第十五章杂环化合物

第十五章杂环化合物主讲：曾向潮生命科学技术学院化学系主要内容1.杂环化合物的分类、命名和结构2.五元杂环化合物及其化学性质3.六元杂环化合物4.稠杂环化合物（吲哚、喹啉）学习提要学习杂环化合物的分类和命名。掌握杂环化合物中结构与芳香性的关系。掌握五元杂环化合物、六元杂环化合物的结构和性质。了解一些重要杂环衍生物的结构特点、用途。了解生物碱的结构特点、用途本章重点杂环化合物的分类和命名杂环化合物的结构与芳香性呋喃、噻吩、吡咯、吡啶的结构与性质第一节杂环化合物的分类、命名和结构OO1.

分类和命名根据有无芳香性，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：ONHNH四氢呋喃1,4-二氧六环四氢吡咯六氢吡啶N奎宁环通常，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(芳杂环)。常见的杂环化合物如下：√√

√

√√√命名：杂环化合物的命名常用音译法，是按外文名词音译成带

“口”字旁的同音汉字。例如：5（以O、S、N为序！）O

CHOa-呋喃甲醛2-呋喃甲醛糠醛NS3H

C5-甲基噻唑5-methylthiazoleN1咪唑imidazole3N24S54N

321噻唑thiazoleNH(pyrrole)吡咯O(furan)呋喃S(thiophene)噻吩N(pyridine)吡啶NN(pyrimidine)嘧啶N(quinoline)喹啉NN

NHNNH(indole)吲哚(purine)嘌呤2.

结构和芳香性（1）五元杂环的结构呋喃、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。sp2杂化p轨道sp2轨道p轨道s轨道Np轨道H吡咯(

N-H

)：N:2s

22p

3呋喃、吡咯、噻吩的结构sp2杂化呋喃、噻吩、吡咯在结构上具有共同点，即构成环的五个原子都是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。由于环上的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。OSNHSOH

N65为Π共轭体系π

电子=6符合4n+2具有芳性富电子芳环下列实验事实均说明呋喃、噻吩、吡咯具有芳香性：①键长数据呋喃、噻吩、吡咯都具有一定程度的键长平均化：注：普通C＝C键长0.133nm；普通C－C键长0.154nm。②环流效应它们的核磁共振吸收均出现在低场：③离域能数据NHOS

d

6.24d

7.29

d

6.99d

7.18d

6.22d

6.68d

6.43d

6.28CH2以上的数据或实验事实说明，芳香性：NHSO与苯的性质接近具有部分共轭二烯的性质（2）六元杂环的结构结果是：Nsp

2吡啶中氮原子采取不等性sp2杂化：psp

2pN①由于吡啶环中有6中心6电子的大π键，符合休克尔

4n+2规则，所以吡啶环亦有芳香性。但由于键长未完全平均化，其芳香性不及苯。正常值(单位：nm)0.140nm0.139nmN

0.134nm0.140nm0.140nmC-N

C=N

C=C C-C0.147

0.128

0.133

0.154吡啶分子的偶极矩数据(D＝7.4×10-30C•m)也表明吡啶分子中电子去不是完全平均分布的。NNN-+N+-N+-能量最低，贡献最大电荷分离，氮带负电荷④吡啶环也有环流效应，说明吡啶有芳香性：Nd

7.55d

7.16d

8.52②由于吡啶环中氮原子上的一对孤对电子与苯环共平面（填入sp2轨道中），不参与环状共轭体系，所以这一对孤对电子很容易给出去从而表现出碱性。N③吡啶的结构可用共振论表示为：一些杂环化合物的电荷分布：γ

0.18α

0.15β

0.05N-0.43OSα

-0.10βN

0.32Hβ

-0.02β

-0.04α

-0.03α

-0.06-0.060第二节五元杂环化合物及其化学性质1.

