第二十章杂环化合物

1、第二十章杂环化合物(Heterocyclic compounds)2一一. . 分类和命名分类和命名二二. . 吡咯、呋喃和噻吩吡咯、呋喃和噻吩三三. . 含两个以上杂原子的五元杂环含两个以上杂原子的五元杂环四四. . 吡吡 啶啶五五. . 喹啉、异喹啉喹啉、异喹啉第二十章第二十章 杂环化合物杂环化合物 (Heterocyclic compounds)3概述：概述：杂环杂环杂环化合物杂环化合物来源、用途来源、用途杂环化合物分类：杂环化合物分类：第一类：无芳香性的杂环化合物第一类：无芳香性的杂环化合物例：例：OOOONHNH四氢呋喃四氢呋喃 丁二酸酐丁二酸酐四氢吡咯四氢吡咯六氢吡啶六氢吡啶第二类

2、：具有一定程度的芳香性的杂环化合物第二类：具有一定程度的芳香性的杂环化合物O呋喃呋喃NH吡咯吡咯N吡啶吡啶4一一. 分类和命名分类和命名芳杂环的数目很多，可根据环大小、杂原子的多少以芳杂环的数目很多，可根据环大小、杂原子的多少以及单环和稠环来分类。及单环和稠环来分类。常见的杂环为五元、六元的单杂环及稠杂环。常见的杂环为五元、六元的单杂环及稠杂环。稠杂环是由苯环及一个或多个单杂环绸合而成。稠杂环是由苯环及一个或多个单杂环绸合而成。命名：采用外文名的音译，用带命名：采用外文名的音译，用带“口口”字旁的同音汉字表示。字旁的同音汉字表示。1. 五元杂环五元杂环O呋喃呋喃furan12345Sthiop

3、hene噻吩噻吩NHpyrrole吡咯吡咯5五元环中含两个或两个（至少有一个氮原子）以上的五元环中含两个或两个（至少有一个氮原子）以上的杂原子的体系称唑。杂原子的体系称唑。例：例：imidazole咪唑咪唑NHN12345NHN12345pyrazole吡唑吡唑SN12345thiazole噻唑噻唑ON12345oxazole噁唑噁唑2. 六元杂环六元杂环NpyridineNNpyrimidinepyridazinepyrazine吡啶吡啶嘧啶嘧啶NN哒嗪哒嗪NN吡嗪吡嗪63. 稠杂环稠杂环N15862347quinolineisoquinolineindolepurine喹啉喹啉N15862

4、347异喹啉异喹啉NH1234567吲哚吲哚嘌呤嘌呤9NNNHN123456787二二. 吡咯、呋喃和噻吩吡咯、呋喃和噻吩1. 结构特点结构特点OSNH呋喃呋喃噻吩噻吩吡咯吡咯平面结构平面结构环上的原子均为环上的原子均为sp2杂化杂化闭环共轭体系闭环共轭体系电子数符合电子数符合4m+2具有方香性具有方香性56体系体系亲电取代反应活性：亲电取代反应活性： 吡咯、呋喃、噻吩大于苯吡咯、呋喃、噻吩大于苯8五元环亲电取代反应的主要产物：五元环亲电取代反应的主要产物： 取代取代X+EXEXEXEXEXE芳香性：苯噻吩吡咯呋喃芳香性：苯噻吩吡咯呋喃2. 性质性质1). 吡咯吡咯NH9a. 吡咯的弱酸性吡咯

5、的弱酸性它的它的pKa=16.5，比酚弱，比醇强，可与强碱（，比酚弱，比醇强，可与强碱（NaNH2， KNH2、RMgX）或金属作用。）或金属作用。NHKNH2NH3NKKNK+H2C2H5MgBrNMgBr+C2H6吡咯钾吡咯钾10NK1. CO22. H3ONHCOOHCH3I-吡咯甲酸吡咯甲酸NCH3N-甲基吡咯甲基吡咯CH3CClONCOCH3N-乙酰基吡咯乙酰基吡咯CHCl3/KOHNHCHO-吡咯甲醛吡咯甲醛NHCH3NHCOCH311b. 亲电取代反应亲电取代反应 主要产物为主要产物为 取代产物。取代产物。吡咯环的稳定性较差，遇酸容易聚合，因此进行亲电吡咯环的稳定性较差，遇酸容易

