第十四章杂环化合物

1、主讲：焦宇杂环化合物杂环化合物 (Heterocyclic Compounds)(Heterocyclic Compounds) 是是指构成环的原子除了碳原子之外还有其它原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。最常见的杂原子是子都叫做杂原子。最常见的杂原子是氮、氧氮、氧和硫和硫 概概 述述本章讨论比较稳定、具有一定程度芳香性本章讨论比较稳定、具有一定程度芳香性（键电子数：键电子数：4n2）的杂环化合物，这的杂环化合物，这类化合物具有芳香性，通称为芳（香）杂环类化合物具有芳香性，通称为芳（香）杂环化合物化

2、合物（aromatic heterocycles） 苯苯 吡啶吡啶 吡咯吡咯 呋喃呋喃一、分类和命名一、分类和命名 杂环化合物可按环的大小：杂环化合物可按环的大小： 五元杂环和六元杂环五元杂环和六元杂环 按杂环中杂原子数目的多少：按杂环中杂原子数目的多少：含有一个杂原子和含有两个以上杂原子的杂环含有一个杂原子和含有两个以上杂原子的杂环 按环的形式：按环的形式： 单杂环和稠杂环单杂环和稠杂环 1. 分类分类1. 分类分类2. 命名命名杂环化合物的命名按杂环化合物的命名按IUPAC 命名原则规定命名原则规定, 保保留特定的留特定的45个杂环化合物的俗名和半俗名并作个杂环化合物的俗名和半俗名并作为命

3、名的基础。以此原则为准，我国多采用为命名的基础。以此原则为准，我国多采用“音音译法译法”，即按英文名称的读音，选用同音口字旁，即按英文名称的读音，选用同音口字旁的汉字的汉字 （“口口”字旁表示为杂环）对杂环化合物字旁表示为杂环）对杂环化合物进行命名进行命名 命名时需要记住母环名称，编号时不同的母环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有不同的编号方法呋喃呋喃(furan) 噻吩噻吩(thiophene)吡咯吡咯(pyrrole)O12345S123455NH12345硝基硝基2呋喃甲醛呋喃甲醛噻吩噻吩2磺酸磺酸SSO3HOO2NCHO异噻唑异噻唑(isothiazole)吡唑

4、吡唑(pyrazole)异噁唑异噁唑(isoxazole) 12345NO12345NSNNH12345噁唑噁唑(oxazole)噻唑噻唑(thiazole)咪唑咪唑(inidazole)NO12345NS12345NNH123452乙基噻唑乙基噻唑5硝基咪唑硝基咪唑吡啶吡啶(pyridine)吡喃吡喃(pyran)-吡喃酮吡喃酮(-pyrone)-吡喃酮吡喃酮(-pyrone)N123456O123456123456OO123456OO2甲基吡啶甲基吡啶甲基吡啶甲基吡啶4吡啶甲酸吡啶甲酸吡啶甲酸吡啶甲酸哒嗪哒嗪(pyridazine)嘧啶嘧啶(pyrimidine)吡嗪吡嗪(pyrazine

5、)123456NNNN123456123456NN2氨基嘧啶氨基嘧啶2,4二氨基嘧啶二氨基嘧啶（5） 稠杂环命名稠杂环命名喹啉喹啉(quinoline)异喹啉异喹啉(isoquinoline)苯并吡喃苯并吡喃(benzopyran)苯并苯并- -吡喃酮吡喃酮(benzo- -pyrone)嘌呤嘌呤(purine)吲哚吲哚 (indole)N12345678N1234567812345678OOONH1234567NNNHN123456789NSO3HIOH2吲哚乙酸吲哚乙酸7碘碘8羟基羟基5喹啉磺酸喹啉磺酸（6） 几点说明几点说明* * 有的环有两种或多种异构体，为了区别，还必须有的环有两种或

6、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 ”。这种氢则称为这种氢则称为“指示氢指示氢”或或“标氢标氢” 1H吡咯吡咯 3H吡咯吡咯4H吡喃吡喃 2H吡喃吡喃1H吲哚吲哚 3H吲哚吲哚* * 含活泼氢的杂环及其衍生物，可能存在互变异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 两种可能的位号两种可能的位号 9H嘌啉嘌啉7H嘌啉嘌啉5甲基吡唑甲基吡唑3甲基吡唑甲基吡

7、唑2,4二羟基嘧啶二羟基嘧啶2,4嘧啶嘧啶二酮二酮NNNHNNNNHNNHNH3CNNHH3CNNHOOHHNNHOO（1）电子结构和芳香性）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；氮的电负性较强，使环上电子云不是完全平均化；靠近靠近N周围电子云密度较大。芳香性比苯小。周围电子云密度较大。芳香性比苯小。N1.430.841.010 87.1.001.00N =2.20D =1.17D NHN吡啶具有较大的极性，吡啶氮原子上的未共用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电子对可以与水形成氢键 ，与水能以任意比例，与水能以任意比例混溶，又能溶解大多数极性

