徐寿昌有机化学第十七章 杂环化合物

1、第十七章 杂环化合物,本章主要内容 1.杂环化合物的定义、分类与命名. 2.杂环化合物的结构与芳香性. 3.五元杂环化合物呋喃、噻吩、吡咯及其衍生物 的化学性质. 4.六元杂环化合物吡啶及其衍生物的化学性质. 5.稠环化合物吲哚、喹啉及其衍生物的化学性质.,杂环化合物是指分子中含有一个或多个杂原子（非 碳原子）的环状化合物. 常见杂原子有氧、硫和氮：,17.0 杂环化合物的定义,杂环化合物由于杂原子、环大小、环数的不同而种类 繁多，约占全部已知有机化合物的三分之一。,下列环状化合物的性质与相应的脂肪族化合物相近. 本章介绍具有芳香性的杂环化合物（芳杂化合物）.,按杂环骨架分类:五元杂环、六元杂

2、环;单杂环和稠杂环等。 命名按英文音译。常见的杂环有：,喹啉,呋喃,噻吩,吡咯,吡啶,吲哚,噻唑,嘧啶,17.1 杂环化合物的分类和命名,系统命名： a.含取代基的杂环化合物，以杂环为母体，从杂原子 开始顺环编号； b.当环上含有两个或以上相同的杂原子时，应使杂原 子所在位次和最小； c.环上有不同杂原子时，按O、S、N的次序编号：,含有两个或以上的相同杂原子的单杂环衍生物，编号从连有取代基（或氢原子）的杂原子开始，顺序定位，使另一个杂原子的位次保持最小：,环上只有一个杂原子时，有时也把靠近杂原子的位置 叫位，其次为位，再次为位：,1,2,3,根据相应的碳环来命名：把杂环看作相应碳环中的碳原子

3、被杂原子取代而形成的化合物，命名时在相应的碳环名称前加上杂原子的名称：,（1）五元杂环化合物呋喃、噻吩、吡咯的结构,17.2 杂环化合物的结构与芳香性,五元杂环化合物中碳原子、杂原子均以sp2杂化，其中 杂原子未杂化的P轨道上的共用电子对参加了六电子 体系的形成。五个原子处于同一平面组成一个闭合的 共轭体系。 体系符合4n+2休克尔规则，因此具有芳香性.,芳香性程度的比较：,芳香性强弱的次序：,苯 噻吩 吡咯 呋喃,离域能：152 117 88 67 KJ/mol,吡咯 呋喃 噻吩 苯,-0.10 -0.03 -0.06 0,位电子云密度:,呋喃、吡咯、噻吩环中杂原子上的未共用电子对参与 了环

4、的共轭体系，使环上的电子云密度增大，故比苯 容易发生亲电取代反应，取代通常发生在-位。,取代反应活性的次序：,由于杂原子电负性不同：O(3.5) N(3.0) S(2.5)， 芳杂化合物环上电荷分布不均匀：,氮原子与碳原子处在同一平面。吡啶的结构与苯相似，符合休克尔规则，具有芳香性.,吡啶在发生亲电取代反应较苯困难，主要发生在位。 相对来说，吡啶较易发生亲核取代反应，取代基往往 进入位。,未杂化的P上有1电子参加成环.,（2）六元杂环化合物吡啶,N: sp2杂化,环上碳原子电荷密度比苯大的称为多芳杂环，通 常为五元芳杂环；电荷密度比苯小的，称为缺芳 杂环，如六元杂环。,思考题1,为什么噻吩、吡

5、咯、呋喃比苯容易发生亲电取代反应，而吡啶却比苯难于进行亲电取代反应？,和苯类似，吡啶只有一个电子参与六元环共轭， 由于电负性NC，环上电荷密度降低，且分布不均匀，难于发生亲电取代反应；噻吩、吡咯、呋喃则有电子对参与五元环的共轭，增加了环上电子云密度，故易于进行亲电取代反应.,N有3个键的,如-NH-,则N为SP2（1,1,1）,剩余P=2电子(电子) N有2个键的,如-N=, 则N为SP2（1,1,2）,剩余P=1电子(电子),下列化合物哪些具有芳香性？,有芳香性,有芳香性,有芳香性,有芳香性,反芳香性,无芳香性,思考题2,存在于松木焦油中，为无色液体，难溶于水，易溶于有机溶剂。其蒸汽遇有被盐

6、酸浸过的松木时，即呈绿色（叫松木反应，鉴别呋喃的存在）。 工业上用糠醛（-呋喃甲醛）制备：,实验室采用糠酸加热脱羧制得：,17.3 五元杂环化合物,17.3.1 呋喃,（1）呋喃的制备,呋喃具有芳香性，较苯活泼，容易发生取代反应；还有一定程度的不饱和化合物的性质(发生加成反应)。 溴代：,硝化（缓和试剂）：,磺化（缓和试剂）：,吡咯与SO3的络合物,（2）呋喃的化学性质,（A）取代反应 位取代,傅-克酰基化反应（使用缓和路易斯酸催化剂）,呋喃具有共轭双键的性质(双烯合成) :,在催化剂作用下,呋喃加氢生成四氢呋喃 :,无芳香性,（B）加成反应,四氢呋喃,（1）糠醛的制法（麦杆、花生壳、甘蔗渣等

