杂环化合物学习教程

第十一章杂环化合物学习要求：

1.理解杂环化合物的的定义和分类2.掌握杂环化合物的命名3.掌握五员、六员杂环化合物的结构特点4.掌握杂环化合物性质与结构的关系5.了解重要的杂环化合物知识目标：能力目标：1.能对杂环化合物命名2.能运用化学方法鉴别常见杂环化合物

第1页/共45页第一页，共46页。一、杂环化合物的分类、命名（一）分类第十一章杂环化合物杂环化合物是以杂环母环结构为基础进行分类的。

此外还可以根据所含杂原子的种类和数目进一步细分。表11-1列出了常见杂环母环的结构与名称。第2页/共45页第二页，共46页。第十一章杂环化合物（二）命名1.杂环母环的命名

杂环母环的名称通常采用音译法，即根据杂环化合物的英文名称，选用与译音同音的汉字，再加上“口”旁组成音译名。例如：“Furan”的名称为呋喃，“Pyridine”的名称为吡啶等。2.杂环母环的编号

当杂环上有取代基时，为了标明取代基的位置，需将杂环母环编号。编号的原则为：

(1)含1个杂原子的杂环

(2)含2个相同杂原子的杂环

一、杂环化合物的分类、命名第3页/共45页第三页，共46页。第十一章杂环化合物2.杂环母环的编号

(3)含2个不同杂原子的杂环

(4)有特定编号的稠杂环母环3.取代杂环化合物的命名

的命名，可以选杂环为母体，将取代基的位次、数目及名称写在杂环母环名称前有时也将杂环作取代基，以来命名。连有取代基的杂环化合物侧链的官能团作母体（二）命名一、杂环化合物的分类、命名第4页/共45页第四页，共46页。命名下列化合物：N-甲基-4-吡啶甲酰胺4-吡啶甲酸第十一章杂环化合物课堂练习4-吡啶甲酰胺4-吡啶甲酸甲酯第5页/共45页第五页，共46页。命名下列化合物：5-甲基-2-呋喃甲醛2-甲基-5-甲氧基吡咯第十一章杂环化合物4课堂练习5-甲基-2-噻吩磺酸4-甲基咪唑第6页/共45页第六页，共46页。第十一章杂环化合物二、杂环化合物的结构与性质（一）吡咯、呋喃和噻吩的分子结构

在吡咯、呋喃和噻吩分子中，碳原子与杂原子均以sp2杂化轨道和相邻的原子彼此以σ键构成五元环，成环的5个原子处于同一平面上。每个碳原子及杂原子都有1个垂直于该平面的未杂化的p轨道，碳原子的p轨道中各有1个电子，杂原子的p轨道中有2个电子，这些p轨道相互平行，从侧面重叠形成了1个含5个原子和6个电子的环状闭合大π键。因此，吡咯、呋喃和噻吩都具有芳香性。

吡咯、呋喃、噻吩的原子轨道

吡咯呋喃噻吩第7页/共45页第七页，共46页。（二）吡啶的分子结构第十一章杂环化合物

与吡咯不同的是，吡啶环的氮原子在其sp2杂化轨道中还有1对未共用电子对,没有参加环的共轭。：吡啶

吡啶分子中的5个碳原子和1个氮原子都以sp2杂化轨道相互重叠，形成以σ键相连的环平面。环上6个原子都有1个垂直于该平面的未杂化的p轨道（各有1个电子），这些p轨道相互平行重叠，形成了1个环状的闭合大π键，具有芳香性。吡啶的原子轨道二、杂环化合物的结构与性质第8页/共45页第八页，共46页。第十一章杂环化合物（三）杂环化合物的性质1.吡咯、呋喃和噻吩的性质(1)溶解性

吡咯、呋喃和噻吩在水中溶解度都不大，而易溶于有机溶剂。溶解1份吡咯、呋喃及噻吩，分别需要17、35、700份的水。

二、杂环化合物的结构与性质第9页/共45页第九页，共46页。第十一章杂环化合物(2)酸碱性

吡咯分子的碱性很弱(pKb=13.6)，相反，氮原子上的氢原子却显示出弱酸性(pKa=15)，能与固体氢氧化钾共热成盐。生成的盐很不稳定，遇水即分解。呋喃分子中的氧原子也因其未共用电子对参与了大π键的形成，而失去了醚的弱碱性，不易与无机强酸反应。噻吩中的硫原子不能与质子结合，所以也无碱性。（三）杂环化合物的性质二、杂环化合物的结构与性质1.吡咯、呋喃和噻吩的性质第10页/共45页第十页，共46页。（3）亲电取代反应

