有机化学 第十八章 杂环化合物

第十八章杂环化合物exit杂环化合物是指组成环的原子中含有除碳以外的原子(杂原子——常见的是N、O、S等)的环状化合物。

杂环化合物不包括极易开环的含杂原子的环状化合物，例如：杂环化合物是一大类有机物，占已知有机物的三分之一。杂环化合物在自然界分布很广、功用很多。例如，中草药的有效成分生物碱大多是杂环化合物；动植物体内起重要生理作用的血红素、叶绿素、核酸的碱基都是含氮杂环；部分维生素，抗菌素；一些植物色素、植物染料、合成染料都含有杂环。第一节杂环化合物的分类和命名第二节五元杂环化合物第三节六元杂环化合物第四节

稠杂环化合物第五节生物碱（自学）

本章提纲第一节杂环化合物的分类和命名一、分类杂环化合物可按杂环的骨架分为单杂环和稠杂环。单杂环又按环的大小分为五元杂环和六元杂环；稠杂环按其稠合环形式分为苯稠杂环和稠杂环。二、命名

1、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。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)异噻唑(isothiazole)吡唑(pyrazole)异噁唑(isoxazole)1,2-唑噁唑(oxazole)噻唑(thiazole)咪唑(inidazole)1,3-唑六元杂环吡啶(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)六元杂环苯并环系外文译音法是根据国际通用名称译音的，使用方便，缺点是名称和结构之间没有。2、单杂环A、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(一个杂原子时)。B、当杂环上不止一个杂原子，相同时，则以连有氢原子或取代基的杂原子优先编号；不相同时，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。C、环上连有不同取代基，编号时根据顺序规则4、单杂环为取代基3、稠杂环—编号一般从单杂环上杂原子开始（异喹啉除外）

。呋喃、噻吩、吡咯在结构上具有共同点，即构成环的五个原子都为sp2杂化，故成环的五个原子处在同一平面，杂原子上的孤对电子参与共轭形成共轭体系，其π电子数符合休克尔规则（π电子数=4n+2），所以，它们都具有芳香性。一呋喃、噻吩、吡咯的结构第二节五元杂环化合物结构特点：1、具有芳香性。2、形成五中心6电子的结构。

由于共轭体系中的6个π电子分散在5个原子上，使整个环的π电子云密度较苯大，富电子芳环，比苯容易发生取代。同时，α位上的电子云密度较大，因而亲电取代反应一般发生在此位置上，如果α位已有取代基，则发生在β位。似苯酚或苯胺的性质，易发生亲最取代反应。。3、于O、N、S三个原子电负性较大，与苯比较，杂环化合物的芳香稳定性不如苯环，电子云密度分布也不完全平均化。4、电子云分布不均匀化导致键长不平均化，在一定程度上具有不饱和化合物的性质，易加成反应和在酸性条件下易聚合等，甚致具有共轭二烯的性质如呋喃易发生Diels-Alder反应。还存在一对孤对电子，吡咯具有一定的弱碱性。吡咯的结构孤电子对在p轨道上。吡咯结构：吡咯N是sp2杂化，孤电子对参与共轭。反应：碱性较弱，环易发生亲电取代反应，环上相当有一个邻对位定位基。共轭效应是给电子的。诱导效应是吸电子的。二呋喃、噻吩、吡咯的制备1、工业制备（略）2、实验室制备（了解）(1)帕尔-诺尔(Paal,C.-Knorr,L.)合成法三种化合物的相互转化(有氧化铝存在的情况下)（2）诺尔合成法氨基酮酸酯三呋喃、噻吩、吡咯的性质2、光谱性质1、存在与物理性质

P205⑴鉴别反应：松木片反应：遇盐酸浸湿的松木片呈绿色的为呋喃、呈红色的为吡咯；噻吩和吲哚醌在硫酸作用下发生蓝色反应，利用它来检验苯中的噻吩。⑵苯中含有噻吩去除：加硫酸洗涤。⑴IR——似芳环结构①C-H伸缩振动——3037～3003cm-1②N-H伸缩振动——3500～3200cm-1③环伸缩振动——1600～1300cm-1⑵/H-NMR呋喃、噻吩和吡咯环上的氢受π电子环流的影响，它们的NMR信号都出现在低场7ppm左右，与苯相似，这是芳香性的一个重要标志。由于杂原子的吸电子诱导效应，α-H（6.68)的化学位移较β-H（6.22)大，在（8.0)