6、聚合，因此进行亲电取代反应要用较温和的试剂。取代反应要用较温和的试剂。例：磺化试剂：例：磺化试剂：N SO3CH3CONO2O硝化试剂：硝化试剂：NHNBSNHBr吡啶 SO3NHSO3H2 吡咯磺酸吡咯磺酸NH12NHHNO3乙酐NHNO22硝基吡咯硝基吡咯Ac2ONHNHCCH3O2乙酰基吡咯乙酰基吡咯DMF,POCl3NHNHCHO2吡咯甲醛吡咯甲醛NHC6H5N2 Cl+NHN N C6H513c. 加成反应加成反应CH2CHCO2CH3NH+BF3NHCH2CH2CO2CH32). 呋喃呋喃a. 亲电取代反应亲电取代反应 呋喃的稳定性较吡咯小，与亲电试剂往往得到加成产呋喃的稳定性较吡

7、咯小，与亲电试剂往往得到加成产物，即使得到取代产物，也是由加成产物转化来的。物，即使得到取代产物，也是由加成产物转化来的。OBr2,CS2_ 50 HBrOBrOHBrHBrOHBrBrH+14b. 加成反应加成反应呋喃与亲双烯体迅速发生狄尔斯呋喃与亲双烯体迅速发生狄尔斯-阿德尔反应。阿德尔反应。OOOO+25OOOOHH+OHHOOOOH2 , NiOHCl140, 0.4MPaCl(CH2)4ClNaCNH2OHOOC(CH2)4COOHH2,NINC(CH2)4CNH2N(CH2)6NH215OCH3CH3H2O,H2SO4,HOAcCH2CH2CCCH3CH3OO2, 5己二酮己二酮呋

8、喃遇浓酸聚合，遇稀酸呋喃水解为二醛：呋喃遇浓酸聚合，遇稀酸呋喃水解为二醛：OHOHHH2OOHHHOH2OOHH丁二醛丁二醛163). 噻吩噻吩a. 亲电取代反应亲电取代反应SDMF,POCl3NBSSBrHNO3, H2SO4SNO2H2SO4(95%)SSO3HAc2O, SnCl4SCCH3OSCHO应用：把粗苯中的噻吩除去。应用：把粗苯中的噻吩除去。17b. 加成反应加成反应SOOOHHS+OOO100高压高压SH2 , NiCH3CH2CH2CH3+H2S3. 合成合成a. 呋喃的工业制备呋喃的工业制备C5H8O4n聚戊糖聚戊糖H , H2O戊糖戊糖3H2OOCHOHO CHCHOH

9、CCH OHHOHCHOH18ONHSb. 取代吡咯、呋喃、噻吩的合成取代吡咯、呋喃、噻吩的合成OCHOZnO-Cr2O3-MnO2400O吡咯环的合成：吡咯环的合成：Al2O3, NH3Al2O3, H2OAl2O3, NH3Al2O3, H2S19. Knorr（克诺耳）合成法：（克诺耳）合成法：CH3COCH3CH2OOCHNH2+ 氨基酮氨基酮COCH3CH2COOCH2CH3 二羰基化合物二羰基化合物HNHCOOCH2CH3CH3CH3CH2OOCCH3CH3COCH3CH2OOCH2Na NO2HOAcCH3COCH3CH2OOCHNOCH3COCH3CH2OOCNOHZn , H

10、OAcCH3COCH3CH2OOCHNH220. Paal-Knorr（帕尔（帕尔-克诺耳）合成法：克诺耳）合成法：CH2CH2CCCH3CH3OO+NH3NHCH3CH3CH2CH2CCCH3CH3OO+RNH2NCH3CH3R2, 5-己二酮己二酮CH3COCH2CO2Et. Hantzsch（汉栖）合成法：（汉栖）合成法：+RNH2CH3CCHCO2EtNHR21ClCH2COCH3CHCEtO2CNHRH3C+NCH3CH3REtO2C呋喃环和噻吩环的合成：呋喃环和噻吩环的合成：CH2CH2CCH2CO2HCC6H5OOC6H6 , P2O5P2S5CH2CH2CCCH3CH3OOSC