第十一章杂环化合物①卤代反应

②硝化反应

③磺化反应

（三）杂环化合物的性质二、杂环化合物的结构与性质1.吡咯、呋喃和噻吩的性质（4）还原反应

第11页/共45页第十一页，共46页。第十一章杂环化合物完成下列反应式：课堂练习第12页/共45页第十二页，共46页。第十一章杂环化合物2.吡啶的性质1.溶解性

2.碱性

吡啶能与水混溶，这是因为吡啶分子中氮原子上的未共用电子对，不参与形成闭合的共轭体系，氮原子可与水分子形成分子间氢键的缘故。

吡啶由于环上的氮原子有未共用电子对，能接受质子而显碱性。

吡啶（三）杂环化合物的性质二、杂环化合物的结构与性质第13页/共45页第十三页，共46页。（3）亲电取代反应

（4）氧化还原反应

吡啶的亲电取代反应活性比苯低，与硝基苯类似，不发生傅－克反应，取代反应一般发生在β-位上

第十一章杂环化合物

吡啶环上的电子云密度较低，一般不易被氧化。尤其在酸性条件下，吡啶更加稳定，很难被氧化

（三）杂环化合物的性质二、杂环化合物的结构与性质2.吡啶的性质第14页/共45页第十四页，共46页。第十一章杂环化合物三、重要的杂环化合物呋喃衍生物

吡啶衍生物

嘧啶衍生物

吲哚衍生物

喹啉衍生物

常见的是呋喃甲醛，又称为糠醛

吡啶的衍生物中比较重要的是烟酸嘧啶衍生物具有重要的生理活性常见的是吲哚乙酸及其衍生物

喹啉为无色油状液体，有特殊气味

第15页/共45页第十五页，共46页。完成下列反应式：第十一章杂环化合物课堂练习第16页/共45页第十六页，共46页。本章同步测试参考答案一、单项选择题12345678910BBCDCACCAA1112131415161718DBCCCADB第十一章杂环化合物第17页/共45页第十七页，共46页。本章同步测试参考答案二、分析题1.鉴别题第十一章杂环化合物(1)

(2)

第18页/共45页第十八页，共46页。本章同步测试参考答案二、分析题1.鉴别题第十一章杂环化合物(3)

第19页/共45页第十九页，共46页。表11-1类别常见杂环母环的结构和名称

五元杂环六元杂环

吡咯呋喃噻吩吡啶γ-吡喃第十一章杂环化合物第20页/共45页第二十页，共46页。苯稠杂环

杂环稠杂环

吲哚喋啶嘌呤

类别常见杂环母环的结构和名称

表11-2第十一章杂环化合物第21页/共45页第二十一页，共46页。

从杂原子开始用阿拉伯数字或从与碳原子开始用希腊字母α、β、γ等编号

第十一章杂环化合物含1个杂原子的杂环化合物第22页/共45页第二十二页，共46页。

应使杂原子位次之和为最小，并从连有氢的杂原子开始编号。

第十一章杂环化合物含2个相同杂原子的杂环化合物第23页/共45页第二十三页，共46页。按O、S、N先后顺序编号使杂原子的位次之和最小。

第十一章杂环化合物含2个不同杂原子的杂环化合物第24页/共45页第二十四页，共46页。第十一章杂环化合物特定编号的稠杂环母环第25页/共45页第二十五页，共46页。

连有取代基的杂环化合物的命名，选杂环为母体，将取代基的位次、数目及名称写在杂环母环名称前。2,5-二甲基呋喃4-氨基吡啶3-羟基-6-氯喹啉

(α,α/-二甲基呋喃)(γ-氨基吡啶)

