第17章 杂环化合物

1、第第1717章章 杂环化合物杂环化合物 17.1 杂环化合物的分类和命名杂环化合物的分类和命名 17.2 杂环化合物的结构和芳香性杂环化合物的结构和芳香性 17.3 五元杂环化合物五元杂环化合物 ( (呋喃、噻吩、吡咯、吲哚的结构及其化学性质呋喃、噻吩、吡咯、吲哚的结构及其化学性质) ) 17.4 六元杂环化合物六元杂环化合物 ( (吡啶、喹啉、异喹啉的结构及其化学性质吡啶、喹啉、异喹啉的结构及其化学性质) ) 17.5 嘧啶、嘌呤及其衍生物嘧啶、嘌呤及其衍生物 在环上含有在环上含有杂原子杂原子(非碳原子非碳原子)的有机物称为杂环化合物。的有机物称为杂环化合物。 杂环化合物的简介杂环化合物的简

2、介 1. 脂杂环脂杂环 没有芳香特征的杂环化合物没有芳香特征的杂环化合物 O O O H N H N H N O OO H N OO OO (环氧乙烷)(氮杂环丙烷) O O NH O (-丙内酯)(-丙内酰胺) 四四氢氢吡吡咯咯四四氢氢呋呋喃喃 O O 哌啶 四四氢氢吡吡喃喃1,4-二二氧氧六六环环(5-戊内酯) 马马莱莱酸酸酐酐 丁丁二二酰酰亚亚胺胺 2. 芳杂环芳杂环 具有芳香特征的杂环化合物称为芳杂环具有芳香特征的杂环化合物称为芳杂环 N O SN H N N N H O N 呋呋喃喃 噻噻吩吩 吡吡咯咯 吡吡啶啶 O f唑异f唑 N S 噻噻唑唑 N N H 咪唑 N H N 吡吡唑

3、唑 N N N N N N 哒嗪嘧啶吡嗪 吲哚 喹啉 本章介绍的是具有不同本章介绍的是具有不同芳香性芳香性的杂环化合物的杂环化合物(简简 称芳杂化合物称芳杂化合物) 连续共轭连续共轭 共平面共平面 4n4n2 2电子电子 亲电取代亲电取代 不易加成不易加成 17.1 杂环化合物的分类和命名杂环化合物的分类和命名 按骨架分类：五元杂环、六元杂环；单杂环和稠杂环。按骨架分类：五元杂环、六元杂环；单杂环和稠杂环。 SN H N N N H 呋呋喃喃噻噻吩吩 吡吡咯咯吡吡啶啶 O N S 噻噻唑唑 N N 嘧啶吲哚喹啉 furanthiophenepyrrole pyridine thiazolepy

4、rimidineindole quinoline 1. 音译名音译名 （同音汉字加（同音汉字加“口口”字旁）字旁） SN H N 呋呋喃喃噻噻吩吩 吡吡咯咯 吡吡啶啶 O (氧氧杂杂茂茂)(硫硫杂杂茂茂)(氮氮杂杂茂茂) (氮氮杂杂苯苯)苯苯 N 萘萘 喹啉 (氮氮杂杂萘萘) 2. 当作碳环芳香化合物的衍生，如：当作碳环芳香化合物的衍生，如： 茂茂 3. 环上原子的编号顺序环上原子的编号顺序 从杂原子开始从杂原子开始 1, 2, 3, 4或用或用, , , 编号编号; O CH3CH3 2,5-二甲基呋喃二甲基呋喃 , -二甲基呋喃二甲基呋喃 S CH3 3-甲基噻吩甲基噻吩 -甲基噻吩甲基噻

5、吩 2-呋喃甲醛呋喃甲醛 -呋喃甲醛呋喃甲醛 2-乙酰基吡咯乙酰基吡咯 -乙酰基吡咯乙酰基吡咯 3-吡啶甲酸吡啶甲酸 -吡啶甲酸吡啶甲酸 N H COCH3 2-乙酰基吲哚乙酰基吲哚 -乙酰基吲哚乙酰基吲哚 O CHO 1 2 3 4 5 1 N COOH 2 3 4 5 6 N H CCH3 O 1 2 3 4 5 6 7 不止一个杂原子，按不止一个杂原子，按O，S，N顺序编号；使顺序编号；使 杂杂 原子位次之和最小原子位次之和最小 N S 4 5 1 2 3 H3C 5-甲基噻唑甲基噻唑 N NH 2 34 5 O CH3 1 3-甲基甲基-1-苯基苯基-5-吡唑酮吡唑酮 N N H 2

