中国药科大学有机化学课件-第十四章杂 环 化 合 物

第十四章

杂环化合物

主要内容第一节杂环化合物的分类和命名第二节六元杂环化合物第三节五元杂环化合物

第一节杂环化合物的分类和命名1、脂杂环

没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂环。三元杂环四元杂环五元杂环七元杂环(氮杂环丙烷)(β-丙内酯)(β-丙内酰胺)(顺丁烯二酸酐)(氧杂)(1H-氮杂)(环氧乙烷)（一）分类2、芳杂环具有芳香特征的杂环化合物称为芳杂环苯并杂环杂环并杂环五元杂环六元杂环呋喃噻吩吡咯噁唑噻唑咪唑吡唑吡啶嘧啶吡喃(无芳香性)吲哚喹啉异喹啉嘌呤(二)命名命名原则:杂环的命名常用音译法，是按外文名词音译成带“口”字旁的同音汉字。

当环上有取代基时，取代基的位次从杂原子算起依次用1,2,3,…(或α,β,γ…)编号。如杂环上不止一个杂原子时，则从O、S、N顺序依次编号。编号时杂原子的位次数字之和应最小。

五元杂环五元杂环苯并体系呋喃(furan)噻吩(thiophene)吡咯(pyrrole)苯并呋喃(benzofuran)苯并噻吩(benzothiophene)苯并吡咯吲哚(indole)实例:六元杂环吡啶(pyridine)吡喃(pyran)γ-吡喃酮(γ-pyrone)α-吡喃酮(α-pyrone)哒嗪(pyridazine)嘧啶(pyrimidine)吡嗪(pyrazine)杂环并杂环喹啉(quinoline)异喹啉(isoquinoline)苯并吡喃(benzopyran)苯并--吡喃酮(benzo--pyrone)嘌呤(purine)六元杂环苯并环系(一)吡啶共轭效应和诱导效应都是吸电子的孤电子对在sp2杂化轨道上。结构：吡啶N是sp2杂化，孤电子对不参与共轭。反应：碱性较强。环不易发生亲电取代反应但易发生亲核取代反应。发生亲电取代反应时，环上N起间位定位基的作用。发生亲核取代反应时，环上N起邻对位定位基的作用。1电子结构第二节六元杂环化合物2物理性质氮原子的电负性较大,使吡啶有较大极性,其偶极距数值较大.=2.20D=1.17D吡啶能与水以任意比例混溶,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,是一个良好的溶剂。3碱性吡啶N是sp2杂化，孤电子子对不参与共共轭，可以与与质子结合或给出电电子，显弱碱碱性。利用它它的碱性，可可从混合物中分离吡吡啶类化合物物，在化学反反应中还可用用作催化剂和除酸剂剂。4化学反应应(1)氮原子上的反反应(2)亲电电取代反应吡啶环上氮原原子为吸电子子基，故吡啶啶环属于缺电电子的芳杂环环，和硝基苯苯相似。其亲亲电取代反应应很不活泼，，反应条件要要求很高，不不起傅-克烷烷基化和酰基基化反应。亲亲电取代反反应主要在β-位上。由吡啶的共振振式分析:结论:1.环上带带正电,不不利于亲电取代2.b位的正电荷密密相对较低解释原因:由取代反应的的中间体稳定定性分析1.取代在在a位2.取代在在b位3.