第十四章杂环化合物

杂环化合物Heterocycliccompounds杂环化合物碳原子和其它非碳原子组成的环状有机化合物称为杂环化合物。非碳原子叫做杂原子，常见的有氮、氧、硫。杂环化合物数量几乎占已知有机化合物的三分之一，用途也很多。叶绿素、血红素、核酸和药物。脂杂环：没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂环。三元杂环四元杂环五元杂环七元杂环(氮杂环丙烷)(β-丙内酯)(β-丙内酰胺)(顺丁烯二酸酐)(氧杂)(1H-氮杂)(环氧乙烷)芳杂环

具有芳香特征的杂环化合物称为芳杂环苯并杂环杂环并杂环五元杂环六元杂环呋喃噻吩吡咯噁唑噻唑咪唑吡唑吡啶嘧啶吡喃(无芳香性)吲哚喹啉异喹啉嘌呤一、分类和命名按杂环的骨架分为单杂环和稠杂环。单杂环又按环的大小分为五元杂环和六元杂环。稠杂环按其稠合环形式分为苯并单杂环、单杂环并单杂环。分类furanpyrrolethiopheneimidazole呋喃吡咯噻吩thiazole噻唑咪唑pyranpyridinepyrimidineindolepurine吡喃吡啶嘧啶吲哚嘌呤命名当杂环上连有-R，-X，-OH，-NH2等取代基时，以杂环为母体，标明取代基位次；当杂环连有-CHO、-COR、-SO3H、-COOH、-CONH2、-COOR等时，则把杂环作为取代基。取代基编号一般从杂原子开始编号。环上只有一个杂原子时，杂原子的编号为1。环上有两个或两个以上相同杂原子时，应从连接有氢或取代基的杂原子开始编号，并使这些杂原子所在位次的数字之和为最小。环上有不同杂原子时，则按氧、硫、氮为序编号。另有特殊编号的，如异喹啉、嘌呤等，有时也以希腊字母α、β及γ编号，邻近杂原子的碳原子为α位，其次为β位，再次为γ位。324512,4-二甲基呋喃3-乙基吡咯2-甲基-5-硝基噻吩3-甲基吡啶4-甲基嘧啶3-甲基吲哚5-甲基噻唑-甲基噻吩-甲基呋喃-甲基吡啶-呋喃甲醛3-呋喃甲醛-吡啶甲酸3-吡啶甲酸-吡咯甲酰胺2-吡咯甲酰胺-吡啶甲酸3-吡啶甲酸互变异构无特定名称的稠杂环母环的命名规则例：噻吩并[2，3-b]呋喃ab基本环环边编号基本环附加环附加环编号123噻吩并[3,2-b]吡咯呋喃并[3,2-b]吡喃吡唑并[4,5-d]恶唑吡嗪并[2,3-d]哒嗪（一）吡啶：二、六元杂环化合物吡啶分子中的键吡啶分子中的共轭体系吡啶分子中的p轨道=2.20D共轭效应和诱导效应都是吸电子的1.430.841.010.87吡啶键长平均化程度较高，有芳香性。吡啶环亲电取代比苯难。取代基进入间位，且收率偏低。吡啶与水能以任意比例混溶，同时又能溶解大多数极性及非极性有机化合物，它是一个良好的溶剂。原因：吡啶具有极性；氮原子的未共用电子对未参与共轭体系，易与水形成氢键。光谱性质与苯类似。吡啶的弱碱性（pKa=5.19）+HCl化学性质吡啶碱性比苯胺强，但比氨弱，碱性：

脂肪胺﹥氨﹥吡啶﹥苯胺原因：在于吡啶环上未参与共轭体系的这一对未共用电子对处于sp2杂化轨道上，其s成分较sp3杂化轨道多，受原子核束缚强，因而较难与H+结合。(1)氮原子上的反应NO2+BF4+

