第二十章杂环化合物

H2SO4 - H2O
O
HOAc, △
90 % O O
H2O
-H+
O H
HO
OH2
OH
OH
OH
呋喃、噻吩、吡咯的亲电取代反应
（1）概述 ） *1 亲电取代反应的活性顺序为： 亲电取代反应的活性顺序为：
N H
>
O
>
S
>
①电子密度 ②σ-络合物 络合物
E N H H E H
E N H H E H N H
2 物理性质 都能溶于有机溶剂 溶解度顺序为：吡咯﹥呋喃﹥ 水溶解度顺序为：吡咯﹥呋喃﹥噻吩 吡咯几乎不显碱性, 吡咯几乎不显碱性 相反具有弱酸性
（二）呋喃、噻吩、吡咯化学反应 呋喃、噻吩、
•质子化反应 质子化反应 分子接受一个质子的反应称为质子化反应. 分子接受一个质子的反应称为质子化反应 （1）呋喃、噻吩、吡咯在酸的作用下可质子化； ）呋喃、噻吩、吡咯在酸的作用下可质子化； （2） 质子化反应主要发生在 ） 质子化反应主要发生在C-2上； 上
五 元 杂 环
4 5
O 1
3β 2α
4 5
S 1
3β 2α
4 5 1N H
3β 2α
呋喃(furan) 呋喃
4 5
6 7 O 1
噻吩(thiophene) 噻吩
吡咯(pyrrole) 吡咯
4
五元杂环苯并体系
4 3
2
5
6 7 S 1
3
2
5 6 7 N H1
3 2
苯并呋喃 (benzofuran)
苯并吡咯 苯并噻吩 (benzothiophene) 吲哚 (indole)
H H N H H
H+ H+
H N H
N H
H+
α-C质子化 质子化
N H
β-C质子化 质子化 N-质子化 质子化
H
的质子化反应， （3） 由于 ） 由于α-C的质子化反应，吡咯在强酸作用 的质子化反应 下会因聚合而被破坏； 下会因聚合而被破坏； （4） 在稀的酸性水溶液中，呋喃的质子化在氧 ） 在稀的酸性水溶液中， 上发生并导致水解开环。 上发生并导致水解开环。
第二十章
杂 环 化 合 物
环状化合物，环上除碳，还有杂原子（N,O,S等 环状化合物，环上除碳，还有杂原子（N,O,S等） 环具有芳香结构和一定的稳定性（闭合共轭体系） 环具有芳香结构和一定的稳定性（闭合共轭体系） 酸酐，环氧，内酯， 酸酐，环氧，内酯，内酰胺不属芳香杂环化合物 核酸碱基， 核酸碱基，
N O 噁唑 S
N
噻唑
N N H
咪唑
N N H
吡唑
六元杂环
γ 4 5 6 N 1 3β 2α 5 6 O 1 γ 4 3β 2α
O 4 5 6 O 1 3 2
5 6
4 3 2 O 1 O
吡啶(pyridine) 吡喃(pyran) 吡啶 吡喃
4 5 6 N 1 3 N2
4 5 6 N 1 N3 2
O HO P O OH OH OH B O
O
NH2 N
B=
NH NH O
N
N
NH
自然界分布
血红素， 血红素，叶绿素 生物碱，天然或合成药成分 生物碱， 维生素，植物色素， 维生素，植物色素，植物染料
第一节 芳杂环化合物的分类和命名
命名原则: 命名原则 杂环的命名常用音译法， 杂环的命名常用音译法，是按外文名词音译 成带“ 字旁的同音汉字。 成带“口”字旁的同音汉字。 当环上有取代基时， 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。 编号。 子算起依次用 或 编号 如杂环上不止一个杂原子时，则从O、 、 如杂环上不止一个杂原子时，则从 、S、N 顺序依次编号。 顺序依次编号。编号时杂原子的位次数字之 和应最小。 和应最小
γ-吡喃酮 吡喃酮 (γ-pyrone)
5 6 4 N N 1
α-吡喃酮 吡喃酮 (α-pyrone)
3 2
哒嗪(pyridazine) 嘧啶 哒嗪 嘧啶(pyrimidine) 吡嗪 (pyrazine)
六元杂环苯并环系
5 6 7 8 N 1 4 3 2 6 7 8 1 5 4 3 N2 6 7 8 O 1 5 4 3 2
+ SO3 N
CH2Cl2 室温
(固体，含量90 %) 固体，含量 固体
N SO3
噻吩比较稳定，既可以直接磺化（ 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。 ），也可以用温和的磺化试剂磺化。 也可以用温和的磺化试剂磺化
O
ClCH2CH2Cl
SO3-
N H
O
+
N SO3
B B X X Y X Y B β位间位取代基 β位邻位取代基
α- 邻位取代： 邻位取代：