取代在在g位中间体较为稳稳定实验事实：钝钝化和b取代其它反应现象象环上有给电子子基时反应相相对较易进行行(3)亲核核取代反应取代主要发生生在a位当a或g位有其它离去去基团时，反反应易发生(4)氧氧化和还原反反应氧化在侧链上上氧化在N上复习：叔胺的的氧化吡啶的类似反反应N-氧化吡啶的性性质：比吡啶啶易与亲电试试剂或亲核试试剂反应(a)与亲电试剂的的亲电取代(b)与亲核试剂的的亲核加成为什么N-氧化吡啶既有亲电性又又有亲核性(a)由共振结构分分析（有两种种形式的共振振式）有苯氧基负离离子特点，环环上的2,4,6三个位置置负电荷密度度较大保留吡啶的特特点，氧负离离子使环上的的正电荷密度度增大(b)由反应过程分分析（中间体体的稳定性分分析）亲电取代及进进一步的反应应过程对比：吡啶的的直接亲电取取代不稳定(二）喹啉啉和异喹啉喹啉和异喹啉啉：1结构与物物理性质：结构：*杂杂环部分性质质象吡啶(碱碱性和亲和性性、亲电取代代、亲核核取取代代、、氧氧化化反反应应、、还还原原反反应应、、支支链链上上的的反反应应)*碳碳环环部部分分性性质质象象萘萘(亲亲电电取取代代及及其其取取代代定定位位作作用用)碱性性强强弱弱：：喹喹啉啉＜＜吡吡啶啶＜＜异异喹喹啉啉喹啉啉在在常常温温时时是是无无色色油油状状液液体体，，有有类类似似吡吡啶啶的的恶恶臭臭，，沸点点238℃℃，，异异喹喹啉啉为为低低熔熔点点的的固固体体，，气气温温类类似似于于苯甲甲醛醛，，熔熔点点26℃℃，，沸沸点点243℃℃。。物理理性性质质：：（1））亲亲电电取取代代反反应应:反应应产产物物受受介介质质的的影影响响。。若若反反应应在在酸酸性性介介质质中中进进行行，，取取代代主主要要在在苯苯环环上上发发生生。。喹喹啉啉主主要要发发生生在在C-5与C-8位，，而而异异喹喹啉啉以以C-5产物物为为主主。。若反反应应在在有有机机溶溶剂剂中中进进行行，，取取代代在在杂杂环环上上发发生生。。2化化学学反反应应从反反应应中中间间体体的的稳稳定定性性解解释释反反应应结结果果：：（2））亲亲核核取取代代反反应应亲核取取代反反应主主要在在吡啶啶环上上发生生，喹喹啉的的反应应位置置在2位位和4位(2位位为主主)，，异喹喹啉在在1位位；实例：：（3））氧氧化反反应*1喹喹啉啉和异异喹啉啉与绝绝大多多数氧氧化剂剂不发发生反反应；；*2与与高高锰酸酸钾能能发生生反应应：*3喹喹啉啉与异异喹啉啉在过过酸的的作用用下均均可形形成N-氧化物物。（4））还还原原反应应反十氢氢喹啉啉顺十氢氢喹啉啉3喹喹啉及及其衍衍生物物的合合成1斯斯克劳劳普(Skraup,Z.H.)反应：：苯胺胺、甘甘油、、硫酸酸和基基苯等等氧化化剂一一起作作用，，生成成喹啉啉的反反应称称为斯斯克劳劳普反反应。。实例例eg2eg1eg4eg32弗弗里里德伦伦德(Friedlander)反应：：eg1eg2芳香族族邻氨氨基羰羰基化化合物物发生生缩合合反应应，得得到喹喹啉或或它的的衍生生物，，这称称为弗弗里德德伦德德反应应。(三））含含二个个氮原原子的的六元元杂环环含有两两个氮氮原子子的六六元杂杂环体体系称称作二二嗪类类，因因氮原原子在环中中的相相对位位置不不同，，二嗪嗪类有有三种种异构构体：：哒嗪嗪、嘧啶、、吡嗪嗪。哒嗪(pyridazine)嘧啶(pyrimidine)吡嗪(pyrazine)1结构与与物理性质质二嗪类环上上的两个氮氮原子，其其电子构形形与吡啶中中的氮原子子相同，各有有一对未共共用电子对对，位于sp2杂化轨道上上，能与水经氢键缔缔合。哒嗪与嘧啶啶因结构的的不对称性性，分子有有一定的极性，，可与水混混溶，吡嗪嗪因分子极极性小而水水溶性略小小。二嗪类化合合物都是一一元碱,而而且碱性都都比吡啶弱弱.2化学学反应（1）.亲亲电电取代反应应反应最易在在2位发生生，其次是是4,6位位取代卤素要要比取代负负氢更容易易（2）.亲亲核取代反反应利用亲核取取代反应可可制取烃基基取代的二二嗪。二嗪不易被被氧化。若若用过酸氧氧化，得嘧嘧啶单N-氧化物（3）氧氧化（4）侧侧链α-H反应羟醛缩合型型烷基化反应应吡喃环系吡喃及其衍衍生物无芳芳香特性吡喃酮的钅钅羊盐是芳香香体系。