出现N-H的信号。3、呋喃、噻吩、吡咯的亲电取代反应*1亲电取代反应的活性顺序为：吸电子诱导：O(3.5)>N(3.0)>S(2.6)给电子共轭：N>O>S综合：N贡献电子最多，O其次，S最少①电子密度

②σ-络合物八隅体结构最稳定无最稳定结构⑴概述*2取代反应主要发生在α-C上；*3吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感，选择试剂时需要注意；*4

噻吩、吡咯的芳香性较强，所以易取代而不易加成；呋喃的芳香性较弱，虽然也能与大多数亲电试剂发生亲电取代，但在强亲核试剂存在下，能发生亲核加成。卤代反应不需要催化剂，要在较低温度和进行。硝化反应不能用混酸硝化，一般是用乙酰基硝酸酯(CH3COONO2)

作硝化试剂，在低温下进行。磺化反应呋喃、吡咯不能用浓硫酸磺化，要用特殊的磺化试剂——

吡啶三氧化硫的络合物，噻吩可直接用浓硫酸磺化。⑵亲电取代卤化反应反应强烈，易得多卤取代物。为了得一卤代(Cl,Br)产物，要采用低温、溶剂稀释等温和条件。碘不活泼，要用催化剂才能发生一元取代硝化反应呋喃,噻吩和吡咯易氧化,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：硝酸乙酰酯。反应在低温下进行。磺化反应吡咯、呋喃不太稳定，所以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：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（产率稍低），也可以用温和的磺化试剂磺化。(固体，含量90%)S+

NSO3ClCH2CH2Clr.

t.SSO3-Ba(OH)22Ba2+傅氏酰基化反应Eg1Eg4Eg3Eg24、呋喃、吡咯、噻吩的加成反应（1）加氢反应

（2）Diels-Alder反应呋喃最易发生Diels-Alder反应AlCl3NHCCH3H3CCOOCHCOOCHOCH333噻吩基本上不发生双烯加成，即使在个别情况下生成也是一个不稳定的中间体，直接失硫转化为别的产物。5、吡咯的弱酸性和弱碱性

吡咯具有弱酸性，其酸性介与乙醇和苯酚之间。吡咯成盐后，使环上电荷密度增高，亲电取代反应更易进行。吡咯虽然是一个仲胺，但碱性很弱，比苯胺弱。HCON(CH3)2

POCl3CHCl325%NaOH(NH4)2CO3

130oCC6H5N2+X-

C2H5OH-H2OAcONaRMgX1CO22H2OCO2

加热加压RCOClRX吡咯衍生物的合成四、重要的五元杂环衍生物（一）、糠醛（α—呋喃甲醛）1．制备由农副产品如甘蔗杂渣、花生壳、高粱杆、棉子壳……用稀酸加热蒸煮制取。2．糠醛的性质同有α-H的醛的一般性质。（1）氧化还原反应（2）歧化反应（3）羟醛缩合反应（4）安息香缩合反应3．糠醛的用途糠醛是良好的溶剂，常用作精练石油的溶剂，以溶解含硫物质及环烷烃等。可用于精制松香，脱出色素，溶解硝酸纤维素等。糠醛广泛用于油漆及树脂工业。卟啉族化合物广泛分布与自然界。血红素，叶绿素都是含吡咯环的卟啉族化合物。在血红素中吡咯环络合的是Fe，叶绿素吡咯环络合的是Mg。

