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，孤电子对不参与共轭，可以与质子结合或给出电子，显弱碱性。利用它的碱性，可从混合物中分离吡啶类化合物，在化学反应中还可用作催化剂和除酸剂。4化学反应(1)氮原子上的反应(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。

由吡啶的共振式分析:结论:1.环上带正电,不利于亲电取代2.b位的正电荷密相对较低解释原因:由取代反应的中间体稳定性分析1.取代在a

位2.取代在b

位3.取代在g

位中间体较为稳定实验事实：钝化和b取代其它反应现象环上有给电子基时反应相对较易进行(3)亲核取代反应取代主要发生在a

位当a或g位有其绘它离去倍基团时待，反应仪易发生(4)啄氧化和萝还原反应氧化在侧盈链上氧化在N上复习：叔想胺的氧化吡啶的类胜似反应N-氧化吡啶菠的性质：才比吡啶易哄与亲电试思剂或亲核令试剂反应(a)与亲电觉试剂的杜亲电取趴代(b)与亲核试颂剂的亲核国加成为什么N-氧化吡哥啶既有亲煤电性又察有亲核唤性(a)由共振结捷构分析（虏有两种形及式的共振容式）有苯氧淘基负离寻子特点肉，环上迎的2世,4拜,6絮三个畏位置负荒电荷密锋度较大保留吡衬啶的特香点，氧黑负离子嘉使环上意的正电想荷密度亿增大(b)由反应过妙程分析（霸中间体的慕稳定性分址析）亲电取代丑及进一步伶的反应过碧程对比：吡仆啶的直接酸亲电取代不稳定(二）虽喹啉和异酸喹啉喹啉和熔异喹啉堡：1结货构与物向理性质怨：结构：贵*杂办环部分四性质象烂吡啶(历碱性和常亲和性致、亲电糟取代、亲核取烛代、氧规化反应放、还原更反应、工支链上躬的反应饺)*碳环塞部分性限质象萘可(亲电锅取代及桃其取代蒙定位作锋用)碱性强蓬弱：喹家啉＜吡烦啶＜异惭喹啉喹啉在丹常温时兔是无色正油状液货体，有哪类似吡反啶的恶北臭，沸点2附38℃乔，异喹贫啉为低饰熔点的集固体，精气温类泊似于苯甲醛，方熔点26艳℃，沸点签243℃软。物理性劝质：（1）咐亲者电取代猾反应:反应产物农受介质的瘦影响。若耐反应在酸士性介质中纸进行，取辉代主要在境苯环上发汇生。喹啉长主要发生榨在C-5与C-8位，而墙异喹啉老以C-5产物为主狡。若反应盈在有机唯溶剂中型进行，盖取代在批杂环上摊发生。2化学常反应从反应中剧间体的稳基定性解释完反应结果神：（2）讯亲阻核取代品反应亲核取代钓反应主要姜在吡啶环倚上发生，纱喹啉的反效应位置在2位和孝4位(2呈位为主)敬，异喹啉牌在1位；实例：（3）笑氧化反贼应*1喹茂啉和异喹董啉与绝大搞多数氧化约剂不发生展反应；*2与撒高锰酸钾说能发生反疤应：*3端喹啉与胀异喹啉在副过酸的作付用下均可吃形成N-氧化物桑。（4）标还原反晃应反十氢气喹啉顺十氢喹晌啉3孕喹啉绕及其衍选生物的仿合成1茧斯克劳普况(Skr德aup批,Z剖.H.演)反应：苯桥胺、甘油厨、硫酸和腾基苯等氧咸化剂一起懂作用，生后成喹啉的并反应称为缸斯克劳普柴反应。实谜例eg2eg疑1eg4eg推32欺弗里德挠伦德(Fri丹edl联and森er)反应：eg1eg涛2芳香族邻跟氨基羰基路化合物发洒生缩合反孩应，得到清喹啉或它遇的衍生物弱，这称为汽弗里德伦堪德反应。(三）伐含二烂个氮原便子的六幼元杂环含有两个族氮原子的变六元杂环涨体系称作采二嗪类，阁因氮原子在环中昆的相对隔位置不召同，二隆嗪类有叼三种异述构体：垫哒嗪、嘧啶、脖吡嗪。哒嗪(pyri巴dazi构ne)嘧啶(pyri袍midi纳ne)吡嗪(pyra悦zine柱)1结构荐与物理性广质二嗪类环矮上的两个呜氮原子，葱其电子构掠形与吡啶尚中的氮原荣子相同，际各有一搁对未共估用电子艇对，位但于sp2杂化轨肚道上，孟能与水经氢深键缔合她。哒嗪与帖嘧啶因蜂结构的谈不对称社性，分期子有一定的极今性，可泻与水混摸溶，吡燃嗪因分挎子极性洁小而水络溶性略荷小。二嗪类化他合物都是扭一元碱,干而且碱性坦都比吡啶桌弱.2化此学反应（1）汤.评亲电闷取代反眯应反应最易芒在2位发吗生，其次突是4,6需位取代卤侧素要比火取代负耽氢更容模易（2）爪.君亲黑核取代招反应利用亲永核取代编反应可袋制取烃凭基取代着的二嗪肃。二嗪不声易被氧王化。若只用过酸疲氧化，融得嘧啶测单N-氧化物（3）撇氧化（4）性侧链α-H反应羟醛缩桌合型烷基化械反应吡喃环系吡喃及其幻玉衍生物无瞎芳香特性吡喃酮尽的钅羊盐是冠芳香体县系。(四)摄含氧原啄子的六元仍杂环(一喇)堤呋喃、砌噻吩、港吡咯的急结构(二)貌吲行哚(三)症含两躺个杂原子陶的五元杂降环第三节筋五元旦杂环化合农物吡咯的结坚构孤电子无对在p轨道上。吡蚀咯结构：吡呼咯N是sp2杂化，孤腹电子对参旱与共轭。反应：铅碱性较赛弱，环寄易发生怪亲电取棕代反应柔，环上姥相当有一个幼邻对位歉定位基没。共轭效应咏是给电子滴的。诱导浴效应是吸吩电子的。(一)部呋喃逆、噻吩、静吡咯的结敢构呋喃、噻比吩的结构耀请同学自桑己分析。1电举子结构合及芳香相性呋喃、徒噻吩、流吡咯在万结构上摧具有共景同点，裂即构成钢环的五若个原子钟都为sp2杂化，硬故成环袋的五个垮原子处永在同一甚平面，港杂原子舍上的孤炭对电子桶参与共悬轭形成虹共轭体惕系，其π电子数符条合休克尔独规则（π电子数=4n+2），所以，妖它们都蛾具有芳碑香性。2物待理性质都能溶蛮于有机捷溶剂,闪水溶解辟度都小筐于六元锦杂环吡加啶溶解度捕顺序为块：吡咯狱﹥呋喃税﹥噻吩吡咯几乎牙不显碱性哗,相反奸具有弱酸益性3接呋喃、噻绕吩、吡咯基化学反应分子接孙受一个险质子的窄反应称揪为质子孔化反应烤.（1）孩呋喃、雨噻吩、脏吡咯在穿酸的作情用下可谱质子化东；（2）限质子化反迫应主要发毛生在C-2上；α-C质子化β-C质子化N-质子化质子化反若应（3）书由于α-C的质子准化反应驳，吡咯陡在强酸洗作用下会因放聚合而冻被破坏拦；（4）圾在稀的酸吃性水溶液棕中，呋喃武的质子化火在氧上发生腐并导致扰水解开答环。呋喃、噻叠吩、吡咯找的亲电取跟代反应*1亲满电取代反师应的活性氏顺序为：吸电子诱最导：O(3.编5)>免N(3校.0)蚊>S(竟2.6)给电子暂共轭：N>O>S综合：N贡献电子快最多，O其次，S最少①电子密唱度

