第十五章杂环化合物

1、教学重点：教学重点：1、杂环化合物的结构、命名及芳香性杂环化合物的结构、命名及芳香性；2、常见五元杂环化合物和六元杂环化合、常见五元杂环化合物和六元杂环化合物的性质。物的性质。 定义：环状有机化合物中，构成环的原子除了定义：环状有机化合物中，构成环的原子除了碳原子外，还含有一个或多个非碳原子的化合碳原子外，还含有一个或多个非碳原子的化合物物.环上除碳原子以外的原子称为杂原子，常见的环上除碳原子以外的原子称为杂原子，常见的杂原子有氧、硫、氮等。杂原子有氧、硫、氮等。杂环化合物在自然界中分布很广，如动植物体内杂环化合物在自然界中分布很广，如动植物体内的血红素、叶绿素、核酸的碱基，生物碱、维生的血红

2、素、叶绿素、核酸的碱基，生物碱、维生素、抗生素、植物色素以及一些合成药物等素、抗生素、植物色素以及一些合成药物等.因此因此杂环化合物与动植物的生理作用及药物、染料等杂环化合物与动植物的生理作用及药物、染料等关系密切。关系密切。 NONOH15.1 杂环化合物的分类杂环化合物的分类根据有无芳香性，可将杂环化合物分为非芳香性根据有无芳香性，可将杂环化合物分为非芳香性杂环和芳香性杂环。杂环和芳香性杂环。ONOONHNH四氢呋喃1,4-二氧六环四氢吡咯六氢吡啶奎宁环O12345S12345N12345H 呋喃呋喃 噻吩噻吩 吡咯吡咯通常，杂环化合物是指含有杂原子构成环状的、有一通常，杂环化合物是指含有

3、杂原子构成环状的、有一定芳香性的化合物。定芳香性的化合物。o杂环化合物的分类杂环化合物的分类分类单杂环稠杂环五元杂环六元杂环分类富 电子芳杂环缺电子芳杂环15.2 杂环化合物的命名杂环化合物的命名 杂环化合物的命名常用音译法。即按英文杂环化合物的命名常用音译法。即按英文名词译音选用名词译音选用 同音汉字加同音汉字加“口口”字旁表示杂环字旁表示杂环名称。当杂环上有取代基时，以杂环为母体，名称。当杂环上有取代基时，以杂环为母体，将环上的原子编号，并注明取代基所在的位置。将环上的原子编号，并注明取代基所在的位置。若同一环上有多个杂原子，应使杂原子所在的若同一环上有多个杂原子，应使杂原子所在的位次的编

4、号最小，并位次的编号最小，并O、S、-NH-、-N= 的顺序的顺序决定优先的杂原子。决定优先的杂原子。O12345S12345N12345HFuran呋喃呋喃 thiophene噻吩噻吩 pyrrole吡咯吡咯2-乙基噻吩乙基噻吩OSC2H5OCHO2-呋喃甲醛（糠醛）呋喃甲醛（糠醛）SN12345NN12345NN12345HHthiazole噻唑噻唑 pyrazole吡唑吡唑 imidazole咪唑咪唑4-甲基咪唑甲基咪唑SNNHNO2NNHCH33-硝基吡咯硝基吡咯N123456NN123456NN123456pyridine吡啶吡啶 pyridazine哒嗪哒嗪 pyrimidine

5、嘧啶嘧啶3-溴吡啶溴吡啶 3-吡啶磺酸吡啶磺酸 4-甲基嘧啶甲基嘧啶NNNBrCH3NSO3HNNBrNSO3HNNCH3N12345678N12345678quinoline 喹啉喹啉 isoquinoline 异喹啉异喹啉NH1234567NNNNH123456789Indole吲哚吲哚NOHNNHNOHpurine嘌啉嘌啉8-羟基喹啉羟基喹啉15.3 杂环化合物的结构和芳香性杂环化合物的结构和芳香性2S22Px12Py12Pz1激发杂化NHNHNOS2s22px22py12pz1激发杂化OS2s 2p五元杂环杂原子上的一对五元杂环杂原子上的一对p电子与电子与平面垂直，平面垂直，与碳原子未

6、参与杂化的与碳原子未参与杂化的p轨道平行，形成轨道平行，形成 的大的大键，这种大键，这种大键由于含有键由于含有6个个电子，电子，符合符合休克尔休克尔4n+2规则规则的要求，所以它们具有的要求，所以它们具有一定的芳香性（可发生环上的亲电取代反一定的芳香性（可发生环上的亲电取代反应）；应）；由于环上的由于环上的5 个原子共享个原子共享6个个电子，属于富电子，属于富电子芳环电子芳环,电子云密度比苯环大，发生亲电取电子云密度比苯环大，发生亲电取代反应的速度也比苯快得多。代反应的速度也比苯快得多。从以上分析看出从以上分析看出:56下列实验事实均说明呋喃、噻吩、吡咯具有芳香性：下列实验事实均说明呋喃、噻吩