B B 无论B位哪一类取代基
O
O
S NH
B
B为邻对位取代基
S NH
B
B位间对位取代基
2. 呋喃、吡咯、噻吩的加成反应 呋喃、吡咯、
（1） 加氢反应 ）
O
Ni/H2，125℃ 100atm
O
H2/Pt，乙酸
CH3CH2CH2CH2OH
Br O O 稀释 O
(86 %)
Br2 AcOH
Br S
(78 %)
S
I2, HgO C6H6, 0℃ ℃
碘不活泼， 碘不活泼，要用催化剂才能取代
I S
Br Br N H
Br Br
Br2, 0℃ ℃ EtOH SOCl2 (1 mol)
N H
Et2O, 0℃ ℃
Cl N H
(80 %)
（4） 呋喃、噻吩、吡咯的傅氏酰基化反应 ） 呋喃、噻吩、
60 - 120℃ ℃
H3C
S
CH3 + NC-C
C-CN
S
CH3 CN
-S
CH3 CN CN
H3C CN CH3
3.呋喃、噻吩、吡咯的合成： 呋喃、噻吩、吡咯的合成： 呋喃
H3C H2 C C H2 CH3 + S 600℃ S
CuC CCu HC CH + 2 CHO
CHO 玉米心 HCl 花生壳 水解 CHOH 3 CH2OH －3H2O O
E H E H
八隅体结构最稳定 无最稳定结构
吸电子诱导： 给电子共轭：N > O > S 吸电子诱导：O > N> S 给电子共轭 综合： 贡献电子最多 贡献电子最多， 其次 其次， 最少 综合：N贡献电子最多，O其次，S最少
*2 取代反应主要发生在α-C上； 取代反应主要发生在 上 *3 吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感，选择试 吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感， 剂时需要注意； 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 噻吩、吡咯的芳香性较强， 加成；呋喃的芳香性较弱， 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， 亲电试剂发生亲电取代，但在强亲核试剂存在 能发生亲核加成。 下，能发生亲核加成。
(NH4)2CO3 130oC C6H5N2+XC2H5OH-H2O AcONa
N H N=N-C6H5
RCOCl
RX
N K+ (2)
N H (1) pKa≈17.5
N R
RMgX
CO2 加热 加压
N H COOH
N COOH
1 CO2 2 H2O
N MgX
呋喃、 （6）取代呋喃、噻吩、吡咯的定位效应 ）取代呋喃 噻吩、吡咯的定位效应 β- 取代： 取代：
喹啉 异喹啉 苯并吡喃 (quinoline) (isoquinoline) (benzopyran) 杂环并杂环
6 1N 2 7 5 N 8 N 4 N9 H 3
嘌呤(purine) 嘌呤
第二节 五元单杂环化合物 (一) 呋喃、噻吩、吡咯的物理性质和结构 一 呋喃、噻吩、 1 电子结构及芳香性 吡 咯 的 结 N 构 N H 共轭效应是给电子 的。诱导效应是吸 电子的。 电子的。 孤电子对在p轨道 孤电子对在 轨道 上。
Eg 1
N H + Ac 2O
150 - 200 ℃
O N H
O PhCCl
CCH3
(60 %)NaFra bibliotekEg 2
N H
或 NaOH(浓) 浓
(70 %) N COPh
N Na+
Eg 3
O
+ Ac2O
BF3 O
O CCH3
(75%-92 %)
O
Eg 4
S
Ac2O 与 AlCl3 的混合体系
S
CCH3
（5） 吡咯的特殊反应 ） 吡咯的性质与苯酚类似，都具有酸性， 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。 的酸性比苯酚小。吡咯与苯胺也有类似性质。
OH
OH-
O
N H
Na 或 K 或 浓 NaOH
N K+
pKa =10
pKa≈ 17.5
吡咯成盐后，环上电荷密度增高， 吡咯成盐后，环上电荷密度增高，亲电取代反应更易进行
N H
COO NH4
-
+
N H
CHO
N COR
CHCl3 25%NaOH
HCON(CH3)2 POCl3
Na 或 K 或浓NaOH
O
CHO
H2/CuO,Cr2O3 O
r. t. 3 days N H
ClCH2CH2Cl Ba(OH)2