CH3IRCOClH+SO3Br2/CCl4石油醚乙醚室温吡啶盐的十分重要的用途：温和的磺化、硝化、卤化、烷基化、酰基化的试剂(2)亲电取代反应吡啶比苯难发生亲电取代反应。吡啶的一元取代总是发生在间位。+Br2浮石催化300℃+Br2FeBr350℃+HNO3+HNO3H2SO4300℃50-60℃H2SO4+H2SO4+H2SO4-吡啶磺酸>350℃70-80℃反应特点*1不能发生傅克烷基化、酰基化反应；*2硝化、磺化、卤化必须在强烈条件下才能发生；*3吡啶环上有给电子基团时，反应活性增高；*4吡啶N可以看作是一个间位定位基；取代反应位置的控制：在温和条件下，亲电试剂主要与N反应；在强烈条件下，C取代为主。（3）吡啶的亲核取代反应置换氢的亲核取代反应一般机制：*1负氢不易离去，一般需要强碱性的亲核试剂（如RLi）；*2亲核取代优先在α位上发生，如果α位上有取代基，则反应在γ位上发生。1.430.841.010.87烷基化、芳基化反应齐齐巴宾(Chichibabin,A.E.)反应——氨化——吡啶与氨基钠作用生成2-氨基吡啶的反应H2O+NaNH2100oCC6H5N(CH3)2+H2↑

置换易离去基团的亲核取代反应如在,γ位有好的离去基团，如Cl、-NO2、Br，可以与氨（或胺）、烷氧化物、水等较弱的亲核试剂发生亲核取代反应（在亲核取代反应中，吡啶N对邻、对位活化）。(4)吡啶的氧化还原反应吡啶环本身不易被氧化，但它的侧链很容易被氧化成醛或羧酸。吡啶可生成吡啶-N-氧化物。eg.加氢反应由于电子云密度较低，比苯容易。2、∏电子数为10，有芳香性1、碱性弱都存在于煤焦油和骨油中，是同分异构体。喹啉是无色油状液体；异喹啉是低熔点固体。难溶于水，易溶于有机溶剂。（二）喹啉及异喹啉（1）亲电取代反应化学性质喹啉及异喹啉的亲电取代反应比吡啶容易进行。取代主要在苯环上：喹啉（C-5和C-8位）、异喹啉（C-5位）发生。（2）亲核取代反应亲核取代反应主要在吡啶环上发生，喹啉的反应位置主要在2位，异喹啉主要在1位；负氢比较难以取代。Cl,NO2等基团较易取代。（3）氧化反应*1喹啉和异喹啉与绝大多数氧化剂不发生反应；*2与高锰酸钾能发生反应：（4）还原反应反十氢喹啉顺十氢喹啉3.喹啉和异喹啉的合成斯克劳普(Skraup,Z.H.)反应该反应分成三步：嘧啶为无色液体或晶体，有刺激性气味，m.p=22.5℃，b.p=124℃。可溶于水、乙醇、乙醚，主要用于合成药物。（三）含两个氮原子的六元杂环嘧啶（间嗪）吡嗪哒嗪胞嘧啶（C）Cytosine尿嘧啶（U）Uracil胸腺嘧啶（T）Thymine胞嘧啶、尿嘧啶和胸腺嘧啶都存在酮式和烯醇式互变异构。亲电取代反应（发生在5位）当2、4、6位有强活化基团，亲电容易进行。反应最易在2位发生，其次是4,6位取代卤素要比取代负氢更容易亲核取代反应氧化反应二嗪不易被氧化。若用过酸氧化，得嘧啶单N-氧化物（性质同吡啶N-氧化物）。侧链

-H反应羟醛缩合型烷基化反应由-二羰基化合物（或类似物）与1,1-二胺类化合物合成嘧啶的合成常用的1,1-二胺类化合物：尿素硫脲胍脒甲脒乙脒（四）吡喃环系吡喃及其衍生物无芳香特性γ-吡喃酮的徉盐是芳香体系。α-吡喃α-吡喃酮γ-吡喃γ-吡喃酮香豆素色酮三、五元杂环化合物••••‥‥吡咯分子中的键吡咯分子中的p轨道吡咯分子中的共轭体系（一）吡咯、呋喃、噻吩1、呋喃、噻吩、吡咯都具有一定的芳香性。2、比苯容易发生亲电取代。3、亲电取代反应一般发生α位，如果α位已取代，则发生在β位。结构和苯类似。五元杂环分子中的键长有一定的平均化，电子云分布不平均，因此芳香性较苯环差，有某种程度的不饱和化合物的性质和环的不稳定性。它们的芳香性由强到弱的顺序为：离域能：噻吩：121.3kJ·mol-1

