杂环化合物HeterocyclicCompounds课程学习

基本内容和重点要求杂环化合物的分类和命名；杂环化合物的结构和芳香性；五元杂环化合物的化学性质；六元杂环化合物的化学性质；生物碱

重点要求掌握芳香性；五元、六元杂环化合物的化学性质，杂环化合物的亲电取代反应的活性及规律；酸碱性规律。返回第1页/共60页第一页，共61页。12杂环化合物12.1杂环化合物的分类12.2杂环化合物的命名12.3五元杂环化合物12.4六元杂环化合物12.5生物碱返回第2页/共60页第二页，共61页。12.1杂环化合物的分类

杂环化合物的成环规律和碳环一样，最稳定和最常见的也是五元环和六元环。有的环只有一个杂原子，有的环含有多个或多种杂原子。杂环化合物一般按环的大小分成五元环和六元环两大类。返回第3页/共60页第三页，共61页。单杂环稠杂环五员杂环六员杂环碳环母核碳环母核重要的杂环返回第4页/共60页第四页，共61页。

杂环化合物一般采用音译法命名，根据化合物的英文读音，选用同音汉字，并以“口”字旁表示杂环化合物。12.2杂环化合物的命名返回第5页/共60页第五页，共61页。返回第6页/共60页第六页，共61页。

环上有取代基的杂环化合物，命名时以杂环为母体，从杂原子开始将环上的原子编号。当环上含有两个或两个以上相同杂原子时，应使杂原子所在位次的数字最小。当环上的杂原子不同时，按O、S、N的次序编号。下页退出上页返回第7页/共60页第七页，共61页。返回第8页/共60页第八页，共61页。12.3五元杂环化合物12.3.1呋喃、噻吩和吡咯的结构12.3.2呋喃、噻吩和吡咯的性质12.3.3糠醛返回第9页/共60页第九页，共61页。12.3.1呋喃、噻吩和吡咯的结构

呋喃、噻吩和吡咯组成环的五个原子都位于同一平面上，四个碳原子和一个杂原子都为sp2杂化状态，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是在p轨道上，这五个p轨道垂直于环所在的平面并相互重叠形成闭合共轭体系。这个共轭体系是由五个原子上的六个p电子组成的，其p电子数符合休克尔4n＋2规则。因此具有芳香性。返回第10页/共60页第十页，共61页。呋喃、噻吩和吡咯的原子轨道示意图：苯>噻吩>吡咯>呋喃杂原子为sp2杂化芳香性大小：返回第11页/共60页第十一页，共61页。呋喃、噻吩和吡咯的结构下页退出上页返回动画第12页/共60页第十二页，共61页。12.3.2呋喃、噻吩和吡咯的性质

呋喃是无色液体，沸点32℃，具有类似氯仿的气味，微溶于水，易溶于乙醇、乙醚等有机溶剂。呋喃能使盐酸浸过的松木片显绿色,此现象可检验呋喃的存在。

噻吩与苯共存于煤焦油中，噻吩是无色而有特殊气味的液体，沸点84℃。噻吩和靛红(吲哚满二酮)在硫酸作用下呈蓝色，此现象可检验噻吩的存在。

吡咯存在于煤焦油和骨焦油中，是无色液体,沸点131℃，有弱的苯胺的气味。其蒸气遇盐酸浸湿的松木片则呈红色，可检验吡咯的存在。返回第13页/共60页第十三页，共61页。(1)对氧化剂、酸及碱的稳定性(2)环上的亲电取代反应(3)加成反应(4)吡咯的弱碱性和弱酸性(5)呋喃的共轭二烯性12.3.2呋喃、噻吩和吡咯的性质返回第14页/共60页第十四页，共61页。

呋喃和吡咯对氧化剂不稳定，特别是呋喃可被氧化成树脂状物，但噻吩对氧化剂比较稳定。三种杂环化合物对碱是稳定的，但对酸的稳定性则不同，噻吩对酸较稳定，吡咯与浓酸作用可聚合成树脂状物。呋喃对酸很不稳定，稀酸就可使其破坏生成不稳定的二醛，然后聚合成树脂状物。(1)对氧化剂、酸及碱的稳定性返回第15页/共60页第十五页，共61页。(2)环上的亲电取代反应呋喃、噻吩和吡咯环中的杂原子上的未共用电子对参与了环的共轭体系，使环上的电子云密度增加，故它们都比苯容易发生亲电取代反应，取代通常发生在α位上。磺化硝化卤代付氏反应返回第16页/共60页第十六页，共61页。

