17杂环化合物

吸电子诱导-I：O(3.5) > N(3.0) > S(2.6)， 供电子共轭+C：N > O > S
结论：贡献电子N最多，O其次，S最少。 b 、亲电取代反应的活性为：吡咯>呋喃>噻吩>苯； 亲电取代反应主要在a-位发生；若a、a'两个位置已有基团 存在，则亲电取代在b位发生。 结论：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；吡咯、呋喃对酸及氧 化剂比较敏感； 由于这些五元杂环容易被破坏，稳定性差，因而对试剂及 反应条件应有所控制。
p电子密度： 稳定性 ： 芳香性 ： 亲电反应活性 ：
杂环 杂环 杂环 杂环
＞ ＜ ＜ ＞
苯环 苯环 苯环 苯环
２、 呋喃、吡咯、噻吩的物理性质
(1)主要物理性质和鉴别:
三者均为无色液体，都不溶于水，溶于有机溶剂。
呋喃遇到盐酸浸湿的松木片呈绿色---松木片反应； O 吡咯遇到盐酸浸湿的松木片呈红色； 噻吩在硫酸下遇到吲哚醌呈蓝色。 红外光谱：
N CH3 CH3
CH3 CH3
CH2CH2CONH 2 N N CH3 CH3
维生素B12
CH3
O CH2OH
H
7、 噻唑和咪唑
S
噻唑
N
N H
N
（thiazole）
（imidazole） 咪唑
2 1 α 3 4
CH CH3
CH2
CH3 CH CH2
NH
δ
N
β
N Fe
N
N
8 7 γ
HN
5 6
CH3
N
N CH3
卟（bu）吩 prophine
CH2CH2COOH CH2CH2COOH
血红素
CH CH2 CH3 N Mg N CH3 CH2 C O OCH2CH CH2 N N
R CH2CH3
-OH 酸性： pka： 10 ＞ N 15 H ＞
R-OH
18
N H
+ KOH （固）
Δ N K+
－
+ H2O
N H
+ RMgBr
N MgBr
Δ N COC6H5
+ RH
吡咯的钾盐和吡咯卤化镁，都可以用来合成吡咯的衍生物。
N+ K
－
－
+ C6H5COCl
N H
COC6H5
N+ K
+ CH3Cl
Δ N CH3 N H
O
(c) 氧化反应：
CHO + H2
CuO· Cr2O3 150℃,10MPa
O
CH2OH
O
O
CHO
中性或碱性氧化 KOH+KMnO4 V2O5-MoO3 气相氧化, 320℃
O
COOH
H
CHO
+ O2
H
O
C O
O
O
O
O
CHO
KCN , C 2H5OH
O
CH OH
(d) 歧化反应
2
O
CHO + NaOH
N
CH3 N H
O
CHO
5
N2 O
1
2-呋喃甲醛 2-furaldehyde
4-甲基咪唑 4-methylimidazole
1,2,3-噁二唑 1,2,3-oxadiazole
（3）稠杂环共用碳不编号(嘌呤除外)，杂原子的位次 尽可能小。
5 6 7 8 4 3
NH 6 2
1 N 2 5 4
2
5
4 3
生双烯合成。 (3) 加成反应:呋喃、噻吩、吡啶虽有闭合大π键，由于环上有电负性大的杂
原子，使环的共轭性不好，芳香性差，在一定条件下表现出共轭双烯性质，能 起加成反应，也能发生双烯合成。
1）催化加氢：
O
N H
H2 Ni or Pd
H2 Ni or Pd
H2 , Ni
O
N H
H2 , Ni
S
S
S
催化加氢 H2
HN
N H
N
a、单杂环：
O
呋喃 furan
N H
吡咯 pyrrole
S
噻吩 thiophene
N S
噻唑
thiazole
N N H
N
N
吡啶
pyridine
N
嘧啶 pyrimidine
咪唑 imidazole
b、 稠杂环：
N
N N
嘌呤
purine
O Cl－
+
N
喹啉 quinoline 吲哚 indole
(2) 原子的编号: a、环上有取代基时，从杂原子开始编号，取代基位次尽可
能小，取代基位次、名称写在杂环母体前；b、环上含两个以上相同杂原子时， 从连有取代基或氢原子的杂原子开始编号，并使另一个杂原子位次尽小；c、环 上有不同杂原子时，按O、S、N的顺序编号。 4 N 3
CH3 N 3-甲基吡啶 3-methylpyridine