吡咯：87.8kJ·mol-1

呋喃：66.9kJ·mol-1+KOH+H2O+H2O+KOH化学性质1、吡咯的弱酸性：呋喃、噻吩、吡咯的质子化反应分子接受一个质子的反应称为质子化反应.（1）呋喃、噻吩、吡咯在酸的作用下可质子化；（2）如：N-质子化（3）由于质子化反应，吡咯在强酸作用下会因 聚合而被破坏；（4）在稀的酸性水溶液中，呋喃的质子化在氧上发生并导致水解开环。2、亲电取代反应*1、亲电取代反应的活性顺序为：（1）概述吸电子诱导（-I）：O(3.5)>N(3.0)>S(2.6)给电子共轭（+C）：N>O>S综合：N贡献电子最多，O其次，S最少*2取代反应主要发生在α-C上；*3吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感，选择试剂时需要注意。八隅体结构最稳定*4、杂原子和取代基的定位效应A杂原子的定位效应：B取代基的定位效应：第一取代基进入到杂原子的α-位。3位上有取代基时，呋喃、吡咯、噻吩的定位效应一致。2位上有取代基时，吡咯、噻吩的定位效应一致，情况如下：（2）呋喃、噻吩、吡咯的卤化反应

容易得多卤取代物。为了得一卤代(Cl,Br)产物，要采用低温、溶剂稀释等温和条件。+I2四碘吡咯KI（3）呋喃、噻吩、吡咯的硝化反应通常用比较温和的非质子硝化试剂；反应在低温下进行。（4）呋喃、噻吩、吡咯的磺化反应常用的温和的非质子的磺化试剂有：吡啶与三氧化硫的加合化合物。噻吩比较稳定，既可以直接磺化（产率稍低），也可以用温和的磺化试剂磺化。S+

NSO3ClCH2CH2Clr.

t.SSO3-Ba(OH)22Ba2+（5）呋喃、噻吩、吡咯的傅氏酰基化反应3、加氢反应可用催化加氢（6）呋喃、噻吩、吡咯的傅氏烷基化反应总体看，在合成上无实用价值。4、Diels-Alder反应呋喃最易发生Diels-Alder反应糠醛又叫-呋喃甲醛工业上利用玉米芯、大麦壳、高梁秆为原料，在酸作用下水解而得。具有芳香醛的特征，可以发生亲核加成、银镜反应和歧化反应等。稀HCl+3H2O

（二）吲哚苯并五元杂环化合物有苯并呋喃、苯并噻吩和苯并吡咯（吲哚）。吲哚为无色片状结晶，有浓烈臭味，但其纯品在极稀的浓度时却具有花香味，故可作为化妆品用的香料。m.p=52℃，b.p=253℃。吲哚可溶于热水、热乙醇、乙醚和苯，其化学性质与吡咯相似。吲哚的反应避免用强酸碱性比吡咯弱苯并五元杂环化合物比相应的简单杂环稳定；亲电取代反应活性比未稠合的低。可看作呋喃、噻吩或吡咯的“-CH=”被“-N=”取代，统称为“唑类”。与吡咯等类似，同样具有闭合的6个电子共轭体系，所以也都具有一定的芳香性。（三）两个杂原子的五元杂环噁唑噻唑咪唑吡唑1,3-唑1,2-唑青霉素噻唑环青霉素是噻唑的衍生物。青霉素G疗效最好。咪唑结构吡咯N的孤电子对处于p轨道一般胺中的N是sp3杂化。N的孤电子对处于sp3杂化轨道sp3轨道N的孤电子对处于sp2杂化轨道吡啶N与吡咯N均为sp2杂化。吡咯N(孤电子对参与共轭，所以碱性较弱)吡啶N(孤电子对不参与共轭，所以碱性较强)碱性1.1,2-唑与1,3-唑都有吡啶N，所以都有碱性。2.1,3-唑的碱性比1,2-唑强。因为两个杂原子互相影响大。

3.碱性：咪唑＞噻唑＞噁唑由综合电子效应决定。化学反应——主要讨论亲电取代反应唑的反应性比呋喃、噻吩、吡咯差。1,2-、1,3-唑的硝化、磺化、卤化：一般的硝化、磺化、卤化试剂即可。互变异构4(5)-甲基咪唑(因为4-甲基咪唑和5-甲基咪唑不可分离)5-甲基咪唑4-甲基咪唑N-N(单键)N=N(双键)吡唑嘌呤为无色晶体。熔点216-217℃，易溶于水，能与强酸或强碱成盐。嘌呤本身在自然界并不存在，但它的衍生物分布广，而且重要，如腺嘌呤、鸟嘌呤等都是核酸的组成成分。（四）嘌呤嘌呤有两种异构体（互变异构）。结晶态嘌呤为7H-嘌呤，在水溶液中二者以等比例