO2NNO2NN+Br2BrNBrN47NKNH2NH2N100NKMnO4 , H+NCOOHCOOHNNa , C2H5OHNHv亲核

23、取代：亲核取代： v氧化反应：氧化反应： v还原反应：还原反应： 48二、二、合成合成 v喹啉及其衍生物的合成，常用喹啉及其衍生物的合成，常用Skraup法。法。v原料：苯胺和甘油；原料：苯胺和甘油；脱水剂：浓硫酸；脱水剂：浓硫酸；氧化剂：硝基苯。氧化剂：硝基苯。v实际操作为一次投料，但反应是分步进行的。实际操作为一次投料，但反应是分步进行的。NNH2+CH2OHCHOHCH2OHH2SO4浓硝基苯，49v反应机理：反应机理： CH2OHCHOHCH2OHCHOCHCH2+2H2OH2SO4浓NH2+CHOCHCH2NOHH1,4- 加成H2SO4浓C6H5NO2NHN50v选择不同的苯胺衍生

24、物为原料，可以合成不选择不同的苯胺衍生物为原料，可以合成不同的喹啉衍生物。同的喹啉衍生物。 +CH2OHCHOHCH2OHNH2OHOHNH2SO4浓硝基苯，+CH2OHCHOHCH2OHNH2NH2SO4浓硝基苯，8-羟基喹啉羟基喹啉苯并喹啉苯并喹啉51v用不同的用不同的,-不饱和醛、酮代替甘油，也能合不饱和醛、酮代替甘油，也能合成不同的喹啉衍生物，这一反应称为成不同的喹啉衍生物，这一反应称为Doebner-Miller（德布纳（德布纳-米勒）米勒）反应。反应。 NH2+CHOCHCH CH3NCH3H2SO4浓硝基苯，NH2+C OCHCH2CH3NCH3H2SO4浓硝基苯，2-甲基喹啉甲

25、基喹啉4-甲基喹啉甲基喹啉OOOOO1OOOOO#OOOOOOOOOO#OOOCO252O2H3CH3CH+OH3CH3CHOH3CH3CH电开环#OH3CH3CHOOOHCH3CH3#OCH3CH3OHOOCH3CH35354课后习题解答课后习题解答2、为什么呋喃能与顺丁烯二酸酐进行双烯合成、为什么呋喃能与顺丁烯二酸酐进行双烯合成反应，而噻吩及吡咯则不能？试解释之。反应，而噻吩及吡咯则不能？试解释之。五元杂环的芳香性比较是：苯五元杂环的芳香性比较是：苯 噻吩噻吩 吡咯吡咯 呋喃，由于杂呋喃，由于杂原子的电负性不同，呋喃分子中氧原子的电负性较大，原子的电负性不同，呋喃分子中氧原子的电负性较大，

26、电电子共扼减弱，而显现出共轭二烯的性质，易发生双烯合成反子共扼减弱，而显现出共轭二烯的性质，易发生双烯合成反应，而噻吩和吡咯中由于硫和氮原子的电负性较小，芳香性应，而噻吩和吡咯中由于硫和氮原子的电负性较小，芳香性较强，是闭合共扼体系，难显现共扼二烯的性质，不能发生较强，是闭合共扼体系，难显现共扼二烯的性质，不能发生双烯合成反应。双烯合成反应。4、吡咯可发生一系列与苯酚相似的反应，例如可、吡咯可发生一系列与苯酚相似的反应，例如可与重氮盐偶合，试写出反应式。与重氮盐偶合，试写出反应式。558、解决下列问题：、解决下列问题：(1) 区别吡啶和喹啉；区别吡啶和喹啉；(2) 除去混在苯中的少量噻吩；除去混在苯中的少量噻吩；(3) 除去混在甲苯中的少量吡啶；除去混在甲苯中的少量吡啶；(4) 除去混在吡啶中的六氢吡啶。除去混在吡啶中的六氢吡啶。（1）吡啶溶于水，喹啉在水中的溶解度很小）吡啶溶于水，喹啉在水中的溶解度很小（2）噻吩溶于浓）噻吩溶于浓H2SO4，苯不溶。用分液漏斗振荡后分液。，苯不溶。用分液漏斗振荡后分液。（3）吡啶溶于水，甲苯不溶。）吡啶溶于水，甲苯不溶。56（4）苯磺酰氯与六氢吡啶生成酰胺，蒸出吡啶。）苯磺酰氯与六氢吡啶生成酰胺，蒸出吡啶。12、-吡啶二甲酸脱羧生成吡啶二甲酸脱羧生