高鸿宾 第十七章 杂环化合物

1、第十七章第十七章 杂环化合物杂环化合物 17.1 杂环化合物的分类、命名和结构杂环化合物的分类、命名和结构 17.1.1 分类和命名分类和命名 17.1.2 结构和芳香性结构和芳香性 17.2 五元杂环化合物五元杂环化合物 17.2.1 五元杂环化合物的化学性质五元杂环化合物的化学性质 硝化硝化 (2) 磺化磺化 (3) 卤化卤化 (4) Friedel-Crafts 酰基化酰基化 17.2.2 常见的五元杂环化合物常见的五元杂环化合物 17.3 六元杂环化合物六元杂环化合物 17.3.1 吡啶和嘧啶吡啶和嘧啶 (1) 硝化硝化 (2) 磺化磺化 (3) 卤化卤化 17.3.2 喹啉和异喹啉喹

2、啉和异喹啉 17.3.3 嘌呤嘌呤 杂环化合物杂环化合物(heterocyclic compounds)： 构成环的原子除碳原子外还有其它原子构成环的原子除碳原子外还有其它原子 的一类环状化合物的一类环状化合物 ， 常见的杂原子是常见的杂原子是O,N,S。 O NH2 NH N H H O S COOH CH3 H2O 头孢氨苄头孢氨苄(先锋霉素先锋霉素IV) NN NN Fe CHCH2 H3C CH3 CHCH2 H3C HOOCCH2CH2CH2CH2COOH CH3 血红素血红素(heme) 四氢呋喃四氢呋喃 哌啶哌啶 吡啶吡啶 O N N H 17.1 杂环化合物的分类、命名和结构杂

3、环化合物的分类、命名和结构 17.1.1 分类和命名分类和命名 杂环杂环 非芳香性杂环非芳香性杂环 芳香性杂环芳香性杂环 非芳香性杂环非芳香性杂环: 四氢吡咯四氢吡咯 六氢吡啶六氢吡啶 奎宁环奎宁环 OO O 四氢呋喃四氢呋喃 1,4二氧六环二氧六环 N N N H H (1氮杂二环氮杂二环2.2.2辛烷辛烷) 芳杂环化合物芳杂环化合物 : 五元杂环：五元杂环： 呋喃呋喃 噻吩噻吩 吡咯吡咯 furan thiophene pyrrole OSN H 吡唑吡唑 咪唑咪唑 唑唑 噻唑噻唑 pyrazole imidazole oxazole thiazole N N N N O N S N HH

4、 六元杂环：六元杂环： 吡啶吡啶 pyridine 哒嗪哒嗪 嘧啶嘧啶 吡嗪吡嗪 pyridazine pyrimidine pyrazine N N NN N N N O SN H 苯并呋喃苯并呋喃 苯并噻吩苯并噻吩 吲哚吲哚(苯并吡咯苯并吡咯) benzofuran thionaphthene indole 稠杂环：稠杂环： 苯并咪唑苯并咪唑 苯并苯并 唑唑 苯并噻唑苯并噻唑 嘌呤嘌呤 benzomidazole benzoxazole benzothiazole purine N N H O N S N N NN N H N N N 喹啉喹啉 异喹啉异喹啉 吖啶吖啶 quinoline

5、isoquinoline acridine 杂环的编号一般从杂原子开始，含多个杂环的编号一般从杂原子开始，含多个 杂原子时按杂原子时按O、S、N的次序编号。的次序编号。 O1 2 34 5 S N CH3 1 2 3 4 5 O N 1 2 3 4 5 6 7 CH3CO 5甲基噻唑甲基噻唑 6甲氧基苯并甲氧基苯并 唑唑 对于含一个杂原子的杂环也可把靠近杂对于含一个杂原子的杂环也可把靠近杂 原子的位置叫做原子的位置叫做位，其次为位，其次为和和位。位。 N 17.1.2 结构和芳香性结构和芳香性 呋喃、噻吩和吡咯：呋喃、噻吩和吡咯：C、N原子均为原子均为sp2杂化，杂化， 环上的环上的5个原子处

