第十六 章杂环化合物

第十六章杂环化合物第1页，共63页，2023年，2月20日，星期二非芳香杂环：常见的杂原子：O、N、S。杂环：指由碳原子和至少一个杂原子构成的环。杂环化合物：含有杂环的且具有一定芳性的化合物。第2页，共63页，2023年，2月20日，星期二一、分类与命名单杂环：呋喃

furan

吡咯

pyrrole

噻吩

thiophene

§16-1杂环化合物的分类与命名音译法：按照IUPAC推荐的普通命名方法，用2~3个汉字音译，使用带口字旁的同音汉字。第3页，共63页，2023年，2月20日，星期二稠杂环：喹啉quinoline

吲哚indole

嘌呤purine

thiazole

imidazole

pyridine

噻唑咪唑吡啶

pyrimidine

嘧啶

第4页，共63页，2023年，2月20日，星期二系统命名法：根据相应的碳环命名。

氮杂-2,4,6-环庚三烯氧杂-2,4-环戊二烯杂环的编号3-甲基吡啶2-呋喃甲醛使杂原子的位号尽可能小（含一个杂原子）；

第5页，共63页，2023年，2月20日，星期二含有两种以上杂原子时：有些稠杂环化合物的原子编号是固定的。异喹啉嘌呤则依照O,S,N次序编号，编号时杂原子的位次之和应最小。第6页，共63页，2023年，2月20日，星期二一、呋喃、吡咯、噻吩的结构sp2杂化

§16-2五元杂环化合物第7页，共63页，2023年，2月20日，星期二结构特点：杂原子为sp2杂化，孤电子对在2p轨道上，参与共轭。由于6个π电子分布于5个原子上，整个环的π电子几率密度比苯大，为富电子芳环。芳香性顺序：噻吩>吡咯>呋喃电负性：S2.6N3.0O3.5电负性的差异造成包括杂原子在内的五元环上的电子云密度分布不均匀。第8页，共63页，2023年，2月20日，星期二离域能/kJ·mol-1：苯噻吩吡咯150.3121.387.8呋喃66.9具有共轭二烯烃结构，呋喃可以进行双烯合成反应。二、呋喃、吡咯、噻吩的性质1、主要物理性质、鉴别方法与光谱性质呋喃：与盐酸浸过的松木片反应，显绿色。吡咯：与盐酸浸过的松木片反应，显红色。噻吩：在硫酸存在下和吲哚醌作用，显蓝色。第9页，共63页，2023年，2月20日，星期二红外光谱：

呋喃、吡咯、噻吩的C—H伸缩振动：吡咯的N—H伸缩振动：非极性稀溶液中在3495cm-1有一尖锐的峰，

浓溶液中在3400cm-1出现一宽峰。

环伸缩振动(骨架振动)：1600~1300cm-1处出现2~4个峰。

3077~3303cm-1。

核磁共振谱：吡咯的α-氢化学位移值为6.68，β-氢为6.22，氮上的氢为8.0。

第10页，共63页，2023年，2月20日，星期二呋喃的红外光谱：C—H伸缩振动：3160cm-1环伸缩振动：1692cm-1、1663cm-1、1485cm-1、1380cm-1第11页，共63页，2023年，2月20日，星期二吡咯的红外光谱：N—H伸缩振动：3400cm-1环伸缩振动：1630cm-1、1580cm-1、1470cm-1、1420cm-1C—H伸缩振动：3100cm-1第12页，共63页，2023年，2月20日，星期二噻吩的红外光谱：C—H伸缩振动：3100cm-1环伸缩振动：1690cm-1、1666cm-1、1410cm-1第13页，共63页，2023年，2月20日，星期二2、亲电取代反应π电子云密度比苯环大。亲电取代反应的活性为：吡咯>呋喃>噻吩>苯；吸电子诱导-I：O(3.5)>N(3.0)>S(2.6)，取代反应主要发生在α-位上。供电子共轭+C：N>O>S，综合：贡献电子N最多，O其次，S最少。第14页，共63页，2023年，2月20日，星期二噻吩、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；吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感；由于这些五元杂环容易被破坏，稳定性差，因而对试剂及反应条件应有所控制。第15页，共63页，2023年，2月20日，星期二（1）硝化：