亲电取代亲电取代反应比苯快，新引入基上α-位。O+

Br2卤代OBr+HBr。1,4-二氧六环25

C，75%硝化O+

CH3COONO2ONO232+

CH

COONOSNO2S醋酸硝酰，一种弱的硝化试剂不用强酸，否则呋喃或噻吩开环聚合！ZZ

=(NH、O、S)+E+

+E

EZ

H

Z

H+EZ

H+ZEH+ZEH+正电荷可在三个原子上离域正电荷只能在两个原子上离域亲电取代发生在α-位的理论解释2)

β-位上有取代基SX

=o、p

-定位基X(主)(次)SY

=m

-定位基Y(主)2555-位被占,则进入4-位,而不进入2-位SX

=o、p

-定位基X(主)SY(次)5(次)35Y

=m

-定位基(主)41)

α-位上有取代基OCHO543

2(CH

)

CHClAlCl3Cl2OCHO5ClOCHO4(CH3)2CHNHNH不能用强酸！C5H5N

SO3SO3HOSO3HC5H5N

SO3O磺化吡啶三氧化硫，一种温和的磺化剂SSSO3H室温浓H2SO4（苯在室温下不能磺化！）说明：①噻吩环芳性比呋喃环和吡咯环强，较稳定；②噻吩环上电子云密度比苯环大，更容易磺化。利用磺化反应可分离苯和噻吩：。(

b.p81

C)S

。(

b.p84

C).室温浓H2SO4SSO3H（酸层）（苯层）分液蒸馏无噻吩苯NHCOCH3NH+(CH3CO)2O60%150-200

C。付氏酰基化：2.

加成O+

H2ONH+

H2NHPdPd（THF,重要溶剂）（吡咯烷，R2NH的性质）SH2,MoS2200

C,20MPa。S四氢噻吩KMnO4SO

O环丁砜，重要溶剂含硫，可使催化剂中毒!O

+OOOOOOCCO23411432呋喃环具有共轭双烯的性质！3.

吡咯的弱碱性和弱酸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：苯胺（Kb=3.8×10-10）>>吡咯（Kb=2.5×10-14）能与强酸成盐

不能与强酸成盐，遇酸分解N

Hsp

2sp

2pN

H参与环体系共轭离域于整个共轭体系难以表现出碱性另一方面，吡咯有弱酸性：NH+N-K++H2OKOH(S)H2O原因：可形成稳定!N-p

65

,但是，吡咯（pKa=17）的酸性非常小，甚至远远小于酚（pKa=10）。4.

颜色反应呋喃绿色HCl-松木片吡咯红色HCl-松木片噻吩糠醛蓝色靛红-H2SO4红色醋酸－苯胺用于区别检验五元杂环5.

吡咯的重要衍生物最重要的吡咯衍生物是含有四个吡咯环和四个次甲基(-CH=)交替相连组成的大环化合物。其取代物称为卟啉族化合物。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，环络合的是

Fe；叶绿素中环络合的是Mg（P379）。α4β51δ82

367γNH

NHNN6.

噻唑和咪唑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及合成药物含有噻唑结构，如青霉素、维生素B1等。青霉素结构:SON

CCH

NH

C

ROHOOCCH

3CH

3R

=CH2S

CH3R

=CH2

O

R

=

CH CH

CH2为青霉素G为青霉素V为青霉素O常用青霉素2．维生素B1（VB1）NNCH2

NCH3CH2CH2OHNH3ClCH3S噻唑环Cl对糖类的新陈代谢有显著的影响，人体缺乏时可以引起脚气病第三节六元杂环化合物NNN嘧啶H2NNNSO2NH磺胺嘧啶(SD)吡啶1.

吡啶的碱性与亲核性由于氮上孤对电子与苯环共面，不参与环体系的共轭，所以吡啶有碱性和亲核性，而且碱性大于苯胺：碱性：R3NNNH2Kb

:6.2 10-52.3 10

-9

3.910

-10N+N+

HClNHCl-+（吡啶盐酸盐）NNCH3+

CH3II-（吡啶季铵盐）N+

SO33N+SO-（吡啶三氧化硫，温和磺化剂）2.

吡啶的亲电取代反应由于吡啶环的N的电负性比C大，故吡啶环上的电荷分布不均。如以苯环碳原子上的电子云密度为0,

则（P375）:N

HNNN

上的孤电子对在

P

轨道上，参与

环内共轭，为富

电子芳环。N

上的孤电子对在

sp2

轨道上，在环外未参与环内共轭。C_

sp2N_

sp2成环原子共平面Π

6

体系6γN0.18βα-0.430.050.15电荷分布亲电取代亲核取代N>β

>α

>γβ

位γ

位α，NNClNBrNNO2NSO3H100

℃Br2,浮石催化Cl2,

AlCl3300

℃

气相浓H2SO4HgSO4

催化，220

℃混酸300

℃氯吡啶溴吡啶硝基吡啶吡啶磺酸3333吡啶的亲电取代反应所以发生在β-位，可以用中间体的稳定性加以说明：NHE+NHE+NHE+N+E+NN+NE特不稳定+HHE+HENNEH+HEN+HE+特不稳定进攻γ

位进攻β

位进攻α

位3.