CH2 CH CH CH CHO OH OH OH OH
)
HO H
CH CH OH
CH C OH
OH H CHO
H2SO4
Δ
O
CHO
（2）. 性质和用途 糠醛表现出无a-H的醛(如苯甲醛和甲醛)和不饱和呋喃 杂环的双重性质。 (a) 是一种有选择性的溶剂：对芳烃溶解度较大，而对烷烃 溶解度较小，常用于石油产品的精制。 (b) 催化加氢：
例：噻吩的红外光谱如下
C—H伸缩振动：3100cm-1 环伸缩振动： 1690cm-1、1666cm-1、1410cm-1
3、 呋喃、吡咯、噻吩的化学性质
(1) 质子化反应 呋喃、噻吩、吡咯在酸的作用下可质子化。 a 、质子化反应主要发生在α-C上；
+
N H
α-C质子化
H H
H+
H+
H H
+
N H
例：呋喃的红外光谱如下
C—H伸缩振动：3160cm-1
环伸缩振动：
1692cm-1、1663cm-1、1485cm-1、1380cm-1
例：吡咯的红外光谱如下
N—H伸缩振动：3400cm-1
C—H伸缩振动：3100cm-1 环伸缩振动： 1630cm-1、1580cm-1、1470cm-1、1420cm-1
1）卤代：
N H
Br2 0℃
Br Br
Br N H Br
O
S
Br2 0℃
Br2 25 ℃
O
S
Br
Br
2）硝化：
由于环的稳定性差，在强酸或强氧化剂的作用下环被破坏， 不能用混酸硝化。因此，应在较低的温度下，使用温和的硝化 剂乙酰硝酸酯。
CH3COONO2
N H
(CH3CO)2O , －10℃
N H
NO2
CH3COONO2
S
(CH3CO)2O , －10℃
S
NO2
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。
CH3COONO 2
O
5℃ －30 ～ －
O
+
H NO2
H CH 3COO
O
+
吡啶 H NO2
O
NO2
3）磺化：
N H
N
SO3
－
N H
N
+
SO3H
SO3
－
O
O
SO3H
H2SO4 , 25℃
4）酰化：
S
N H
O
S
+ (CH3CO)2O
150 ～ 200℃
SO3H
COCH3
N H
BF3 －10 ℃
H 3PO4
+ (CH3CO)2O
O
COCH3
2）双烯合成：
S
+ (CH 3CO) 2O
S
COCH 3
呋喃与顺丁烯二酸酐很容易加成，噻吩较难，吡咯一般不发
→
O
CH2OH +
O
COONa
(e) 安息香缩合
O CHO
KCN醇溶液 或维生素B1
CH-CO O O OH
H2,Ni, 125℃ 10MPa
(f) 合成四氢呋喃
O CHO
催化脱羰基 Ni, 280℃
O
O
(3) 应用：良好的溶剂；许多药物和工业产品的原料。
5、 呋喃、吡咯、噻吩的制法
O
O
ZnO-Cr2O3-MnO2 CHO + H2O 400℃
CH3
4、 糠醛(a- 呋喃甲醛)及其衍生物
O (1) 制法
-CHO
糠醛是呋喃衍生物中最重要的一个，最初从 米糠制得而得名，为无色液体，在空气中逐渐氧化
变为黄色至棕褐色。能溶于醇、醚等有机溶剂。
农业副产品 含戊多糖
稀H2SO4 打碎 △
水解为 戊糖
进一步脱水
糠醛
聚戊糖
H2O , H2SO4
Δ
n 戊糖 (
NH 内酰胺
O O O 环状酸酐
O
CH2—CH2 O 环氧化合物
O
O
N H
N
芳香族杂环：
O
S
芳香族杂环结构特点：有闭合共轭体系，p电子数符合 4n+2，具有芳香性。
17-1 分类和命名 1、分类 单杂环 五元杂环 六元杂环
O N N S N
N
N
H
分类 稠杂环
苯环与单 杂环稠并
两个以上单 N 杂环稠并 N
N
7 8
6 7 8 1
N2
N
1
OH
N 3
N 9
8-羟基喹啉
6-氨基嘌呤
异喹啉
（4）杂环有复杂活泼的取代基时，杂环为取代基。
4 5 6 7 β 3 -CH COOH 2
O
CHO
N
2α
H
1
2-呋喃甲醛
3-吲哚乙酸 或β-吲哚乙酸
17-2 五元杂环化合物
典型的五元杂环是呋喃、噻吩、吡咯。
１、 呋喃、吡咯、噻吩的结构
CH2 CH3 C O
