有机化学第十六章 杂环化合物

1、117.1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呋喃、噻吩、吡咯的制备及反应呋喃、噻吩、吡咯的制备及反应2OSNHN定义：成环的原子含有非碳原子的环状化合物。该非碳定义：成环的原子含有非碳原子的环状化合物。该非碳原子也称杂原子。原子也称杂原子。例如：例如：3杂环化合物和生物碱广泛存在于自然界中，杂环化合物和生物碱广泛存在于自然界中，在 动 植 物 体 内 起 着 重 要 的 生 理 作 用在 动 植 物 体 内 起 着 重 要 的 生 理 作 用。ONH2NHNH HOSCOOHCH3H2O头孢氨苄头孢氨苄(先锋霉素先锋霉

2、素IV)NNNNFeCHCH2H3CCH3CHCH2H3CHOOCCH2CH2CH2CH2COOHCH3血红素血红素(heme)4叶绿素分子结构叶绿素分子结构NNNNMgRCH2CH3CH3CHCH3CH2CH2CH3HOCOOCH3CH2COOR=-CH3为叶绿素为叶绿素aR=-CHO为叶绿素为叶绿素b5O-CH3OHHOHHOCH2HHPO2OCH3CHCH2NHCOCH2CH2CH3CH3NNCH3H2NCOCH2CH3CNH2NCOCH2CH3CH2CONH2CH3CH2CH2CONH2CH3CH3H2NCOCH2CH2CH3CH2CH2CONH2CoNNNN维生素维生素B12分子结构

3、分子结构6麻黄碱麻黄碱*CH CH NH CH3OH CH3茶碱、可可碱和咖啡碱茶碱、可可碱和咖啡碱HNNOCH3ONNCH3NNOCH3ONHNCH3NNOCH3ONNCH3CH3茶碱茶碱 可可碱可可碱 咖啡碱咖啡碱（1，3-二甲基黄嘌呤）二甲基黄嘌呤） （3，7-二甲基黄嘌呤）二甲基黄嘌呤） （1，3，7-三甲基黄嘌呤）三甲基黄嘌呤）7 但是内酯、内酰胺、环氧化合物与相应的脂肪族性质相近。但是内酯、内酰胺、环氧化合物与相应的脂肪族性质相近。因此通常不将它们归于杂环化合物中。因此通常不将它们归于杂环化合物中。=OO戊内酯戊内酯NOO=H丁二酰亚胺丁二酰亚胺OO丁二酰酐丁二酰酐ONOH己内酰胺

4、己内酰胺 我们主要讨论具有芳香性的杂环化合物（简称芳杂环化合我们主要讨论具有芳香性的杂环化合物（简称芳杂环化合物）。物）。8furan呋喃呋喃氧杂茂氧杂茂thiophene噻吩噻吩硫杂茂硫杂茂pyrrole吡咯吡咯氮杂茂氮杂茂pyridine吡啶吡啶quinoline喹啉喹啉thiazole噻唑噻唑pyrimidine嘧啶嘧啶indole吲哚吲哚OSNHNNSNNNNH1.名称：名称：译音法或按环大小及杂原子命名。译音法或按环大小及杂原子命名。17.1杂环化合物的分类和命名杂环化合物的分类和命名9 编号：从杂环开始，顺着环编号，有两个相同杂原子时，编号：从杂环开始，顺着环编号，有两个相同杂原子

5、时，使杂原子的位号加和最小，若有不同的杂原子时，按使杂原子的位号加和最小，若有不同的杂原子时，按O、S、N次序编号。次序编号。2.命名：命名：2呋喃甲醛呋喃甲醛CHOO154325甲基噻唑甲基噻唑S15432CH34甲基咪唑甲基咪唑CH3N154326COOH3吡啶甲酸吡啶甲酸 选主链：以杂环为母体，其它作为取代基；选主链：以杂环为母体，其它作为取代基；HN15432NN10CH3O15432CH32,5二甲基呋喃二甲基呋喃, 二甲基呋喃二甲基呋喃NHCH2COOH吲哚乙酸吲哚乙酸(3 吲哚乙酸吲哚乙酸) 甲基吡啶甲基吡啶(4甲基吡啶）甲基吡啶）NCH3N苯苯氮氮(杂杂)苯苯N1氮氮(杂杂)萘

