有机化学学习笔记杂环化合物
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第十一章 杂环化合物
五元杂环亲电取代反应及基团定位效应 六元杂环亲电取代反应和亲核取代反应
五元杂环的合成 喹啉的反应 喹啉的合成
11.1 结构
1．分类 非芳香性杂环化合物
O
S
四氢呋喃 四氢噻吩 (醚类) (硫醚类)
N
H 四氢吡咯
(仲胺)
N
H 哌啶 (仲胺)
芳香性杂环化合物
34
2 O5
1
呋喃
N
H 吡咯
H
ZG
E
E
H Z G HZ G
4．五元杂环化合物的加成反应
O
+
O
O O
O
N+
O
H
O
O O
O
O
O
N
O
O
O
N+
O
R
O
R N
O
O O
O S O
O O
O
O
H2O2
O
S
S
O
O O
O 不反应
5．吡咯的特殊反应
A. 酸性
pKb=2.89 N H
RMgX N -RH H
N MgX
K
N
N
H
K
pKb=13.6 说明吡咯N上的H具有酸性。 N
Z
G E
G
EG
EH
Z
Z
G
Z
E H
亲电试剂进攻2-位，则导致正碳离 子直接与吸电子基团相连，不稳定。
E H
Z
G 如果进攻4-位，不仅其本身活性 低，而且也不如进攻5-位时产生 的共振式多。
G
G
G
EE
Z
HZ
E HZ
G E HZ
进攻5-位最有利。
G为第一类定位基 Z=N,O,S
G E
Z
G
E ZH
G
E ZH
Br CH3COOH
Z NO2 Br2
Z NO2
位有第二类定位基， 后续基团进入不相邻 的位；
CH3COONO2
Z Br
O2N Z Br
位有第一类定位基， 则后续基团进入另一 位。
解释：
G为第二类定位基 Z=N,S
E ZG
E H
ZG
E
EH
ZG
ZG
亲电试剂进攻3-位，则导致正碳离子直接与 吸电子基团相连，这样的正碳离子不稳定。
S
00C
CH3COONO2
O
-5~300C
S NO2 60%
O NO2 35%
B. 卤代
氯化硫酰
SO2Cl2/(C2H5)2O
N Cl H
00C
N
H
Br2/C2H5OH Br
Br
00C
Βιβλιοθήκη Baidu
Br N Br
H
氯化硫酰是一种 温和的氯代试剂
Cl2 O Cl -400C
Br2/ O O
O
00C
O Br
I2/H2O
S I 00C
苯不能直接与碘反应 但噻吩可以，说明其 亲电取代活性远远高 于苯
Br2/CH3COOH
S
00C
S Br
C. 磺化
温和的磺化试剂
N SO3
N H
N SO3
O
N SO3 N
HCl
H
O SO3 N
HCl
H2SO4
S
室温
S SO3H
H2O
苯中含有少量噻吩可以用浓硫酸萃取除去
N SO3H H
O SO3H
E H
Z
只有进攻4-位时方可避开这种 情况，所以，当2-位为吸电子 基团时，后续基团进入4-位。
G
EE
E
E
Z G H Z G H Z G HZ G
G为第一类定位基 Z=N,S
E ZG
E H
ZG
E
EH
ZG
ZG
EE Z G HZG
E H
ZG E
虽然亲电试剂进攻3-位和5-位均 能产生正碳离子与推电子基团相 连的情况，但是，进攻5-位时产 生三个共振式，而且5-位的反应 活性比3-位高。
OH OH
O OH
Cr2O3
O CHO ZnO
O
CH CH 2HCHO CuCl/NH4Cl
合物氧化或聚合。
3．基团定位效应
A. 位有取代基
COOH
CH3COOH
Z
Br2 Br
Z=N,O,S
COOH Z
Br CH3COONO2
Z Z=N,O,S
Br Z NO2
位有第二类定位基， 后续基团进入不相 邻的位；
位有第一类定位基， 后续基团进入相邻 的位。
解释：
G为第二类定位基 Z=N,O,S
如果以苯的硝化反应速率为1，噻吩的位硝化速 率为1.9104，位为3.2107
11.2 吡咯、呋喃、噻吩的性质与合成
亲电取代反应活性：
>
>
>
>
N
O
S
N
H
1．五元杂环化合物的亲电取代反应机理
亲电试剂进攻3,4-位
E
Z
E H
Z
E
H 两个共振式
Z
Z=N,O,S
-H+
E
杂原子利用其孤对电子
来稳定正碳离子 Z
亲电试剂进攻2,5-位
E
Z
E ZH
E ZH
E ZH
Z=N,O,S
-H+
产生三个共振式，
Z E 正碳离子更稳定
2．五元杂环化合物的亲电取代反应
A. 硝化
硝化试剂为温和的硝酸乙酰酯 (CH3CO)2O + HNO3 CH3COONO2
CH3COONO2