7、、吡咯具有芳香性： 键长数据键长数据 呋喃、噻吩、吡咯都具有一定程度的键长平均化：呋喃、噻吩、吡咯都具有一定程度的键长平均化：注：普通注：普通CC键长键长0.133nm；普通；普通CC键长键长0.154nm。 离域能数据离域能数据以上的数据说明，芳香性：以上的数据说明，芳香性：NHSO与苯的性质接近具有部分共轭二烯的性质15.3.2 六元杂环化合物的结构六元杂环化合物的结构2S22Px12Py12Pz1激发杂化NN1.001.001.001.001.001.00N1.430.840.841.01N0.147正常值(单位：nm)C-NC=CC-CC=NN0.134nm0.139nm0.140nm

8、0.140nm0.140nm0.1280.1330.154N2s 2p由于吡啶环中有由于吡啶环中有6中心中心6电子的大电子的大键，符合休键，符合休克尔克尔4n+2规则，所以规则，所以吡啶环亦有芳香性吡啶环亦有芳香性。但由于键。但由于键长未完全平均化，其芳香性不及苯。长未完全平均化，其芳香性不及苯。由于吡啶环中氮原子上的一对孤对电子与苯环共由于吡啶环中氮原子上的一对孤对电子与苯环共平面（填入平面（填入sp2轨道中），不参与环状共轭体系，所轨道中），不参与环状共轭体系，所以这一对孤对电子很容易给出去从而表现出以这一对孤对电子很容易给出去从而表现出碱性碱性。讨论讨论:15.4 五元杂环化合物的性质五

9、元杂环化合物的性质15.4.1 呋喃的性质呋喃的性质（1） 呋喃的取代反应呋喃的取代反应O+卤代Br2OBr+HBr。1,4-二氧六环25 C，75%硝化O+CH3COONO2ONO2CH3COONO2+SNO2S醋酸硝酰 一种弱的硝化试剂，或噻吩开环聚合！不用强酸，否则呋喃硝化O+CH3COONO2ONO2CH3COONO2+SNO2S醋酸硝酰 一种弱的硝化试剂，或噻吩开环聚合！不用强酸，否则呋喃HH！不能用强酸NC5H5N SO3NSO3HOSO3HC5H5N SO3O磺化吡啶三氧化硫，一种温和的磺化剂HH！不能用强酸NC5H5N SO3NSO3HOSO3HC5H5N SO3O磺化吡啶三氧

10、化硫，一种温和的磺化剂HH！不能用强酸NC5H5N SO3NSO3HOSO3HC5H5N SO3O磺化吡啶三氧化硫，一种温和的磺化剂（2） 呋喃的加成反应呋喃的加成反应O+2 Br2- 500COOHHBrBr+BrBrHH加卤素OH2，NiOHCl1400C,0.4MPaCl(CH2)4ClNaCNNC(CH2)4CNOH2，NiOHCl1400C,0.4MPaCl(CH2)4ClNaCNNC(CH2)4CN+OOOOOCCOOO23411432呋喃环具有共轭双烯的性质！15.4.2 吡咯吡咯（1） 吡咯的弱碱性和弱酸性吡咯的弱碱性和弱酸性N Hsp2sp2pN H参与环体系共轭离域于整个共

11、轭体系难以表现出碱性吡咯分子中氮原子上虽然带有孤对电子，但是由于其吡咯分子中氮原子上虽然带有孤对电子，但是由于其参与了环状参与了环状 的共轭，为整个环状共轭体系所共享，的共轭，为整个环状共轭体系所共享，从而使氮上电子云密度降低，孤对电子难以给出去而从而使氮上电子云密度降低，孤对电子难以给出去而表现碱性。所以，吡咯的碱性很弱，甚至于大大弱于表现碱性。所以，吡咯的碱性很弱，甚至于大大弱于苯胺的碱性。苯胺的碱性。碱性：苯胺（碱性：苯胺（Kb=3.810-10）吡咯（吡咯（Kb=2.510-14）56另一方面，吡咯有弱酸性：另一方面，吡咯有弱酸性：但是，吡咯（但是，吡咯（pKa=17）的酸性非常小，甚

