第二十章杂环化合物三

第二十章杂环化合物三第1页，共58页，2023年，2月20日，星期一本章讲授提要第一节芳杂环化合物的分类和命名第二节五元单杂环化合物第三节唑第四节吡啶第五节喹啉和异喹啉第六节嘧啶和嘌呤第七节杂环化合物的合成第八节生物碱第2页，共58页，2023年，2月20日，星期一定义：环状化合物，环上除碳，还有杂原子（N,O,S等）杂环化合物根据有无芳香性，可将杂环化合物分为非芳香性杂环和芳香性杂环。非芳香性杂环化合物具有与相应脂肪族化合物相类似的性质。例如：

通常，杂环化合物是指含有杂原子构成环的、有一定芳香性的环状化合物。

杂环化合物的分类：第3页，共58页，2023年，2月20日，星期一第一节

芳杂环化合物的分类和命名芳杂环的数目很多，按环的大小，杂原子的多少及单环和稠环来分类，常见的杂环为五元、六元单杂环及稠杂环。按外文名词音译成带“口”字旁的同音汉字五元环含一个杂原子含两个杂原子

呋喃吡咯噻吩异噁唑吡唑异噻唑噁唑咪唑噻唑第4页，共58页，2023年，2月20日，星期一第一节芳杂环化合物的分类和命名含一个杂原子：吡啶吡喃含两个杂原子：哒嗪嘧啶吡嗪六元环第5页，共58页，2023年，2月20日，星期一喹啉异喹啉吲哚嘌啉咔唑第一节

芳杂环化合物的分类和命名稠杂环第6页，共58页，2023年，2月20日，星期一

杂环为母体，取代基按最低系列原则。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。

2、环上有取代基的化合物

3－甲基吡啶

2，5－二甲基呋喃3、环上有官能团时，杂环作取代基γ－吡啶甲酸α－呋喃甲醛第一节

芳杂环化合物的分类和命名第7页，共58页，2023年，2月20日，星期一4、含两个或以上相同杂原子，编号从连有取代基或含氢的杂原子开始，另一杂原子位次尽可能小。

4－甲基咪唑

第一节

芳杂环化合物的分类和命名第8页，共58页，2023年，2月20日，星期一第二节

五元单杂环化合物呋喃噻吩吡咯

一、物理性质呋喃为无色液体，难溶于水而易溶于有机溶剂，b.p为32℃。存在于松木焦油中。噻吩为无色有特殊气味液体，b.p.84.2℃，与苯共存于煤焦油中。吡咯为无色油状液体，b.p131℃，微溶于水，易溶于有机溶剂。存在于煤焦油。第9页，共58页，2023年，2月20日，星期一二、结构呋喃、噻吩、吡咯分子中所有的原子共平面，具有与苯环类似的结构。＊结构特点：一个闭合的环状共轭体系环上原子均为sp2

杂化

π电子数6（4n+2）键长一定程度平均化呋喃噻吩吡咯环状大π键——富电子芳杂环第二节

五元单杂环化合物第10页，共58页，2023年，2月20日，星期一二、结构（芳香性）呋喃吡咯噻吩杂原子的电负性：O>N>S(3.5)(3.0)(2.6)∴芳香性的大小顺序：苯>噻吩>吡咯>呋喃杂原子电负性比C大，周围电子云密度较大。环上电子云分布不均，芳香性不如苯。O电负性最大，呋喃上电子云最不均匀，芳香性最差。硫原子电负性最小，又在第三周期，原子半径较大，原子核对共轭π电子的吸引力较小，噻吩环上电子分布较为平均，芳香性较强环的稳定性较强第二节