②σ-络合物八隅体结伏构最稳定无最稳区定结构（1）概慢述*2助取代反应栽主要发生枪在α-C上；*3懒吡咯、呋洋喃对酸及炎氧化剂比微较敏感，弓选择试剂时需要马注意；*4辞噻吩援、吡咯质的芳香穗性较强译，所以狮易取代阿而不易加成；年呋喃的石芳香性住较弱，鄙虽然也箭能与大少多数亲电试剂酬发生亲电类取代，但揪在强亲核倚试剂存在下，能悔发生亲岁核加成肝。离域能：编噻吩：1舌21.3kJ·m泉ol-1吡咯：推87.捏8kJ·m忌ol-1呋喃：岔66.捞9kJ·m忆ol-1（1）菠呋喃漆、噻吩、资吡咯的卤咏化反应反应强用烈，易前得多卤钢取代物滥。为了共得一卤椒代(Cl,旬Br填)产物，要姨采用低温样、溶剂稀捆释等温和业条件。碘不活图泼，要耗用催化引剂才能齿发生一挂元取代（2）不呋喃、皮噻吩、闹吡咯的哗硝化反棋应呋喃,剥噻吩藏和吡咯照易氧化戴,一术般不用铸硝酸直盐接硝化隔;通常用窜比较温伏和的非盖质子硝缸化试剂胶，如：冻硝酸乙厨酰酯。反应在低目温下进行蝴。呋喃比狮较特殊国,先生黑成稳定雄的或不肠稳定的定2,5宽加成产逐物,然后加热凑或用吡啶仅除去乙酸乱,得到硝例化产物。（3）辛呋喃苗、噻吩、皂吡咯的磺谨化反应吡咯、呋父喃不太稳疗定，所以泽须用温和铸的磺化试剖剂磺化。萝常用的温尺和的非质句子的磺化芬试剂有：恢吡啶与三泻氧化硫的说加合化合博物。噻吩比较沿稳定，既衡可以直接果磺化（产费率稍低）熊，也可以颠用温和的而磺化试剂夏磺化。(固体，购含量90闯%)S+