6、于同一平面；个原子处于同一平面；5个个p轨道都轨道都 垂直于环所在的平面且相互平行；垂直于环所在的平面且相互平行；p轨道的轨道的 相互交盖形成闭合的共轭体系，体系中有相互交盖形成闭合的共轭体系，体系中有6 个个电子。电子。 N H H H H H sp2 杂化杂化 参与大参与大键生成键生成 的的p轨道中的电子轨道中的电子 图图17.1 吡咯的轨道结构吡咯的轨道结构 N H 呋喃、吡咯和噻吩的芳香性：呋喃、吡咯和噻吩的芳香性： 共振能分别为共振能分别为67、88 和和 117 kJ/mol。 容易发生亲电取代反应容易发生亲电取代反应 键长趋于平均化键长趋于平均化 表表17.1 呋喃、噻吩、吡咯及

7、环戊二烯的键长呋喃、噻吩、吡咯及环戊二烯的键长/nm XC1(单键单键) C2C3 C3C4 呋喃呋喃 0.1362(0.143) 0.1361 0.1430 噻吩噻吩 0.1714(0.182) 0.1370 0.1423 吡咯吡咯 0.1370(0.147) 0.1382 0.1417 环戊二烯环戊二烯 0.1502 0.1341 0.1455 X X=O,S, NH,CH2 CC CC 键长键长/nm 0.154 0.134 N H H H H H N 图图17.2 吡啶的轨道结构吡啶的轨道结构 NNNNN N 0.134 nm 0.139 nm 0.140 nm CN: 0.147 n

8、m C=N: 0.128 nm 核磁共振信号大都出现在较低场核磁共振信号大都出现在较低场 O 6.24 7.29 S 7.18 6.99 N H 6.68 6.22 6.28 6.43 吡啶是典型的芳香杂环化合物吡啶是典型的芳香杂环化合物 芳香性：苯芳香性：苯 噻吩噻吩 吡咯吡咯 呋喃呋喃 N N H 偶极矩偶极矩/Cm: 7.5 1030 6.1 1030 17.2 五元杂环化合物五元杂环化合物 17.2.1 五元杂环化合物的化学性质五元杂环化合物的化学性质 呋喃、吡咯的遇酸或氧化剂容易开环呋喃、吡咯的遇酸或氧化剂容易开环 或聚合。或聚合。 它们在亲电取代反应中，使用温和的试剂：它们在亲电取

9、代反应中，使用温和的试剂： 硝化硝化 一般采用硝酸乙酰脂一般采用硝酸乙酰脂 CH3COONO2作硝化剂作硝化剂 S + CH3COONO2 Ac2OC AcOH 0 S NO2+ S NO2 2C 硝硝基基噻噻吩吩( (6 66 6% %) )3C 硝硝基基噻噻吩吩( (1 10 0% %) ) X X = NH,O,S 杂原子的杂原子的C 效应，增加了效应，增加了 杂环的亲电取代反应的活性。杂环的亲电取代反应的活性。 亲电取代反应活性顺序：亲电取代反应活性顺序： NOS H S + H 2SO4(浓 浓) ) 室室温温 S SO3H 噻噻吩吩2磺磺酸酸 (75%) 煤焦油中提取的苯含煤焦油中

10、提取的苯含0.5% 噻吩。这是噻吩。这是 制取无噻吩苯的一种方法制取无噻吩苯的一种方法 (3) 卤化卤化 采用溶剂稀释、低温采用溶剂稀释、低温 (2) 磺化磺化 吡咯、呋喃通常采用吡啶与吡咯、呋喃通常采用吡啶与SO3的加合物：的加合物： N+ SO3NSO3 N + N SO3 100 N SO3 N HCl N SO3 H 吡吡咯咯2磺磺酸酸吡吡啶啶盐盐 (90) H H H O + Br2 O O 0O Br C溴溴代代呋喃 (90%) S + Br2 室室温温S Br C溴溴代代噻噻吩吩 AcOH (4) FriedelCrafts酰基化酰基化 催化剂：催化剂： SnCl4, BF3等等

