hyh第十七章杂环化合物

1、Chap.17 Chap.17 杂环化合物杂环化合物环状化合物，环上除碳，还有环状化合物，环上除碳，还有杂原子杂原子（N N、O O、S S等）等）环具有环具有芳香结构芳香结构和一定的和一定的稳定性稳定性（闭合共轭体系）（闭合共轭体系）根据以上定义，酸酐、环氧、内酯、内酰胺不属杂环化合物根据以上定义，酸酐、环氧、内酯、内酰胺不属杂环化合物 NMR 化学位移化学位移 移向低场移向低场 环电流的存在，各向异性去屏蔽环电流的存在，各向异性去屏蔽OHH6.377.42NHH6.226.68SHH7.107.30芳香性证据：芳香性证据：乙烯的乙烯的值为值为5.23ppm 呋喃呋喃 吡咯吡咯 噻吩噻吩环状

2、共轭体系的环电流效应环状共轭体系的环电流效应乙烯的乙烯的值为值为5.23ppm，苯的，苯的值为值为7.3ppm，而它们，而它们的碳原子都是的碳原子都是sp2杂化。苯环上氢的杂化。苯环上氢的值明显地移向了低场，值明显地移向了低场，这是因为存在着环电流效应。这是因为存在着环电流效应。设想苯环分子与外磁场方向垂直，其离域设想苯环分子与外磁场方向垂直，其离域电子将产电子将产生环电流。环电流产生的磁力线方向在苯环上、下方与外生环电流。环电流产生的磁力线方向在苯环上、下方与外磁场磁力线方向相反，但在苯环侧面（苯环的氢正处于苯磁场磁力线方向相反，但在苯环侧面（苯环的氢正处于苯环侧面），二者的方向则是相同的。

3、即环电流磁场增强了环侧面），二者的方向则是相同的。即环电流磁场增强了外磁场，氢核被去屏蔽，共振谱峰位置移向低场。外磁场，氢核被去屏蔽，共振谱峰位置移向低场。 苯环中苯环中电子的感应环流电子的感应环流偶极矩偶极矩： OSN1.73 D1.90 D1.58 DONS0.70 D0.51 D1.81 D芳香性证据：芳香性证据： 呋喃呋喃 噻吩噻吩 吡咯吡咯关于吡咯的偶极矩关于吡咯的偶极矩 吸电子诱导效应大小是吸电子诱导效应大小是ONS. 给电子共轭效应大小是给电子共轭效应大小是NOS. S用的是用的是3p轨道共轭，其共轭效果不如用轨道共轭，其共轭效果不如用2p轨道轨道的的N或者或者O. 吡咯中吡咯中

4、N原子给电子共轭效应原子给电子共轭效应吸电子诱导效应。吸电子诱导效应。 一一 、杂环化合物的分类和命名、杂环化合物的分类和命名单环单环 五元环五元环 含一个杂原子含一个杂原子 呋喃呋喃 吡咯吡咯 噻吩噻吩含两个杂原子含两个杂原子 噁唑噁唑 咪唑咪唑 噻唑噻唑异噁唑异噁唑 吡唑吡唑 异噻唑异噻唑 ONSHFuranPyrroleThiopheneNONNNSHOxazoleImidazoleThiazoleNONNNSHIsoxazolePyrazoleIsothiazole六元环六元环 含一个杂原子含一个杂原子： 吡啶吡啶 吡喃吡喃含两个杂原子含两个杂原子： 哒嗪哒嗪 嘧啶嘧啶 吡嗪吡嗪NOP

5、yridinePyranNNNNNNPyridazinePyrimidinePyrazine稠杂环稠杂环 NNNNNNNQuinolineIsoquinoline喹啉喹啉 异喹啉异喹啉 蝶啶蝶啶 吖啶吖啶吲哚吲哚 嘌啉嘌啉 咔唑咔唑NNNHNHNNHIndolePurineCarbazole dng命名命名：1. 音译名音译名 （同音汉字加（同音汉字加“口口”字旁）字旁）2. 当作碳环芳香化合物的衍生当作碳环芳香化合物的衍生, 如如：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 不止一个杂原子，按不止一个杂原子，按O，S，N顺序编号顺序编号 取代基位次之