11、H3CH3OCH2CO2HC6H5224. 吡咯、呋喃和噻吩的重要衍生物吡咯、呋喃和噻吩的重要衍生物1). 糠醛糠醛是一种无色液体是一种无色液体,沸点沸点162，在空气中易变黑。，在空气中易变黑。是一种良好的溶剂。它不含是一种良好的溶剂。它不含-H，性质类似于苯甲醛。，性质类似于苯甲醛。OCHO+NaOHOCH2OH+OCOONaOCHOKCN醇溶液醇溶液OCHCOOHOOCHOCH3COO2+CH3COONaOCH CH COOH232). 吲哚吲哚吲哚为白色结晶，熔点吲哚为白色结晶，熔点52.5。具有极臭的气味，但纯。具有极臭的气味，但纯粹的吲哚在极稀时有香味，可作香料。粹的吲哚在极稀时有

12、香味，可作香料。NH可发生亲电取代反应，活性位置在第可发生亲电取代反应，活性位置在第3位。位。NHBr3-溴吲哚溴吲哚NHBr2OO0C6H5CONO2O0CH3CNNHNO23-硝基吲哚硝基吲哚DMF, POCl320-30NHNHCHO3-吲哚甲醛吲哚甲醛24NH吡啶 SO3NHSO3H3-吲哚磺酸吲哚磺酸含吲哚的生物碱广泛存在于植物中，如麦角碱、马钱含吲哚的生物碱广泛存在于植物中，如麦角碱、马钱子碱、利血平等。子碱、利血平等。NHCH2COOH-吲哚乙酸（植物生长调节剂）吲哚乙酸（植物生长调节剂）色氨酸（蛋白质组分）色氨酸（蛋白质组分）NHCH2CHCOOHNH225NHCH2CH2NH

13、2HO5-羟基色胺（哺乳动物及人脑中思羟基色胺（哺乳动物及人脑中思维活动的重要物质）维活动的重要物质）吲哚环的合成：吲哚环的合成：Fischer（费歇尔）吲哚合成法：将醛、酮、酮酸、（费歇尔）吲哚合成法：将醛、酮、酮酸、酮酸酯或二酮的芳基取代腙在氯化锌、聚磷酸、三酮酸酯或二酮的芳基取代腙在氯化锌、聚磷酸、三氟化硼等路易斯酸存在下加热。氟化硼等路易斯酸存在下加热。NNCH3H苯乙酮苯腙苯乙酮苯腙100PPANH2-苯基吲哚苯基吲哚26环己酮苯腙环己酮苯腙BF3,CH3CO2H65NH四氢咔唑四氢咔唑机理：机理：相当于联苯胺重排。相当于联苯胺重排。3). 卟啉环系化合物卟啉环系化合物卟啉环系是由四

14、个吡咯和四个次甲基交替相联组成卟啉环系是由四个吡咯和四个次甲基交替相联组成的共轭体系。卟啉环呈平面结构，环的中间空隙以的共轭体系。卟啉环呈平面结构，环的中间空隙以共价键、配位键和不同的金属结合。共价键、配位键和不同的金属结合。NHN27NHNNN H231546781110913141512卟啉环卟啉环NNNNCO2HCO2HFe血红素血红素ClNH HNNNH HO OCO2HCO2H胆红素胆红素 a28NNNNCOOOCO2MeMg叶绿素叶绿素 a29三三. 含两个以上杂原子的五元杂环含两个以上杂原子的五元杂环NHNSNNHN咪唑咪唑噻唑噻唑吡唑吡唑属吡咯系杂环属吡咯系杂环ON噁唑噁唑1.