6、34 5 1 H3C 4-甲基咪唑甲基咪唑 含有两个或以上的相同杂原子的单杂环衍生物，编号含有两个或以上的相同杂原子的单杂环衍生物，编号 从连有取代基从连有取代基(或氢原子或氢原子)的那个杂原子开始，顺序定位，的那个杂原子开始，顺序定位， 使另一个杂原子的位次保持最小：使另一个杂原子的位次保持最小： N H N N 1 2 3 4 5 1,2,3-三氮唑三氮唑 N NH N 1 2 3 4 5 1,2,5-三氮唑三氮唑 17.2 杂环化合物的结构与芳香性杂环化合物的结构与芳香性 O N H S 吡咯吡咯X = O, S (1) 五元杂环五元杂环： 闭合共平面的、连续共轭、五中心六电子闭合共平面

7、的、连续共轭、五中心六电子 饱和化合物饱和化合物 CC：0.154 nm； CC：0.133 nm； CO：0.143 nm； CN：0.147 nm； CS： 0.182 nm； OSN H 0.144 nm 0.135 nm 0.137 nm 0.142 nm 0.137 nm 0.171 nm 0.143 nm 0.137 nm 0.138 nm : 7.42 : 6.37: 7.10 : 7.30 : 6.22 : 6.80 离域能离域能 呋喃：呋喃：67 kJ/mol； 吡咯：吡咯：88 kJ/mol ； 噻吩：噻吩：117 kJ/mol 。 键长、离域能、键长、离域能、1H NMR

8、 总结：总结： O N H S 呋喃、噻吩、吡咯分子中所有的原子共平面；呋喃、噻吩、吡咯分子中所有的原子共平面； 体系中含有体系中含有6个个电子，符合休克尔电子，符合休克尔4n+2规则，所以规则，所以 它们都具有一定的芳香性它们都具有一定的芳香性, 可以发生亲电取代反应；可以发生亲电取代反应； 由于环上的由于环上的5个原子共享个原子共享6个个电子，电子，电子云密度比苯电子云密度比苯 环大，发生亲电取代反应的速度也比苯快得多。环大，发生亲电取代反应的速度也比苯快得多。 呋喃、噻吩、吡咯的亲电取代反应呋喃、噻吩、吡咯的亲电取代反应 *1 取代反应主要发生在取代反应主要发生在-C上上； +C效应为主

9、，环上电子密度比苯大，称为多效应为主，环上电子密度比苯大，称为多芳杂环；芳杂环； 亲电取代反应活性比苯高；亲电取代多发生在亲电取代反应活性比苯高；亲电取代多发生在-位。位。 O SN H Z Z = O, S, NH + E Z E H Z H E Z E H Z E H Z E H Z H E Z H E X E X = O, S, NH *3 吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感，选择试剂要注意吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感，选择试剂要注意； *4 噻吩、吡咯的芳香性较强，所以易取代而不易加成；噻吩、吡咯的芳香性较强，所以易取代而不易加成； 呋喃的芳香性较弱，虽然也能与大多数亲电试剂发生呋喃的芳

10、香性较弱，虽然也能与大多数亲电试剂发生 亲电取代，但在强亲核试剂存在下，能发生亲核加成亲电取代，但在强亲核试剂存在下，能发生亲核加成。 电子密度电子密度 -络合物络合物 吸电子诱导吸电子诱导：O(3.5) N(3.0) S(2.6) 给电子共轭给电子共轭：N O S 综合：综合：N贡献电子最多，贡献电子最多，O其次，其次，S最少最少 *2 亲电取代反应的活性顺序为亲电取代反应的活性顺序为： O N H S 离域能离域能 呋喃：呋喃：67 kJ/mol；吡咯：；吡咯：88 kJ/mol ；噻吩：；噻吩：117 kJ/mol S N N N CH3 CH3 N O N H3CCH3 N H N N