8、或非极性有机化合混溶，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物，甚至许多无机盐类，是一个良好的有机溶剂 （2）物理性质）物理性质（3）化学性质）化学性质a. 碱性与成盐碱性与成盐pKb3.364.758.89.3通过氮原子上的未共用电子对，吡啶可以与酸及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）的盐，可用作碱性溶剂和脱酸剂（缚酸剂） N+ CH3INCH3IN+ SO3NSO3NSO3N+ HClNHCl或NHCla. 碱性与成盐碱性与

9、成盐b. 亲电取代反应亲电取代反应N20%NNO2浓浓HNO3,浓浓H2SO4300CC，24h24h70%NSO3H发烟发烟H2SO4, HgSO4220CCNBr39% 300CCBr2, 沸石沸石a. 碱性与成盐碱性与成盐b. 亲电取代反应亲电取代反应c. 亲核取代反应亲核取代反应亲核取代优先在亲核取代优先在位上发生，如果位上发生，如果位上有取代位上有取代基，则基，则 反应在反应在位上发生。常需用强碱性的位上发生。常需用强碱性的亲核试剂（如亲核试剂（如NaNH2, RLi等）等） NNNH2NH3heat+ NaNH2N+ LiPhNPha. 碱性与成盐碱性与成盐b. 亲电取代反应亲电取

10、代反应c. 亲核取代反应亲核取代反应d. 氧化还原反应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成醛或羧酸NCH3KMnO4OH, heatNCOOH吡啶与过氧羧酸或过氧化氢作用时，可得到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合成上很有用的中间体吡啶 -氧化物吡啶氧化物吡啶-氧化物与吡啶不同，它进行亲电取代反应氧化物与吡啶不同，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取代反应都发生在 a位或位或 位位 -氧化物常用来活化吡啶和起定位作

11、用，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为合成某些取代吡啶提供了一条可行的途径 NH2O2/AcOH,65 Cor CH3CO3HNONOHNO3,H2SO490 CNONO2PCl3NNO2HOC2H5NOOC2H5PCl3NOC2H5NaOC2H5吡啶缺电子，加氢还原比苯容易，既可被催化加氢吡啶缺电子，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还原，还可被化学试剂还原 NH2,Pt25 C,0.3MPaNH1. 吡啶吡啶2. 喹啉和异喹啉喹啉和异喹啉（1）结构与物理性质）结构与物理性质喹啉和异喹啉可看成是萘的含氮类似物。喹啉和异喹啉可看成是

12、萘的含氮类似物。 二者分子中氮二者分子中氮原子上的未共用电子对均位于原子上的未共用电子对均位于sp2杂化轨道，碱性与吡啶杂化轨道，碱性与吡啶相近。喹啉的相近。喹啉的pKa为为4.9，异喹啉的，异喹啉的pKa为为5.4。（1）结构与物理性质）结构与物理性质（2）亲电取代反应）亲电取代反应N浓浓HNO3浓浓H2SO4 0 CNN+NO2NO2浓浓 H2SO4NNSO3H（1）结构与物理性质）结构与物理性质（2）亲电取代反应）亲电取代反应（3）亲核取代反应）亲核取代反应（4）氧化还原反应）氧化还原反应NKMnO4H, heatHOOCHOOCNNH2, PtNHH2, PtNH（1）结构与物理性质）

13、结构与物理性质（2）亲电取代反应）亲电取代反应（3）核亲取代反应）核亲取代反应（4）氧化还原反应）氧化还原反应（5）喹啉合成斯克劳普）喹啉合成斯克劳普(Skraup)法法苯胺、甘油、硫酸和硝基苯等氧化剂一起作用，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生成喹啉的反应称为斯克劳普反应H2SO4NH2+CHOHCH2OHCH2OHNNO2+FeSO4反应过程包括如下步骤：HCHOHCH2OHCH2OHH2SO4FeSO4CHCHOCH2NH2+CHCHCH2ONHOHNHONHHOHNHOHHNHOH2H1，2二氢喹啉二氢喹啉-H2ONH+NO2NHNH+NH21.