吡啶的亲核取代反应（

α-位为主）NClCH

3ONaNaOH

,NO

CH

3NH

3

,

ZnCl

2220℃NNH

2N+

NaNH2NNH2a-氨基吡啶Na-羟基吡啶OHN+

KOHNBrBrNH3

,

H2O160℃NNH2Br4.

吡啶的氧化与还原反应NCH3V2O5，O2NCOOHb-吡啶甲酸烟酸NCH3V2O5，O2NNH2NH2

HClNCOOHCONHNH2g-吡啶甲酸异烟酸异烟肼氧化还原NNHH2/Ni2

5orNa+C

H

OH哌啶，六氢吡啶典型仲胺性质问题：吡啶、吡咯、苯胺、哌啶四种化合物碱性强弱顺序？NNHNH2NH碱性：吡啶在有机化学中是一种常用的溶剂，它能溶解许多有机化合物和部分无机盐；吡啶及其衍生物在自然界分布较广，在药物中也常见吡啶及其衍生物：N2CH

OHCH2OHHOH3CNNCH3NCONHNH2CH3NCH2OHCOCHC6H5O维生素B6烟碱，尼古丁异烟肼（农业杀虫剂）

（抗结核药）颠茄碱，阿托品（一种止痛药）(orCH2NH2

、CHO

)吡啶可从煤焦油中提取：N+

H2SO44H2SO

（吡啶硫酸盐，可溶于水）NNOH-分出水层第四稠杂环化合物（吲哚、喹啉）吲哚在自然界中广泛存在。（如天然精油及动物粪便中）吲哚乙酸是一种植物生长调节剂。8-羟基喹啉是一种常用的金属离子络合剂，可与

“较硬”的离子如Al3+、Mg2+等络合。NOH12345678NCH2COOHNH7654N1H32吲哚b-吲哚乙酸3-吲哚乙酸喹啉8-羟基喹啉NHCH2CH2NHAcCH3OMelatonine脑白金NHHNC

C==OO靛

蓝一种染料1.

稠杂环的化学性质吲哚的碱性与吡咯相当；喹啉的碱性与吡啶相当。NN9.18.8PKbNH苯环吡咯环1234567NHE+

N

2H3+进攻C2进攻C3EH+EHN

+HEH+NH3只有一个带有完

整苯环的共振杂化体。有两个带有完整苯环的共振杂化体。吲哚亲电取代反应发生在什么位置？C－3位N活化环有利于亲电取代反应的发生,且主要发生在5,

8-位。钝化环有利于亲核取代反应的发生,且主要发生在2-位。喹啉的取代反应喹啉亲电取代在苯环，亲核取代在吡啶环：NPhNPhNH2NaNH2

H2ONNNNNNNO2浓HNO3

+浓H2SO4NO2BrBrNSO3HNHKNNH2++H2OBr2

+浓H2SO4Ag2SO4浓H2SO4,220

℃KNH2.二甲苯100℃0

℃苯环比吡啶环更稳定，加氢还原在吡啶环：NNNNa+C2H5OHH2/Pt四氢喹啉十氢喹啉氧化还原反应N100

℃NNHKMnO4CH3CH2OH,

NaCOOHCOOH2.

喹啉的衍生物喹啉的衍生物在自然界存在很多，如奎宁、氯喹、罂粟碱、吗啡等。HO

CHCH3ON奎宁（金鸡钠碱）

存在于金鸡钠树皮中，有抗疟疾疗效NCH

CH2NClNH2

3HO CH

(CH

)

-NN氯喹（合成抗疟疾药）C2H5C

H2

5CH2

OCH3OCH33CH

OCH3O罂粟碱HOOOHCH3N

2145

6387吗啡含一个被还原了的异喹啉环，是从鸦片中提取出来的。吗啡的盐酸盐是很强的镇痛药，能持续6小时，也能镇咳，但易上瘾。将羟基上的氢换成乙酰基，即为海洛因，不存在于自然界。海洛因比吗啡更易上瘾，可用来解除晚期癌症患者的痛苦。3.

嘌呤NN

N

NH)9H

嘌呤NNHN

N(Ⅱ

)

7H(Ⅰ嘌呤嘌呤为无色晶体，m.p216~217℃，易溶于水，其水溶液呈中性，但能与酸或碱成盐。纯嘌呤环在自