N
-100C
H
N NO2 H 51%
CH3COONO2
+ H2SO4 S
D. Friedel-Crafts酰基化
(CH3CO)2O N 150~2000C H
(CH3CO)2O
S
SnCl4
(CH3CO)2O
O
BF3
O N C-CH3 H
O S C-CH3
O O C-CH3
五元杂环化合物的 亲电取代反应活性 高，所以，一般选 用弱的亲电试剂、 在低温条件下、采 用溶剂稀释时反应， 以防止五元杂环化
G 亲电试剂进攻2E 位，则导致正碳 Z H 离子直接与推电
子基团相连，这 样正碳离子稳定。
G
EG
EH
Z
Z
G
G
EE
Z
HZ
EG H
Z G
E HZ
亲电试剂进攻这两
G
个位置时则无此共 振式。
E
HZ
B. 位有取代基 (当Z=O时)
不论呋喃的位是何种类型定位基，则后续基团均 进入另一位。
B. 位有取代基 (当Z=N,S时)
d. 吲哚、咔唑及噻吩的Vilsmeier反应
POCl3 / DMF
N
ClCH2CH2Cl
C6H13
CHO
N C6H13
DMF / POCl3 N
CH3
CHO
N CH3
S DMF / POCl3
S CHO
S
CH2Cl2 室温
S
6．五元杂环化合物的合成
A. 无取代基的五元杂环的合成
(C5H8O4)n H3+O HO 多聚戊糖
五元杂环
S 噻吩
N 吡啶 六元杂环
N
N
喹啉
异喹啉
稠杂环
2．结构
NH
O
S
键长0.1383nm 键长0.1371nm 键长0.1429nm
键长0.1362nm 键长0.1361nm
键长0.1431nm
键长0.1741nm 键长0.1370nm 键长0.1423nm
形成 56大键，整体电子云密度升高，使亲电取 代反应更为容易；键长并未完全平均化，电荷密 度分布不均匀，使得亲电取代反应发生的位置具 有选择性。其中2,5-位称为位；3,4-位称为位。
H NaNH2 N
O Cl
Na O
N
O +N
O Cl
O N
H
O +N
H
B. 活泼芳环的性质
a. 与重氮盐偶联
+ N
N NCl
H
b. Reimer-Tiemann反应
N NN H
N H
c. Kolbe反应
N H
CHCl3 NaOH
N CHO H
(NH4)2CO3 高温
H3+O N COONH4 H
N COOH H
五元杂环亲电取代反应及基团定位效应 六元杂环亲电取代反应和亲核取代反应
五元杂环的合成 喹啉的反应 喹啉的合成
11.1 结构
1．分类 非芳香性杂环化合物
O
S
四氢呋喃 四氢噻吩 (醚类) (硫醚类)
N
H 四氢吡咯
(仲胺)
N
H 哌啶 (仲胺)
芳香性杂环化合物
34
2 O5
1
呋喃
N
H 吡咯
H
ZG
E
E
H Z G HZ G
4．五元杂环化合物的加成反应
O
+
O
O O
O
N+
O
H
O
O O
O
O
O
N
O
O
O
N+
O
R
O
R N
O
O O
O S O
O O
O
O
H2O2
O
S
S
O
O O
O 不反应
5．吡咯的特殊反应
A. 酸性
pKb=2.89 N H
RMgX N -RH H
N MgX
K
N
N
H
K
pKb=13.6 说明吡咯N上的H具有酸性。 N
Z
G E
G
EG
EH
Z
Z
G
Z
E H
亲电试剂进攻2-位，则导致正碳离 子直接与吸电子基团相连，不稳定。
E H
Z
G 如果进攻4-位，不仅其本身活性 低，而且也不如进攻5-位时产生 的共振式多。
G
G
G
EE
Z
HZ
E HZ
G E HZ
进攻5-位最有利。
G为第一类定位基 Z=N,O,S
G E
Z
G
E ZH
G
E ZH
Br CH3COOH
Z NO2 Br2
Z NO2
位有第二类定位基， 后续基团进入不相邻 的位；
CH3COONO2
Z Br
O2N Z Br
位有第一类定位基， 则后续基团进入另一 位。
解释：
G为第二类定位基 Z=N,S
E ZG
E H
ZG
E
EH
ZG
ZG
亲电试剂进攻3-位，则导致正碳离子直接与 吸电子基团相连，这样的正碳离子不稳定。
S
00C
CH3COONO2
O
-5~300C
S NO2 60%
O NO2 35%
B. 卤代
氯化硫酰
SO2Cl2/(C2H5)2O
N Cl H
00C
N
H
Br2/C2H5OH Br
Br
00C
Βιβλιοθήκη Baidu
Br N Br
H
氯化硫酰是一种 温和的氯代试剂
Cl2 O Cl -400C
Br2/ O O
O
00C
O Br