15、 结构和性质结构和性质1). 弱碱性弱碱性NHN新增加的一个氮原子上的孤电新增加的一个氮原子上的孤电子对在环平面上，与环内的子对在环平面上，与环内的电子不共轭，提供了接受质子电子不共轭，提供了接受质子的位置，因此吡咯系杂环的碱的位置，因此吡咯系杂环的碱性都比吡咯强。性都比吡咯强。30NHN吡咯系杂环中除咪唑是中等强度的碱外，其它为吡咯系杂环中除咪唑是中等强度的碱外，其它为弱碱，因为：弱碱，因为：+HHNHNHHNHNHNHN的酸性大于的酸性大于NH为什么？为什么？NN HNN HNN H咪唑分子间可形成氢键：咪唑分子间可形成氢键：吡唑通过氢键可缔合成二聚体：吡唑通过氢键可缔合成二聚体：NNHN

16、NH312). 亲电取代反应亲电取代反应吡咯系杂环的亲电取代反应活性小于吡咯、呋喃和噻吩。吡咯系杂环的亲电取代反应活性小于吡咯、呋喃和噻吩。NNH吡唑吡唑SN异噻唑异噻唑ON异噁唑异噁唑NHNSN咪唑咪唑噻唑噻唑ON噁唑噁唑3). 环的生成环的生成32四四. 吡啶吡啶1. 结构和物理性质结构和物理性质NN：sp2杂化杂化氮上还有一对电子未参与共轭，氮上还有一对电子未参与共轭，易接受质子，具有碱性。易接受质子，具有碱性。碱性：脂肪胺吡啶芳香胺碱性：脂肪胺吡啶芳香胺吡啶是一个无色有恶臭的液体，与水及许多有机溶剂，吡啶是一个无色有恶臭的液体，与水及许多有机溶剂，如乙醇、乙醚等混溶，是良好的溶剂。如乙

17、醇、乙醚等混溶，是良好的溶剂。2. 化学性质化学性质芳环芳环亲电取代亲电取代亲核取代亲核取代氮上未成键电子对氮上未成键电子对碱性碱性亲核性亲核性331). 吡啶环上氮的碱性及亲核性吡啶环上氮的碱性及亲核性N+HClNHCl应用：应用：OH+CH3CClONOCCH3ON+CH3INCH3I2). 吡啶环上亲电取代反应吡啶环上亲电取代反应与苯环比较吡啶环是缺电子的芳香杂环，性质类似于与苯环比较吡啶环是缺电子的芳香杂环，性质类似于硝基苯，它不能进行傅氏烷基化和酰基化反应。硝基苯，它不能进行傅氏烷基化和酰基化反应。34NBrBr2 , H2SO4(SO3)130NN265H2SO4(SO3) , H

18、gCl2NSO3H3-溴吡啶溴吡啶3-吡啶磺酸吡啶磺酸N300KNO3 , H2SO4(SO3)NNO23-硝基吡啶硝基吡啶NNH220Br2 , HOAcNNH2Br3). 吡啶环上亲核取代反应吡啶环上亲核取代反应吡啶环吡啶环 2, 4, 6 位上的卤素容易被亲核试剂取代。位上的卤素容易被亲核试剂取代。亲电取代位置在亲电取代位置在3-或或5-位进行，为什么？位进行，为什么？35NCl220NH3 , ZnCl2NBrBrNNH2NH3 , H2O160NBrNH2NClNaOMe CH3OHNOMe除吡啶环除吡啶环 2, 4, 6 位上的卤素容易被亲核试剂取代外，吡位上的卤素容易被亲核试剂取

19、代外，吡啶环啶环 2位上的负氢离子也能被取代。位上的负氢离子也能被取代。NH+NaNH2NNHNa+H236NNHNa+H2ONNH2+NaOHNH+C6H5LINC6H5+LIH4). 侧链侧链-H的反应的反应吡啶环吡啶环2, 4, 6位烷基的位烷基的-H具有一定的酸性，其酸性具有一定的酸性，其酸性与甲基酮的与甲基酮的-H相同。相同。吡啶环上吡啶环上2位的负氢离子被亲核性极强的氨基负离子位的负氢离子被亲核性极强的氨基负离子取代，同时有氢气放出，称齐齐巴宾（取代，同时有氢气放出，称齐齐巴宾（Chichibabin）反应。反应。37NCH3+HHO ZnCl2NCH2CH2OHNCH2CH3CH