6、和最小原则取代基位次之和最小原则ON氧杂茂茂氮杂苯苯NNNN12345678N123456785-硝基喹啉N12345678NO2NNNN123456789例：SC2H523452- 乙基噻唑N2345CH3CH2CH2OHO2N112-甲基5硝基1【2羟乙基】异喹啉异喹啉嘌啉嘌啉蝶啶蝶啶17.2 五元杂环化合物五元杂环化合物一、吡咯、呋喃和噻吩的结构一、吡咯、呋喃和噻吩的结构ONSH.54312 呋喃呋喃 吡咯吡咯 噻吩噻吩 Furan Pyrrole Thiophene杂原子（杂原子（O、S、N）杂化态均为杂化态均为sp2杂化杂化二、吡咯、呋喃和噻吩的性质二、吡咯、呋喃和噻吩的性质（一）物

7、理性质（一）物理性质 偶极矩：偶极矩：偶极矩偶极矩： OSN1.73 D1.90 D1.58 DONS0.70 D0.51 D1.81 D（二）（二） 光谱性质：光谱性质： 1HNMR：H 7（三）芳香性比较：（三）芳香性比较：苯苯噻吩噻吩吡咯吡咯呋喃呋喃芳香性：芳香性： 环状闭合共轭体系，环状闭合共轭体系，电子高度离域，具有离电子高度离域，具有离域能，体系能量低，较稳定。域能，体系能量低，较稳定。判据：判据：一般来说，杂原子与碳原子的电负性越接近，其相应的五元一般来说，杂原子与碳原子的电负性越接近，其相应的五元芳香杂环的芳香性越强，其共轭能也越大。芳香杂环的芳香性越强，其共轭能也越大。离域能

8、：生成离域离域能：生成离域键的体系，能量都比对应的经典结构键的体系，能量都比对应的经典结构式所表达的普通单双键体系应有的能量低，这个低的数值式所表达的普通单双键体系应有的能量低，这个低的数值称为离域能。称为离域能。 S N O C电负性：电负性：2.5 3.0 3.5 2.5芳香性：噻吩芳香性：噻吩吡咯吡咯呋喃呋喃共轭能：共轭能： 苯苯 噻吩噻吩 吡咯吡咯 呋喃呋喃 KJ.mol- 150 121.1 88.7 66.1（四）（四） 化学性质化学性质1、亲电取代反应、亲电取代反应65其其电子云密度比苯大，故比苯电子云密度比苯大，故比苯容易亲电取代，容易亲电取代，以以 取代为主取代为主（1）（2

9、）呋喃、噻吩、吡咯易发生亲电取代反）呋喃、噻吩、吡咯易发生亲电取代反应，但遇应，但遇酸及氧化剂酸及氧化剂易使环破坏，故亲电取易使环破坏，故亲电取代反应需在代反应需在较温和的条件下进行较温和的条件下进行- （3）按水解、聚合等反应的难易，将环的）按水解、聚合等反应的难易，将环的稳定稳定性顺序性顺序排列如下：排列如下： 苯苯噻吩噻吩吡咯吡咯 呋喃呋喃（4）亲电取代反应的活性顺序：）亲电取代反应的活性顺序： 吡咯吡咯 呋喃呋喃 噻吩噻吩 苯苯 吡咯吡咯N的孤对电子在的孤对电子在2p轨道中，噻吩轨道中，噻吩S的孤对电子的孤对电子在在3p轨道中，前者和碳原子的轨道中，前者和碳原子的2p轨道对称性较为匹配

10、，轨道对称性较为匹配，重叠好；后者和碳的重叠好；后者和碳的2p轨道重叠差。杂原子孤对电子轨道重叠差。杂原子孤对电子的共轭是增加环上电子云密度的关键。的共轭是增加环上电子云密度的关键。 Z = NH 5.5 X 107 O 1.4 X 102 S 1a. 硝化硝化b. 磺化磺化吡啶三氧化硫吡啶三氧化硫c. D-A反应反应：呋喃与亲二烯体迅速起呋喃与亲二烯体迅速起D-A反应；反应；吡咯、噻吩要在特定条件下才与亲二烯体起吡咯、噻吩要在特定条件下才与亲二烯体起D-A反应。反应。d. F-C酰基化酰基化: 噻吩的噻吩的F-C酰基化要小心控制反应条件酰基化要小心控制反应条件，如用三氯化铝、氯化锡等催化剂易

11、与噻吩生成树脂，如用三氯化铝、氯化锡等催化剂易与噻吩生成树脂状物质，必须先将三氯化铝等与酰化试剂制成活泼的状物质，必须先将三氯化铝等与酰化试剂制成活泼的亲电试剂，再与噻吩反应。亲电试剂，再与噻吩反应。e. F-C烷基化烷基化：烷基化反应很难得到一取代的产物：烷基化反应很难得到一取代的产物，常常得到混合的多烷基取代物，甚至不可避免地，常常得到混合的多烷基取代物，甚至不可避免地产生树脂状物，因此用处不大。产生树脂状物，因此用处不大。2、加成反应（催化加氢）、加成反应（催化加氢） 3、吡咯的弱碱性和弱酸性、吡咯的弱碱性和弱酸性 弱碱性：弱碱性：由于由于N上未共用电子参与环的共上未共用电子参与环的共