(四)含含氧原子子的六元杂杂环(一)呋呋喃、、噻吩、吡吡咯的结构构(二)吲吲哚(三)含含两个个杂原子的的五元杂环环第三节五五元杂杂环化合物物吡咯的结构构孤电子对在在p轨道上。吡咯咯结构：吡咯咯N是sp2杂化，孤电电子对参与与共轭。反应：碱性性较弱，环环易发生亲亲电取代反反应，环上上相当有一个邻对对位定位基基。共轭效效应是是给电电子的的。诱诱导效效应是是吸电电子的的。(一)呋呋喃、、噻吩吩、吡吡咯的的结构构呋喃、、噻吩吩的结结构请请同学学自己己分析析。1电电子结结构及及芳香香性呋喃、、噻吩吩、吡吡咯在在结构构上具具有共共同点点，即即构成成环的的五个个原子子都为为sp2杂化，，故成成环的的五个个原子子处在在同一一平面面，杂杂原子子上的的孤对对电子子参与与共轭轭形成成共轭轭体系系，其其π电子数数符合合休克克尔规规则（（π电子数数=4n+2），所以，，它们们都具具有芳芳香性性。2物物理性性质都能溶溶于有有机溶溶剂,水溶溶解度度都小小于六六元杂杂环吡吡啶溶解度度顺序序为：：吡咯咯﹥呋呋喃﹥﹥噻吩吩吡咯几几乎不不显碱碱性,相相反具具有弱弱酸性性3呋呋喃、、噻吩吩、吡吡咯化化学反反应分子接接受一一个质质子的的反应应称为为质子子化反反应.（1））呋喃喃、噻噻吩、、吡咯咯在酸酸的作作用下下可质质子化化；（2））质质子子化化反反应应主主要要发发生生在在C-2上；；α-C质子子化化β-C质子子化化N-质子子化化质子子化化反反应应（3））由由于于α-C的质质子子化化反反应应，，吡吡咯咯在在强强酸酸作作用用下会会因因聚聚合合而而被被破破坏坏；；（4））在在稀稀的的酸酸性性水水溶溶液液中中，，呋呋喃喃的的质质子子化化在在氧氧上发发生生并并导导致致水水解解开开环环。。呋喃喃、、噻噻吩吩、、吡吡咯咯的的亲亲电电取取代代反反应应*1亲亲电电取取代代反反应应的的活活性性顺顺序序为为：：吸电电子子诱诱导导：：O(3.5)>N(3.0)>S(2.6)给电子共共轭：N>O>S综合：N贡献电子子最多，，O其次，S最少①电子密密度②②σ-络合物八隅体结结构最稳稳定无最稳定定结构（1）概概述*2取取代反反应主要要发生在在α-C上；*3吡吡咯、、呋喃对对酸及氧氧化剂比比较敏感感，选择择试剂时需要要注意；；*4噻噻吩、、吡咯的的芳香性性较强，，所以易易取代而而不易加成；呋呋喃的芳芳香性较较弱，虽虽然也能能与大多多数亲电试剂剂发生亲亲电取代代，但在在强亲核核试剂存存在下，能发发生亲核核加成。。离域能：：噻吩：：121.3kJ·mol-1吡咯：87.8kJ·mol-1呋喃：66.9kJ·mol-1（1）呋呋喃、噻噻吩、吡吡咯的卤卤化反应应反应强烈烈，易得得多卤取取代物。。为了得得一卤代代(Cl,Br)产物，要要采用低低温、溶溶剂稀释释等温和和条件。。碘不活泼泼，要用用催化剂剂才能发发生一元元取代（2）呋呋喃、噻噻吩、吡吡咯的硝硝化反应应呋喃,噻噻吩和和吡咯易易氧化,一般般不用硝硝酸直接接硝化;通常用比比较温和和的非质质子硝化化试剂，，如：硝硝酸乙酰酰酯。反应在低低温下进进行。呋喃比较较特殊,先生成成稳定的的或不稳稳定的2,5加加成产物物,然后加热热或用吡吡啶除去去乙酸,得到硝硝化产物物。（3）呋呋喃、噻噻吩、吡吡咯的磺磺化反应应吡咯、呋呋喃不太太稳定，，所以须须用温和和的磺化化试剂磺磺化。常常用的温温和的非非质子的的磺化试试剂有：：吡啶与与三氧化化硫的加加合化合合物。噻吩比较较稳定，，既可以以直接磺磺化（产产率稍低低），也也可以用用温和的的磺化试试剂磺化化。(固体，，含量90%)S+