I2/H2O
S I 00C
苯不能直接与碘反应 但噻吩可以，说明其 亲电取代活性远远高 于苯
Br2/CH3COOH
S
00C
S Br
C. 磺化
温和的磺化试剂
N SO3
N H
N SO3
O
N SO3 N
HCl
H
O SO3 N
HCl
H2SO4
S
室温
S SO3H
H2O
苯中含有少量噻吩可以用浓硫酸萃取除去
N SO3H H
O SO3H
E H
Z
只有进攻4-位时方可避开这种 情况，所以，当2-位为吸电子 基团时，后续基团进入4-位。
G
EE
E
E
Z G H Z G H Z G HZ G
G为第一类定位基 Z=N,S
E ZG
E H
ZG
E
EH
ZG
ZG
EE Z G HZG
E H
ZG E
虽然亲电试剂进攻3-位和5-位均 能产生正碳离子与推电子基团相 连的情况，但是，进攻5-位时产 生三个共振式，而且5-位的反应 活性比3-位高。
OH OH
O OH
Cr2O3
O CHO ZnO
O
CH CH 2HCHO CuCl/NH4Cl
合物氧化或聚合。
3．基团定位效应
A. 位有取代基
COOH
CH3COOH
Z
Br2 Br
Z=N,O,S
COOH Z
Br CH3COONO2
Z Z=N,O,S
Br Z NO2
位有第二类定位基， 后续基团进入不相 邻的位；
位有第一类定位基， 后续基团进入相邻 的位。
解释：
G为第二类定位基 Z=N,O,S
如果以苯的硝化反应速率为1，噻吩的位硝化速 率为1.9104，位为3.2107
11.2 吡咯、呋喃、噻吩的性质与合成
亲电取代反应活性：
>
>
>
>
N
O
S
N
H
1．五元杂环化合物的亲电取代反应机理
亲电试剂进攻3,4-位
E
Z
E H
Z
E
H 两个共振式
Z
Z=N,O,S
-H+
E
杂原子利用其孤对电子
来稳定正碳离子 Z
亲电试剂进攻2,5-位
E
Z
E ZH
E ZH
E ZH
Z=N,O,S
-H+
产生三个共振式，
Z E 正碳离子更稳定
2．五元杂环化合物的亲电取代反应
A. 硝化
硝化试剂为温和的硝酸乙酰酯 (CH3CO)2O + HNO3 CH3COONO2
CH3COONO2
N
-100C
H
N NO2 H 51%
CH3COONO2
+ H2SO4 S
D. Friedel-Crafts酰基化
(CH3CO)2O N 150~2000C H
(CH3CO)2O
S
SnCl4
(CH3CO)2O
O
BF3
O N C-CH3 H
O S C-CH3
O O C-CH3
五元杂环化合物的 亲电取代反应活性 高，所以，一般选 用弱的亲电试剂、 在低温条件下、采 用溶剂稀释时反应， 以防止五元杂环化
G 亲电试剂进攻2E 位，则导致正碳 Z H 离子直接与推电
子基团相连，这 样正碳离子稳定。
G
EG
EH
Z
Z
G
G
EE
Z
HZ
EG H
Z G
E HZ
亲电试剂进攻这两
G
个位置时则无此共 振式。
E
HZ
B. 位有取代基 (当Z=O时)
不论呋喃的位是何种类型定位基，则后续基团均 进入另一位。
B. 位有取代基 (当Z=N,S时)
d. 吲哚、咔唑及噻吩的Vilsmeier反应
POCl3 / DMF
N
ClCH2CH2Cl
C6H13
CHO
N C6H13
DMF / POCl3 N
CH3
CHO
N CH3
S DMF / POCl3
S CHO
S
CH2Cl2 室温
S
6．五元杂环化合物的合成
A. 无取代基的五元杂环的合成
(C5H8O4)n H3+O HO 多聚戊糖
五元杂环
S 噻吩
N 吡啶 六元杂环
N
N
喹啉
异喹啉
稠杂环
2．结构
NH
O
S
键长0.1383nm 键长0.1371nm 键长0.1429nm
键长0.1362nm 键长0.1361nm
键长0.1431nm
键长0.1741nm 键长0.1370nm 键长0.1423nm
形成 56大键，整体电子云密度升高，使亲电取 代反应更为容易；键长并未完全平均化，电荷密 度分布不均匀，使得亲电取代反应发生的位置具 有选择性。其中2,5-位称为位；3,4-位称为位。
H NaNH2 N
O Cl
Na O
N
O +N
O Cl
O N
H
O +N
H
B. 活泼芳环的性质
a. 与重氮盐偶联
+ N
N NCl
H
b. Reimer-Tiemann反应
N NN H
N H
c. Kolbe反应
N H
CHCl3 NaOH
N CHO H
(NH4)2CO3 高温
H3+O N COONH4 H
N COOH H