由于环的稳定性差，在强酸或强氧化剂的作用下环被破坏，不能用混酸硝化。因此，应在较低的温度下，使用温和的硝化剂乙酰硝酸酯。

呋喃比较特殊，先生成不稳定的2,5加成产物，然后加热或用吡啶除去乙酸，得到硝化产物。第16页，共63页，2023年，2月20日，星期二（2）卤代：第17页，共63页，2023年，2月20日，星期二（3）、磺化：

第18页，共63页，2023年，2月20日，星期二（4）酰化：

第19页，共63页，2023年，2月20日，星期二3、加成反应

催化加氢：D-A反应：

呋喃与顺丁烯二酸酐很容易加成，噻吩较难，吡咯一般不发生D-A反应。第20页，共63页，2023年，2月20日，星期二第21页，共63页，2023年，2月20日，星期二4、吡咯的弱酸性和弱碱性

碱性：苯胺>吡咯酸性：苯酚>吡咯>醇吡咯的钾盐和吡咯卤化镁，都可以用来合成吡咯的衍生物。第22页，共63页，2023年，2月20日，星期二第23页，共63页，2023年，2月20日，星期二三、糠醛及其衍生物

1、制法2-呋喃甲醛戊多糖戊糖第24页，共63页，2023年，2月20日，星期二第25页，共63页，2023年，2月20日，星期二2、主要性质第26页，共63页，2023年，2月20日，星期二3、应用良好的溶剂；许多药物和工业产品的原料。第27页，共63页，2023年，2月20日，星期二四、呋喃、吡咯、噻吩的制备法

第28页，共63页，2023年，2月20日，星期二Paal-Knorr合成法：第29页，共63页，2023年，2月20日，星期二第30页，共63页，2023年，2月20日，星期二血红素1853年分离得到晶体，1929年Fischer人工合成。五、卟啉化合物

第31页，共63页，2023年，2月20日，星期二叶绿素aR=CH3叶绿素bR=CHOWoodward完成JounalofAmericanChemistrySociety,1960,82,3800-3802第32页，共63页，2023年，2月20日，星期二维生素B12第33页，共63页，2023年，2月20日，星期二Woodward与Eschemiser合作完成。有机合成化学的里程碑。维生素B12的作用：促进红血球形成及再生，预防贫血。维护神经系统的健康。促进儿童成长、增进食欲。增强记忆及平衡感，减少刺激引起的反应。Pure

Appl

Chem,1968,17,519-547（IF=1.67）Science

1977,196,1410-1420（IF=29.237）第34页，共63页，2023年，2月20日，星期二六元杂环化合物中重要的有吡啶、嘧啶和吡喃等。吡啶

pyridine

嘧啶

pyrimidine

吡喃

pyran

§16-3六员杂环化合物第35页，共63页，2023年，2月20日，星期二一、吡啶的结构

结构特点：杂原子的共轭效应和诱导效应都是吸电子的；未成键电子对在sp2杂化轨道上，不参与共轭。

sp2杂化第36页，共63页，2023年，2月20日，星期二二、吡啶的来源和制法

许多生物碱、维生素、辅酶Ⅰ及辅酶Ⅱ都含有吡啶环。工业制法：第37页，共63页，2023年，2月20日，星期二实验室制法：Hantzsch合成法（β-酮酸酯、甲醛、氨）。2,6-二甲基-3,5-二乙氧羰基吡啶第38页，共63页，2023年，2月20日，星期二反应机理：