NSO3ClCH2CH2Clr.

t.SSO3-Ba(OH)22Ba2+（4）呋呋喃、噻噻吩、吡吡咯的傅傅氏酰基基化反应应Eg1Eg4Eg3Eg2sp2杂化sp3杂化碳上酰化化，正电电荷处在在离域范范围内，，较稳定定。氮上酰化，正正电荷不处在在离域范围内内。呋喃、噻吩的的酰化反应在在-C上发生，而吡吡咯的酰化反反应（不用催催化剂）既能能在-C上发生，又能能在N上发生。在-C上发生比在N上发生容易。。（5）吡吡咯的特殊殊反应吡咯的性质与与苯酚类似，，都具有酸性性，但吡咯的的酸性比苯酚酚小。吡咯与与苯胺也有类类似性质。吡咯成盐后，，使环上电荷荷密度增高，，亲电取代反反应更易进行行。HCON(CH3)2POCl3CHCl325%NaOH(NH4)2CO3130oCC6H5N2+X-C2H5OH-H2OAcONaRMgX1CO22H2OCO2加热加压RCOClRX(6)呋呋喃、吡咯咯、噻吩的加加成反应（1）加氢氢反应（2）Diels-Alder反应呋喃最易发生生Diels-Alder反应AlCl3NHCCH3H3CCOOCH3COOCH3OCH3噻吩基本上不不发生双烯加加成，即使在在个别情况下下生成也是一一个不稳定的的中间体，直直接失硫转化化为别的产物物。对取代位置的的解释（对反反应中间体的的相对稳定性性的分析）取代在a位取代在b位(二)吲吲哚三种五员杂环环苯并体系亲电取代反应应：从反应的中间间体分析：进攻3-位,反应易于进进行吲哚的合成苯肼与醛、酮酮类化合物在在酸性条件下下加热生成吲吲哚及其衍生生物的反应称称为费歇尔(Fischer,E.)合成法。（1）互变异异构N-N(单键)N=N(双键)5-甲基咪唑唑4-甲基咪唑唑4(5)-甲甲基咪唑(因因为4-甲基基咪唑和5-甲基咪唑不不可分离)1唑唑的结构(三)含含有两个杂杂原子的五元元杂环体系（2）结构吡咯N(孤电子对参与与共轭，所以以碱性较弱)吡啶N(孤电子对不参参与共轭，所所以碱性较强强)吡咯N的孤电子对处处于p轨道一般胺中的N是sp3杂化。N的孤电子对处处于sp3杂化轨道sp3轨道碱性：N的孤电子对处处于sp2杂化轨道吡啶N与吡咯N均为sp2杂化。（2）碱性1.1,2-