zxy-13杂环化合物

1、结构
6 7 5 4 3 2
8 N 1 喹啉
2、化学性质 （1）弱碱性 （2）亲电取代反应
喹啉及异喹啉的亲电取代反应比吡啶容易进行，亲电试 剂主要进攻分子中苯环部分，因为苯环上电子密度高于 吡啶环；而亲核取代反应则发生在吡啶环上，其中喹啉 主要在 2 位取代，而异喹啉主要在 1 位。
(3) 亲核取代：主要发生在吡啶环（2或4位）
γ-吡喃酮 (γ-pyrone)
5 6 4 N N 1
α-吡喃酮 (α-pyrone)
3 2
哒嗪(pyridazine)
嘧啶(pyrimidine)
吡嗪(pyrazine)
稠杂环
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
喹啉
异喹啉
苯并吡喃
o
+ NO2 N H 51% N H 13% NO2
AcONO2 S Ac2O-AcOH, 0 C
o
+ S 60% NO2 S 10%
源自文库
AcONO2 O -5 ~ -30oC AcO O NO2
碱 或 - HOAc O NO2
B、五元杂环的磺化反应
磺化试剂：
CH2Cl2
N SO3
N
+
SO3
吡啶-SO3加合物
CH2
NaNH 2
CH2CH3 CH2CH3
CH3I
CH2CH3 (80 %) N
CH2 H+ +
N
CH CHC6H5
烷基化
CH3
N
ZnCl 2
N
N H
N H
5、吡啶N-氧化物的反应
N
浓 H2SO4 浓 HNO 3 300 ℃ , 4h
RCH=O +
NO2 N
N
13.5 重要的稠杂环化合物 一、喹啉
该反应分成三步：
本章小结:
（1）五元芳杂环化合物的亲电取代（反应活性、反应位置、 一些特殊的反应试剂） （2）已有取代基对五元芳杂环化合物的亲电取代取向的影响 （3）五元芳杂环化合物的还原和Diel-Alder反应 （4）呋喃的一些特殊性质（酸性开环和加成反应） （5）吡咯的酸性聚合，吡咯钾盐的反应 （6）吡啶的化学性质
应用：除去苯或甲苯中的噻吩
H2SO4 S
（少量） 反应快 溶解于硫酸中
&
r. t. S SO3H
C、其它亲电取代反应
• 卤代反应
Br2 / 0oC O 稀溶液 O Br
• Friedel－Crafts反应
Ac2O O BF3 O Ph C
S Br
O
C O
CH3
Br2 S HOAc
Cl Ph S C O
原子序数小
S
2价
N
3价 原子序数大
1,2-唑
4 5 3 N2 O 1 5 4 3 N2 S 1
4 5 N H1
3 N2
异噁唑(isoxazole) 异噻唑(isothiazole)
吡唑(pyrazole)
1,3-唑
4 5 N3 O1 2 5 4 N S1 3 2
4 5
3 N N1 H 2
噁唑(oxazole)
提示：五元杂环较活泼，遇酸不稳定
HNO3/H2SO4（硝化） 或 H2SO4 （磺化） 强酸
氧化
聚合
分解
A
A = NH,O,S
反应剧烈
解决办法：用温和试剂替代
A、五元杂环的硝化反应
硝化试剂
Ac2O + HNO3 AcONO2 硝基乙酰酯 AcO
+
NO2
亲电取代反应
NO2 AcONO2 N H Ac2O,-10 C
N
H2, Pt, 25 ℃, 3atm
还原反应
N
or Na + C 2H5OH
N H
4、吡啶侧链α-H的反应
2,4,6-位烷基的a -H与羰基a -H相似
O + N CH3 C
(1)NaNH2 (2)H2O
C6H5 CH2 C OH N C6H5
醇醛缩 合型
CH3 CH2CH3 N
CH3
PhCHO
噻唑(thiazole)
咪唑(inidazole)
5、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
G A G G
• 三个共振式 • 推电子基使 稳定
E
A 进入2位
E
E
最稳定
A
E
4 5
G
E
2
E 进入4位 A
G
E A
不稳定
G
• 二个共振式 • 推电子基未 起作用
A
进入5位
E
G
G
G
E
A
E
A
较稳定
• 三个共振式 • 推电子基未 起作用
E
A
(iv) b位有吸电子基
W W W
• 三个共振式 • 吸电子基使 不稳定
N SO3 N H 100oC
H+ N H Ba(OH)2 S SO3 Ba2+ 2 86% SO3H 90%
N SO3 S r. t.