6、萘萘萘111.五元环五元环ONHS呋喃呋喃吡咯吡咯噻吩噻吩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NHHHHHsp2 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 NH12ONHS 呋喃、噻吩、吡咯呋喃、噻吩、吡咯电子数符合休克尔规电子数符合休克尔规则（则（4n+2），因此具有芳香性），因此具有芳香性。13 在呋喃、噻吩、吡咯分子中，是由在呋喃、噻吩、吡咯分子中，是由5个原子，个原子，6个个电子组成的共轭体系，使环上碳原子的电子云电子组成的共轭体系，使环上碳原子的电子云密度增加，所以称为密度增加，所以称为富电子芳杂环

7、富电子芳杂环或或多多电子芳杂电子芳杂环环。 呋喃、噻吩、吡咯分子中各原子间的键长并不呋喃、噻吩、吡咯分子中各原子间的键长并不完全相等，因此完全相等，因此芳香性比苯差芳香性比苯差。 电负性强弱顺序是：氧电负性强弱顺序是：氧氮氮硫硫芳香性强弱顺序是：苯噻吩吡咯呋芳香性强弱顺序是：苯噻吩吡咯呋喃喃14 呋喃、噻吩、吡咯环中的杂原子上的未呋喃、噻吩、吡咯环中的杂原子上的未共用电子对参与了环的共轭体系，使环上共用电子对参与了环的共轭体系，使环上的电子云密度增大，故比的电子云密度增大，故比苯容易发生亲电苯容易发生亲电取代取代反应取代基通常在反应取代基通常在位位上。上。 位形位形成的中间体正离子较稳定。成的

8、中间体正离子较稳定。15 2. 六元环六元环 N原子为sp2杂化吡啶 吡啶吡啶电子数符合休克尔规则，具有芳香性。电子数符合休克尔规则，具有芳香性。 吡啶分子中，氮原子的电负性比碳大，使吡啶吡啶分子中，氮原子的电负性比碳大，使吡啶环上碳原子的电子云密度相对降低，所以此类杂环环上碳原子的电子云密度相对降低，所以此类杂环称为缺电子芳杂环或缺称为缺电子芳杂环或缺电子芳杂环。电子芳杂环。 NHHHHHN 图图17.2 吡啶的轨道结构吡啶的轨道结构 16由于由于N的电负性强，电子云分布不均匀，电子的电负性强，电子云分布不均匀，电子云密度下降云密度下降0.139nmN0.140nm0.134nm 亲电取代反

9、之比苯困难，且主要发亲电取代反之比苯困难，且主要发生在生在位上；较易发生亲核取代反应，位上；较易发生亲核取代反应，且取代基进入且取代基进入位。位。吡啶的芳香性不如苯。吡啶的芳香性不如苯。1717.3呋喃呋喃、噻吩、吡咯的制备及反应、噻吩、吡咯的制备及反应(C5H8O4)nH2OH+戊糖戊糖H2OCHOO糠醛糠醛COO呋喃呋喃CH2OHCHOCHOO+ H2O催化剂催化剂400500O呋喃呋喃+ CO2 + H2COOHOCuO+ CO2呋喃呋喃一、（一、（1）呋喃的制备：）呋喃的制备：多聚戊糖多聚戊糖18（2）噻吩的制备：）噻吩的制备：（3）吡咯的制备：）吡咯的制备：nC4H8 或或 nC4H