11、 O + (CH3CO)2O O 2C乙乙酰酰基基呋喃 (75%92%) BF3 C O CH3 + (CH3CO)2O 2C乙乙酰酰基基吡吡咯咯(60%) 150200 C O CH3 N H N H 呋喃、噻吩、吡咯的制备呋喃、噻吩、吡咯的制备 PaalKnorr合成法合成法 二羰基化合物二羰基化合物 酸催化下脱水酸催化下脱水 或与氨或硫化物作用或与氨或硫化物作用 吡咯、呋喃、噻吩亲电取代反应的吡咯、呋喃、噻吩亲电取代反应的 区域选择性：区域选择性： 反应主要发生在反应主要发生在 2 位上位上 杂环上有两种不同位置的取代：杂环上有两种不同位置的取代： 亲电试剂进攻亲电试剂进攻 2 位的中间

12、体稳定位的中间体稳定 X 进进攻攻3位位 进进攻攻2位位 E+X E HX E HX E H X E H X E H X=O,S,NH ZnOC Cr2O3C MnO2 O (C5H8O4)n H+,H2O CHO (CHOH)3 CH2OH 3H2O OCHO HCl / 聚戊糖聚戊糖 戊糖戊糖 糠醛糠醛 O O CH3H3C TsOH 甲甲苯苯, , O H3CCH3 P2S5 170 NH3 甲甲苯苯, , S H3CCH3 N H3CCH3 H 17.2.2 常见的五元杂环化合物常见的五元杂环化合物 17.3 六元杂环化合物六元杂环化合物 17.3.1 吡啶和嘧啶吡啶和嘧啶 N N H

13、 烟烟碱碱(尼尼古古丁丁) 颠颠茄茄碱碱(阿阿托托品品) 麻麻黄黄碱碱 咖咖啡啡碱碱 N CH3 CH3 NHCH3H OHH C6H5 N N O H3C O N N CH3 CH3 生物碱一般是指从动植物中得来的、生物碱一般是指从动植物中得来的、 具有碱性的、有强烈生理作用的一类有机具有碱性的、有强烈生理作用的一类有机 含氮化合物：含氮化合物： 吡啶的碱性：吡啶的碱性： N NH2 N H 不稳定的不稳定的 极限结构极限结构 亲电取代反应亲电取代反应： 类似硝基苯，一般需在类似硝基苯，一般需在 强烈条件下才能发生亲电取代反应。强烈条件下才能发生亲电取代反应。 N N E+ 进进攻攻位位 进

14、进攻攻位位 N E HN E H N E H N E H N E H N E H 亲电试剂主要进入亲电试剂主要进入位位 (1) 硝化硝化 N HNO3,KNO3 H2SO4,Fe,300 N NO2 3C 硝硝基基吡吡啶啶(22%) (2) 磺化磺化 230 N H2SO4,HgSO4 N 3C 吡吡啶啶磺磺酸酸(70%) SO3H (3) 卤化卤化 300 N Br2 / 浮浮石石 N Br 3C 溴溴吡吡啶啶(39%) + N BrBr 3,5C 二二溴溴吡吡啶啶 芳环上的亲核取代反应：芳环上的亲核取代反应： 吡啶更容易发生亲核取代反应，反应吡啶更容易发生亲核取代反应，反应 的部位是在环上

15、的的部位是在环上的位和位和 4 位：位： CH3OH / N N 2C 甲氧基吡吡啶啶(95%) Cl NaOCH3 OCH3 NN NaNH2 NHNa NH3 H2O N 氨基吡吡啶啶 NH2 N C6H5Li N C6H5 苯基吡吡啶啶 + LiH 环上氮原子的性质：环上氮原子的性质： 亲核性：亲核性： 吡啶能与卤代烷作用生成相当于季铵盐吡啶能与卤代烷作用生成相当于季铵盐 的产物吡啶的产物吡啶 盐：盐： N CH3I N CH3 I 300 NCH3 + N CH3 C 甲甲基吡吡啶啶C 甲甲基吡吡啶啶 碱性：碱性： N + HCl N H Cl N + SO3 N SO3 还原：还原： N + H2 N H Ni 180 六六氢氢吡吡啶啶 (哌哌啶啶) 有机碱催化剂、环氧树脂的固化剂有机碱催化剂、环氧树脂的固化剂 氧化：氧化： 吡啶与过氧化氢作用生成吡啶吡啶与过氧化氢作用生成吡啶N氧化物：氧化物： N H2O2,AcOH 65 N O HNO3,H2SO4 90 N O NO2 P