有机化学第十五章 杂环化合物

+
N
N
NO 2
N
N S O 3H
Br
B r2/H 2 S O 4
H+
+
N
N
B r 2 /CCl 4
OH -
Br Br
N
K MnO 4 /H +
CO 2 H
N
CO 2 H
H 2/P t N H
易发生亲电取代和氧化
5
8
N
易发生亲核取代和还原3
N +C3 H I
N
+ N C3 H I N
N
Br
+Br2 NH 2 N
1、亲电取代——困难：发生在β 位
混 酸 P hH室 温 P hN2O
混 酸
N2O
3 0 0 ℃ /1 天
N
N
H2SO4/H+g
220℃
N
N
SO3H
C3H N
H 2SO 4/K N3 O
100℃
C3H
C3H N
N2 O C3H
Br2/HcA Br NH 2 N
N—氧化物 δ+
NH 2 N
δ+
N
N+
吡唑和咪唑的分子聚合和互变异构：
b.p
水溶性
N
188
N
H N 263
N H
11 易溶
N
N
H
H
N
N
二聚体
N HN
N HN
N N
H
多聚体
嘌呤
N
N
N
NH
N
N
H 9—H
NH2
N
N
N
N
2
N 1 嘧啶
N 1 哒嗪
N 1 吡嗪
5
4
5
4
5
4
6 稠杂环
36
36
N3
7
27
N2 7
2
8
N 1
喹啉
8
1
异喹啉
8 喹
唑
N 1啉
OO 苯 并 α -吡 喃 酮
（香豆素）
2、有两个杂环稠合： ①大环优先于小环：
吡啶环优先于吡咯环
NN
吡咯并吡啶
②如果两环的大小相同，按所含杂原子N、O、S顺序（注意和杂 环的编号顺序相反）：
和边的字母写在后面，数字和字母之间用“—”相连，然后将[ ]
放在附加环和基本环之间，稠和处数字顺序以基本环字母顺序
为准：
cN
d
b
N 2aS b
Sa 苯并[d]噻唑
N 1 咪唑并[2，1-b]噻唑
Na
1HN
5c N
d
b
2 N 4 Sa 3
咪 唑 并 [5， 4-d]噻 唑
b c 3 2 N1
吡 啶 并 [2,3-c]喹 啉
N 5.2
N
N
C3H
C3H H
5.1
11.2
C3H C3H N
C3H
Ph N2 H
9.8
4.6
NC ( 3 H )3 >N3 H>
>Ph N2 H
N
N
N Pka 5.2 O
+R C Cl N
N Cl C
R
N 1.3
O ROH
+R O C Cl O
N
3、互变异构：
+ CH 3I N
SO3
IN CH 3 + N SO3
NO2 N
二、吡啶的性质：
1、水溶性： 由于吡啶分子中有偶极，是个极性分子，且N原子上电子
云密度升高，从而增大了其和水分子形成氢键的能力，故可以 和水混溶
吡啶 混溶 苯 1 660
萘 4000 喹啉 150
蒽 不溶 吖啶20000
> N
2、碱性：
Pka
N N
>
N
NN
N
17
1100
> N H3C N C3 H
A、原苯环中的一个H原子被N原子的一对孤电子对所取代，因 此，吡啶应具有一定的碱性，同时又由于N原子的电负性大于C 原子，使环上的电子云向N原子偏移，又增大了N原子的碱性；
B、由于电子云向N原子方向偏移，吡啶分子中应有偶极：
+0.18
偶 极 矩 ： 2.2D
C、电子云分布不均匀：
0.932
+0.05
N -0.58
+0.15
1.000
1.166
1.000
N 1.064
0.866
1.000 1.000
与苯环相比，N原子上的电子云密度增大，α、γ位电子云密 度降低，β位变化不大。
由分析可知：N原子具有碱性， β位克发生亲电取代，α、γ 可以发生亲核取代。总体上讲由于N原子的电负性较大，使环上的 电子云向N原子方向偏移，从而降低了环上的电子云密度，故其亲 电取代困难，而在一定条件下可发生亲核取代，即类似于硝基苯：
891
9
10 N
1
6 1N 5 N7
N 5 10 4
吖啶
螺桥杂环的命名：
S 6 54
吩噻嘜
2
8
N4 3
N9
H
嘌呤
按通常的螺、桥环命名，把杂原子的命名放在最前面
910 1 O2
8 5 3
76 4
1 氧杂螺[4.5]癸烷
21 O
7 R
3
8
45
1 7
O 6 2
2,6 二 氧 杂 双 环 [3.2.1]— 7— R .
