第十八章 杂环化合物

O
（3）羟醛缩合反应
CHO + CH3CHO 稀碱 O CH=CHCHO
O
（4）安息香缩合反应
CHO KOH 醇溶液 O O CH C OH O
O
3）糠醛的用途 糠醛是良好的溶剂，常用作精练石油的溶剂，以 溶解含硫物质及环烷烃等。可用于精制松香，脱出色 素，溶解硝酸纤维素等。糠醛广泛用于油漆及树脂工 业。
第十八章
杂环化合物
学习要求
1、掌握杂环化合物的分类和命名； 2、掌握五元杂环化合物的结构和化学性质，了解 它们的制法； 3、掌握糠醛的性质，了解一些含五元杂环化合物 的用途； 4、掌握吡啶的结构和化学性质，了解一些含六元 杂环化合物的用途； 5、了解生物碱的一般性质和提取方法。
第一节
杂环化合物的分类和命名
HCON(CH3)2
DMF
RCOCl
POCl3
N H (1) pKa≈ 17.5 Na 或 K 或浓NaOH N K+ (2)
C6H5N2+XC2H5OH-H2O AcONa
N=N-C 6H5
RX
N R
Hale Waihona Puke 或K+NH2-CO2
加热 加压
N H
RMgX
N H
COOH
N COOH
1 CO2 2 H2O
N MgX
三、六元杂环化合物的命名：
六元杂环：
γ 4 5 6 N 1 3β 2α
5 6 O 1 γ 4 3β 2α
5 6 O 1 O 4 3 2
4 5 6 O 1 3 2 O
吡啶(pyridine)
4 5 6 N 1 3 N2
吡喃(pyran)
4 5 6 N 1 N3 2
γ-吡喃酮 (γ-pyrone)
5 6 4 N
2）糠醛的性质 同有α-H的醛的一般性质。 （1）氧化还原反应
CuO, Cr2O3 150 ℃, 10MPa O CHO KMnO4 弱碱性 O V2O5 - MoO O2, 320 ℃, O O O + CO2 + H2O COOH O CH2OH
（2）歧化反应
CHO 浓碱 O COOH + O CH2OH
+KOH（固）
.. N H
+NH - 液 NH3 +K 2
N+ K
N+ K
+
H2 O
+ NH3
+RMgX
N + K
Na
N
+ RH
MgX
或
N
可合成吡咯衍生物
O PhCCl
MgX
(70 %) N COPh
N H
或 NaOH(浓)
N Na+
N-酰基吡咯
N H
COO-NH4+
N H
CHO
N COR
CHCl3 (NH4)2CO3 130oC 25%NaOH
（二）吡啶的结构
C_ sp2 N_ sp2 成环原子 共平面
N H N 上的孤电子对在 P 轨道上，参与 环内共轭，为富 电子芳环。
N
N
Π
6 6
体系
N 上的孤电子对在 sp2 轨道上，在环外 未参与环内共轭。
由于吡啶环的N上在环外有一孤对电子，故吡啶环上的电荷分布不均。
N N 吡啶 N 嘧啶 O 吡喃
一、吡啶
(一) 来源、制法和应用 吡啶存在于煤焦油页岩油和骨焦油中，吡啶衍生物广泛存在于自然界， 例如，植物所含的生物碱不少都具有吡啶环结构，维生素PP、维生素B6、 辅酶Ⅰ及辅酶Ⅱ也含有吡啶环。吡啶是重要的有机合成原料（如合成药 物）、良好的有机溶剂和有机合成催化剂。 吡啶的工业制法可由糠醇与氨共热（500℃）制得，也可从乙炔制备。 吡啶为有特殊臭味的无色液体，沸点115.5℃，相对密度0.982，可与水、 乙醇、乙醚等任意混和。
α-吡喃酮 (α-pyrone)
3 2
哒嗪(pyridazine)
嘧啶(pyrimidine)
N 1 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
O O
喹啉 (quinoline)
异喹啉 (isoquinoline)
*5 杂原子和取代基的定位效应 A、杂原子的定位效应：邻位 第一取代基进入到杂原子的α-位。 B、取代基的定位效应： 3位上有取代基时，呋喃、吡咯、 噻吩的定位效应一致。
G (o, p)
G (m)
Z
Z
2）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）。
二、光谱性质（略） 三、吡咯、呋喃、噻吩的化学性质