11、 N H N N N 下列化合物哪些具有芳香性？下列化合物哪些具有芳香性？ 17.3 五元杂环化合物五元杂环化合物 17.3.1 呋喃呋喃 O 存在于松木焦油中，为无色液体，存在于松木焦油中，为无色液体， 难溶于水，易溶于有机溶剂。难溶于水，易溶于有机溶剂。 呋呋喃喃蒸蒸气气 + 盐盐酸酸浸浸泡泡过过的的松松木木 松木反应松木反应，用于鉴定呋喃的存在。，用于鉴定呋喃的存在。 显绿色显绿色 (1) 呋喃的制备呋喃的制备 O CHO O COOH + H2O ZnO-Cr2O3-MnO2 400415 oC O + CO2 + H2 Cu, 喹喹啉啉 O + CO2 -呋喃甲醛的催化脱羰；呋喃甲醛

12、的催化脱羰； -呋喃甲酸的催化脱羧。呋喃甲酸的催化脱羧。 (2) 呋喃的化学性质呋喃的化学性质 O 二二f烷烷, 0 oC Br2 O Br Br2 O BrBr CH3CONO2 O -5 -30 oC O NO2 C5H5NSO3 O SO3 HN HCl O SO3H (CH3)2CCH2 ZnCl2, 170 oC O C(CH3)3 (CH3CO)2O SnCl4 或或 Et2OBF3 O COCH3 亲电取代亲电取代 加成反应加成反应 O +O O O O O O O Diels-Alder反应，反应，4+2 O + H2 Ni 100 oC, 5 MPa O 催化加氢催化加氢 1

13、7.3.2 糠醛糠醛 OH HO HOOH CHO H H (C5H8O4)n H2O 1 2 34 5 O CHOH2SO4 O CHO + H2N HOAc 显显红红色色 可用来检验糠醛；糠醛可发生可用来检验糠醛；糠醛可发生银镜反应银镜反应。 制法：制法： 浓浓NaOH O CO2Na O CH2OH + H2/Cu, 铬铬铁铁矿矿 100200 oC O CH2OH H2/Ni 170180 oC 710 MPa O CH2OH O2/NaOH Cu2O-HgO, 55 oC 2 O2, V2O5-TiO2-SiO2 320350 oC O CO2Na O O O (CH3CO)2O C

14、H3CO2K O CHCHCOOH O CHO 17.3.3 噻吩噻吩 噻吩的制法噻吩的制法： CH3H3C + 4 S 600650 oC S HCCH2 + S HCCH2 + H2S 180 oC CO2NaNaO2C P2S3 CHOOHC P2S3 S + 靓靓红红 浓浓H2SO4 显显蓝蓝色色 用于噻吩的检验用于噻吩的检验 S 噻吩的性质噻吩的性质： 不能发生不能发生4+2反应；不能氧化成砜和亚砜。反应；不能氧化成砜和亚砜。 S Br2 S Br CH3CONO2 O S NO2 S SO3H CH3COCl S COCH3 HOAc H2SO4, 室室温温 SnCl4 2 H2,

15、 MoS2 200 oC, 20 MPa S 浓HNO3 S OO 17.3.4 吡咯吡咯 吡咯的制法吡咯的制法： N H Al2O3 450 oC O + NH3 + NH3HCCH2 高高温温 吡吡咯咯蒸蒸气气 (或乙醇溶液) + 盐盐酸酸浸浸泡泡过过的的松松木木 用于检验吡咯及其低级同系物的存在用于检验吡咯及其低级同系物的存在 显红色显红色 吡咯的性质吡咯的性质： (A) 弱酸性弱酸性 N H + KOH N K + H2O N N N NN (B) 取代反应取代反应 N H I2 N H I CH3CONO2 O N H NO2 NaOH I I I 10 oC C5H5NSO3 HC

16、l N H SO3H N2 Cl N H NN NaOAc 150200 oC N H COCH3 (60%) (CH3CO)2O N Na 或NaOH(浓) PhCOCl N COPh (70%) NHN HNN 卟吩卟吩 NN NN H3C CH3 CH2CH3 CH3 H3C HOCCH2CH2 CH2CH2COH Fe O O NN NN H3C CH3 CH2CH3 CH3 H3C C20H39OCCH2CH2 Mg O HOOC O 血红素血红素 叶绿素叶绿素A 补充：五元杂环上取代基的定位效应补充：五元杂环上取代基的定位效应 -位上有取代基时，吡咯、噻吩的定位效应一致，情况如下：