N SO3 O r. t.
H+ + O 41% SO3H HO3S O 15% SO3H
• 噻吩还可直接用硫酸磺化（活性大，较稳定）
H2SO4 S r. t. S SO3H
NH-Na+
H2O
N
NH 2
3、吡啶的氧化还原反应
吡啶环本身不易被氧化，但它的侧链很容易被氧化成醛或羧酸。
CH3 N COOH
O2, DMF t-BuOK, 室 温
SeO2
N
N
CH3
KMnO 4
N
CHO
COOH
COOH N N CH3
HNO 3
N
30% H 2O2 - HOAc
N
N
COOH
N O
(吡啶氧化物)
甲苯 0℃
+ PhN Li 加成
H Ph N Li
-H
+
O2 or HNO 3
+ Li+ Ph N Li Ph N
消除
（3）齐齐巴宾(Chichibabin, A.E.)反应——氨化
定义：吡啶与氨基钠作用生成2-氨基吡啶的反 应称为齐齐巴宾反应。
+ NaNH2
N
100oC C6H5N(CH3)2
N
1、吡啶的亲电取代反应
(1) 亲电试剂与吡啶N的反应
+ N CH3 I-
N COR
+
CH3I
RCOCl 石油醚
H+
NO2+BF4+ 乙醚 室温
Br2 CCl4
+ N Br Br -
N
SO3
+ N NO2 BF4-
+ N SO3-
(2) 在C上发生亲电取代反应
NO2 N
N SO3H N 70 %
浓HNO3，H2SO4
G
最稳定
E
A
G
(ii) a 位有吸电子基
E
4 5 3
E A
不稳定
E 进入3位 A W W
• 二个共振式 • 吸电子基使 不稳定
A
W E 进入4位 E A W
E A
最稳定 • 三个共振式 • 推电子基使 不稳定
E 进入5位
W
• 二个共振式 • 吸电子基未 起作用
E
A
E W
A
W
较稳定
E
A
W
(iii) b 位有给电子基
二、命名 1、命名：音译法（带“口”旁的同音汉字） 2、编号：
3，4，5…编号。（α，β，γ…则从杂原子相邻的碳原
子依次编号）；
（杂环上有取代基时），从杂原子算起依次用1，2，
如果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。
3、五元杂环的命名
五元杂环
4 5
.. N H
.. S ..
H
C
H
呋喃
吡咯
噻吩
•杂原子（O、S、N）杂化态均为sp2杂化 二、吡咯、呋喃和噻吩的化学性质
1、亲电取代反应
（1）取代位置
E E A A E + A
a-取代 主要产物
b-取代
（2）亲电取代反应相对活性
>
N H O
>
S
>
5×109 1
3×1018
6×1011
（3） 亲电取代反应的举例
（4）氧化反应与还原反应
喹啉发生氧化反应时，由于吡啶环上电子云密度较低， 苯环容易破裂；加氢还原时，则吡啶环容易被加氢还 原：
3、合成方法
喹啉的合成方法有多种，常用的是斯克劳普法。是用苯 胺与甘油、浓硫酸及一种氧化剂如硝基苯共热而生成。
NH2 + CH2-CH-CH 2 OH OH OH H2SO4 硝基苯 N 84~91%
第十三章 杂环化合物
13.1 分类与命名 13.2 结构与芳香性 13.3 重要的五元杂环化合物
13.4 重要的六元杂环化合物
13.5 重要的稠杂环化合物
13.1 分类与命名
一、分类
1、结构特点 具有环状结构，成环的原子除了碳原子之外还含有其 它原子（N、O、S）的化合物称为杂环化合物。 2、芳香性 芳香性杂环：（吡咯、吡啶、喹啉等） •杂环： 非芳香性杂环：（四氢呋喃、四氢吡咯、 六氢吡啶等）
S
SnCl2
较弱的Lewis酸
• 与重氮盐偶联
PhN2 X N H N H N N Ph
2、环上已有取代基对亲电取代取向的影响
四种单取代情况
A
G (给电子基)
A
W (吸电子基)
a位有取代基
G (给电子基)
W (吸电子基)
A
A