第39页，共63页，2023年，2月20日，星期二三、吡啶的化学性质

1、亲电取代反应：

反应比苯难，不能发生傅氏烷基化、酰基化反应；

硝化、磺化、卤化必须在强烈条件下才能发生；

吡啶环上有供电子基团时，反应活性增高；吡啶N原子可以看作是一个间位定位基。

反应特点：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。第40页，共63页，2023年，2月20日，星期二2、氧化和还原

吡啶环对氧化剂稳定，比苯环难氧化。3-氯吡啶3-吡啶磺酸3-硝基吡啶第41页，共63页，2023年，2月20日，星期二用过氧化氢氧化，可得N-氧化吡啶，N-氧化吡啶较易发生亲电取代，取代基主要进入对位。第42页，共63页，2023年，2月20日，星期二吡啶比苯易还原。3、亲核取代反应：

4、弱碱性

第43页，共63页，2023年，2月20日，星期二第44页，共63页，2023年，2月20日，星期二§16-4稠环化合物一、喹啉的结构和性质

喹啉的亲电取代反应发生在电子云密度较大的苯环上，取代基主要进入5或8位。

亲核取代主要发生在吡啶环的2或4位。

第45页，共63页，2023年，2月20日，星期二亲电取代：

第46页，共63页，2023年，2月20日，星期二亲核取代：

氧化反应：

还原反应：

第47页，共63页，2023年，2月20日，星期二二、合成

喹啉及其衍生物的合成，常用Skraup法。原料：苯胺和甘油；脱水剂：浓硫酸；氧化剂：硝基苯。实际操作为一次投料，但反应是分步进行的。第48页，共63页，2023年，2月20日，星期二反应机理：

第49页，共63页，2023年，2月20日，星期二选择不同的苯胺衍生物为原料，可以合成不同的喹啉衍生物。

8-羟基喹啉苯并喹啉第50页，共63页，2023年，2月20日，星期二用不同的α,β-不饱和醛、酮代替甘油，也能合成不同的喹啉衍生物，这一反应称为Doebner-Miller（德布纳-米勒）反应。

2-甲基喹啉4-甲基喹啉第51页，共63页，2023年，2月20日，星期二52第52页，共63页，2023年，2月20日，星期二53第53页，共63页，2023年，2月20日，星期二课后习题解答2、为什么呋喃能与顺丁烯二酸酐进行双烯合成反应，而噻吩及吡咯则不能？试解释之。五元杂环的芳香性比较是：苯>噻吩>吡咯>呋喃，由于杂原子的电负性不同，呋喃分子中氧原子的电负性较大，π电子共扼减弱，而显现出共轭二烯的性质，易发生双烯合成反应，而噻吩和吡咯中由于硫和氮原子的电负性较小，芳香性较强，是闭合共扼体系，难显现共扼二烯的性质，不能发生双烯合成反应。4、吡咯可发生一系列与苯酚相似的反应，例如可与重氮盐偶合，试写出反应式。第54页，共63页，2023年，2月20日，星期二8、解决下列问题：(1)区别吡啶和喹啉；(2)除去混在苯中的少量噻吩；(3)除去混在甲苯中的少量吡啶；(4)除去混在吡啶中的六氢吡啶。（1）吡啶溶于水，喹啉在水中的溶解度很小（2）噻吩溶于浓H2SO4，苯不溶。用分液漏斗振荡后分液。（3）吡啶溶于水，甲苯不溶。第55页，共63页，2023年，2月20日，星期二（4）苯磺酰氯与六氢吡啶生成酰胺，蒸出吡啶。12、α、β-吡啶二甲酸脱羧生成β-吡啶甲酸（烟酸）：为什么脱羧在α-位？第56页，共63页，2023年，2月20日，星期二负电荷处在α-位能被电负性大的氮所分散，负电荷处在b-位则不能被有效的分散。第57页，共63页，2023年，2月20日，星期二一、命名下列化合物第58页，共63页，2023年，2月20日，星期二1、1,3-二甲基吡咯2、3,4-二氢吡