12、轭，碱性极弱，弱于苯胺轭，碱性极弱，弱于苯胺 弱酸性：弱酸性：NH.1.81Df. 卤化卤化NH.+KOH（固）固）NK+H2 O+-+K+NH2-NK+NH3NH3+-液NMgX-NK+-或或可合成吡咯衍生物可合成吡咯衍生物+RMgXNRHMgX+三、吡咯环、呋喃环和噻吩环的合成法三、吡咯环、呋喃环和噻吩环的合成法四、吡咯、呋喃和噻吩衍生物四、吡咯、呋喃和噻吩衍生物亲电取代的定位规则亲电取代的定位规则i. 杂原子的定位效应杂原子的定位效应邻位定位效应邻位定位效应 生成的中间体正离子稳定性大小生成的中间体正离子稳定性大小-位取代位取代： -位位 取代取代：XHYXHYXHY正电荷分布在俩个原子

13、上ii. 当环上已有一个取代基当环上已有一个取代基- 取代取代：- 取代取代：XBXBYXBYB为邻位取代基B为间位取代基OBOB无论B为哪一类取代基SBSBNHNHB为邻对位取代基B为间对位取代基糠醛（糠醛（-呋喃甲醛）的化学性质呋喃甲醛）的化学性质OCHO（对比（对比 ） CHOOCHOKCNOCHOCOOH2OCHOOCHCH(CH3CO)2OCH3COONaCOOHOCHOOONaOHCH2OHCOOH+CannizzaroPerkin安息香缩合安息香缩合( (珀金反应、浦尔金反应珀金反应、浦尔金反应) ) HN17.3 吲哚吲哚(Indole)7654321化学性质化学性质1. 氮原

14、子上氮原子上H的弱酸性：可被金属取代的弱酸性：可被金属取代(如如RMgX)2. 五元杂环与苯并和后，仍具有芳香性，但亲电五元杂环与苯并和后，仍具有芳香性，但亲电取代反应的活性比并和前的五元杂环低，比苯取代反应的活性比并和前的五元杂环低，比苯高，故高，故亲电取代反应在杂环上进行亲电取代反应在杂环上进行；亲电取代亲电取代反应在反应在3-位进行，若位进行，若3-位被占，则进入位被占，则进入2-位，在位，在强酸溶液中，亲电取代在强酸溶液中，亲电取代在5-进行。进行。气味气味：吲哚浓时具有强烈的粪臭味，扩散力强而持久；高度稀：吲哚浓时具有强烈的粪臭味，扩散力强而持久；高度稀释的溶液有香味，可以作为香料使

15、用。释的溶液有香味，可以作为香料使用。17.5 吡啶吡啶(Pyridine)一、结构一、结构.N654321 吡啶是典型六元芳香杂环化合物。吡啶是典型六元芳香杂环化合物。 吡啶氮原子上的未共用电子对不参与吡啶氮原子上的未共用电子对不参与-体系，这体系，这对电子可与质子结合，因此吡啶的碱性（对电子可与质子结合，因此吡啶的碱性（p pK Kb b=8.8=8.8）较）较吡咯强，也比苯胺（吡咯强，也比苯胺（p pK Kb b=9.3=9.3）略强。）略强。 由于氮原子的吸电子诱导效应，吡啶环上的电子由于氮原子的吸电子诱导效应，吡啶环上的电子云密度较低，其亲电取代反应与硝基苯类似。云密度较低，其亲电取

16、代反应与硝基苯类似。N+-化学性质化学性质（一）（一） 弱碱性与亲核性弱碱性与亲核性.N由于孤电子对在由于孤电子对在sp2杂化轨道中，孤电子杂化轨道中，孤电子对的对的s成分高，不易给出电子，接受质子成分高，不易给出电子，接受质子的能力弱，为弱碱。的能力弱，为弱碱。亲核性好：可与亲核性好：可与RX、RCOX或或(RCO)2O反应反应离去能力好：离去能力好：N-酰基吡啶盐是良好的酰基化剂酰基吡啶盐是良好的酰基化剂（二）（二） 吡啶环上的亲电取代吡啶环上的亲电取代吡咯、呋喃、噻吩吡咯、呋喃、噻吩 为富电子芳杂环为富电子芳杂环，故，故比苯容易亲电取代比苯容易亲电取代6566吡啶吡啶 （N吸电子能力较强

