杂环化合物

O PhCH2CONH
H N S COOH CH3 CH3
H H
青霉素G
H
(三）六元杂环化合物
（1）吡啶 （A）结构
H
H
H
N
H
吡啶是一种典型芳香性杂环化合物，具有和苯 非常相似的骨架结构和π电子结构。 0.1 40 n 成环的六个电子 具有偶极 m 在同一平面内， 矩，说明 0.139nm N 键角120°，键长 电子分布 m n 2.22D 不均匀。 N 0.1 34 趋于平均化。
O
N H 88
＜ ＜
S
117 150.5
离域能（kJ/mol）
67 ＜
芳香性：
O
原因
？电负性：
O 3.5
N H N 3.0
S
S 2.5
氧原子电负性大，其未公用电子对参加体系离域 程度小。
（2）五元杂芳化合物的化学性质 结构与性质 呋喃、吡咯和噻吩具有芳香性,容易进行亲 电取代反应.
特点: ① 它们的亲电取代反应都比苯活泼(吡咯>呋 喃>噻吩>苯)，其活泼性同苯酚、苯胺相似。 由于它们的高度活泼性以及呋喃和吡咯对 于无机强酸的敏感性，其亲电取代反应需要比 较温和的条件。
O R S H3C N H O O CH3 H3C H3C CH3 OH O OH CH3
Epothilone A(R=H) ； B(R=CH3)
1993年被发现的一种高效抗癌物质
(一) 杂环化合物的分类和命名 杂环可简单地分为非芳香杂环和芳香杂环两 大类。 （1）非芳香性杂环
O O
O N H N
Br2,AgSO4 H2SO4
浓 H2SO4
NO2 N 50%
Br (1 : 1 ) N
N SO3H
H
N
H
H
亲电取代
N NO2 48%
Br
N
N
亲核取代 Ba(NH2)2, 液NH3 N NH2 20℃ KMnO4 COOH COOH △ 氧化还原 N 烟碱 N COOH H2/Ni N
正是由于其存在，自然万物才有了勃勃生机。
CH=CH2 H3C N Mg H H3C R' OOCCH2CH2 H N N N
R C2H5
CH3 H
C OO OCH3
叶绿素a (R=CH3)
叶绿素b (R=CHO)
CH3 CH3 R'=(CH3)2CHCH2CH2(CH2CHCH2CH2)CH2C=C CH2
②亲电取代在α位
进攻 2 位
E X
X=O,S,NH
进攻 3 位
X
E H
E H
中间体稳定
X
（A）呋喃 亲电取代反应：
Br2
二氧六环
H
H
O CH3COONO2 低温
N SO3
Br
H O
H
O
O
NO2
O
SO3H
(CH3CO)2O BF3
O
O CCH3
催化加氢：
H2，Ni
H
H
O
催化加氢
O
H O
H
O
HCl Cl(CH2)4Cl NaCN 140 ℃ , 0.4MPa
单环芳香性五元杂环化合物：
O 呋喃 Furan
N N H N N H 咪唑 Idmiazole O
S 噻吩 Thiophene
N
N H 吡咯 Pyrrole
N S
吡唑 Pyrazole
噁唑 Oxazole
噻唑 Thiazole
稠环芳香性五元杂环化合物：
O
S
苯并呋喃 Benzofuran
苯并噻吩 Thionaphene
N H 吲哚（苯并吡咯） Indole
N O
苯并噁唑 Benzoxazole
N S
苯并噻唑 Benzothiazole
N N H 苯并咪唑 Benzoimidazole
芳香性六元杂环化合物：
5 6 4 3 7 8 1
N
N
N2
吡啶 Pyridine
喹啉 Quinoline
N
异喹啉 Isoquinoline
CH3COOK Br2 CH OH 3
H
H
H
CH3OH
Br O Br
1，4加成
CH3O O OCH 3
（B）噻吩
Cl2
S
Cl
Cl
S
Cl
亲电加成 H2SO4
S
S
(CH3CO)2O H3PO4
SO3H
O CCH3
H H
S
H2，Ni
催化加氢
S
H S H
（C）吡咯
NH2
极弱
N H＜
＜ NH3
碱性 因为氮原子上未公用电子对参与了共轭体系。
γ
β ' α '
4
3
β α
β ' α '
5 1 2
O
3 5 6 1 2
4
β α
N
（二）五元杂环化合物 （1）呋喃、吡咯和噻吩的结构 （A）符合Huckel规则具有芳香性 符合Huckel规则：
O
S
ຫໍສະໝຸດ Baidu
N H
构成环的原子都是sp2杂化，五个原子在同一平面内。 每个碳原子的p轨道有一个电子，杂原子的p轨道有 二个电子。这五个p轨道都垂直于分子所在平面，侧面 相互交盖，形成（4n+2）π电子共轭体系。
第十三章 杂环化合物
(一) 杂环化合物的分类和命名（ ） （1）非芳香性杂环（ ） （2）芳香性杂环（ ） （二）五元杂环化合物（ ） （1）呋喃、吡咯和噻吩的结构（ ） （2）五元杂芳化合物的化学性质（ ） （3）一些具有生理活性五元杂环化合物（ ）
(三）六元杂环化合物（ ） （1）吡啶（ ） （2）喹啉（ ）
H2SO4 ,HgSO4
NO2 N
SO3 N H
N
Br2 300℃
Br N
Br N H
Br
H H
H
RX(或RCOX） AlCl3
不反应
H N H
常见吡啶衍生物
CONH2 N
烟酰胺 (维生素pp)
CON(C2H5)2 N