五元单杂环化合物第11页，共58页，2023年，2月20日，星期一(二)呋喃、噻吩、吡咯的化学性质1、亲电取代均易于苯——低温、弱亲电试剂五元杂环化合物进行亲电取代反应的特点是：使用较为温和的试剂或反应条件。原因：π56，环上的5个原子共享6个π电子，电子云密度比苯环大，发生亲电取代反应的速度也比苯快得多。多电子共轭体系，电子云密度比较大，反应活性太高，环稳定性较差，反应需在极温和条件下进行，否则开环、聚合等，产物复杂。杂原子的存在相当于在环上引入了―NH2、―OH、―SH等活化基团而使环活化.亲电取代活性：第12页，共58页，2023年，2月20日，星期一吡咯上的氮原子上的孤电子对能够很好地和环上的π电子共轭，从而使环上的π电子云密度增加，而电子云密度增加就意味着有利于亲电取代反应，同一周期的共轭效果要比不同周期的原子效果好，C和N属于同一周期，C的2P轨道和N的2P轨道能够很好的共轭，即所说的P-π共轭，而噻吩上的S原子则是3P轨道（离核较远）和C的2P轨道（离核较近）共轭程度肯定不好，给电子共轭效应（+C效应）不如吡咯。杂原子的电负性：O>N>S(3.5)(3.0)(2.6)亲电取代活性：

反应速度以苯为1若则则第13页，共58页，2023年，2月20日，星期一注意:1、亲电取代均易于苯——低温、弱亲电试剂取代一般发生在α位进攻2位所形成的共振杂化体比进攻3位所形成的共振杂化体稳定。第14页，共58页，2023年，2月20日，星期一1、亲电取代均易于苯——低温、弱亲电试剂（1）磺化吡咯和呋喃也不能用硫酸直接磺化，要用温和的非质子磺化试剂。噻吩是这些五元杂环化合物中最稳定的一个,可在室温下直接磺化苯在室温下需用发烟硫酸才可磺化第15页，共58页，2023年，2月20日，星期一1、亲电取代均易于苯——低温、弱亲电试剂（2）硝化呋喃和吡咯很易被氧化，遇无机酸容易发生开环或聚合，因而不能用硝酸硝化。为了避免氧化，通常用比较温和的非质子硝化试剂，硝酸乙酰酯（CH3COONO2)作硝化剂，如果环上有致钝基团可直接硝化，噻吩可采用温和条件直接硝化。醋酸乙酰酯第16页，共58页，2023年，2月20日，星期一1、亲电取代均易于苯——低温、弱亲电试剂（3）卤代(不需催化剂，甚至采用温和条件，如用溶剂稀释或采用低温）吡咯活性最大，在反应体系中往往形成四取代物。不活泼的碘在催化剂作用下也可以直接取代第17页，共58页，2023年，2月20日，星期一1、亲电取代均易于苯——低温、弱亲电试剂（4）傅-克酰基化反应需采用温和的催化剂如：SnCl4,BF3等，对活性较大的吡咯可不用催化剂，直接用酸酐酰化。吡咯烷基化反应时易得混合物，因此用途不大。酰基化：第18页，共58页，2023年，2月20日，星期一1、亲电取代均易于苯——低温、弱亲电试剂（5）吡咯的特殊反应第19页，共58页，2023年，2月20日，星期一1、亲电取代均易于苯——低温、弱亲电试剂（6）取代呋喃、吡咯和噻吩的定位效应一取代呋喃、吡咯和噻吩的进一步取代，定位效应由环上杂原子的α定位效应及取代基共同决定。3-位上有取代基第二个官能团进入环的2或5位（α-位），到底是2位还是5位，由环上原有取代基的性质决定。第20页，共58页，2023年，2月20日，星期一1、亲电取代均易于苯——低温、弱亲电试剂（6）取代呋喃、吡咯和噻吩的定位效应（2）α-位上有取代基第21页，共58页，2023年，2月20日，星期一2、加成反应（加成反应比苯容易）（1）催化加氢噻吩中含硫，会使一般催化剂中毒，氢化时应采用特殊催化剂第22页，共58页，2023年，2月20日，星期一2、加成反应（加成反应比苯容易）（2）双烯合成呋喃芳香性较弱，所以呋喃及其衍生物容易进行Diles-Alder反应第23页，共58页，2023年，2月20日，星期一2、加成反应（加成反应比苯容易）（2）双烯合成吡咯氮上的氢有酸性，可与顺丁烯二酸酐的双键加成，将吡咯烷基化，或用更活泼的亲双烯试剂进行Diles-Alder反应噻吩与乙炔的亲双烯加成反应产物不稳定，常失硫而得苯的衍生物。第24页，共58页，2023年，2月20日，星期一3、吡咯的弱碱性和弱酸性弱碱性吡咯分子中氮原子上虽然带有孤对电子，但是由于其参与了环状π56的共轭，为整个环状共轭体系所共享，从而使氮上电子云密度降低，孤对电子难以给出去，难以与H+结合而表现碱性。所以，吡咯的碱性很弱，甚至于大大弱于苯胺的碱性。碱性顺序：仲胺＞伯胺＞叔胺＞氨＞苯胺＞吡咯比较碱性强弱：<可缓慢溶解于冷稀酸溶液中P653,20-5第25页，共58页，2023年，2月20日，星期一3、吡咯的弱碱性和弱酸性弱酸性：可与强碱或金属作用成盐但是，吡咯（pKa=17.5）的酸性非常小，甚至远远小于酚(pKa=10)由于氮原子上孤对电子参与了环状π56的共轭，削弱了N-H键能