NSO3ClCH2CH2Clr.

t.SSO3-Ba(OH)22Ba2+（4）富呋喃、及噻吩、法吡咯的画傅氏酰娘基化反养应Eg1Eg真4Eg沉3Eg2sp2杂化sp3杂化碳上酰挖化，正扔电荷处宾在离域叶范围内辫，较稳还定。氮上酰化疾，正电荷刃不处在离鸭域范围内标。呋喃、噻疏吩的酰化韵反应在-C上发生，眼而吡咯的吊酰化反应敲（不用催疫化剂）既豪能在-C上发生，告又能在N上发生圣。在-C上发生比究在N上发生容灿易。（5）痛吡咯的扛特殊反绞应吡咯的凡性质与软苯酚类鹅似，都排具有酸晕性，但原吡咯的纯酸性比轮苯酚小扩。吡咯骨与苯胺网也有类失似性质谎。吡咯成制盐后，筑使环上鼠电荷密鼻度增高耀，亲电币取代反推应更易廉进行。HCO众N(C费H3)2POC长l3CHCl325%牌NaO咐H(NH4)2CO3130oCC6H5N2+X-C2H5OH-H2OA塘cONaRMgX1CO22H2OCO2加热加顺压RCOC庄lRX(6)伶呋喃、劈燕吡咯、贤噻吩的见加成反间应（1）数加氢监反应（2）Diel剧s-Al乓der反应呋喃最睁易发生Die首ls-梅Ald虽er反应AlCl3NHCCH3H3CCOOCH3COOCH3OCH3噻吩基玩本上不折发生双备烯加成刻，即使峰在个别累情况下沾生成也雅是一个如不稳定射的中间暮体，直霜接失硫巷转化为境别的产删物。对取代顽位置的炎解释（举对反应袋中间体练的相对双稳定性星的分析占）取代在a位取代在b位(二)遥吲诞哚三种五副员杂环乖苯并体汗系亲电取并代反应阿：从反应的勉中间体分鸭析：进攻3锯-位,顿反应易惭于进行吲哚的合给成苯肼与成醛、酮嫌类化合盯物在酸绸性条件解下加热盛生成吲浇哚及其众衍生物叙的反应跨称为费袜歇尔(Fisc话her,串E.)合成法。（1）互烘变异构N-N巡寿(单键)N=N挪(双键)5-甲基细咪唑4-甲沿基咪唑4(5)蔬-甲基咪载唑(因为雄4-甲基刑咪唑和5四-甲基咪扛唑不可分遥离)1吹唑祝的结构(三)版含有两仓个杂原韵子的五串元杂环旷体系（2）结识构吡咯N(孤电子对赴参与共轭伞，所以碱荐性较弱)吡啶N(孤电子咐对不参局与共轭芳，所以犯碱性较信强)吡咯N的孤电子卫对处于p轨道一般胺犬中的N是sp3杂化。N的孤电床子对处抚于sp3杂化轨道sp3轨道碱性：N的孤电子沈对处于sp2杂化轨淹道吡啶N与吡咯N均为sp2杂化。（2）碱漂性1.借1,2罪-唑与1誓,3-唑塌都有吡啶N，所以都沙有碱性什。2.喜1,3胡-唑的碱技性比1,粒2-唑强肤。因为两个炕杂原子互女相影响大蛛。3.狭咪唑的渡碱性＞噻诊唑的碱性惰＞噁唑的水碱