第十四章杂环化合物

1、.,Chapter 15,杂环化合物,Heterocyclic compounds,主讲：焦宇,.,杂环化合物 (Heterocyclic Compounds) 是指构成环的原子除了碳原子之外还有其它原子的环状化合物。杂环中除碳原子以外的原子都叫做杂原子。最常见的杂原子是氮、氧和硫,概 述,.,本章讨论比较稳定、具有一定程度芳香性 （键电子数：4n2）的杂环化合物，这 类化合物具有芳香性，通称为芳（香）杂环 化合物（aromatic heterocycles）,苯 吡啶 吡咯 呋喃,.,一、分类和命名,杂环化合物可按环的大小： 五元杂环和六元杂环 按杂环中杂原子数目的多少： 含有一个杂原子和含

2、有两个以上杂原子的杂环 按环的形式： 单杂环和稠杂环,1. 分类,.,.,1. 分类,2. 命名,杂环化合物的命名按IUPAC 命名原则规定, 保 留特定的45个杂环化合物的俗名和半俗名并作 为命名的基础。以此原则为准，我国多采用“音 译法”，即按英文名称的读音，选用同音口字旁 的汉字 （“口”字旁表示为杂环）对杂环化合物 进行命名,命名时需要记住母环名称，编号时不同的母环 有不同的编号方法,.,呋喃(furan),噻吩(thiophene),吡咯(pyrrole),（1） 含一个杂原子的五元环,当环上有取代基时，对环上的原子编号， 从杂原子开始，使取代基位号尽可能小。,.,5硝基2呋喃甲醛,

3、噻吩2磺酸,.,（2） 含两个杂原子的五元环,异噻唑(isothiazole),吡唑(pyrazole),异噁唑(isoxazole),编号从杂原子开始，选择杂原子的顺序为：,O S NH N=,.,噁唑(oxazole),噻唑(thiazole),咪唑(inidazole),1,2,3,4,5,S,1,2,3,4,5,N,H,1,2,3,4,5,2乙基噻唑,5硝基咪唑,.,（3） 含一个杂原子的六元环,吡啶(pyridine),吡喃(pyran),-吡喃酮 (-pyrone),-吡喃酮 (-pyrone),2甲基吡啶 甲基吡啶,4吡啶甲酸 吡啶甲酸,.,（4） 含两个杂原子的六元环,哒嗪(p

4、yridazine),嘧啶(pyrimidine),吡嗪(pyrazine),2氨基嘧啶,2,4二氨基嘧啶,.,（5） 稠杂环命名,喹啉 (quinoline),异喹啉 (isoquinoline),苯并吡喃(benzopyran),苯并-吡喃酮 (benzo-pyrone),嘌呤(purine),吲哚 (indole),.,2吲哚乙酸,7碘8羟基5喹啉磺酸,.,（6） 几点说明,* 有的环有两种或多种异构体，为了区别，还必须 标明环上一个或多个氢原子所在的位置，即在名 称前面加上标位的阿拉伯数字及斜体大写的“ H ”。 这种氢则称为“指示氢”或“标氢”,1H吡咯 3H吡咯,4H吡喃 2H吡喃

5、,1H吲哚 3H吲哚,.,* 含活泼氢的杂环及其衍生物，可能存在互变异 构体，结构不同，名称也异，命名时需要标明其 两种可能的位号,9H嘌啉,7H嘌啉,5甲基吡唑,3甲基吡唑,2,4二羟基嘧啶,2,4嘧啶二酮,.,一、分类和命名,二、六元杂环化合物,1. 吡啶,（1）电子结构和芳香性,.,氮的电负性较强，使环上电子云不是完全平均化； 靠近N周围电子云密度较大。芳香性比苯小。,.,=2.20D =1.17D,吡啶具有较大的极性，吡啶氮原子上的未共用 电子对可以与水形成氢键 ，与水能以任意比例 混溶，又能溶解大多数极性或非极性有机化合 物，甚至许多无机盐类，是一个良好的有机溶剂,（2）物理性质,.

6、,（3）化学性质,a. 碱性与成盐,通过氮原子上的未共用电子对，吡啶可以与酸及 其它亲电试剂发生反应。与许多质子酸生成结晶 的盐，可用作碱性溶剂和脱酸剂（缚酸剂）,.,.,a. 碱性与成盐,b. 亲电取代反应,.,a. 碱性与成盐,b. 亲电取代反应,c. 亲核取代反应,亲核取代优先在位上发生，如果位上有取代基，则 反应在位上发生。常需用强碱性的亲核试剂（如NaNH2, RLi等）,.,a. 碱性与成盐,b. 亲电取代反应,c. 亲核取代反应,d. 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,.,吡啶与过氧羧酸或过氧化氢作用时，可得到 合成上很有用的中间体吡啶 -氧

7、化物吡啶 -氧化物与吡啶不同，它进行亲电取代反应 比较容易，同时也能进行亲核取代反应，且 取代反应都发生在 a位或 位,.,-氧化物常用来活化吡啶和起定位作用， 为合成某些取代吡啶提供了一条可行的途径,.,吡啶缺电子，加氢还原比苯容易，既可被催化加氢 还原，还可被化学试剂还原,pKa： 8.8 11.2,.,1. 吡啶,2. 喹啉和异喹啉,（1）结构与物理性质,喹啉和异喹啉可看成是萘的含氮类似物。 二者分子中氮 原子上的未共用电子对均位于sp2杂化轨道，碱性与吡啶 相近。喹啉的pKa为4.9，异喹啉的pKa为5.4。,.,（1）结构与物理性质,（2）亲电取代反应,.,（1）结构与物理性质,（2