1964年，Woodward用55步合成了叶绿素。1965年接着合成VB12，用11年时间完成了全合成。Woodward一生人工合成了20多种结构复杂的有机化合物，是当之无愧的有机合成大师。Woodward20岁获博士学位，30岁当教授，48岁时（1965年）获诺贝尔化学奖。（二）吡咯的重要衍生物（了解）五、噻唑和咪唑（了解）1、噻唑噻唑是含一个硫原子和一个氮原子的五元杂环，无色，有吡啶臭味的液体，沸点117℃，与水互溶，有弱碱性。是稳定的化合物。一些重要的天然产物几合成药物含有噻唑结构，如青霉素、维生素B1等。青霉素是一类抗菌素的总称，已知的青霉素大一百多种，它们的结构很相似，均具有稠合在一起的四氢噻唑环和β-内酰胺环。青霉素噻唑环青霉素是噻唑的衍生物。青霉素G疗效最好。维生素B1（VB1）2、咪唑（P212）咪唑是含二个氮原子的五元杂环，无色固体，溶点90℃，易溶于水，有弱碱性（比噻唑强）。第三节六元杂环化合物一、吡啶吡啶存在于煤焦油页岩油和骨焦油中，吡啶衍生物广泛存在于自然界，例如，植物所含的生物碱不少都具有吡啶环结构，维生素PP、维生素B6、辅酶Ⅰ及辅酶Ⅱ也含有吡啶环。吡啶是重要的有机合成原料（如合成药物）、良好的有机溶剂和有机合成催化剂。吡啶为有特殊臭味的无色液体，沸点115.5℃，相对密度0.982，可与水、乙醇、乙醚等任意混和。吡啶的工业制法可由糠醇与氨共热（500℃）制得，也可从乙炔制备。

(一)、来源、制法和应用

（二）、吡啶的结构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。吡啶结构：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。=2.20D=1.17D（三）吡啶的性质1、碱性与成盐吡啶的环外有一对未作用的孤对电子，具有碱性，易接受亲电试剂而成盐。吡啶的碱性小于氨大于苯胺。吡啶易与酸和活泼的卤代物成盐。2、亲电取代反应吡啶环上氮原子为吸电子基，故吡啶环属于缺电子的芳杂环，和硝基苯相似。其亲电取代反应很不活泼，反应条件要求很高，不起傅-克烷基化和酰基化反应。亲电取代反应主要在β-位上。3、氧化还原反应（1）氧化反应吡啶环对氧化剂稳定，一般不被酸性高锰酸钾、酸性重铬酸钾氧化，通常是侧链烃基被氧化成羧酸。吡啶易被过氧化物（过氧乙酸、过氧化氢等）氧化生成氧化吡啶。氧化吡啶在有机合成中用于合成4-取代吡啶化合物。（2）还原反应吡啶比苯易还原，用钠加乙醇、催化加氢均使吡啶还原为六氢吡啶（即胡椒啶）

4、亲核取代由于吡啶环上的电荷密度降低，且分布不均，故可发生亲核取代反应。例如：齐齐巴宾(Chichibabin,A.E.)反应掌握2-氨基吡啶、3-氨基吡啶、4-氨基吡啶等合成方法。二、嘧啶及其衍生物（了解）嘧啶本身不存在于自然界，其衍生物在自然界分布很广，脲嘧啶、胞嘧啶、胸腺嘧啶是遗传物质核酸的重要组成部分，微生素B1也含有嘧啶环。合成药物的磺胺嘧啶也含这种结构。名称结构用途巴比妥(佛罗拿)苯巴比妥(鲁米那)异戊巴比妥(阿米妥)西可巴比妥钠硫喷妥钠长时间作用的镇静催眠药长时间作用的镇静催眠药，又有抗癫痫作用中时间作用的催眠药短时间作用的镇静催眠药超短时间的静脉麻醉药，可用于麻醉前给药第四节稠杂环化合物稠杂环化合物是指苯环与杂环稠合或杂环与杂环稠合在一起的化合物。常见的有喹啉、吲哚和嘌呤。

一、吲哚（了解）

吲哚是白色结晶，熔点52.5℃。极稀溶液有香味，可用作香料，浓的吲哚溶液有粪臭味。素馨花、柑桔花中含有吲哚。吲哚环的衍生物广泛存在于动植物体内，与人类的生命、生活有密切的关系。吲哚的性质与吡咯相似，也可发生亲电取代反应，取代基进入