有机化学杂环类课件

exit止于至善厚德博学exit第二十章杂环化合物

heterocycliccompoundexit1有机化学杂环类本章提纲第一节杂环化合物的分类和命名第二节含一个杂原子的五元杂环

吡咯、呋喃、噻吩第三节含一个杂原子的苯并五元杂环-吲哚第四节含两个杂原子的五元杂环体系第五节含一个杂原子的六元杂环-吡啶第六节含两个和三个氮原子的六元杂环体系第七节含一个杂原子的苯并六元杂环

喹啉和异喹啉第八节嘧啶和嘌呤

2有机化学杂环类第一节杂环化合物的分类和命名一杂环化合物分类二五元杂环化合物的命名三六元杂环化合物的命名3有机化学杂环类一杂环化合物的分类1脂杂环没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂环。在环上含有杂原子（非碳原子）的有机物称为杂环化合物。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)(环氧乙烷)四氢呋喃六元杂环二噁烷4有机化学杂环类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5有机化学杂环类二五元杂环化合物的命名五元杂环（音译命名）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)6有机化学杂环类四六元杂环化合物的命名六元杂环吡啶(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)7有机化学杂环类杂环并杂环喹啉(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8有机化学杂环类一呋喃、噻吩、吡咯的结构二呋喃、噻吩、吡咯的制备 三呋喃、噻吩、吡咯的反应第二节含有一个杂原子的五元杂环体系9有机化学杂环类吡咯的结构孤电子对在p轨道上。吡咯结构：吡咯N是sp2杂化，孤电子对参与共轭。∏56平面共轭体系

富电子芳香杂环化合物反应：碱性较弱，环易发生亲电取代反应，环上相当于有一个邻对位定位基。共轭效应是给电子的。诱导效应是吸电子的。一吡咯、呋喃、噻吩的结构呋喃、噻吩的结构请同学自己分析。10有机化学杂环类吡咯：存在于煤焦油、骨焦油中。无色液体，沸点130-131℃。鉴定：蒸汽遇盐酸浸湿的松木片显红色。呋喃：存在于松木焦油中。无色液体，沸点32℃。鉴定：蒸汽遇盐酸浸湿的松木片显绿色。3.噻吩：与苯共存在于煤焦油中。无色液体，沸点84℃。鉴定：与吲哚醌在硫酸作用下发生墨绿色反应。

吡咯、呋喃、噻吩的物理性质及鉴定偶极矩：吡咯指向杂环，呋喃、噻吩指向杂原子质子化学位移:类似苯环，在6.22-7.29之间11有机化学杂环类主要化学反应吡咯、呋喃、噻吩的亲电取代反应

吡咯、呋喃、噻吩的加成反应

吡咯、呋喃、噻吩的化学性质12有机化学杂环类1.吡咯、呋喃、噻吩的亲电取代反应重点*1亲电取代反应的活性顺序为：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最少八隅体结构最稳定无最稳定结构（1）概述13有机化学杂环类*2取代反应主要发生在α-C即2-位上；*3吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感，选择试剂时需要注意；*4

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。离域能：噻吩：121.3kJ·mol-1吡咯：87.8kJ·mol-1共振能呋喃：66.9kJ·mol-1苯：150kJ·mol-1试问它们的稳定性顺序如何？芳香性、稳定性：苯〉噻吩〉吡咯〉呋喃14有机化学杂环类*5杂原子和取代基的定位效应A杂原子的定位效应：邻位B取代基的定位效应：第一取代基进入到杂原子的α-位。3位上有取代基时，呋喃、吡咯、噻吩的定位效应一致。15有机化学杂环类6吡咯的特殊反应-氮原子上的取代反应

吡咯的性质与苯酚类似，都具有酸性，但吡咯的酸性比苯酚小。吡咯与苯胺也有类似性质。吡咯成盐后，使环上电荷密度增高，亲电取代反应更易进行。16有机化学杂环类C6H5N2+X-

