第十六章杂环化合物

第十六章1第十六章杂环化合物

构成环的原子除碳原子外还有其它原子的一类环状化合物称为杂环化合物。这些其它原子称为杂原子，最常见的杂原子有O，S，N等。第十六章216.1杂环化合物的分类、命名和结构

16.1.1分类和命名

杂环非芳香性杂环芳香性杂环第十六章3非芳香性杂环化合物具有与相应脂肪族化合物相类似的性质，例如四氢呋喃和1,4–二氧六环(1,4–二氧杂环己烷)都是比较稳定的醚，环氧乙烷则因环的张力作用而变得相当活泼。四氢吡咯和六氢吡啶是仲胺，桥环化合物奎宁环(1–氮杂二环[2.2.2]辛烷)是叔胺。第十六章4

本章讨论的杂环化合物，主要是指环为平面型，π电子数符合4n+2规则，有一定程度芳香性的较稳定的杂环化合物，即芳杂环化合物。最常见的和最稳定的杂环化合物可分为五元杂环和六元杂环两大类，在每一类中又根据杂原子种类、数目、单环或稠环等再分类。第十六章5第十六章6第十六章7杂环化合物的命名采用英文名称的音译，一般在同音汉字的左边加一“口”旁。对于含一个杂原子的杂环也可把靠近杂原子的位置叫做α位，其次为β位和γ位。第十六章816.1.2结构和芳香性

呋喃、噻吩和吡咯是含一个杂原子的五元杂环化合物，组成环的五个原子位于同一平面上，彼此以σ键相连接，每个碳原子还有一个电子在p轨道上，杂原子的未共用电子对也在p轨道上，这五个p轨道都垂直于环所在的平面。第十六章9呋喃、吡咯和噻吩的离域能分别为67kJ·mol-1、88kJ·mol-1和117kJ·mol-1，比苯的离域能(150.5kJ·mol-1)低，但比大多数共轭二烯烃的离域能(约12～28kJ·mol-1)要大得多。第十六章10它们还容易发生亲电取代反应。它们的各原子间的键长都有一定程度平均化，如表所示。这些证据均表明它们具有芳香性。许多实验结果表明，芳香性按苯、噻吩、吡咯、呋喃的次序递减。2345第十六章11

环上的氢受离域电子环流的影响，它们的核磁共振信号都出现在低场，这也是它们具有芳香性的一种标志。由于杂原子的诱导效应，α-H的δ值较大(环戊二烯则正相反)。第十六章12吡啶是典型的芳香杂环化合物，环是平面型的，五个碳原子和一个氮原子均以sp2杂化轨道形成σ键构成环，环上有4n+2(n=1)个p电子构成芳香π体系。在氮原子上还有一对未共用电子，它们在sp2杂化轨道中，并不与π体系发生作用，如图所示。

第十六章13氮原子上过多的负电荷表现在吡啶的偶极矩上，事实上吡啶的偶极矩比六氢吡啶(吡啶的非芳香同类物)的偶极矩大，因为吡啶环上的共轭效应同诱导效应的方向一致。从吡啶的核磁共振谱来看，环上质子的核磁共振信号移向低场，由于氮原子的诱导效应，α-H的δ值最大。第十六章1416.2五元杂环化合物

16.2.1五元杂环化合物的化学性质

呋喃、吡咯和噻吩是最常见的五元杂环化合物。对于亲电取代反应来说，杂原子都分别使环上碳原子的电子云密度升高并使环活化，它们都比苯活泼(吡咯>呋喃>噻吩>苯)，其活泼性同苯酚、苯胺相似。它们都可以进行通常的亲电取代反应，如硝化、磺化、卤化和Friedel—Crafts反应。

第十六章15第十六章16由于它们的高度活泼性以及呋喃和吡咯对于无机强酸的敏感性，其亲电取代反应需要比较温和的条件。例如呋喃和吡咯进行磺化时要用吡啶—三氧化硫加成物；如用硫酸，环将被打开。第十六章17对于呋喃和噻吩，进行酰基化时要用四氯化锡为催化剂，它比三氯化铝温和；而吡咯进行酰基化时可以不用催化剂。第十六章1816.2.2常见的五元杂环化合物1.呋喃和糠醛

呋喃是无色液体，沸点32℃，难溶于水，易溶于有机溶剂。呋喃能使浸过盐酸的松木片显绿色，这个现象可用来检验呋喃的存在。呋喃由呋喃甲醛在催化剂(ZnO—Cr2O3—MnO2)存在下脱去羰基而得。第十六章19呋喃甲醛又称糠醛，是呋喃的重要衍生物。糠醛是无色液体，沸点162℃。糠醛在醋酸存在下遇苯胺呈亮红色，可用来定性检验糠醛。糠醛可由农副产品如燕麦壳、玉米芯、棉子壳等原料来制取。这些原料中含有戊醛糖的高聚物(戊聚糖)。戊聚糖用盐酸处理后，先解聚变为戊醛糖，然后再失水而成糠醛。第十六章20糠醛是一个很好的溶剂，也是有机合成的原料。糠醛的化学性质同苯甲醛类似，例如糠醛与约50％氢氧化钠水溶液作用可生成糠醇和糠酸钠(Cannizzaro反应)。