CH2 C O CH3 + RNH2 Δ CH3 N R CH3
CH2 CH3 C O
CH2 CH3 C O
CH2 C O
CH2 C O CH3
P2S5
CH3
P2O5,C6H5
Δ
CH3
O
CH3
Δ
CH3
S
CH3
6、 卟啉化合物
四个吡咯环和四个次甲基(-CH2-)交替相连组成的大 环叫卟吩，是卟啉化合物的母体，为一大共轭体系。
吡咯的N—H伸缩振动：
浓溶液中在3400cm-1出现一宽峰。 非极性稀溶液中在3495cm-1有一尖锐的峰。
N H
O
吲哚醌
呋喃、吡咯、噻吩的C—H伸缩振动： 3077~3303cm-1。
环伸缩振动(骨架振动)： 1600~1300cm-1处出现2~4个峰。
核磁共振谱：
吡咯的α-氢化学位移值为6.68，β-氢为6.22，氮上的氢为8.0。
H+
N H
β-C质子化
N
+
N-质子化
H H b 、由于α-C的质子化反应，吡咯在强酸作用下会因聚合而 被破坏；
c 、在稀的酸性水溶液中，呋喃的质子化在氧上发 生并导致水解开环。
H2SO4,H2O
O
d 、反应机理为：
H+
Δ
O O
H2O
O
－ H+
O H
+
+
OH
OH2 OH
OH OH
O O
(2) 亲电取代反应 a 、π电子云密度比苯环大。
c、具有共轭二烯烃结构，呋喃可以进行双烯合成反应。
三种杂环具有一定程度的芳香性，杂原子电负性大小：
O (3.5) ＞ N (3.0) ＞ S (2.5)
电负性 , 对外层电子吸引力 , 孤电子离域 , 故芳香性 。
芳香性与稳定性:
＞ S ＞
NH
＞
O 由于呋喃、噻吩、吡咯都是五中心六电子，属于富电子环。
Br2 -50℃
[
H Br
O
O
]
H Br
O
O
+
H H O
O
顺丁烯二酸酐 双烯合成,30℃
O
Br H H Br
O
O
内式(90%)
(4) 吡咯的弱酸性和弱碱性 氮上孤电子对 参与环内共轭， 不能再与酸结 合。
氮上电子云 少，H 易离 解，显一定 的酸性。
.. N H
吡咯表面上是个仲胺，但实际上吡咯是一个很弱的 碱，碱性比苯胺弱得多，它只能慢慢地溶解在冷的 稀酸溶液中。碱性：吡咯 苯胺 四氢吡咯
sp2杂化
O
呋喃
N H
S
吡咯
噻吩
a 、结构特点：
物理方法证明：呋喃、噻吩、吡咯都是平面结构，环上所有原子均 以sp2 杂化轨道重叠形成s键。 碳未杂化的 p 轨道中有一个电子，杂原子的 p 轨道中有一对电子， p 轨道互相平行重叠，形成闭合的共轭体系。
①杂原子共轭效应是供电子的，诱导效应是吸电子的。 ②杂原子是sp2杂化，未成键电子对在2p轨道上，参与共轭。 b、由于6个π电子分布于5个原子上，整个环的π电子几率密度比苯 大，是富电子芳环，因而比苯环活泼，亲电取代反应比苯快。
叶绿素a
R=CH3 R=CHO
CH3
叶绿素b
COOCH3 O CCH2(CH2CH2CHCH2)2CH2CH2CH(CH3)2
CH3
CH3
CH3 H2NOCH 2CH2C H2NOCH 2C H 3C N
CH3 CH3 CH2CONH 2 CH2CH2CONH 2 NC N Co +
N H2NOCH 2C HNOCH 2CH2C O O P O H O OH
O
N H
+ NH3
2HCHO Cu2O2
Al2O3 430℃
CH CH
HOCH2
C C
650℃
CH3CH2CH2CH3 + S
S
CH3CH2CH CH2 + SO2
S
实验室合成，Paal-Knorr合成法：
CH2 CH3 C O CH2 C O CH3 + NH3 Δ CH3 N H CH3
N H
N H
苯并吡喃盐 benzopyran
２、命名
(1) 杂环母核
音译法：按照IUPAC推荐的普通名称，用2~3个汉字
音译，使用带口字旁的同音汉字。 系统命名法：根据相应的碳环命名。
N H
O
氧杂-2,4-环戊二烯 oxacyclopent-2,4-diene
氮杂-2,4,6-环庚三烯 azacyclohepta-2,4,6-triene
第十七章 杂环化合物
[教学重难点及要求]： 1.杂环化合物的分类和命名；
2.五元、六元杂环化合物的结构和性质；
3.稠杂环化合物，喹啉的制法；