7、含多缩戊 糖的物质）：,17.3.2 糠醛(-呋喃甲醛),糠醛在醋酸存在下与苯胺作用显红色检验糠醛；糠醛可发生银镜反应； 糠醛具有一般醛基的性质：,（2）糠醛的性质和用途,糠醛为无-氢的醛，其性质与苯甲醛或甲醛相似：,普尔金反应 （Perkin）,A：坎尼扎罗反应（歧化反应）,B：生成-呋喃丙烯酸(Perkin反应),噻吩存在于煤焦油的粗苯中，约为粗苯含量的0.5% 噻吩的结构： （1）噻吩的制法烷烃、烯烃或炔烃等的硫化,17.3.3 噻吩,方法1,方法2,方法3实验室制法,位亲电 取代,傅-克反应,（2） 噻吩的性质,（A）弱酸性,17.3.4 吡咯,（1）吡咯的制备,（2）吡咯的性质,吡咯

8、可看成环状亚胺，由于N上未共用电子对参与了杂环的共轭体系，吡咯显弱酸性(PH=5),与N相连的H可被碱金属取代.,（B）取代反应,（C）偶合反应,四碘吡咯常用来代替碘仿作伤口消毒剂.,噻唑、吡唑的结构：,17.3.5 噻唑、吡唑及其衍生物,噻唑,吡唑,咪唑,青霉素 维生素B1 磺胺噻唑,安替吡啉 安乃近 增白剂AD,衍生物:,达克宁 阿司咪唑 甲巯咪唑,吲哚,异吲哚,17.3.6 吲哚苯并吡咯, 吲哚的制备：,NaNH2,吲哚的存在及应用,在素馨花精油、动物粪便中含有天然吲哚；植物生长激素-吲哚乙酸、生物碱利血平、麦角碱等都是吲哚衍生物.,-吲哚乙酸,存在和制取存在于煤焦油和页岩油中。 吡啶的

9、性质 碱性吡啶环上氮原子有一对未共用电子未参加环 上共轭体系，能与质子结合，具有弱碱性：,17.4 六元杂环化合物,17.4.1 吡啶,惯称傅酸剂,和苯类似，吡啶只有一个电子参与六元环共轭，由于电负性NC，环上电荷密度降低，且分布不均匀，难于发生亲电取代反应； N上有未共轭的孤对电子存在，因而显碱性.,吡啶与叔胺相似，可与卤烷结合生成相当于季铵盐的产物，受热则发生分子重排而生成吡啶的同系物：,吡啶与酰氯作用生成盐，是良好的酰化剂：,吡啶易和SO3结合生成N-磺酸吡啶，是缓和的磺化剂.,取代反应亲电取代反应与硝基苯类似，发生在位；较苯难磺化、硝化和卤化，不能起傅-克反应 。,位 亲电取代,与硝基

10、苯相似：吡啶与强的亲核试剂起亲核取代 反应，主要生成取代产物（齐齐巴宾反应）：,与2-硝基氯苯相似，2-氯吡啶与碱或氨等 亲核试剂作用，可生成相应的羟基吡啶或 氨基吡啶：,强的亲核试剂,位 亲核取代,吡啶的同系物被氧化时总是侧链先氧化而芳杂环不 破坏，生成相应的吡啶甲酸：,氧化与还原吡啶比苯稳定，不易被氧化剂氧化。,吡啶用过氧羧酸氧化（或30%的H2O2和CH3COOH 作用）时，生成吡啶N-氧化物或称氧化吡啶：,吡啶经催化氢化或用乙醇和钠还原，可得六氢吡啶：,思考题3,完成下列反应：,N(CH3)3,尼古丁,吡啶和哌啶的衍生物:,17.4.2 喹啉和异喹啉,(1)结构：,（2）喹啉的制备：S

11、kraup合成法,Skraup合成法：用取代芳胺代替苯胺，不饱和醛酮代替甘油， 可制备喹啉衍生物.,（3）喹啉的化学反应, 亲电取代，进入苯环的5，8-位（异环）,亲核取代，进入吡啶环的-位（同环）,Why?,苯环的破裂,吡啶环的氢化,苯环和吡啶环均氢化, 氧化反应：,催化氢化：,罂粟花,异喹啉比较重要的衍生物罂粟碱、黄连素,喹啉的应用：许多天然或合成药物中含有喹啉结构，如抗疟疾药奎宁；抗癌药喜树碱；抗风湿药辛可劳等等.,喜 树 碱,17.5 嘧啶、嘌呤及其衍生物,（1）嘧啶的衍生物广泛存在于生物体内， 是核酸的重要组成部分。,（2）嘌呤及其衍生物, 嘌呤的结构：,嘌呤的衍生物,核酸的重要组成

12、部分,咖啡碱,尿酸,思考题4,比较下列化合物的碱性大小:,NH3 CH3NH2 (CH3)2NH (CH3)3N C6H5NH2 ,思考题5,解释吡咯为弱酸性、吡啶为弱碱性的原因？,毒理学分析和相关分子设计 利用构-效关系设计安全的化学品 利用基团贡献法构筑构效关系 利用等电排置换设计更安全的化学品 后代谢设计或软化学设计 用另一类等效而无毒的物质替代有毒害的物质 消除有毒辅助物品的使用,应用示例：分子设计与有机合成,（C）CCCCoOH,N 4 3 2,Methods:,Example:,某些链状脂肪羧酸会引起畸胎及肝中毒,而以下结构的羧酸则是安全的： C2全部为H原子而无取代基或全部为取代基而无H原子。 C2与C3之间或者C3与C4之间有双键存在。,本 章 小 结,1. 杂环化合物按杂原子种类、环大小、环数目等分类；杂环化合物根据母体的音译命名. 2. 杂环化合物中组成杂环