12、至远远）的酸性非常小，甚至远远小于酚小于酚(pKa=10)。H2，NiNN还原还原HN+ KOHNK(s)H2O+_+ H2O（2） 吡咯的取代反应吡咯的取代反应N+4 I2HNaOHNHIIII+ NaIH2O+卤代N+H硝化CH3COONO2NHNO2HH！不能用强酸NC5H5N SO3NSO3HOSO3HC5H5N SO3O磺化吡啶三氧化硫，一种温和的磺化剂磺化磺化HH付氏酰基化：付氏酰基化：NHNCOCH3H+(CH3CO)2O60%150-200 C。（3） 吡咯的催化加氢吡咯的催化加氢N+2000CHH2NHPtNNHNHN吡咯的重要衍生物吡咯的重要衍生物卟吩由四个吡咯和四个次甲基

13、卟吩由四个吡咯和四个次甲基(=CH)交替相连组成交替相连组成的共轭体系。的共轭体系。卟吩呈平面结构，环中间的空隙里四个氮原子可卟吩呈平面结构，环中间的空隙里四个氮原子可分别以共价键、配价键与不同的金属离子结合。分别以共价键、配价键与不同的金属离子结合。卟吩卟吩NNNNFe+Cl-CH3H2C=HCH3CH2C=HCCH3CH2CH2COOHCH2CH2COOHCH3氯氯化化血血红红素素15.4.3 噻吩的性质噻吩的性质SBr2SBrHOAc78%卤代反应卤代反应硝化O+CH3COONO2ONO2CH3COONO2+SNO2S醋酸硝酰 一种弱的硝化试剂，或噻吩开环聚合！不用强酸，否则呋喃硝化反应

14、硝化反应S浓H2SO4室温SSO3H磺化反应磺化反应S+(CH3CO)2OSnCl4SCCH3O+CH3COOH酰基化反应酰基化反应综上所述，呋喃、吡咯、噻吩的亲电取代反应，反应综上所述，呋喃、吡咯、噻吩的亲电取代反应，反应发生在杂原子的发生在杂原子的位。位。+OHE+OHE(1)(2)原因：原因：碳正离子（碳正离子（1）有共轭体系，比碳正离子（）有共轭体系，比碳正离子（2）稳定。）稳定。所以，富电子芳杂环的亲电取代反应发生在杂原子的所以，富电子芳杂环的亲电取代反应发生在杂原子的位。位。五元杂环由于为富电子芳环，其亲电取代反应比苯容五元杂环由于为富电子芳环，其亲电取代反应比苯容易进行。易进行。

15、15.4.4 糠醛的性质糠醛的性质(C5H8O4)nH+,H2O(CHOH)3CHOCH2OH戊聚糖戊醛糖-3H2OOCHOO糠醛呋喃(1) 糠醛的氧化反应糠醛的氧化反应OCHOOCOOH1) KMnO4/OH-2) H+/ H2O+OCHOO2V2O5, TiO2, Fe2O3320 3500CCCOOO(2) 糠醛的还原反应糠醛的还原反应+OCHOOCH2OHH2CuO, Cr2O3+OCHOCH2OHH2Ni, 1701800CO(3) 糠醛的歧化反应糠醛的歧化反应岐化：NaOH浓OCOONaOCH2OH+糠酸糠醇CHOO钠CHOO+ (CH3CO)2ONaOAcOCH=CHCOOH+

16、HOAc缩合：呋喃丙烯酸(4) 糠醛的糠醛的Perkin反应反应颜色反应颜色反应呋喃绿色松木片HCl-吡咯红色松木片HCl-噻吩蓝色靛红-H2SO4糠醛红色醋酸苯胺用于区别检验五元杂环NNN吡啶吡啶嘧啶嘧啶吡啶与苯的不同之处是氮的电负性比碳大，吡啶环吡啶与苯的不同之处是氮的电负性比碳大，吡啶环上的电子云分布不如苯那样均匀，吡啶环上的碳原上的电子云分布不如苯那样均匀，吡啶环上的碳原子电子云密度较苯低，氮原子附近电子云密度较大，子电子云密度较苯低，氮原子附近电子云密度较大，可以结合质子，具有碱性，易溶于水。可以结合质子，具有碱性，易溶于水。吡啶是良好的溶剂，能与水以任意比例混溶；能溶吡啶是良好的溶

