杂环化合物

含一个杂原子的六元杂环（一）吡啶吡啶是从煤焦油中分离出来的具有特殊臭味的无色液体，沸点为115.3℃，比重为0.982，是性能良好的溶剂和脱酸剂。

其衍生物广泛存在于自然界中，是许多天然药物、染料和生物碱的基本组成部分。

1．电子结构及芳香性吡啶的结构与苯非常相似，近代物理方法测得，吡啶分子中的碳碳键长为139pm ，介于C-N 单键（147pm ）和C=N 双键（128pm ）之间，而且其碳碳键与碳氮键的键长数值也相近，键角约为120°，这说明吡啶环上键的平均化程度较高，但没有苯完全。

吡啶环上的碳原子和氮原子均以sp 2杂化轨道相互重叠形成ζ键，构成一个平面六元环。

每个原子上有一个p 轨道垂直于环平面，每个p 轨道中有一个电子，这些p 轨道侧面重叠形成一个封闭的大π键，π电子数目为6，符合4n+2规则，与苯环类似。

因此，吡啶具有一定的芳香性。

氮原子上还有一个sp 2杂化轨道没有参与成键，被一对未共用电子对所占据，是吡啶具有碱性。

吡啶环上的氮原子的电负性较大，对环上电子云密度分布有很大影响，使π电子云向氮原子上偏移，在氮原子周围电子云密度高，而环的其他部分电子云密度降低，尤其是邻、对位上降低显著。

所以吡啶的芳香性比苯差。

见图14-1。

N 1. 001. 010. 841. 430. 87（a ）吡啶的分子轨道示意图 （b ）吡啶中氮原子的杂化轨道 (c) 吡啶的电子云密度图14-1 吡啶的结构在吡啶分子中，氮原子的作用类似于硝基苯的硝基，使其邻、对位上的电子云密度比苯环降低，间位则与苯环相近，这样，环上碳原子的电子云密度远远少于苯，因此象吡啶这类芳杂环又被称为“缺π”杂环。

这类杂环表现在化学性质上是亲电取代反应变难，亲核取代反应变易，氧化反应变难，还原反应变易。

2．物理性质（1）偶极矩 吡啶为极性分子，其分子极性比其饱和的化合物——哌啶大。

这是因为在哌啶环中，氮原子只有吸电子的诱导效应（-I ），而在吡啶环中，氮原子既有吸电子的诱导效应，又有吸电子的共轭效应（-C ）。

（2）溶解度 吡啶与水能以任何比例互溶，同时又能溶解大多数极性及非极性的有机化合物，甚至可以溶解某些无机盐类。

所以吡啶是一个有广泛应用价值的溶剂。

吡啶分子具有高水溶性的原因除了分子具有较大的极性外，还因为吡啶氮原子上的未共用电子对可以与水形成氢键。

吡啶结构中的烃基使它与有机分子有相当的亲和力，所以可以溶解极性或非极性的有机化合物。

而氮原子上的未共用电子对能与一些金属离子如Ag +、Ni 2+、Cu 2+等形成配合物，而致使它可以溶解无机盐类。

（3）光谱性质 吡啶的红外光谱（IR ）：芳杂环化合物的红外光谱与苯系化合物类似，在3070～3020cm-1处有C —H 伸缩振动，在1600～1500cm-1有芳环的伸缩振动（骨架谱带），在900～700cm-1处还有芳氢的面外弯曲振动。

吡啶的红外吸收光谱见图14-2。

图14-2 吡啶的红外吸收光谱图 吡啶的核磁共振氢谱（1HNMR ）：吡啶的氢核化学位移与苯环氢（δ7.27）相比处于低场，化学位移大于7.27，其中与杂原子相邻碳上的氢的吸收峰更偏于低场。

当杂环上连有供电子基团时，化学位移向高场移动，取代基为吸电性时，则化学位移向低场移动。

吡啶的NMR δ（ppm ）数据如下：N HH H H Ha b cabab c8.607.257.64吡啶的紫外吸收光谱（UV ）：吡啶有两条紫外光谱吸收带，一条在240～260nm （ε=2000），相应于π→π*跃迁（与苯相近）。