10、10nC4H6+ 4S硫磺硫磺600SS+ P2S5 + 其他其他或或CH2CH2 + P2S5COONaCOONa主要存在于骨焦油中，煤焦油中存在很少。主要存在于骨焦油中，煤焦油中存在很少。O+ NH3Al2O3450NH+ H2O2CHCH + NH3NH+ H219二、反应：二、反应：因为氮和三个因为氮和三个键相连，中性的氮有较强的给电子能力。键相连，中性的氮有较强的给电子能力。ONHS苯 呋喃、噻吩、吡啶具有芳香性的共轭体系，因此可发生亲呋喃、噻吩、吡啶具有芳香性的共轭体系，因此可发生亲电取代反应，反应顺序是：电取代反应，反应顺序是：20据反应形式分为两大类：据反应形式分为两大类：（1

11、）亲电取代反应）亲电取代反应（2）加成反应）加成反应（a）硝化反应）硝化反应（b）磺化反应）磺化反应（c）卤化）卤化（d）付氏酰基化）付氏酰基化21（a）硝化反应：）硝化反应：呋喃、噻吩、吡咯易被氧化，可被空气氧化。SAcNO2,03SNO212+SNO23硝基噻吩10%2硝基噻吩60%（1）亲电取代反应：）亲电取代反应：（低温、CH3COONO2硝酸乙酰酯为硝化试剂）需用温和的硝化剂硝酸乙酰酯进行硝化：22NHAcONO2103NNO212H+NHNO23硝基吡咯硝基吡咯2硝基吡咯硝基吡咯（主产物）（主产物）OAcONO2 10ONO235%23（b）磺化反应：）磺化反应：NSO3NO=S=

12、OO90%也需采用温和的非质子磺化试剂。24OSNH+C2H4Cl2H+SO3N+OSO3HSO3HSSO3HNHSO3HS+ H2SO425S(环稳定环稳定)噻吩噻吩2磺酸磺酸6976%H2OS+ H2O25（C）卤化：）卤化：O+ 2Br2OBrBrS+ Br2CH3COOH低温低温SBrNH+ 2Br20NHBrBrBrBr26易得多氯、溴代产物，若得到一溴代物需用极稀溶液和易得多氯、溴代产物，若得到一溴代物需用极稀溶液和低温。低温。NH+ 4I2 + 4NaOHNHIIII27（d）付氏酰基化：）付氏酰基化：OSNH+ (CH3CO)2OCH3COClBF3150200OCOCH3SC

13、OCH3NHCOCH328（2）加成反应：）加成反应：呋喃：呋喃：只具有共轭双键的性质。只具有共轭双键的性质。噻吩：噻吩：硫醚易于氧化成砜硫醚易于氧化成砜重要溶剂O+OOOHCCHCCOOOCCOO+ 2H2Ni100 ,5MPaOS+ 2H2MoS2SOHNO3环丁砜SOO29吡咯：吡咯：糠醛：糠醛：NHZn+CH3COOHNHNHH2/Ni200 或CHOO2+ NaOHOCOONa+OCH2OHOCOOHH+CHOO(CH3CO)2OCH3COONaOCH=CHCOOH + CH3COOH30N+ HClN+HCl吡啶盐酸盐N+ SO3N+SO3N磺化吡啶N+ CH3IN+CH3I季胺盐N+ C6H5COCl石油醚20N+COC6H5Cl叔胺、碱性：、碱性：吡啶：存在于煤焦油和页岩油中吡啶：存在于煤焦油和页岩油中,性质与硝基苯相似。性质与硝基苯相似。31NBr2,300 浮石.气相(产率39%)Br2,66%发烟H2SO4130 (产率86%)NBr2浓H2SO4,HgSO422 (产率70%)H2SO4350 NSO3HNNO2300 ,24h(产率6%)混酸可发生磺化、硝化和卤化均发生在可发生磺化、硝化和卤化均发生在位。位。亲电取代反应：亲电取代反应：32亲核取代：亲核取代：N+ NaNH2NNH2位位NCl+ KOHNOH发生在发生在位位33氧化与还原氧化与还原NC