有机化学第十七章 杂环化合物

吡嗪 pyrazine
稠杂环：
O S N H
苯并呋喃 苯并噻吩 吲哚(苯并吡咯) benzofuran thionaphthene indole
N N H O
N S
N
N N N H
N
苯并咪唑 苯并噁唑 苯并噻唑 嘌呤 benzomidazole benzoxazole benzothiazole purine
O +0.10
S +0.20
N H +0.32
反应主要发生在 2 位上:
进攻2位 E+ X X=O,S,NH 进攻3位 X X E H X E H X E H E H X E H
亲电试剂进攻 2 位的中间体稳定
(1) 硝化 使用温和的试剂： 硝酸乙酰酯 CH3COONO2作硝化剂
-5o~-30oC + CH3COONO2
烟酰二乙胺(可拉明)
C N
C
N(C2H5)
烟酰胺(维生素pp)
CONHNH2 N
异烟酰肼(雷米封)
HO H 3C
CH2OH CH2OH N
维生素B6
稠杂环化合物
＊苯并杂环 ○喹啉：
N
电子云密度大
电子云密度小
亲电取代较苯难——苯环取代： 可亲核取代—— 吡啶环 α－位：
N
N
○吲哚：
N H
∴ 芳香性的大小顺序： 苯 > 噻吩 > 吡咯 > 呋喃
二、重要化学性质
1、亲电取代均易于苯 亲电取代反应活性顺序：
> N H O > S >
低温、弱亲电试剂
呋喃、吡咯遇酸或氧化剂容易开环或聚合。 苯及五元芳杂环的电子云密度：
0 0 0 0 0 0 -0.02 -0.03 -0.04 -0.08 -0.06 -0.10
O O
NO2
Ac2O + HNO3 S
+ CH3COONO2
0C
Ac2O -10 C
o
o
S
NO2
N H
N
NO2
H
(2) 磺化
吡咯、呋喃通常采用吡啶与SO3的加合物：
N + SO3 N ·SO3
N H
+ N ·SO3
100℃
SO3 · N H 吡咯－2－磺酸吡啶盐 (90％) N
HCl N H
SO3 H
O O + (CH3CO)2O BF3 O 2–乙酰基呋喃 (75%~92%)
O N H + (CH3CO)2O 150~200℃ C N H 2–乙酰基吡咯(60%) CH3
C
CH3
2、加成反应比苯容易 催化加氢 例：
Ni + H2
O O
四氢呋喃(THF)
Pt N H + H2 高温、高压 N H
a
N
b N:sp2
N H
c
N H
d N: sp3
NH2
碱性：c > a > d > b
亲核性：
与卤代烷作用生成相当于季铵盐的吡啶鎓盐：
CH3 CH3I N N I CH3 300℃ N CH3 N γ–甲基吡啶 +
α–甲基吡啶
4、还原、氧化
+ H2 N Ni 180℃ N H 六氢吡啶 (哌啶)
聚戊糖
戊糖
糠醛
ZnO–Cr2O3–MnO2 O
三、重要衍生物
1、糠醛（呋喃甲醛）
化性
O
CHO
CHO
2、呋喃类药物
天然：
R
O O O
R'
O
O
O
白芷素
前胡素
合成：
O2N
O
CH=N-N
O2N
O
CH=N-NHCONH2
O O furoxone, 痢特灵
3、卟啉（Porphyrin）
17.3 六元杂环化合物
N
γ－吡啶甲酸
α－呋喃甲醛
※含两个或以上相同杂原子 应使杂原子的位次最小： 从连有取代基或含氢的杂原子开始编号； 有不同杂原子时，按氧、硫、氮的次序编号。
H 3C 4 5 N H 1 N 3 2 N NH2 N
4－甲基咪唑
4－氨基嘧啶
4 5 O1
3 2 CH3
4 5
N3 S1 2 CH3O
5 6
C2-C3 (C=C 133) 135 135 137
C3-C4 (C-C 154) 144 146 143
..
O
..
S
..
N H
结构特点：
平面环状 键长一定程度平均化 环上原子均为sp2 杂化 杂原子的孤对电子参与共轭
环状大π键
(5中心6电子)
——富电子芳杂环
杂原子的电负性：O > N > S (3.5) (3.0) (2.6) 共振能（kcal/ mol）： 苯 36 噻吩 24 吡咯 22 呋喃 16
五元杂环：
O S
呋喃 furan
N N N H N H
噻吩 thiophene
N O
吡咯 pyrrole
N S
N H
吡唑 pyrazole
咪唑 imidazole
噁唑 oxazole
噻唑 thiazole
六元杂环：
N N N N N N N
吡啶 pyridine
哒嗪 嘧啶 pyridazine pyrimidine
第十七章 第十七章 杂 环 化 合 物 杂 环 化 合 物
Heterocyclic Compounds Heterocyclic Compounds
杂环化合物：由碳原子和杂原子（O, N, S …）
组成的环状化合物。
N H
O
N
四氢呋喃
哌啶
吡啶
开链化合物（脂肪族） 有机化合物 碳环化合物（脂环和芳香族） 杂环化合物
NO2 H2O2,AcOH N 65℃ N O 吡啶–N–氧化物 (95％) HNO3,H2SO4 90℃ N PCl3,CHCl3 △ N 4–硝基吡啶 (80％) NO2
应用：有机碱催化剂、 环氧树脂的固化
O 4–硝基吡啶–N–氧化物 (90％)
含有吡啶环的药物分子：
O COOH N
烟酸
O NH2 N
※
吡啶 pyridine
N
生物碱一般是指从动植物中得来的、具有碱 性的、有强烈生理作用的一类有机含氮化合物：
CH3 N H N N H 颠茄碱(阿托品) H CH3 NHCH3 OH C6H5 烟碱(尼古丁) 麻黄碱 咖啡碱 O H3C N N N CH3 O N CH3
一、吡啶的结构和芳香性
N
..