17、），吸电子能力较强）， 为缺电子芳为缺电子芳杂环杂环，故比苯难亲电取代，故比苯难亲电取代，和硝基苯相似：和硝基苯相似：1、亲电取代反应主要在亲电取代反应主要在3-位（位（-位）发生；位）发生；2、只有在极强的条件下才能发生硝化、磺化及只有在极强的条件下才能发生硝化、磺化及卤化反应。但不发生卤化反应。但不发生F-C烷基化、酰化反应；烷基化、酰化反应；3、吡啶环上有烷氧基，氨基等给电子基时，有吡啶环上有烷氧基，氨基等给电子基时，有助于亲电取代反应的进行，但反应活性仍低于助于亲电取代反应的进行，但反应活性仍低于相应的苯系化合物；相应的苯系化合物；4、氧化吡啶的亲电取代比吡啶容易进行，取代氧化吡啶的亲

18、电取代比吡啶容易进行，取代基进入基进入4-位，产物可用位，产物可用PCl3脱氧得到脱氧得到4-硝基吡啶。硝基吡啶。进攻 位位进攻+EN+EEHEHNHNN不稳定极限结构+EHEHNNNEH+吡啶的亲电取代主要在吡啶的亲电取代主要在-位位N，H2SO4Co，230HgSO470%NSO3H+-吡啶的亲电取代反应示例吡啶的亲电取代反应示例（a a ）磺化）磺化NH2SO4KNO3Fe 330Co，22%NNO2CoNBr2300+NBrBrNBr（b b ）硝化）硝化（c c ）卤化）卤化CoN+ 3H2NNi180H吡啶可被催化加氢为六氢吡啶（哌啶）。吡啶可被催化加氢为六氢吡啶（哌啶）。六氢吡啶

19、的碱性（六氢吡啶的碱性（pKpKb b=2.7=2.7）比一般脂肪族仲）比一般脂肪族仲胺略强胺略强（三）（三） 氧化氧化-还原反应还原反应1、吡啶环对氧化剂稳定（对氧化作用比苯环、吡啶环对氧化剂稳定（对氧化作用比苯环更稳定）更稳定）NHNO3KMnO4H2SO4+或NHNO3CH3NCOOHCOOHCOOHN+氧化碎片进一步说明吡啶环电子密度低，为缺电子芳环进一步说明吡啶环电子密度低，为缺电子芳环喹啉喹啉2、吡啶为、吡啶为3O胺，易被过氧化物（如过氧酸或过胺，易被过氧化物（如过氧酸或过氧化氢的醋酸溶液）氧化成氧化物氧化氢的醋酸溶液）氧化成氧化物NH2O2CH3COOHNONO+或3、还原反应：

20、吡啶对还原剂比苯环活泼、还原反应：吡啶对还原剂比苯环活泼NNa + C2H5OH+6HHNHNNH 2Pt乙酸0.1MPa,室温（四）（四） 吡啶环上的亲核取代反应吡啶环上的亲核取代反应 吡啶环由于电子密度低，易与吡啶环由于电子密度低，易与Nu-发生亲发生亲核取代，取代在核取代，取代在-位发生位发生 若两个若两个-位已有基团，则发生在位已有基团，则发生在-位位NNaNH2NNHNaH2ONNH2NC6H5LiNC6H5NCH3+ C6H5CHOKOH/DMFCo120NC=CHH72%C6H5吡啶吡啶2-2-和和4-4-位上甲基具有酸性（类位上甲基具有酸性（类羟醛缩合羟醛缩合）NCONH2NC

21、ONHNH2HOH3CNCH2OHCH2OH 烟酰胺烟酰胺 ( (维生素维生素pppp) ) 异烟酰肼异烟酰肼（雷米封雷米封） 抗结核药抗结核药维生素维生素B B6 6NCON(C2H5)2烟酰二乙胺烟酰二乙胺（可拉明可拉明）中枢神经兴奋药中枢神经兴奋药常见吡啶衍生物常见吡啶衍生物17.6 喹啉喹啉(Quinoline)和异喹啉和异喹啉(Isoquinoline)一、结构一、结构二、化学性质二、化学性质与吡啶类似与吡啶类似, , 喹啉和异喹啉都有弱碱性（喹啉：喹啉和异喹啉都有弱碱性（喹啉：p pK Kb b=9.15=9.15；异喹啉；异喹啉p pK Kb b=8.86=8.86）。）。喹啉和异喹啉的喹啉和异喹啉的亲电取代反应亲电取代