b位有取代基
反应举例
NO2 HNO3 / Ac2O S CH3 (AcONO2) O 2N S 70% CH3 + S 30% CH3
主要产物
从中间体稳定性分析取代基对反应取向的影响
(i) a位有给电子基
E
4 5 3
E A
较稳定
E 进入3位 A G G
• 二个共振式 • 推电子基使 稳定
A
G E E E 进入4位 A G
E A
不稳定 • 三个共振式 • 推电子基使 稳定
进入5位
G
• 二个共振式 • 推电子基未 起作用
E
A
G
E
A
A
E
E
A
E
不稳定
A
E
进入2位
4 5
W
E
2
E 进入4位 A
W
E A
W
• 二个共振式 • 吸电子基未 起作用
A
较稳定
E
进入5位 E
W
W
W
• 三个共振式 • 吸电子基未 起作用
A
E
A
最稳定
E
A
三、吡咯、呋喃和噻吩的的衍生物
1、糠醛的性质 （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
苯并吡咯 吲哚 (indole)
4、 唑的命名
含有两个杂原子的五元杂环，若至少有一个杂原子是氮，则该
杂环化合物称为唑。
命名时的编号原则是： 1） 让杂原子的位号尽可能小； 2）当两个杂原子不相同时，编号的次序是：价数小的在前， 大的在后； 3）价数相等时，原子序数小的在前，大的在后。 O O、S、N的 次序如左：
O 1
3β 2α
4 5
S 1
3β 2α
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)
a 位给电子基
HNO3 S NO2 O2N
+ S 85% NO2
O2N
S 15%
NO2
a位吸电子基
例外：
O NO2
HNO3 O2N O NO2
呋喃的特殊性
a位吸电子基
主要产物
Br HNO3 / Ac2O S
b位给电子基
Br
S
NO2
主要产物
COOH
Br2 CH3COOH Br S
COOH
S
b位吸电子基

2、吡啶的亲核取代反应
（1） 置换氢的亲核取代反应
一般机制：
γ Nu (亲核取代)
-
H N Nu
Z (负氢接受体)
+ ZHN Nu
N
α
特点： ① 负氢不易离去，一般需要一个氧化剂作为负氢的接受体； ②亲核取代优先在α位上发生，如果α位上有取代基，则 反应在γ位上发生。
（2）烷基化、芳基化反应
+ N Li
（2）歧化反应
O CHO 浓碱 O COOH + O CH2OH
（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
13.4 重要的六元杂环化合物
一、吡啶
孤电子对 在sp2杂 化轨道上。
共轭效应和诱导效应都是吸电子的 吡 啶 结构：吡啶N是sp2杂化，孤电子对不参与共轭。 反应：碱性较强。环不易发生亲电取代反应但易发生亲核 取代反应。发生亲电取代反应时，环上N起间位定 位基的作用。发生亲核取代反应时，环上N起邻对 位定位基的作用。
(quinoline)
O
(isoquinoline)
(benzopyran)
6 1N 2 7 5 N 8 N 4 N 9 H 3
O
(benzo--pyrone)
苯并--吡喃酮
嘌呤(purine)
13.3 重要的五元杂环化合物
一、吡咯、呋喃和噻吩的结构
H H C C C A
β’ 4 3β α’ 5 .. 2 α O .. 1
浓 H2SO4，HgSO4 220 C
o
N
300 C，1d
o
6%
浓 H2SO4，KNO3
NO2
Br2，浮石
Br N 66 %
H3C
N
CH3
100 C
o
H3C
N 66 %
CH3
N
300 C
o
反应特点： 不能发生傅氏烷基化、酰基化反应。 硝化、磺化、卤化必须在强烈条件下才能发生； 吡啶环上有给电子基团时，反应活性增高； 吡啶N可以看作是一个间位定位基。