第十四杂环化合物

第十四杂环化合物第一页，共五十六页，编辑于2023年，星期一杂环化合物(HeterocyclicCompounds)

是指构成环的原子除了碳原子之外还有其它原子的环状化合物。杂环中除碳原子以外的原子都叫做杂原子。最常见的杂原子是氮、氧和硫概述第二页，共五十六页，编辑于2023年，星期一本章讨论比较稳定、具有一定程度芳香性（π键电子数：4n＋2）的杂环化合物，这类化合物具有芳香性，通称为芳（香）杂环化合物（aromaticheterocycles）

苯吡啶吡咯呋喃第三页，共五十六页，编辑于2023年，星期一一、分类和命名

杂环化合物可按环的大小：

五元杂环和六元杂环按杂环中杂原子数目的多少：含有一个杂原子和含有两个以上杂原子的杂环按环的形式：

单杂环和稠杂环1.分类第四页，共五十六页，编辑于2023年，星期一第五页，共五十六页，编辑于2023年，星期一1.分类2.命名杂环化合物的命名按IUPAC命名原则规定,保留特定的45个杂环化合物的俗名和半俗名并作为命名的基础。以此原则为准，我国多采用“音译法”，即按英文名称的读音，选用同音口字旁的汉字（“口”字旁表示为杂环）对杂环化合物进行命名命名时需要记住母环名称，编号时不同的母环有不同的编号方法第六页，共五十六页，编辑于2023年，星期一呋喃(furan)噻吩(thiophene)吡咯(pyrrole)O1234αβ5αβS12345αββα5NH1234ααββ（1）含一个杂原子的五元环当环上有取代基时，对环上的原子编号，从杂原子开始，使取代基位号尽可能小。第七页，共五十六页，编辑于2023年，星期一5－硝基－2－呋喃甲醛噻吩－2－磺酸SSO3HOO2NCHO第八页，共五十六页，编辑于2023年，星期一（2）含两个杂原子的五元环异噻唑(isothiazole)吡唑(pyrazole)异噁唑(isoxazole)编号从杂原子开始，选择杂原子的顺序为：－O－

＞－S－＞

－NH－＞－N=12345NO12345NSNNH12345第九页，共五十六页，编辑于2023年，星期一噁唑(oxazole)噻唑(thiazole)咪唑(inidazole)NO12345NS12345NNH123452－乙基噻唑5－硝基咪唑第十页，共五十六页，编辑于2023年，星期一（3）含一个杂原子的六元环吡啶(pyridine)吡喃(pyran)γ-吡喃酮(γ-pyrone)α-吡喃酮(α-pyrone)N123456O123456123456OO123456OOαβγαβγγγααββ2－甲基吡啶α－甲基吡啶4－吡啶甲酸γ－吡啶甲酸第十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期一（4）含两个杂原子的六元环哒嗪(pyridazine)嘧啶(pyrimidine)吡嗪(pyrazine)123456NNNN123456123456NN2－氨基嘧啶2,4－二氨基嘧啶第十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期一（5）稠杂环命名喹啉(quinoline)异喹啉(isoquinoline)苯并吡喃(benzopyran)苯并--吡喃酮(benzo--pyrone)嘌呤(purine)吲哚(indole)N12345678N1234567812345678OOONH1234567NNNHN123456789αβ第十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期一NSO3HIOH2－吲哚乙酸7－碘－8－羟基－5－喹啉磺酸第十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期一（6）几点说明*

有的环有两种或多种异构体，为了区别，还必须标明环上一个或多个氢原子所在的位置，即在名称前面加上标位的阿拉伯数字及斜体大写的“

H

”。这种氢则称为“指示氢”或“标氢”

1H－吡咯3H－吡咯4H－吡喃2H－吡喃1H－吲哚3H－吲哚第十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期一*