20、3NaNH2NCH2CH3CH2CH3INCH2CH3CH2CH3ZnCl2的作用：的作用：N ZnCl2吡啶成盐后，使吡啶环吡啶成盐后，使吡啶环2, 4, 6位烷基的位烷基的-H酸性进一步酸性进一步增强，可以发生羟醛缩合和迈克尔反应：增强，可以发生羟醛缩合和迈克尔反应：NCH3ICH3NCH3+CH3I38NCH3ICH3+CHONH25NCH3ICH2COHHNCH3CH3I+3CH2CHCN(C2H5)3NC2H5OH25NCH3C(CH2CH2CN)3I5). 吡啶的氧化和还原吡啶的氧化和还原a. 氧化氧化CrO3NNCOOHCOOH39NNCH3HNO3NCOOHNH3NCNH2O尼

21、古丁（烟碱）尼古丁（烟碱）尼古丁酸（烟酸）尼古丁酸（烟酸）尼古丁酰胺（烟酰胺）尼古丁酰胺（烟酰胺）NCH330%H2O270, 24h.CH3COOHNCH3OCH3COOHONNO注意：注意：NO发烟HNO3, H2SO490NONO2PCl3NNO240应用：应用：NNNO2b. 还原还原NH2 / Ni25, 3 atm.NH六氢吡啶（哌啶）六氢吡啶（哌啶）Sn , HCl或Na ,EtOHNNH3. 吡啶环合成吡啶环合成Hantzsch（汉栖）合成法：（汉栖）合成法：-酮酸酯、醛和氨缩合。酮酸酯、醛和氨缩合。41第一步：第一步： -酮酸酯和醛发生羟醛缩合酮酸酯和醛发生羟醛缩合H2C O

22、+Et2NH第二步：发生迈克加成第二步：发生迈克加成+Et2NHCO2EtEtO2CCH3H3COOH2CCO2EtCOCH3CCO2EtCOCH3CH2CCO2EtCOCH3CH2H2CCO2EtCOCH342第四步：二氢吡啶环脱氢，生成吡啶衍生物第四步：二氢吡啶环脱氢，生成吡啶衍生物CO2EtEtO2CCH3H3CNHHNO3, H2SO4CO2EtEtO2CCH3H3CN第三步：关环，生成二氢吡啶环第三步：关环，生成二氢吡啶环NH3, EtOHCO2EtEtO2CCH3H3COOCO2EtEtO2CCH3H3CNH43五五. 喹啉、异喹啉喹啉、异喹啉N15862347quinolinei

23、soquinoline喹啉喹啉N15862347异喹啉异喹啉喹啉、异喹啉的性质与吡啶相似，具有弱碱性。喹啉、异喹啉的性质与吡啶相似，具有弱碱性。喹啉喹啉 pKa=4.94异喹啉异喹啉 Ka=5.40 Skraup（斯克洛浦）合成法：将芳香族伯胺与甘油（斯克洛浦）合成法：将芳香族伯胺与甘油同硫酸和一种氧化剂（如：硝基苯、五氧化二砷、同硫酸和一种氧化剂（如：硝基苯、五氧化二砷、氧化铁等）一起加热，即可得喹啉及其衍生物。氧化铁等）一起加热，即可得喹啉及其衍生物。1. 喹啉及其衍生物的合成喹啉及其衍生物的合成44NH2+CH2CH CH2OHOH OH浓H2SO4As2O5N反应过程：反应过程：. 甘

24、油在浓硫酸（或磷酸）作用下脱水生成丙烯醛，甘油在浓硫酸（或磷酸）作用下脱水生成丙烯醛， 也可直接用也可直接用，-不饱和醛或酮。不饱和醛或酮。CH2CHCH2OHOHOHH2SO4CHCHCH2OHOHHCCH2CH2OOHH2SO4HCCHCH2O45. 苯胺与丙烯醛发生迈克加成苯胺与丙烯醛发生迈克加成NH2+CH2CH CHONHCH2CH2HCO. 质子化的醛对苯环进行亲电取代反应质子化的醛对苯环进行亲电取代反应NHCH2CH2HCOHNHCH2CH2HCOHNHCH2CH2HCOHNHCH2CH2COHHHHNHCH2CH2COHHH2ONH46NH. 1, 2-二氢喹啉氧化二氢喹啉氧化NO2N+NH2例：例：NH2Cl甘油 , H2SO4NO2ClNCl（85-88%）NH2+CH2CH C CH3OFeCl3 , ZnCl2或 H2SO4NO2NCH3（73%）47CH2CH2NH2Ac2OCH2CH2NHCCH3OP2O5205CH2CH