C2H5OH-H2OAcONaHCON(CH3)2DMF

POCl3CHCl325%NaOH(NH4)2CO3

130oCRMgX1CO22H2OCO2

加热加压RCOClRX或K+NH2-17有机化学杂环类（2）呋喃、噻吩、吡咯的硝化反应

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。18有机化学杂环类

呋喃比较特殊,先生成稳定的或不稳定的2,5加成产物,然后加热或用吡啶除去乙酸,得到硝化产物。19有机化学杂环类（3）吡咯、呋喃、噻吩的磺化反应

吡咯、呋喃不太稳定，所以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。(固体，含量90%)20有机化学杂环类S+

NSO3ClCH2CH2Clr.

t.SSO3-Ba(OH)22Ba2+21有机化学杂环类（4）吡咯、呋喃、噻吩的卤化反应

反应强烈，易得多卤取代物。为了得一卤代(Cl,Br)产物，要采用低温、溶剂稀释等温和条件（NBS溴化剂）。碘不活泼，要用催化剂才能发生一元取代22有机化学杂环类（5）吡咯、呋喃、噻吩的傅氏酰基化反应N-酰基吡咯23有机化学杂环类

呋喃、噻吩的酰化反应在-C上发生，而吡咯的酰化反应（不用催化剂）既能在

-C上发生，又能在N上发生。24有机化学杂环类（6）呋喃、噻吩、吡咯的傅氏烷基化反应总体看，在合成上无实用价值。25有机化学杂环类

3.呋喃、吡咯、噻吩的加成反应（1）加氢反应噻吩在镍催化下加氢生成丁烷（2）Diels-Alder反应呋喃最易发生Diels-Alder反应26有机化学杂环类

噻吩基本上不发生双烯加成，即使在个别情况下生成也是一个不稳定的中间体，直接失硫转化为别的产物。27有机化学杂环类四呋喃、噻吩、吡咯的制备

请同学们自学1.工业制备（略）2.实验室制备(1)帕尔-克诺尔(Paal,C.-Knorr,L.)合成法1，4二酮28有机化学杂环类三种化合物的相互转化(有氧化铝存在的情况下)（2）诺尔合成法氨基酮酸酯29有机化学杂环类五、呋喃、吡咯、噻吩的衍生物(1)糠醛30有机化学杂环类(2)叶绿素和血红素卟吩由四个吡咯和四个次甲基(=CH)交替相连组成的共轭体系。卟吩呈平面结构,环中间空隙里四个氮原子可分别以共价键、配价键与不同的金属离子结合。叶绿素(镁),血红素(铁)。

灵菌红素卟吩胆色素原31有机化学杂环类小结1.亲电取代反应活性顺序三者是富电子的芳香化合物，亲电取代活性比苯大。

吡咯〉呋喃〉噻吩〉苯2.环的稳定性顺序（根据离域能的大小）苯〉噻吩〉吡咯〉呋喃

1501229068遇氧化剂或酸不稳定32有机化学杂环类3吡咯的反应33有机化学杂环类34有机化学杂环类4呋喃的反应35有机化学杂环类4噻吩的主要反应如何除去苯中少量噻吩？36有机化学杂环类一吲哚的反应二吲哚的合成（自学）第三节含有一个杂原子的五元杂环苯并体系吲哚的结构共振式37有机化学杂环类一吲哚的反应亲电试剂易进攻3位38有机化学杂环类一吲哚的反应常用的亲电试剂硝化：(HNO3+HOAc)磺化：卤化：(低温、稀释条件下进行，常用，HOAc稀释，试剂为X2)酰基化：(酸酐、酰卤。AlCl3,ZnCl2

，BF3为催化剂)氯甲基化：(CH2O,HCl,ZnCl2)醛基化：[

+POCl3]避免用强酸39有机化学杂环类下面四种情况，取代基均进入苯环。进入哪个位置，具体分析。1234567

[试分析]亲电取代发生在苯环还是杂环上?并指出具体位置。40有机化学杂环类3-吲哚甲醛2-乙酰基3-甲基吲哚5-硝基2-甲基吲哚41有机化学杂环类二吲哚的合成

苯肼与醛、酮类化合物在酸性条件下加热生成吲哚及其衍生物的反应称为费歇尔(Fischer,E.)合成法。42有机化学杂环类利血平-吲哚乙酸色氨酸43有机化学杂环类一唑的命名二唑的结构唑的反应唑的合成