N 异烟酰肼（雷米封） 抗结核药
HO CH2OH CH2OH
CONHNH2
H3C N
KOH
呈弱酸性
N H
Br Br Br2 H 乙醇，0℃ Br N Br H H 亲电取代 CH COONO 3 2 NO2 N H H N SO3 H N SO3H N H H H2/Ni ，200 四氢吡咯，吡咯烷，具脂肪 催化加氢 N 族仲胺的性质
N K
H
H
H
（D）糠醛（α-呋喃甲醛）
制备：
(C5H8O4) n
构成环的原子除碳原子外还有O、S、N、P等杂原 子的一类环状化合物称为杂环化合物。
杂环化合物在现实生活中的地位极其重要： 90%以上药物和60%以上的有机化合物为杂环化合物； 碳水化合物（它为生命提供能量）； 叶绿素（它为植物提供绿色）；
血红素(它赋予血液以鲜红的颜色)都是杂环化合物。 核酸中的杂环（嘧啶和嘌呤）部分对DNA的复制起 着至关重要的作用并使生命得以代代相传。 杂环化合物通常是酶和辅酶中催化生化反应的活 性部位。
H O O
戊聚糖
HO CH CH OH H ,H2O H， △ HC H HOCH 3H2O OH CHO
O
CHO
戊醛糖
糠醛
O CH2OH
性质：
CHO
浓NaOH 氧化还原Cannizarro反应
① KMnO4 ②H
O
COOH
O
O
O
COOH
ZnO Cr2O3 MnO2 400℃
（3）一些具有生理活性五元杂环化合物
CH2COOH N H
3-吲哚乙酸(植物生长促进剂)
OH N C 2H 5 N H H3COOC H3CO N R HO H N C 2H 5 OCOCH3 COOCH3
长春碱(R=CH3);长春新碱(R=CHO); 抗癌药
H3C N
N
NH2 Cl N + CH2
S CH2CH2OH CH3
维生素B1
N N
N N 哒嗪 Pyridazine
N
嘧啶 Pyrimidine
吡嗪 Pyrazine
（b）定编号 一般从杂原子编起，含多个杂原子时按O， S，N的次序编号。
CH3 4 3 O 2 1 Br Br 5
CH3 4 5 S 1 N3 2
4-甲基-2，3，-二溴呋喃
5-甲基噻唑
只含一个杂原子的杂环，可把靠近杂原子的 位置叫做α为，其次为β位。
N
R
X
H N H
N SO3
（b）亲电取代反应 活性： 由于氮原子的吸电子诱导效应，吡啶环上的 电子云密度较低，其亲电取代反应与硝基苯类 似，一般需要强烈条件。 位置： 主要发生在β-位.
H
进攻 β 位
E H N
H
H
E
N
进攻α 位
H
N
H
N
E N有较大电负性， H 6电子N不稳定。
KNO3,H2SO4 Fe , 330℃
吡啶电子结构与吡咯不同：
N H
N
（B）化学性质 （a）碱性 吡啶氮原子上的未共用电子对不参与π体系，这对电子可与质子结合，因此吡啶的 碱性较吡咯强，也比苯胺略强。 NH2
碱性比较：
pKb
CH3NH2＞ NH3＞
＞
＞
3.36
HCl
4.76
N 8.8
9.3
H
N H 13.6
反应：
RX
N
Cl
H
H
H
N
SO3
H 2O
NC(CH2)4CN
HOOC(CH2)4COOH
H2NC(CH2)4NH2
制造尼龙66的原料
H2，Ni
加成反应： 呋喃的芳香性比较弱, 除进行亲电取代反 应外;还容易Diels-Alder反应进行和亲电加成。
O C O C O
O
O
O O H H O
， ℃ 30
O
O O
≡
O
O
H
Diels-Alder反应
H H H O O N N O O H H N H O H
O O
O2N
O
CH=N N
呋喃唑酮（痢特灵）
H
H H H H N H
H O
N
H
O
O
H H O H H
O2N
O
CH= CHCNHCH(CH3)2 O
呋喃丙胺（抗血吸虫药）
HOOCCH2CH2 N H
CH2COOH CH2NH2
卟吩胆色素原:通过生物体内特定酶的作用可转变成 卟啉、叶绿素和维生素B12等重要生物活性物质.
烟酰二乙胺（可拉明）中 枢神经兴奋药
维生素B6
（2）喹啉
N
与吡啶类似, 喹啉有弱碱性（pKb=9.15）。
喹啉的亲电取代反应（如硝化、磺化、溴化 等）比吡啶容易，亲电试剂主要进攻苯环部分。 亲核取代反应则发生在吡啶环上，主要在2位取代。
H H H H
H
N
H
H
H
H
H
H
浓 HNO3 浓 H2SO4 ， 0℃
O
N H
四氢呋喃 1,4-二氧六环 四氢吡咯 六氢吡啶
N H
1-氧-4-氮杂环己烷 (吗啡啉)
奎宁环
（2）芳香性杂环 （A）分类 最常见和最稳定的芳杂环分为五元杂环和六 元杂环两大类。每一类又依杂原子种类、数目、 单环或稠环等再分类。
（B）命名 （a）母体化合物 采用英文名称的音译，一般在同音汉字的左 边加一“口”旁。
具有芳香性
•有较高的离域能，具特殊的稳定性。
•易发生亲电取代反应。
•键长：有平均化的倾向（见教材p469表18-3）。
•环上质子受离域电子环流去屏蔽效应影响出现在 低场。
δ6.24 δ6.99
O δ7.29
S δ7.18
N H
δ6.22 δ6.68
（B）芳香性的比较
呋喃、吡咯和噻吩都是典型的芳香体系，π电子 离域，具有离域能。但由于杂原子不同，离域能不同。