呋喃、吡咯必须用吡啶的三氧化硫加合物作为磺化剂，噻吩可直接用硫酸磺化。磺化返回第17页/共60页第十七页，共61页。

呋喃、噻吩和吡咯必须在特殊的条件下硝化，即用酸酐和硝酸在低温下进行硝化，生成相应的α-硝基化合物。硝化返回第18页/共60页第十八页，共61页。呋喃、噻吩和吡咯的卤代反应都比苯容易。卤代返回第19页/共60页第十九页，共61页。付氏反应返回第20页/共60页第二十页，共61页。(3)加成反应

呋喃、噻吩和吡咯都可被催化加氢生成相应的四氢化物。返回第21页/共60页第二十一页，共61页。(4)吡咯的弱碱性和弱酸性

从结构上看，吡咯似环状仲胺，但因其氮原子上的共用电子对参与了环的共轭体系，使氮原子的电子云密度降低，减弱了对氢离子的结合能力。故吡咯的碱性比胺类化合物弱得多。又由于这种共轭作用，使氮上的氢容易离解成氢离子，故吡咯呈弱酸性，酸性比胺类化合物要强。返回第22页/共60页第二十二页，共61页。弱碱性弱酸性pKb13.62.73.6返回第23页/共60页第二十三页，共61页。(5)呋喃的共轭双烯性返回第24页/共60页第二十四页，共61页。12.3.4糠醛

糠醛是无色透明的液体，沸点162℃，熔点-36.5℃，相对密度1.160。在空气中放置时逐渐变为黄色至棕色，能溶于水中，并与乙醇、乙醚混溶。(1)制备糠醛戊醛糖返回第25页/共60页第二十五页，共61页。(2)化学性质显色反应催化加氢氧化反应康尼扎罗反应柏琴反应脱羰反应返回第26页/共60页第二十六页，共61页。下面的显色反应可用来定性检验糠醛：显色反应返回第27页/共60页第二十七页，共61页。催化加氢返回第28页/共60页第二十八页，共61页。氧化反应返回第29页/共60页第二十九页，共61页。

糠醛没有α-氢，与苯甲醛相似，可以发生康尼扎罗反应。康尼扎罗反应返回第30页/共60页第三十页，共61页。柏琴反应返回第31页/共60页第三十一页，共61页。

糠醛和水蒸气混合物在高温时通过混合催化剂，糠醛可脱去羰基生成呋喃。脱羰反应返回第32页/共60页第三十二页，共61页。(3)糠醛的用途酚糠醛树脂糠醛树脂防腐涂料胶合剂制造玻璃钢防腐剂制造增塑剂溶剂化工原料返回第33页/共60页第三十三页，共61页。12.4六元杂环化合物12.4.1

吡啶的结构和性质12.4.2喹啉的结构和性质返回第34页/共60页第三十四页，共61页。sp2杂化未共用电子对占据sp2杂化轨道，与环共平面，不能参与环系的共轭p轨道与环平面垂直，相互重叠形成六个原子在内的闭合共轭体系(1)吡啶的结构12.4.1吡啶的结构和性质返回第35页/共60页第三十五页，共61页。吡啶的结构返回动画第36页/共60页第三十六页，共61页。吡啶和吡咯的结构比较孤对电子在sp2杂化轨道上孤对电子在p轨道上返回第37页/共60页第三十七页，共61页。课堂练习下列化合物哪些具有芳香性？返回第38页/共60页第三十八页，共61页。

吡啶存在于煤焦油、页岩油和骨焦油中。吡啶是具有特殊臭味的无色液体，沸点115℃，熔点42℃，相对密度0.982。吡啶可与水、乙醇和乙醚等混溶，是一种很好的溶剂，能溶解多种有机物和无机物。(2)吡啶的性质12.4.1吡啶的结构和性质返回弱碱性取代反应氧化还原第39页/共60页第三十九页，共61页。

吡啶环上的氮原子的一对未共用电子对处于sp2杂化轨道上，它并不参与环上的共轭体系，因此能与质子结合，具有弱碱性。pKb＝8.8返回弱碱性第40页/共60页第四十页，共61页。