第十一章杂环化合物连有取代基的杂环化合物第26页/共45页第二十六页，共46页。2-嘧啶甲酸甲酯3-吲哚乙酸2-噻吩磺酸

第十一章杂环化合物以侧链的官能团作母体来命名第27页/共45页第二十七页，共46页。吡咯呋喃噻吩

第十一章杂环化合物吡咯、呋喃、噻吩的原子轨道第28页/共45页第二十八页，共46页。

由于氮原子的电负性比碳原子大，产生了吸电子的共轭效应，使环上碳原子的电子云密度降低，因此吡啶是缺电子共轭体系，比苯难于发生亲电取代反应。

第十一章杂环化合物吡啶的原子轨道第29页/共45页第二十九页，共46页。

有机化合物的水溶性与其分子的极性和与水形成氢键的能力有关。分子的极性越大，越易与水形成氢键的化合物，在水中的溶解度越大。

第十一章杂环化合物1:171:201:7001﹕16溶解性第30页/共45页第三十页，共46页。

在吡咯分子中，由于氮原子上的未共用电子对参与了大π键的形成，难以与质子结合，因而降低了其碱性。

第十一章杂环化合物酸碱性第31页/共45页第三十一页，共46页。

吡咯、呋喃和噻吩在室温分别与氯(或溴)激烈反应，得到多卤代产物。

第十一章杂环化合物卤代反应第32页/共45页第三十二页，共46页。

与硝酸乙酰酯(CH3COONO2)，在低温下进行反应。吡咯和噻吩分别得比例不同的2-和3-硝基物，而呋喃几乎全为2-硝基产物第十一章杂环化合物硝化反应第33页/共45页第三十三页，共46页。

吡咯和呋喃的磺化反应也需要在比较缓和的条件下进行，常用非质子性的吡啶三氧化硫作为磺化试剂。噻吩比较稳定，可直接在室温下进行磺化反应，生成可溶于水的α-噻吩磺酸。

第十一章杂环化合物磺化反应第34页/共45页第三十四页，共46页。四氢吡咯相当于脂肪族仲胺

四氢呋喃相当于脂肪族醚

杂环化合物的氢化产物，因为破坏了杂环上的共轭体系而失去了芳香性，成为脂杂环化合物

四氢噻吩相当于脂肪族硫醚

第十一章杂环化合物还原反应第35页/共45页第三十五页，共46页。

当吡啶环上有氨基或羟基时，很容易形成分子间氢键，从而会减弱与水形成氢键的能力，使其溶解度减小。

3-羟基吡啶2,4-二羟基吡啶2-氨基吡啶2,6-二氨基吡啶

第十一章杂环化合物溶解性(1:30)

(1:106)

(1:1)(1:１0)

第36页/共45页第三十六页，共46页。第十一章杂环化合物碱性强弱比较碱性第37页/共45页第三十七页，共46页。

因为氮原子的电负性大于碳原子，吡啶环中氮原子的存在，降低了环上碳原子的电子云密度，所以亲电取代反应困难。

第十一章杂环化合物取代反应第38页/共45页第三十八页，共46页。当环上有烃基时，烃基容易被氧化

吡啶比苯容易还原，在常压下用化学还原或催化加氢的方法都可以将吡啶还原成六氢吡啶。第十一章杂环化合物氧化反应第39页/共45页第三十九页，共46页。糠醛脱去醛基可得呋喃

纯净的糠醛为无色液体，在空气中颜色逐渐变深，沸点62℃，能溶于水、乙醇及乙醚。

糠醛是重要的化工原料，可用于制备酚醛树脂和聚酰胺纤维，同时还是良好的溶剂，用于石油精炼。在医药工业上，糠醛也是重要的原料，可用于制备呋喃类药物，如呋喃丙胺、呋塞米等。

第十一章杂环化合物呋喃的衍生物第40页/共45页第四十页，共46页。烟酸是β-吡啶甲酸的俗称，属于B族维生素类烟酸(β-吡啶甲酸)

4-吡啶甲酸是烟酸的同分异构体，称为异烟酸。异烟酸与水合肼生成的异烟肼，是高效、低毒的抗结核药，又名雷米封。

异烟肼

第十一章杂环化合物吡啶的衍生物第41页/共45页第四十一页，共46页。

嘧啶为无色晶体，熔点22.5℃，易溶于水。嘧啶的化学性质与吡啶相似，嘧啶本身并不存在，但嘧啶的衍生物却广泛存在于自然界。

胞嘧啶