另一条在270nm 的区域，相应于n →π*跃迁（ε=450）。

吡啶的紫外吸收光谱见图14-3。

图14-3 吡啶的紫外吸收光谱图3．化学性质（1）碱性和成盐 吡啶氮原子上的未共用电子对可接受质子而显碱性。

吡啶的pKa 为5.19，比氨（pKa9.24）和脂肪胺(pKa10～11)都弱。

原因是吡啶中氮原子上的未共用电子对处于sp2杂化轨道中，其s 轨道成分较sp3杂化轨道多，离原子核近，电子受核的束缚较强，给出电子的倾向较小，因而与质子结合较难，碱性较弱。

但吡啶与芳胺（如苯胺，pKa4.6）相比，碱性稍强一些。

吡啶与强酸可以形成稳定的盐，某些结晶型盐可以用于分离、鉴定及精制工作中。

吡啶的碱性在许多化学反应中用于催化剂脱酸剂，由于吡啶在水中和有机溶剂中的良好溶解性，所以它的催化作用常常是一些无机碱无法达到的。

吡啶不但可与强酸成盐，还可以与路易斯酸成盐。

例如：NN HClHClHCl或NN BF 3NBF 3BF 3或NNN SO 3SO 3SO 3或其中吡啶三氧化硫是一个重要的非质子型的磺化试剂。

此外，吡啶还具有叔胺的某些性质，可与卤代烃反应生成季铵盐，也可与酰卤反应成盐。

例如：NN3CH 3II碘化N 甲基吡啶NNCOCH 3CH 3CO氯化N 乙酰基吡啶Cl吡啶与酰卤生成的N-酰基吡啶盐是良好的酰化试剂。

（2）亲电取代反应 吡啶是“缺π”杂环，环上电子云密度比苯低，因此其亲电取代反应的活性也比苯低，与硝基苯相当。

由于环上氮原子的钝化作用，使亲电取代反应的条件比较苛刻，且产率较低，取代基主要进入3（β）位。

例如：NNO 2NSO 3H NBr NN123456αβγCl不发生反应与苯相比，吡啶环亲电取代反应变难，而且取代基主要进入3（β）位，可以通过中间体的相对稳定性来说明这一作用。

2（α）位取代：NENH E特别不稳定3（β）位取代：NHENE4（γ）位取代：NH ENE特别不稳定由于吸电性氮原子的存在，中间体正离子都不如苯取代的相应中间体稳定，所以，吡啶的亲电取代反应比苯难。

比较亲电试剂进攻的位置可以看出，当进攻2（α）位和4（γ）位时，形成的中间体有一个共振极限式是正电荷在电负性较大的氮原子上，这种极限式极不稳定，而3（β）位取代的中间体没有这个极不稳定的极限式存在，其中间体要比进攻2位和4位的中间体稳定。

所以，3位的取代产物容易生成。

（3）亲核取代反应由于吡啶环上氮原子的吸电子作用，环上碳原子的电子云密度降低，尤其在2位和4位上的电子云密度更低，因而环上的亲核取代反应容易发生，取代反应主要发生在2位和4位上。

例如：N PhNNPhLiNaNH2LiHH O3N NH2液吡啶与氨基钠反应生成2-氨基吡啶的反应称为齐齐巴宾（Chichibabin）反应，如果2位已经被占据，则反应发生4位，得到4-氨基吡啶，但产率低。

如果在吡啶环的α位或γ位存在着较好的离去基团（如卤素、硝基）时，则很容易发生亲核取代反应。

如吡啶可以与氨（或胺）、烷氧化物、水等较弱的亲核试剂发生亲核取代反应。

例如：NClNNOHN OCH3CH3ONa3NClCl NClNHCH3322（4）氧化还原反应由于吡啶环上的电子云密度低，一般不易被氧化，尤其在酸性条件下，吡啶成盐后氮原子上带有正电荷，吸电子的诱导效应加强，使环上电子云密度更低，更增加了对氧化剂的稳定性。