8、）亲电取代反应,（3）亲核取代反应,（4）氧化还原反应,N,H,2,P,t,N,H,.,（1）结构与物理性质,（2）亲电取代反应,（3）核亲取代反应,（4）氧化还原反应,（5）喹啉合成斯克劳普(Skraup)法,苯胺、甘油、硫酸和硝基苯等氧化剂一起作用， 生成喹啉的反应称为斯克劳普反应,.,反应过程包括如下步骤：,H,.,1，2二氢喹啉,.,1. 吡啶,2. 喹啉和异喹啉,3. 含两个N原子的六元杂环（二嗪类）,哒嗪 嘧啶 吡嗪 (pyridazine pyridine pyrazine),.,尿嘧啶 胞嘧啶 胸腺嘧啶 (RNA) (RNA/DNA) (DNA),.,1. 吡啶,2. 喹啉和异

9、喹啉,3. 含两个N原子的六元杂环（二嗪类）,4. 含O原子的六元杂环,4H吡喃 2H吡喃,吡喃酮 吡喃酮,.,.,香豆素 色酮,黄酮,.,呋喃(furan),噻吩(thiophene),吡咯(pyrrole),三、含一个杂原子的五元环,当环上有取代基时，对环上的原子编号， 从杂原子开始，使取代基位号尽可能小。,.,由于环上原子电负性不同，键长不是完全平均化， 其芳香性不如苯环；杂原子共轭效应是给电子的。 诱导效应是吸电子的。 芳香及饱和五元杂环的偶极矩方向及数值如下,S,-,-,.,三个五元杂环都能溶于有机溶剂，水溶解度 都小于六元杂环吡啶，这是由于杂原子与水 分子缔合的倾向减弱所致，它们的

10、水溶解度 顺序为： 吡咯 呋喃 噻吩,.,1. 酸碱性,吡咯虽具有仲胺结构，但几乎不具有碱性，相反， 吡咯氮上的氢却因此变得较活泼，显示出弱酸性， 其 pKa=17.5。 吡咯能与强碱如金属钾及固体氢氧化钾共热成盐：,pKa=7.4,.,1. 酸碱性,2. 亲电取代反应,这三个化合物是5原子6电子的富电子芳香体系， 其亲电取代反应活性较强。吸电子诱导： O(3.5) N(3.0) S(2.6) 给电子共轭： N O S 综合：N贡献电子最多，O其次，S最少。亲电取 代活性：,.,三种五元芳杂环较易发生亲电取代反应，但它们对氧 化剂、酸性介质也很敏感，特别是吡咯和呋喃遇强酸 时，容易发生聚合、氧

11、化、开环等副反应，必须用特 殊的试剂。,苯 噻吩 吡咯 呋喃,稳定性和芳香性顺序：,.,（1）卤代反应,.,呋喃与卤素反应几乎是爆炸式地完成，反应需在 低温、试剂的浓度很低的条件下，才可以顺利进 行。吡咯的活性与苯胺相似，容易生成多卤代物。 与等摩尔的SOCl2进行氯化，也可得到一氯代吡咯,N,H,+,8,0,%,0C,.,（1）卤代反应,（2）硝化反应,呋喃, 噻吩和吡咯易氧化, 一般不用硝酸直接硝化; 通常用比较温和的非质子硝化试剂，如：硝酸乙酰酯。反应在低温下进行,+,C,H,3,C,O,N,O,2,+,O,.,+,.,（1）卤代反应,（2）硝化反应,（3）磺化反应,吡咯、呋喃不太稳定，

12、须用温和的磺化试剂磺化。 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,O,3,室温,.,吡咯的性质与苯酚的性质很相似，如可以发生瑞 默尔梯门反应（Reimer-Tiemann）和与重氮盐 偶合反应,.,（1）卤代反应,（2）硝化反应,（3）磺化反应,（4）傅克酰基化反应,（5）呋喃的特殊反应,呋喃的离域能较小，环的稳定性较低，其 芳香性是几个芳杂环中最差的，所以呋喃 具有明显的共轭二烯性质，可以发生双烯 加成类型的反应（Diels-Alder反应）。吡 咯也能发生类似的反应,.,O,N

13、,H,H,2,/,N,i,o,r,P,d,四氢呋喃 THF,呋喃、噻吩、吡咯均可催化氢化，得到饱和杂环化 合物。由于噻吩能使催化剂中毒，需使用特殊催化剂,1. 酸碱性,2. 亲电取代反应,3. 催化加氢,.,1. 酸碱性,2. 亲电取代反应,3. 催化加氢,4. 糠醛,A,g,(,N,H,3,),2,+,.,1. 吡咯、呋喃、噻吩,2. 吲哚,吲哚 (indole),N,H,.,1. 吡咯、呋喃、噻吩,2. 吲哚,3. 含两个杂原子的五元杂环,吡唑(pyrazole),H,噁唑(oxazole),噻唑(thiazole),S,异噁唑(isoxazole),O,咪唑（imidazole),.,互变