，使得N上的H有酸性，pKa＝17.5：酸性顺序：苯酚＞吡咯＞醇形成的π56稳定第26页，共58页，2023年，2月20日，星期一(三)呋喃、噻吩、吡咯的合成多聚戊糖水解，脱水，环化，去羰基。（1）呋喃的合成（2）噻吩的合成：丁烷与硫，或丁烯与二氧化硫高温反应糠醛第27页，共58页，2023年，2月20日，星期一(三)呋喃、噻吩、吡咯的合成（3）吡咯的合成呋喃与氨高温反应可制得吡咯1,4-丁炔二醇合成第28页，共58页，2023年，2月20日，星期一(三)呋喃、噻吩、吡咯的合成从1,4-二酮出发制备以“三乙”为原料合成2,5-己二酮2，5-己二酮第29页，共58页，2023年，2月20日，星期一(四)呋喃、吡咯的重要衍生物（1）糠醛（α－呋喃甲醛）

命名：最初由米糠与稀酸共热而得，故名糠醛。性质：糠醛具有典型的无α－H的醛的性质，与苯甲醛性质类似：

偶联：第30页，共58页，2023年，2月20日，星期一(四)呋喃、吡咯的重要衍生物（1）糠醛（α－呋喃甲醛）

第31页，共58页，2023年，2月20日，星期一(四)呋喃、吡咯的重要衍生物（2）吲哚（苯并吡咯）

吲哚仍具有芳香性，其亲电取代反应的活性比苯高，但比吡咯低。吲哚亲电取代反应发生在什么位置？主要进攻C3第32页，共58页，2023年，2月20日，星期一(四)呋喃、吡咯的重要衍生物卟啉族化合物（血红素，叶绿素）第33页，共58页，2023年，2月20日，星期一(四)呋喃、吡咯的重要衍生物第34页，共58页，2023年，2月20日，星期一第三节

唑碱性比较PKa0.42.52.47.4咪唑吡唑噻唑吡咯氮上未成键电子对没参加共轭，因此具有碱性。这对电子在sp2杂化轨道上，碱性比一般的胺弱，比略带酸性的吡咯强<<~为什么咪唑比吡咯稳定？但亲电取代活性不如吡咯？1，2唑亲电取代反应发生在什么位置？第35页，共58页，2023年，2月20日，星期一第四节

吡啶一、吡啶的结构和芳香性平面环状体系6原子均sp2

杂化6中心6电子环状大π键孤电子对在sp2杂化轨道上第36页，共58页，2023年，2月20日，星期一

吡啶环的键长也不再平均化，C-C键虽与苯相似，但C-N键变化很大，因此，其芳香性比苯差第四节

吡啶一、吡啶的结构和芳香性环上电子云密度分布不均匀：（“－”—电子云密度＞苯“＋”—电子云密度＜苯）苯环C-C键：0.140×10-9

第37页，共58页，2023年，2月20日，星期一第四节

吡啶吡啶的偶极矩与吡咯的方向相反：一、吡啶的结构和芳香性吡啶环上的氮是吸电子作用，而吡咯换上的氮是把电子转移给环。碱性，亲电取代反应类似于硝基苯酸性，亲电取代反应类似于苯胺第38页，共58页，2023年，2月20日，星期一第四节