14、 吡啶吡啶2. 喹啉和异喹啉喹啉和异喹啉3. 含两个含两个N原子的六元杂环（二嗪类）原子的六元杂环（二嗪类）NNNNNN 哒嗪哒嗪 嘧啶嘧啶 吡嗪吡嗪 (pyridazine pyridine pyrazine)NNNNNNOHHONH2HOOHHOCH3 尿嘧啶尿嘧啶 胞嘧啶胞嘧啶 胸腺嘧啶胸腺嘧啶 (RNA) (RNA/DNA) (DNA)1. 吡啶吡啶2. 喹啉和异喹啉喹啉和异喹啉3. 含两个含两个N原子的六元杂环（二嗪类）原子的六元杂环（二嗪类）4. 含含O原子的六元杂环原子的六元杂环4H吡喃吡喃 2H吡喃吡喃 吡喃酮吡喃酮 吡喃酮吡喃酮OOOOCH3ICH3IOOH3CCH3CH3I

15、OOCH3H3CCH3IOOOO 香豆素香豆素 色酮色酮OO 黄酮黄酮呋喃呋喃(furan) 噻吩噻吩(thiophene)吡咯吡咯(pyrrole)O12345S123455NH1234由于环上原子电负性不同，键长不是完全平均化，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。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。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芳香及饱和五元杂环的偶极矩方向及数值如下 S- 6.33x1030C. .m-30 . .5.76x10C m1.70 x10-30C . .m5.25x1

16、0-30C. .mO6.03x10-30C . .m -2.33x1030C. .mOSNHNH三个五元杂环都能溶于有机溶剂，水溶解度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，它们的水溶解度分子缔合的倾向减弱所致，它们的水溶解度顺序为：顺序为： 吡咯吡咯 呋喃呋喃 噻吩噻吩1. 酸碱性酸碱性 吡咯虽具有仲胺结构，但几乎不具有碱性，相反，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，吡咯氮上的氢却因此变得较活泼，显示出弱酸性，其其 pKa=17.5。吡咯能与强

17、碱如金属钾及固体氢氧化钾共热成盐：吡咯能与强碱如金属钾及固体氢氧化钾共热成盐：NH+ KOHNK+ H2ONHOOKOHN KOO pKa=7.41. 酸碱性酸碱性 2. 亲电取代反应亲电取代反应 这三个化合物是这三个化合物是5原子原子6电子的富电子芳香体系，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：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。亲电取最少。亲电取代活性：代活性：ONHS三种五元芳杂环较易发生亲电取代反应，但它们对氧三种五元芳杂环较

18、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、氧化、开环等副反应，必须用特时，容易发生聚合、氧化、开环等副反应，必须用特殊的试剂。殊的试剂。苯苯 噻吩噻吩 吡咯吡咯 呋喃呋喃 稳定性和芳香性顺序：稳定性和芳香性顺序：（1）卤代反应）卤代反应 OOClOClCl+Cl2-40 CSSBrBr2, AcOHSI2KI HgOOIIII呋喃与卤素反应几乎是爆炸式地完成，反应需在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，才可以顺利进低温、试剂的浓度很低的条件下，才可以顺利进行。吡

19、咯的活性与苯胺相似，容易生成多卤代物。行。吡咯的活性与苯胺相似，容易生成多卤代物。与等摩尔的与等摩尔的SOCl2进行氯化，也可得到一氯代吡咯进行氯化，也可得到一氯代吡咯 NH + SOCl2NHCl0CC（1）卤代反应）卤代反应 （2）硝化反应）硝化反应 呋喃呋喃, 噻吩和吡咯易氧化噻吩和吡咯易氧化, 一般不用硝酸直接硝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。反应在低温下进行酰酯。反应在低温下进行+ HNO3CH3COCCH3 O OCH3CONO2 + CH3COOHOSA cONO20 oCAc2O/AcOHSNO

20、2+SNO260 %10 %（1）卤代反应）卤代反应 （2）硝化反应）硝化反应 （3）磺化反应）磺化反应 吡咯、呋喃不太稳定，须用温和的磺化试剂磺化。吡咯、呋喃不太稳定，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：常用的温和的非质子的磺化试剂有： 吡啶与三氧化硫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。率稍低），也可以用温和的磺化试剂磺化。N+ SO3NSO3CH2Cl2室温室温NOOSO3HOSO3-N+HClSO3CH2Cl2室温室温S室温室温98%H2SO4SSO3H吡咯的性

21、质与苯酚的性质很相似，如可以发生瑞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（默尔梯门反应（Reimer-Tiemann）和与重氮盐）和与重氮盐偶合反应偶合反应 NHPhN2+Cl-CHCl325%KOHEtOH, H2ONHNHCHONHNNC6H5（1）卤代反应）卤代反应 （2）硝化反应）硝化反应 （3）磺化反应）磺化反应 （4）傅克酰基化反应）傅克酰基化反应 （5）呋喃的特殊反应）呋喃的特殊反应 呋喃的离域能较小，环的稳定性较低，其呋喃的离域能较小，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，可以发生双烯具有明显的共轭二烯性质，可以发生双烯加成类型的反应（加成类型的反应（Diels-Alder反应）。吡反应）。吡咯也能发生类似的反应咯也能发生类似的反应 OSNHH2 / Ni or PdH2 / MoS2H2/ PdOSNH四氢呋喃四氢呋喃 THF呋喃、噻吩、吡咯均可催化氢化，得到饱和