吡啶可与卤代烷或酰卤结合生成相当于季胺盐的产物。良好的酰化剂返回第41页/共60页第四十一页，共61页。

氮原子的电负性比碳原子大，所以氮原子附近电子密度较高，环上碳原子的电子密度有所降低。因此，吡啶与硝基苯相似，亲电取代比苯困难，并且主要发生在β位上，反应条件要求较高。另外，吡啶不能进行付氏反应。亲电取代取代反应返回第42页/共60页第四十二页，共61页。亲核取代

吡啶可与强的亲核试剂起亲核取代反应，主要生成α取代产物。返回第43页/共60页第四十三页，共61页。

吡啶比苯稳定，不易被氧化，一般都是侧链被氧化，而杂环不被破坏，结果生成吡啶甲酸。氧化返回第44页/共60页第四十四页，共61页。

吡啶比苯易被还原，经催化氢化或用乙醇和钠还原，可得六氢吡啶。还原六氢吡啶返回第45页/共60页第四十五页，共61页。

喹啉是苯环与吡啶环稠合而成的化合物，存在于煤焦油和骨焦油中，可用稀硫酸提取，也可用合成方法制得。喹啉是无色油状液体，有特殊气味，沸点238℃，相对密度1.095，难溶于水，易溶于有机溶剂，如乙醚等。它在空气中放置逐渐变成黄色。12.4.1喹啉的结构和性质返回第46页/共60页第四十六页，共61页。斯克洛浦法(1)制取返回第47页/共60页第四十七页，共61页。

若其他芳胺或不饱和醛代替苯胺或丙烯醛，便可制得各种喹啉的衍生物。返回第48页/共60页第四十八页，共61页。(2)化学性质弱碱性取代反应氧化还原返回第49页/共60页第四十九页，共61页。

喹啉与吡啶很相似，也具有弱碱性（pKb＝9.1）。喹啉与酸作用生成盐，例如它与重铬酸形成难溶于水的复盐。可用此法精制喹啉。弱碱性返回第50页/共60页第五十页，共61页。

喹啉可发生亲电取代反应，但由于吡啶环难发生亲电取代反应，所以取代基多进入苯环（5或8位）。喹啉与吡啶一样，也能发生亲核取代反应，取代基则进入吡啶环（2或4位）。取代反应亲核取代返回第51页/共60页第五十一页，共61页。亲电取代取代反应返回第52页/共60页第五十二页，共61页。

喹啉对氧化剂较稳定，用强氧化剂如高锰酸钾氧化时，通常是苯环破裂，生成2,3-吡啶二甲酸。氧化返回第53页/共60页第五十三页，共61页。

用锡和盐酸或金属钠和乙醇作还原剂，加氢得1,2,3,4-四氢喹啉。用更活泼的催化剂得十氢喹啉。还原返回第54页/共60页第五十四页，共61页。12.4生物碱返回

生物碱是一类存在于生物体内含氮的碱性有机化合物。它们主要存在于植物中，具有很强的生理作用。生物碱的结构一般都是比较复杂的多环化合物。生物碱是人们研究得最早和最多的一类中草药有效成份。第55页/共60页第五十五页，共61页。12.4.1生物碱的物理性质

生物碱一般为无色或白色结晶形固体，少数是有颜色的液体，难溶于水，易溶于乙醇、乙醚、氯仿和苯等有机溶剂。生物碱大多都有旋光性，自然界中存在的一般都是左旋体。左旋体和右旋体的生理作用往往差别很大。

返回第56页/共60页第五十六页，共61页。(1)弱碱性12.4.1生物碱的化学性质

生物碱分子中的氮原子一般结合在环状结构中，以仲胺、叔胺和季铵碱3种形式存在，显弱碱性。能与酸作用生成盐。其盐一般易溶于水、乙醇，难溶于其他有机溶剂。(水中析出)(溶于水中)返回第57页/共60页第五十七页，共61页。(2)氧化反应烟碱烟酸咖啡碱返回第58页/共60页第五十八页，共61页。

许多试剂能与生物碱作用，生成不溶性的沉淀或产生颜色反应，这些试剂称为生物碱试剂。可用这些试剂来检验生物碱的存在。(3)沉淀和颜色反应