第十六章21呋喃在镍催化下，加氢可得四氢呋喃。四氢呋喃沸点65.5℃，是良好的溶剂，也是有机合成的原料。从四氢呋喃可得到己二酸和己二胺，它们是制造尼龙—66的原料。

第十六章22尽管呋喃在温和条件下容易发生亲电取代反应，但由于它的芳香性较弱，呋喃及其衍生物可以容易地进行Diels—Alder反应和一般的亲电加成反应。吡咯只能和极活泼的亲双烯体发生Diels—Alder反应，而噻吩则难于发生Diels—Alder反应和一般的亲电加成反应。例如，呋喃作为双烯体可以很容易同顺丁烯二酸酐发生Diels—Alder反应。第十六章232.噻吩

噻吩是无色液体，沸点84℃,熔点-38.2℃，不溶于水，溶于有机溶剂。在浓硫酸存在下，噻吩与靛红一同加热即发生靛吩咛反应，显出蓝色，反应很灵敏，可用来检验噻吩的存在。第十六章24噻吩的亲电取代反应比苯容易进行，在室温时同浓硫酸作用即可磺化，生成α-噻吩磺酸，后者能溶于浓硫酸。利用这个反应，可把粗苯中的噻吩除去。噻吩可被催化加氢成四氢噻吩(沸点118～119℃)。如果用Raney镍作催化剂，镍可以把硫从噻吩分子中除去，主要产物是正丁烷。第十六章25噻吩分子是芳香共轭体系，硫原子的未共用电子对参加到整个共轭体系中，因此噻吩没有硫醚的性质，不容易被氧化成亚砜或砜。四氢噻吩则不含共轭体系，具有硫醚的性质，可被过量的过氧化氢、高锰酸钾或硝酸氧化成环丁砜。环丁砜沸点287℃，熔点28℃，是一种重要的溶剂。工业上用二氧化硫与1，3—丁二烯作用经环丁烯砜，再加氢而得。

第十六章263.吡咯和吲哚吡咯存在于煤焦油、骨油和石油(少量)中。它是无色油状液体，沸点131℃，微溶于水，易溶于有机溶剂。吡咯环不如苯环稳定，易被氧化，在空气中吡咯逐渐被氧化而成褐色并发生树脂化。吡咯蒸气遇浸过盐酸的松木片显红色，这个特性反应可用来检验吡咯。第十六章27吡咯碱性极弱(pKb=13.6)，这是因为氮原子上的未共用电子对参与了共轭体系之故。此外，吡咯还表现出很弱的酸性，能与金属钠或钾、固体氢氧化钠或氢氧化钾作用，生成吡咯的盐吡咯的钠盐或钾盐遇水又形成吡咯。第十六章28吡咯可被如Zn+HOAc还原成二氢吡咯，催化加氢则转变为四氢吡咯：

第十六章29从结构上看，吲哚是由苯环和吡咯环稠合而成的，因此也叫苯并吡咯。吲哚存在于煤焦油和石油(少量)中，它是晶型固体，熔点52℃，沸点253℃。第十六章3016.3六元杂环化合物

16.3.1吡啶和嘧啶

吡啶及其衍生物广布于自然界，很多生物碱含有吡啶环。生物碱一般是指从植物中得来的、具有碱性的、对于人和动物有强烈生理作用的一类有机含氮化合物，例如烟碱、颠茄碱、麻黄碱、吗啡碱、咖啡碱等。第十六章31第十六章32第十六章33第十六章34第十六章35吡啶是有特殊臭味的无色液体，沸点115℃，可与水、乙醇、乙醚等混溶。吡啶是一种很好的溶剂，能溶解多种有机物和无机盐。与吡咯不同，吡啶氮原子上的未共用电子对不参与π体系，这对电子可与质子结合，因此吡啶的碱性(pKb=8.8)较吡咯强，也比苯胺(pKb=9.3)略强。第十六章36由于氮的电负性比碳大，吡啶环上的电子云密度较低，且α位的电子云密度比β位的低。因此，吡啶与硝基苯类似，一般要在强烈条件下才能发生亲电取代反应，且主要在β位。第十六章37第十六章38第十六章39嘧啶的熔点为22℃，沸点为124℃，易溶于水和醇；其亲电取代反应比吡啶更困难。嘧啶的衍生物广布于自然界。

第十六章40第十六章4116.3.2喹啉和异喹啉

喹啉在常温时是无色油状液体，熔点为-15.6℃,沸点为238℃；异喹啉的熔点为26℃，沸点为243℃。喹啉和异喹啉都存在于煤焦油和骨油中，许多生物碱是它们的衍生物。它们都难溶于水，易溶于有机溶剂。第十六章42与吡啶相似，它们都有弱碱性(喹啉pKb=9.15，异喹啉pKb=8.86)。喹啉的许多衍生物在医药上具有重要意义，特别是抗疟类药物。第十六章43喹啉氧化时，由于吡啶环上电子云密度较低，苯环易被氧化；喹啉还原时，则是吡啶环优先被还原。第十六章44

2,3–吡啶二甲酸脱羧则成β-吡啶甲酸，β–吡啶甲酸也叫烟酸，因为最初由烟碱(俗称尼古丁，烟草的主要生物碱)氧化而得，故名烟酸。第十六章45喹啉和异喹啉的亲电取代反应(如硝