第三节含有两个杂原子的五元杂环体系44有机化学杂环类一唑的命名azole

含有两个杂原子的五元杂环，若至少有一个杂原子是氮，则该杂环化合物称为唑。命名时的编号原则是：

1）

让杂原子的位号尽可能小；

2）当两个杂原子不相同时，编号的次序是：价数小的在前，大的在后；

3）价数相等时，原子序数小的在前，大的在后。O〉S〉N2价3价原子序数小原子序数大O、S、N的次序如右：45有机化学杂环类异噻唑(isothiazole)吡唑(pyrazole)异噁唑(isoxazole)1,2-唑噁唑(oxazole)噻唑(thiazole)咪唑(inidazole)1,3-唑46有机化学杂环类（1）互变异构N-N(单键)N=N(双键)5-甲基咪唑4-甲基咪唑4(5)-甲基咪唑(因为4-甲基咪唑和5-甲基咪唑不可分离)一唑的结构47有机化学杂环类（2）结构吡咯N(孤电子对参与共轭，所以碱性较弱)吡啶N(孤电子对不参与共轭，所以碱性较强)吡咯N的孤电子对处于p轨道一般胺中的N是sp3杂化。N的孤电子对处于sp3杂化轨道sp3轨道碱性：N的孤电子对处于sp2杂化轨道吡啶N与吡咯N均为sp2杂化。强于48有机化学杂环类（3）碱性1.1,2-唑与1,3-唑都有吡啶N，所以都有碱性。2.1,3-唑的碱性比1,2-唑强。

因为两个杂原子互相影响大。3.咪唑的碱性＞噻唑的碱性＞噁唑的碱性亲电取代活性：咪唑>噻唑>噁唑由综合电子效应决定。49有机化学杂环类三唑的反应主要讨论亲电取代反应1反应性

唑的反应性比呋喃、噻吩、吡咯差，这是因为分子中多了一个吡啶N，使共轭体系的电子云密度降低，所以亲电试剂不易进攻。21,2-、1,3-唑的硝化、磺化、卤化（1）进入环的位置及活性顺序（2）反应试剂：一般的硝化、磺化、卤化试剂即可。实例eg150有机化学杂环类eg2eg351有机化学杂环类eg4磺化须强烈条件eg5硝化、卤化须有给电子取代基52有机化学杂环类31,2-唑、1,3-唑的傅氏烷基化反应常用的烷基化试剂是RX烷基化反应的几点说明：（1）唑的吡啶N上的电子云密度较大，所以在一般情况下，烷基化反应总是吡啶N上发生；53有机化学杂环类（2）咪唑上有两个N，烷基化反应首先在吡啶N上发生一烷基化产物经互变异构又产生一个吡啶N，可进一步产生二烷基化产物，因此咪唑烷基化时经常得到一烷基化产物和二烷基化产物；54有机化学杂环类41,2-唑、1,3-唑的傅氏酰基化反应常用的酰基化试剂是一般情况下，酰基化反应主要在吡啶N上发生。酰基是一个吸电子基，所以反应能控制在一元酰基化阶段。例如：咪唑的酰基化反应N-酰基咪唑55有机化学杂环类11,2-唑的合成(只介绍吡唑与异噁唑的合成)(1)用1,3-二羰基化合物合成吡唑和异噁唑(2)用1,3-偶极环加成反应制吡唑和异噁唑四唑的合成56有机化学杂环类21,3-唑的合成(噁唑类)(咪唑类)(噻唑类)57有机化学杂环类青霉素噻唑环青霉素是噻唑的衍生物。58有机化学杂环类一吡啶环系

1.吡啶的结构

2.吡啶的亲电取代反应

3.吡啶的亲核取代反应

4.吡啶环系的合成

5.吡啶的氧化还原反应

6.吡啶侧链α-H的反应

7.吡啶N-氧化物的反应二吡喃环系第四节含有一个杂原子的六元杂环体系｝重点59有机化学杂环类1.吡啶的结构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。=2.20D=1.17D比较三甲基胺、吡啶、苯胺和吡咯的碱性大小pKb4.78.759.416.5pKa5.2360有机化学杂环类吡啶结构：吡啶N是sp2杂化，孤电子对不参与共轭。环上电子云密度小于苯环，是缺电子芳香杂环。反应：弱碱性。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。类似硝基苯的反应。61有机化学杂环类(1)吡啶N的亲核性：与亲电试剂生成吡啶鎓盐或络合物2.吡啶的亲电取代反应NO2+BF4-