含活泼氢的杂环及其衍生物，可能存在互变异构体，结构不同，名称也异，命名时需要标明其两种可能的位号9H－嘌啉7H－嘌啉5－甲基吡唑3－甲基吡唑2,4－二羟基嘧啶2,4－嘧啶二酮NNNHNNNNHNNHNH3CNNHH3CNNHOOHHNNHOO第十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期一一、分类和命名二、六元杂环化合物1.吡啶（1）电子结构和芳香性第十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期一氮的电负性较强，使环上电子云不是完全平均化；靠近N周围电子云密度较大。芳香性比苯小。N1.430.841.01087.1.001.00N第十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期一=2.20D=1.17DNHN吡啶具有较大的极性，吡啶氮原子上的未共用电子对可以与水形成氢键，与水能以任意比例混溶，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，是一个良好的有机溶剂（2）物理性质第十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期一（3）化学性质a.碱性与成盐pKb3.364.758.89.3通过氮原子上的未共用电子对，吡啶可以与酸及其它亲电试剂发生反应。与许多质子酸生成结晶的盐，可用作碱性溶剂和脱酸剂（缚酸剂）第二十页，共五十六页，编辑于2023年，星期一N+CH3INCH3IN+SO3NSO3»òNSO3N+HClNHCl或NHCl第二十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期一a.碱性与成盐b.亲电取代反应N20%NNO2浓HNO3,浓H2SO4300ºC，24h70%NSO3H发烟H2SO4,HgSO4220ºCNBr39%

300ºCBr2,沸石第二十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期一a.碱性与成盐b.亲电取代反应c.亲核取代反应亲核取代优先在α位上发生，如果α位上有取代基，则反应在γ位上发生。常需用强碱性的亲核试剂（如NaNH2,RLi等）NNNH2NH3heat+

NaNH2N+

LiPhNPh第二十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期一a.碱性与成盐b.亲电取代反应c.亲核取代反应d.氧化还原反应吡啶环本身不易被氧化，但它的侧链很容易被氧化成醛或羧酸NCH3KMnO4OH,

heatNCOOH第二十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期一吡啶与过氧羧酸或过氧化氢作用时，可得到合成上很有用的中间体吡啶Ｎ-氧化物吡啶Ｎ-氧化物与吡啶不同，它进行亲电取代反应比较容易，同时也能进行亲核取代反应，且取代反应都发生在a－位或γ－位第二十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期一Ｎ-氧化物常用来活化吡啶和起定位作用，为合成某些取代吡啶提供了一条可行的途径NH2O2/AcOH,65

C°or

CH3CO3HNONOHNO3,H2SO490

C°NONO2PCl3NNO2HOC2H5NOOC2H5PCl3NOC2H5NaOC2H5第二十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期一吡啶缺电子，加氢还原比苯容易，既可被催化加氢还原，还可被化学试剂还原pKa：8.811.2NH2,Pt°25

C,0.3MPaNH第二十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期一1.吡啶2.喹啉和异喹啉（1）结构与物理性质喹啉和异喹啉可看成是萘的含氮类似物。二者分子中氮原子上的未共用电子对均位于sp2杂化轨道，碱性与吡啶相近。喹啉的pKa为4.9，异喹啉的pKa为5.4。第二十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期一（1）结构与物理性质（2）亲电取代反应N浓HNO3浓H2SO4

0

C°NN+NO2NO2浓

H2SO4NNSO3H第二十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期一（1）结构与物理性质（2）亲电取代反应（3）亲核取代反应（4）氧化还原反应NKMnO4H,

heatHOOCHOOCNNH2,

PtNHH2,

PtNH第三十页，共五十六页，编辑于2023年，星期一（1）结构与物理性质（2）亲电取代反应（3）核亲取代反应（4）氧化还原反应（5）喹啉合成－斯克劳普(Skraup)法苯胺、甘油、硫酸和硝基苯等氧化剂一起作用，生成喹啉的反应称为斯克劳普反应H2SO4NH2+CHOHCH2OHCH2OHNNO2+FeSO4第三十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期一反应过程包括如下步骤：H＋CHOHCH2OHCH2OHH2SO4FeSO4CHCHOCH2NH2+CHCHCH2ONHOHNHONHHOHNHOHHNHOH2H第三十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期一1，2－二氢喹啉-H2ONH+NO2NHNH+NH2第三十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期一1.吡啶2.喹啉和异喹啉3.含两个N原子的六元杂环（二嗪类）