1、吡咯、呋喃、噻吩的亲电取代反应 （重点） 1）概述 *1 亲电取代反应的活性顺序： 从结构上分析，五元杂环为Π56共轭体系，电荷密 度比苯大，因此其活性比苯强； 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。
四、噻唑和咪唑 1．噻唑 噻唑是含一个硫原子和一个氮原子的五元杂环，无色，有吡啶臭味 的液体，沸点117℃，与水互溶，有弱碱性，是稳定的化合物。 一些重要的天然产物几合成药物含有噻唑结构，如青霉素、维生素 B1等。 青霉素 HOOC N C O
CH3 CH3 S CH NH C R O
R = CH2 R = CH2 O
第二节
五元杂环化合物
一、含有一个杂原子的五元杂环体系
1、吡咯、呋喃、噻吩杂环的结构 杂 原 子 均 为 sp2 杂 化
O
O 为Π
6 5
共轭体系
π 电子 = 6 S S 符合 4n + 2 具有芳性 富电子芳环
N H
H
N
二、吡咯、呋喃、噻吩的性质
1、存在与物理性质
1）吡咯： 存在：煤焦油和骨焦油中。无色液体，沸点130131℃。 鉴定：蒸汽遇盐酸浸湿的松木片显红色。 2）呋喃： 存在：松木焦油中。无色液体，沸点32℃，有氯仿气 味。 鉴定：蒸汽遇盐酸浸湿的松木片显绿色。 3）噻吩： 存在：与苯共存于煤焦油中。无色有特殊气味的液 体，沸点84℃。 鉴定：与吲哚醌在硫酸作用下发生蓝色反应。
Br Br N H
Cl O
Br2 AcOH
Br Br
Br2, 0℃ EtOH SOCl2 (1 mol)
N H
Cl2 -40℃
Et2O, 0℃
Cl N H
Br
(80 %)
Br2, 0℃
Cl
+ O
Cl
(86 %)
O
O
O 稀释
O
Br S
(78 %)
S
I2, HgO C6H6, 0℃
I 碘不活泼，要用催化剂才能发生一元取代 S
3）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。
O O CH3COCCH3 + HNO3
AcONO2 O oC
O CH3CONO2 + CH3COOH NO2
S
Ac2O/AcOH
S 60 %
NO2 + S 10 % NO NO2 + N H 13 %
N H
>
O
>
S
>
*2 取代反应主要发生在α-C即2-位上；
E N H H N H E H N H E H
八隅体结 构最稳定
*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。
2、吡咯的重要衍生物 最重要的吡咯衍生物是含有四个吡咯环和四个次 甲基(-CH= )交替相连组成的大环化合物。其取代物 称为卟啉族化合物。
2
α NH N N HN γ
3 4
1
δ
8
β
5
7
6
卟啉族化合物广泛分布与自然界。血红素，叶绿 素都是含环的卟啉族化合物。在血红素中环络合的是 Fe，叶绿素环络合的是Mg。
芳香杂环化合物：
五元杂环：
O
呋喃
S
噻吩
N
吡咯
N H
N O
N
噁唑 吡啶
S
N N
噻唑 嘧啶
N H
咪唑
N N H
吡唑
六元杂环：
N
吡喃(无芳香性)
O
苯并杂环：
N H
吲哚
N
喹啉
N
异喹啉
杂环并杂环：
N N
N
嘌呤
N H
二、五元杂环化合物的命名：
五元杂环：
4 5
O 1
（音译命名）
4 5
S 1
3β 2α
3β 2α
为青霉素 G 为青霉素 V 常用青霉素
R = CH CH CH2 S CH3 为青霉素 O
维生素B1（VB1）
NH3Cl N CH3 N Cl CH3 S 噻唑环 CH2CH2OH 对糖类的新陈代谢有 显著的影响，人体缺 乏时可以引起脚气病
CH2 N
第三节 六元杂环化合物
六元杂环化合物中最重要的有吡啶、嘧啶和吡喃等。
三、含有一个杂原子重要的五元杂环衍生物
1、糠醛（α- 呋喃甲醛） 1）制备 由农副产品如甘蔗杂渣、花生壳、高粱杆、棉子 壳……用稀酸加热蒸煮制取。
(C5H8O4)n 多聚戊糖 3~5%H2SO4 水蒸气 HO CH OH CH OH OH 呋喃甲醛 稀 H2SO4 CHO