17、剂，能与水以任意比例混溶；能溶于大多极性与非极性有机化合物；氮原子上有孤对于大多极性与非极性有机化合物；氮原子上有孤对电子能作为配位体，故可作为无机盐类的溶剂。电子能作为配位体，故可作为无机盐类的溶剂。(1) 碱性与亲核性碱性与亲核性由于氮上孤对电子与苯环共面，不参与环体系的共由于氮上孤对电子与苯环共面，不参与环体系的共轭，所以吡啶有碱性和亲核性，且轭，所以吡啶有碱性和亲核性，且碱性大于苯胺：碱性大于苯胺：怎样解释吡啶与哌啶的碱性差别？怎样解释吡啶与哌啶的碱性差别？为什么为什么?NH碱性 NH2pKbN2.88.89.3NNHH15.5.1 吡啶的性质吡啶的性质吡啶具有吡啶具有弱碱性弱碱性，碱

18、性强于苯胺，弱于氨和脂，碱性强于苯胺，弱于氨和脂肪氨，能与无机酸成盐。在反应中可作为脱酸肪氨，能与无机酸成盐。在反应中可作为脱酸剂和催化剂。剂和催化剂。HNN+ HCl+_Cl吡啶盐酸盐NN+ CH3I+_吡啶季铵盐CH3INN+ +_吡啶三氧化硫SO3SO3温和的磺化试剂NN+ Br2Br3000CH2SO4NN+ SO3H3500C规律规律: 像硝基苯，新引入基上像硝基苯，新引入基上位。且反位。且反应比苯难。应比苯难。NN+ 3000C混酸NO224h产率很低约6%N0.820.950.85电负性：N C原因：原因： 氮原子上电子云密度大，吡啶环上电子云密度小；氮原子上电子云密度大，吡啶环

19、上电子云密度小； N N的的m-m-电子云密度比电子云密度比o-o-、p-p-大。大。 所以：所以： 吡啶与苯相比较，吡啶不易发生芳环上的亲电取代吡啶与苯相比较，吡啶不易发生芳环上的亲电取代反应；如果吡啶发生芳环上的亲电取代反应，新引入反应；如果吡啶发生芳环上的亲电取代反应，新引入基上基上m-。N(3) 亲核取代亲核取代NN+ NH2NaNH2吡啶的离去基团是较难离去的吡啶的离去基团是较难离去的H+，故亲核试剂必须，故亲核试剂必须是强碱性亲核试剂，能在吡啶的是强碱性亲核试剂，能在吡啶的 -位直接发生亲核位直接发生亲核取代。取代。NN+ KOHOH当吡啶当吡啶2-位位(或或4-位位)具有优良的离

20、去基团时，较弱具有优良的离去基团时，较弱的亲核试剂就能反应。的亲核试剂就能反应。NN+ +1802000CNH2ClNH3ZnCl2NH4ClNN+ +BrOHH2ONaBrNaOH回流(4) 氧化与还原氧化与还原烟酸烟酸异烟酸异烟酸烟碱（尼古丁）烟碱（尼古丁）烟酰胺烟酰胺NNCOOHCH3KMnO4 / H+NCOOHKMnO4 / H+NNNCOOHCH3HNO3NNH3CONH2N95%H2,Pt25oC,0.3MPaNH吡啶的碳环的电子云密度低，加氢还原比苯吡啶的碳环的电子云密度低，加氢还原比苯更容易。更容易。NCH2CH3Na + C2H5OHNHCH2CH364%六氢吡啶（典型的仲

21、胺性质）六氢吡啶（典型的仲胺性质）吡啶及其衍生物在自然界分布较广，在药物吡啶及其衍生物在自然界分布较广，在药物中也常见吡啶及其衍生物：中也常见吡啶及其衍生物：NCH2OHCH2OHHOH3CNNCH3NCONHNH2NCH3COCHC6H5CH2OHO维生素B6烟碱异烟肼抗结核药颠茄碱，阿托品一种止痛药（）（）orCH2NH2()CHO、尼古丁，农业杀虫剂（）NNHNH2NNOHONNHO 胞嘧啶胞嘧啶(C)嘧啶嘧啶HONNHOH3C尿嘧啶尿嘧啶(U)胸腺嘧啶胸腺嘧啶(T)N12345678N12345678b.p.238oC b.p.243oCN喹啉及其衍生物的制法喹啉及其衍生物的制法Skraup合成法合成法NH2RCH2OHCHOHCH2OH+浓H2SO4，氧化剂NRCH2 CH CH2OHOHOHH2SO4,-2H2OCH2=CH-CH=ONCH2CH2COHNH2H麦克尔加成HONCH2CHCHH-2H2OH2SO4NHNC6H5NO2OOHNH2+CHOCHCH2OHNHCHCHCHH2SO4OHNOHNO28-8-羟基喹啉羟基喹啉( (分析化分析化学常用的鳌合剂学常用的鳌合剂) )与吡啶相比较与吡