哒嗪嘧啶吡嗪(pyridazinepyridinepyrazine)第三十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期一

尿嘧啶胞嘧啶胸腺嘧啶

(RNA)(RNA/DNA)(DNA)第三十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期一1.吡啶2.喹啉和异喹啉3.含两个N原子的六元杂环（二嗪类）4.含O原子的六元杂环4H－吡喃2H－吡喃α－吡喃酮β－吡喃酮第三十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期一OOOOCH3ICH3IOOH3CCH3CH3IOOCH3H3CCH3I第三十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期一

香豆素色酮

黄酮第三十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期一呋喃(furan)噻吩(thiophene)吡咯(pyrrole)O1234αβ5αβS12345αββα5NH1234ααββ三、含一个杂原子的五元环当环上有取代基时，对环上的原子编号，从杂原子开始，使取代基位号尽可能小。第三十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期一由于环上原子电负性不同，键长不是完全平均化，其芳香性不如苯环；杂原子共轭效应是给电子的。诱导效应是吸电子的。芳香及饱和五元杂环的偶极矩方向及数值如下S-

6.33x1030C.m-30

.5.76x10Cm1.70x10-30C

.m5.25x10-30C.mO6.03x10-30C

.m

-2.33x1030C.mOSNHNH第四十页，共五十六页，编辑于2023年，星期一三个五元杂环都能溶于有机溶剂，水溶解度都小于六元杂环吡啶，这是由于杂原子与水分子缔合的倾向减弱所致，它们的水溶解度顺序为：

吡咯＞呋喃＞噻吩第四十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期一1.酸碱性吡咯虽具有仲胺结构，但几乎不具有碱性，相反，吡咯氮上的氢却因此变得较活泼，显示出弱酸性，其pKa=17.5。吡咯能与强碱如金属钾及固体氢氧化钾共热成盐：NH+KOHNK++H2OpKa=7.4第四十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期一1.酸碱性2.亲电取代反应这三个化合物是5原子6电子的富电子芳香体系，其亲电取代反应活性较强。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。亲电取代活性：第四十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期一三种五元芳杂环较易发生亲电取代反应，但它们对氧化剂、酸性介质也很敏感，特别是吡咯和呋喃遇强酸时，容易发生聚合、氧化、开环等副反应，必须用特殊的试剂。苯＞噻吩＞吡咯＞呋喃稳定性和芳香性顺序：第四十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期一（1）卤代反应OOClOClCl+Cl2-40

C°SSBrBr2,

AcOHSI2KI

HgOOIIII第四十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期一呋喃与卤素反应几乎是爆炸式地完成，反应需在低温、试剂的浓度很低的条件下，才可以顺利进行。吡咯的活性与苯胺相似，容易生成多卤代物。与等摩尔的SOCl2进行氯化，也可得到一氯代吡咯

NH

+

SOCl2NHCl80%

0ºC第四十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期一（1）卤代反应（2）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+

HNO3CH3COCCH3

OOCH3CONO2

+

CH3COOHO第四十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期一SAcONO20

oCAc2O/AcOHSNO2+SNO260

%10

%第四十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期一（1）卤代反应（2）硝化反应（3）磺化反应吡咯、呋喃不太稳定，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。N+

SO3NSO3CH2Cl2室温第四十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期一NOOSO3HOSO3-N+HClSO3CH2Cl2室温S室温98%H2SO4SSO3H第五十页，共五十六页，编辑于2023年，星期一吡咯的性质与苯酚的性质很相似，如可以发生瑞默尔－梯门反应（Reimer-Tiemann）和与重氮盐偶合反应NHPhN2+Cl-CHCl325%KOHEtOH,

H2ONHNHCH