CH2 CH CHO 戊糖
2、呋喃、吡咯、噻吩的加成反应 1） 加氢反应
H2, Ni or Pd O H2, Ni or Pd N H H2, Ni S 四氢吡咯 N H 不能用 Pd 催化 因噻吩能 Pd 使中毒 O
四氢呋喃 ( THF )
S
2） Diels-Alder反应 呋喃最易发生Diels-Alder反应
O O O + O O 30 ℃ O O 内式 (90%) O 外式 + O O O O
S
S
CCH3
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。
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。
+ CH2O + HCl
ZnCl 2 0℃
S
S
CH2Cl
CH2O + HCl ZnCl2, 25oC
ClH2C
S
CH2Cl
CH2Cl2 室温
+ SO3 N
N SO3
(固体，含量90 %)
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。
O
ClCH2CH2Cl
SO3-
N H
O
+
N SO3
r. t. 3 days N H
-
O3 S
O
SO3-
N H
ClCH 2CH 2Cl
Ba(OH)2
Ba 2+
S SO 32
3、吡咯的弱酸性和弱碱性 吡咯虽然是一个仲胺，但碱性很弱。
NH2 N H Kb 3.8 × 10
-10
N H
-14
原因： N 上的未共用电子对
-4
2.5 × 10
2 × 10
参与了环的共轭体系， 减弱了与 H 的结合力。
吡咯具有弱酸性，其酸性介与乙醇和苯酚之间。
OH N H Ka = 1.3 × 10-10 1× 10-15 CH3CH2OH 1 × 10-18
6 7 5 N
苯并吡喃
苯并--吡喃酮
(benzopyran) (benzo--pyrone)
8 嘌呤(purine)
杂环并杂环： 1 N
2
N 4 N9 H 3
编号：杂环上有取代基时，从杂原子算起依次用1，2，3…编 号。(α，β，γ…则从杂原子相邻的碳原子依次编号) 如杂环上不止一个杂原子时，则从O、S、 N顺序编号。 编号时杂原子的位次数字之和应最小。
2
AcONO2 O oC
N H
Ac2O/AcOH
N H 51 %
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。
AcONO2 O -5 - -30oC O +
H NO2
H AcO O
H NO2
Pyridine N O H NO2
4）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 氧化硫的络合物。
+ S
N SO 3
r. t.
100 oC
HCl N H SO3- N H N H SO3H
N H
+
N SO3
5）吡咯、呋喃、噻吩的傅氏酰基化反应
+ Ac2O
150 - 200 ℃
O N H CCH3 (60 %)
N H
+ Ac2O O
BF3 O
O CCH3
(75%-92 %)
O
Ac2O 与 AlCl3 的 混 合 体 系
由碳原子和至少一个其他原子，如氧、硫、氮等 组成的环，称为杂环；碳原子以外的原子，称为杂原 子；含有杂环的化合物，称为杂环化合物。
一、杂环化合物的分类： 单杂环化合物：最常见的是五元杂环和六元杂环 化合物。 稠杂环化合物：由苯环与单杂环或两个以上单杂 环稠和而成的化合物。 芳香杂环化合物：具有芳香特征的杂环化合物。 非芳香杂环化合物：没有芳香特征的杂环化合物。 四氢呋喃、四氢吡咯、六氢吡啶等。通常称为杂环 的衍生物(其性质与脂肪族非环状化合物相似)
4 5 1N H
3β 2α
呋喃(furan)
噻吩(thiophene)
吡咯(pyrrole)
五元杂环苯并体系：
4 5 6 7 O 1 3 2
4 5 6 7 S 1 3 2
4 5 6 7 N H1 3 2
苯并呋喃 (benzofuran)
苯并噻吩 (benzothiophene)
苯并吡咯 吲哚 (indole)