乙醚室温CH3IRCOClH+SO3Br2CCl4石油醚62有机化学杂环类吡啶盐的两个十分重要的用途：*1可用来做温和的磺化、硝化、卤化、烷基化、酰基化的试剂*2利用吡啶N的烷基化反应制备醛63有机化学杂环类(2)在C上发生亲电取代反应

N吸电子，类似硝基苯，反应活性低，在位上即3-位碳上反应。64有机化学杂环类反应特点*1不能发生傅氏烷基化、酰基化反应。*2硝化、磺化、卤化必须在强烈条件下才能发生；*3吡啶环上有给电子基团时，亲电反应活性增高；*4吡啶N可以看作是一个间位定位基。进攻2位进攻3位进攻4位更稳定65有机化学杂环类（1）置换易离去基团的亲核取代反应

如在,γ位有好的离去基团，如Cl、-NO2、Br，可以与氨（或胺）、烷氧化物、水等亲核试剂发生亲核取代反应（在亲核取代反应中，吡啶N对邻、对位活化）。3.吡啶的亲核取代反应4-吡啶酮66有机化学杂环类[分析中间体的共振结构]亲核试剂进攻位：617页2或4位取代的氯代吡啶的亲核取代反应活性大生成的活性中间体稳定67有机化学杂环类（2）置换氢的亲核取代反应一般机制：*1负氢不易离去，一般需要一个氧化剂作为负氢的接受体；*2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。68有机化学杂环类实例：烷基化、芳基化反应69有机化学杂环类实例：齐齐巴宾(Chichibabin,A.E.)反应——氨化

定义：吡啶与氨基钠作用生成2-氨基吡啶的反应称为齐齐巴宾反应。H2O+NaNH2100oCC6H5N(CH3)270有机化学杂环类4.吡啶环系的合成

汉栖(Hantzsch,A.)合成法

由二分子β-羰基酸酯、一分子醛、一分子氨经缩合反应制备吡啶同系物的方法称为汉栖合成法。71有机化学杂环类5.吡啶的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。(吡啶氧化物)还原反应72有机化学杂环类6.吡啶侧链α-H的反应2,4,6-位烷基的

-H与羰基

-H相似羟醛缩合型73有机化学杂环类N-烷基吡啶盐的侧链

-H更活泼羟醛缩合型74有机化学杂环类吡啶的衍生物—烟酸、烟碱等

烟碱(尼古丁)烟酸烟酰胺75有机化学杂环类二吡喃环系吡喃及其衍生物无芳香特性吡喃及吡喃酮的钅羊盐是芳香体系。苯并-γ-吡喃酮的衍生物:黄酮、黄酮色素、花色素等

76有机化学杂环类一喹啉和异喹啉的反应二喹啉和异喹啉的合成

第六节含有一个杂原子的苯并六元杂环环系注意异喹啉的编号77有机化学杂环类一喹啉和异喹啉的反应1.成盐：碱性强弱：喹啉＜吡啶＜异喹啉成盐反应：78有机化学杂环类2.氧化反应*1喹啉和异喹啉与绝大多数氧化剂不发生反应；*2与高锰酸钾能发生反应：79有机化学杂环类3.亲电取代反应:★

反应产物受介质的影响。若反应在酸性介质中进行，取代主要在苯环上5，8位反应。若反应在有机溶剂如硝基苯中进行，取代在杂环上发生，得到3位或4位取代产物。80有机化学杂环类4.亲核取代反应★*1亲核取代反应主要在吡啶环上发生，喹啉的反应位置

在2位和4位(2位为主)，异喹啉在1位；81有机化学杂环类*2常用的亲核试剂有RLi,ArLi,RMgX,NaNH2,RONa等。负氢比较难以取代。Cl,NO2等基团较易取代。82有机化学杂环类喹啉和异喹啉可发生齐齐巴宾反应83有机化学杂环类5.侧链

-H的反应:产率很高84有机化学杂环类6.还原:反十氢喹啉顺十氢喹啉85有机化学杂环类二喹啉和异喹啉的合成

斯克洛普(Skraup,Z.H.)反应：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