17、位上有取代基时，吡咯、噻吩的定位效应一致，情况如下： -取代呋喃在强亲电试剂的作用下易发生取代呋喃在强亲电试剂的作用下易发生2,5-加成反应：加成反应： Z G (邻邻, 对对) (主) (次) Z G (间间) (主) (次) O G (邻邻, 间间, 对对) Z = NH, S -位上有取代基时，呋喃、吡咯、噻吩的定位效应一致。位上有取代基时，呋喃、吡咯、噻吩的定位效应一致。 Z G (邻邻, 对对) Z G (间间) 17.3.5 吲哚吲哚 N H NH 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 吲哚吲哚 异吲哚异吲哚 NHNH2 +RCRCH2 O HOAc N H R

18、R N H N R R H N H NH R R NH NH H R R N H R R NH2 HH N H R R - NH4 NH2 NH2 R H R H 3,3- 迁迁移移 N H R R NH3 H 费歇尔费歇尔(Fischer)合成法合成法 醛、酮、酮酸、酮酸酯与芳肼在路易斯酸催化下加热。醛、酮、酮酸、酮酸酯与芳肼在路易斯酸催化下加热。 250 oC N H NH2 H3C O COOH + N H COOH N H - CO2 HOAc N H N H G(o, p) N H G(o, p) N H G(m) N H G(m) 吡吡咯咯环环上上有有间间位位定定位位基基时时，亲亲

19、电电试试剂剂进进入入苯苯环环 吲哚亲电取代反应定位规律吲哚亲电取代反应定位规律 17.3.5 噻唑、吡唑及其衍生物噻唑、吡唑及其衍生物 N S 噻噻唑唑 弱碱性；弱碱性； 电子密度比噻吩低，不易发生亲电取代电子密度比噻吩低，不易发生亲电取代 N H N 吡吡唑唑 弱碱性；弱碱性； 电子密度比吡咯低，还可以发生亲电取代电子密度比吡咯低，还可以发生亲电取代 17.4 六元杂环化合物六元杂环化合物 N 0.140 nm 0.139 nm 0.134 nm : 8.50 : 6.98 : 7.36 饱和化合物饱和化合物 CC：0.154 nm； CC：0.134 nm； CN：0.147 nm； CN

20、：0.128 nm； 电子云密度比苯环小，发生亲电电子云密度比苯环小，发生亲电 取代反应的速度也比苯慢。取代反应的速度也比苯慢。 吡啶吡啶 N + E N E H N E H N EH N E H N E H N E H N E H N E H N E H N EH N EH N EH 不不稳稳定定 不不稳稳定定 -I效应，环上电子密度比苯小，称为缺效应，环上电子密度比苯小，称为缺芳杂环；芳杂环； 亲电取代反应活性比苯低；亲电取代反应活性比苯低； 亲电取代多发生在亲电取代多发生在-位；位； 容易在容易在-位发生亲核取代反应。位发生亲核取代反应。 N (A) 碱性碱性 N + HCl N H C

21、l 吡吡啶啶盐盐酸酸盐盐 N N I CH3 300 oC 封封管管 N H I CH3 N H I CH3 + CH3I NS O O O(C5H5NSO3, 温温和和的的磺磺化化试试剂剂) RCOCl NC O R Cl(良良好好的的酰酰化化试试剂剂) SO3 (B) 取代反应取代反应 浮浮石石 (产率39%) Br2, 300 oC N N Br Br2, 66发烟H2SO4 300 oC, 产率86 H2SO4 350 oC 浓浓H2SO4, HgSO4 22 oC (产率70) N SO3H 浓浓HNO3, H2SO4 300 oC, 24 h (产率86) N NO2 吡啶不能发生吡啶不能发生Friedel-Crafts反应。反应。 亲电取代亲电取代 亲核取代亲核取代 亲核取代反应使亲核取代反应使, -活化活化。 N + KOH ClNOH N + NH3 ClNNH2 220 oC ZnCl2 N + NaNH2 NNH2 齐齐齐齐巴巴宾宾( (C Ch hi ic ch hi ib ba ab bi in n) )反反应应 (C) 氧化与还原氧化与还原 N CH3 KMnO4, OH N COOH N CH3 + CH3COOH O N O (氧氧化化吡吡啶啶) N H2/Pt 或或 Na/EtOH N H 哌哌啶啶(六氢吡啶) N HO H3C CH2OH