二、吡啶的主要化学性质
1、亲电取代难于苯 （β－位）
不稳定的 极限结构
进攻α位 δ E δ N δ δ N
+
E N H E H N N N
E H E H N N
E H E H
进攻β位
HNO3,KNO3 N H2SO4,Fe,300℃ N
NO2
3–硝基吡啶(22%)
H2SO4,HgSO4 N 230℃
平面环状体系 6原子均sp2 杂化
环状大π键
（6中心6电子）
环上电子云密度分布：
0 0 0 0 0 0 + 0.18 +0.05 + 0.15 N - 0.58
—— 缺电子芳杂环 ●环上电子云密度分布不均
140pm 139pm N 134pm
键长：
C-N 147
C=N 128
● 芳香性：吡啶＜苯
（似硝基苯）
§24、1 杂环化合物的分类和命名 一、分类
杂环
非芳香性杂环 芳香性杂环
非芳香性杂环:
O O O
四氢呋喃 1,4–二氧六环
N H
N H
N
四氢吡咯
六氢吡啶
奎宁环
(1–氮杂二环[2.2.2]辛烷)
芳香杂环化合物 的特点：
较稳定的平面环状体系； （4n ＋2）π电子； 芳香性
＊按杂环的骨架分类
五元杂环 六元杂环
※ 3、呋喃的特性—— 双烯合成
O O + NH O
O +
O
O
O
NH
O
O O O
O
NH
O
+ O
O
O O
O
O
O
※
4、吡咯的特性—— 弱酸性
思考：试比较碱性强弱
NH2 N H N H
N 上孤对电子 直接参与共轭， ∴碱性＜苯胺
N 上氢原子可与强碱反应：
KOH N H
CH3MgI 干醚
N K+
NaNH2/ NH3
N
N
N
喹啉 异喹啉 quinoline isoquinoline
吖啶 acridine
二、命名（▲音译法）
※杂环为母体，取代基按最低系列原则编号
CH3 N H 3C O CH3
3－甲基吡啶 （β－甲基吡啶 ）
2，5－二甲基呋喃 （ α， α ，－二甲基呋喃）
※环上有官能团时，杂环作取代基
COOH CHO O
N Na+
N MgI
呋喃、噻吩、吡咯的制备
Pቤተ መጻሕፍቲ ባይዱal–Knorr (帕尔－克诺尔) 合成法
γ –二羰基化合物 酸催化下脱水
或与氨或硫化物作用
TsOH 甲苯,△
H 3C H 3C H 3C
O S N H
CH3 CH3 CH3
H 3C
O O
CH3
P2S5 170℃ NH3 甲苯,△
CHO (C5H8O4)n H+,H2O (CHOH)3 CH2OH HCl /△ －3H2O O CHO
SO3H N 3–吡啶磺酸(70%)
2、亲核取代易于苯 （ N 原子的邻对位）
OH N
Br H 2O ,
N
OH
Cl CN N
CN CH3 CH3
melt
N
3、环上氮原子的性质：
具有弱碱性 —— 与酸成盐
HCl
N N
.
HCl
SO3,CH2 Cl2,室温
N
+
SO3-
啶 N－磺酸吡
※含氮化合物的碱性： 取决于N 上电子云密度大小 思考：试比较下列化合物的碱性
S
+
H2SO4(浓)
室温
S 噻吩－2－磺酸 (~75%)
SO3H
煤焦油中提取的苯含0.5% 噻吩。这是 制取无噻吩苯的一种方法
(3) 卤化 采用溶剂稀释、低温
O O + Br2 O 0℃ Br
O α–溴代呋喃 (90%)
S
+ Br2
AcOH 室温
S α–溴代噻吩
Br
(4) Friedel–Crafts酰基化 催化剂： SnCl4, BF3等
4
N3 O 2 1
7
5–甲基噻唑
6–甲氧基苯并噁唑
• 对于含一个杂原子的杂环也可把靠近杂 原子的位置叫做α位，其次为β和γ位。
γ
β＇ α＇
N
β α
五元芳杂环
O
S
N
H
呋喃
噻吩
吡咯
一、结构和芳香性
3 2 X 1 4 5 X = O , S , NH
键长（pm）: X-C2 呋喃 噻吩 吡咯
137(C-O 143） 172 (C-S 183) 138(C-N 147)