吡啶二、吡啶的化学性质①N的一对未成键电子在SP2杂化轨道上，未参与形成环上共轭体系，可接受H+成盐—碱性。②N的电负性>C，吸电子使环上电子云密度降低可发生亲电取代，但活性不如苯，且主要在间位（性质与硝基苯相似）③N的电负性>C，吸电子使环上电子云密度降低，可发生亲核取代反应④比苯难氧化，但易还原（难氧化，易还原）第39页，共58页，2023年，2月20日，星期一第四节

吡啶二、吡啶的化学性质吡啶环上的电子云密度：第40页，共58页，2023年，2月20日，星期一二、吡啶的化学性质（1）吡啶环上的亲电取代反应（不可发生傅-克反应）

吡啶的亲电取代反应比苯困难，需在较强的条件下方可发生，且发生在β-位。反应条件苛刻显然，当吡啶环上连有供电子基团时，将有利于亲电取代反应的发生；反之，就更加难以进行亲电取代反应。第41页，共58页，2023年，2月20日，星期一吡啶的亲电取代反应所以发生在β-位，用电子理论解释：二、吡啶的化学性质（1）吡啶环上的亲电取代反应可见：①氮原子上电子云密度大，吡啶环上电子云密度小；②N的m-电子云密度比o-、p-大。所以：

吡啶与苯相比较，吡啶不易发生芳环上的亲电取代反应；如果吡啶发生芳环上的亲电取代反应，新引入基上β-位。

第42页，共58页，2023年，2月20日，星期一吡啶的亲电取代反应所以发生在β-位，除用电子理论解释外，还可以用中间体的稳定性加以说明：二、吡啶的化学性质（1）吡啶环上的亲电取代反应第43页，共58页，2023年，2月20日，星期一二、吡啶的化学性质（2）吡啶环上的亲核取代反应吡啶环的亲核取代反应主要发生在α-位和γ-位，被取代的可以是氢原子，也可以是易于离去的基团。如：齐齐巴宾反应第44页，共58页，2023年，2月20日，星期一二、吡啶的化学性质（3）吡啶环上氮的碱性及亲核性pKb

3.364.758.89.3吡啶环上有供电子基时将使碱性增强。如：

pka

5.175.795.686.02吡啶环上氮带有未成键电子对，具有碱性及亲核性第45页，共58页，2023年，2月20日，星期一二、吡啶的化学性质遇酸便形成稳定的盐。如果用非质子的硝化试剂、磺化试剂，或用卤素、卤代烷、酰氯与吡啶环进行反应，也将形成相应的吡啶盐：也可与卤代烃进行亲核取代反应（3）吡啶环上氮的碱性及亲核性温和磺化试剂碱性亲核性第46页，共58页，2023年，2月20日，星期一二、吡啶的化学性质（4）侧链α氢的反应2，4，6位烷基吡啶的侧链α氢具有酸性，其酸性与甲基酮的α氢相当，这是由于氮的吸电子性能使C=N基团有何C=O基团相似的性质，在强碱性催化条件下可进行类似醛酮的缩合等反应：ZnCl2是路易斯酸催化剂P66120-11第47页，共58页，2023年，2月20日，星期一那么为什么α-位、γ-位的侧链氢酸性强？二、吡啶的化学性质（4）侧链α氢的反应第48页，共58页，2023年，2月20日，星期一二、吡啶的化学性质（5）吡啶的氧化和还原吡啶环上氮的吸电子性能，使环稳定，不易被氧化，较易被还原。侧链可氧化生成相应的吡啶甲酸。A氧化用过氧化氢或过氧酸氧化，得到N-氧化物。第49页，共58页，2023年，2月20日，星期一二、吡啶的化学性质（5）吡啶的氧化和还原B还原第50页，共58页，2023年，2月20日，星期一烟酰胺(维生素pp)异烟酰肼（雷米封）抗结核药维生素B6烟酰二乙胺（可拉明）中枢神经兴