当吡啶环带有侧链时，则发生侧链的氧化反应。

例如：NPhNCOOHNCH 3NCOOHNCOOHNN CH 3/HH 3O烟碱（尼古丁）烟酸吡啶在特殊氧化条件下可发生类似叔胺的氧化反应，生成N-氧化物。

例如吡啶与过氧酸或过氧化氢作用时，可得到吡啶N-氧化物。

NN ONCH 3H O 3H 2O 23395%，，NCH 3O或吡啶N-氧化物可以还原脱去氧。

NN O在吡啶N-氧化物中，氧原子上的未共用电子对可与芳香大π键发生供电子的p-π共轭作用，使环上电子云密度升高，其中α位和γ位增加显著，使吡啶环亲电取代反应容易发生。

又由于生成吡啶N-氧化物后，氮原子上带有正电荷，吸电子的诱导效应增加，使α位的电子云密度有所降低，因此，亲电取代反应主要发生在4（γ）上。

同时，吡啶N-氧化物也容易发生亲核取代反应。

例如：N ON NO 2NO 2N ONOCH 3OCH 3N O3NH 2NN ONPhPCl 3H 3ON O与氧化反应相反，吡啶环比苯环容易发生加氢还原反应，用催化加氢和化学试剂都可以还原。

例如：NN HH 2/Pt MPa.95%哌啶NCH 2CH 3HNa CH CH 2CH 3N 64%吡啶的还原产物为六氢吡啶（哌啶），具有仲胺的性质，碱性比吡啶强（pKa11.2），沸点106℃。

很多天然产物具有此环系，是常用的有机碱。

（5）环上取代基与母环的影响 取代基对水溶解度的影响：当吡啶环上连有-OH 、-NH 2后，其衍生物的水溶度明显降低。

而且连有-OH 、-NH 2数目越多，水溶解度越小。

例如：NNOHNNH 2NOHOH水溶解度 ∞ 1：1 1：1 溶解其原因是吡啶环上的氮原子与羟基或氨基上的氢形成了氢键，阻碍了与水分子的缔合。

取代基对碱性的影响：当吡啶环上连有供电基时，吡啶环的碱性增加，连有吸电基时，则碱性降低。

与取代苯胺影响规律相似。

例如：NNCH 3NCHONCH 3NNO 2NClpKa 5.19 5.60 6.02 3.53 3.80 0.8二、含两个杂原子的五元杂环化合物含有两个或两个以上杂原子的五元杂环化合物至少都含有一个氮原子，其余的杂原子可以是氧或硫原子。

这类化合物通称为唑（azole ）类。

（一）吡唑、咪唑、噻唑、噁唑、异噁唑含两个杂原子的五元杂环可以看成是吡咯、呋喃和噻吩的氮取代物，根据两个杂原子的位置可分为1,2二唑和1,3二唑两类。

1,3-唑：N N N ON SH123451234512345咪唑 噻唑 噁唑1,2-唑：N N ON SN H123451234512345吡唑 异噁唑 异噻唑1．电子结构和芳香性唑类可以看成是吡咯、呋喃和噻吩环上的2位或3位的碳被氮原子所替代，这个氮原子的电子构型与吡啶环中的氮原子是相同的，为sp 2杂化，未参与杂化的p 轨道中有一个电子，与碳原子及杂原子的p 轨道侧面重叠形成六电子的共轭大π键，因此具有芳香性。

如图14-5所示。

1,3-唑类 1,2-唑类图14-5 唑类分子轨道示意图在增加的氮原子的sp 2杂化轨道中有一对未共用电子对，吸电性的氮原子使唑类环上的电子云密度降低,环稳定性增强。

2．物理性质含两个杂原子的五元杂环化合物的物理常数见表14-4。

表14-4 几种唑类杂环的物理常数名称 分子量 沸点（℃） 熔点（℃） 水溶度 pKa吡唑 68 186～188 69～70 1：1 2.5 咪唑 68 257 90～91 易溶 7.0 噻唑 85 117 微溶 2.4 噁唑 69 69～70 0.8 异噁唑 69 95～96 溶解 -2.03表14-4中看出，五种唑类化合物虽然分子量相近，沸点却有较大差别，其中咪唑和吡唑具有较高的沸点。

这是因为咪唑可形成分子间的氢键，吡唑可通过氢键形成二聚体而使沸点升高。