NH 3/Zn2Cl
Cl N
NH 2 N
N2H
PhLi
Ph
N
N
NO2
OH
O
+ H2O60℃
N
N
N
Br
H NH2
Br 液氨
Br
160℃
N
N
+Na2NH N
N2H N
N 喹啉
N 异喹啉
NH 2 Na
N
NH 2
n-BuLi
N B u- n
CH 3 ONa
N NO 2
OCH 3
HNO 3 /H 2 SO 4 H 2S O 4/A g +
HN
C
H
吡咯
1、组成环上的五个原子均为SP2杂化，其中一个 N原子的2P轨 道上由2个P电子，故符合贺克尔规则。
2、两个N原子结构上存在的差异：
NH
NH
N
N
和吡咯一样
和吡啶中的氮一样
讨论：
1、由于符合贺克尔规则，因此应该具有芳香性； 2、由于环中引入了一个吸电子的N原子，所以其反应活性应小 于含有一个N原子的五元杂环，而大于吡啶；
1.37
N 1.38 H
1.35 O 1.37
1.37 S 1.71
1、五元杂环π电子数符合贺克尔规则，因此应该具有芳香性， 由于环上电子云密度增大，且α位增大较多，因此环上主要发生亲 电取代反应，且应在α位；
2、由于杂原子不等性杂化及其电负性的影响，其键长并没有 完全平均化，因此其稳定性不如苯环，可以开环和氧化，苯>噻吩> 吡咯>呋喃；
O-
O-
α 、γ -易发生亲核取代 α 、γ -易发生亲电取代
混酸 N O
P hMgX
NO 2
NO 2
CHCl 3
N+ O CH 3ONa
N
OCH 3 [O]
OCH 3
N
N
Ph
N
O
环上的亲核取代反应（齐齐巴宾—Chichibabin）：
+N2N Ha N
NaOH
300℃
N
N
N
H 2O
NHNa N
OH
O2N
N
400 O2N
NH
N
CH 3 N
安替比林：
H
H
H
CH 3
N ON
Ph
次甲基式
4、反应活性：
电负性：O>S>N
N
N
N
>
>
H CH 3
NH
ON
O
Ph 亚胺式
N
S
O
H
5、叔N原子碱性的比较：
正系>异系
CH 3
N N
Ph 酚式
由于一个杂原子的诱导效应：
咪唑>噻唑>噁唑
吡 啶 咪 唑 噻 唑 噁 唑 吡 唑 异 噁 唑 P k a 5 . 2 7 . 0 2 . 50 . 82 . 5- 2 . 3
3、反应部位：1，3——5位，1，2——4位
N
Z
咪唑的互变异构：
N Z
1
3
N CN
1
3
NC N
H
H
N
NH
CH 3
N
CH 3
N
H 5— 甲 基
4— 甲 基
因 此 咪 唑 的 4， 5位 是 相 同 的
CH3
CH3
N N
N
N
H
H 3— 甲 基
5— 甲 基
3， 5位 是 相 同 的
由于取代基的种类不相同，有时是一种异构体占优势：
正常 CC CC CN CN
1.54 1.34 1.47 1.28
1、组成吡啶环上的5个C原子和1个N原子，均为SP2杂化，共同 平面。环上的π电子数为6，符合4n+2规则，故其具有芳香性，即 可以发生取代反应。
2、由于吡啶环上有一个N原子代替了苯环中的一个CH，因此和 苯环相比，必然产生下列差异：
N>S
O>S
S
N
噻吩并吡咯
S
O
噻吩并呋喃
3、环上杂原子数目多的优先，如果数目相同，种类多的优先：
<
<
N
N
N
N
S
NN
咪唑并噻唑
吡啶并嘧啶
4、如果种类、数目> N4大小都相同时，则按照稠合前编号低的优先：
1N 哒嗪
2N
吡嗪
N 1 吡嗪并哒嗪
5、对含有共用杂原子的稠环，共用杂原子为两环所共有，按杂原
子数目、种类多的优先：
6
7
N1 2 6 7 H
O1 2 6 7
N1 2 2
N 3
4
N9
8
H
H
吲哚
苯并呋喃
苯并咪唑
嘌 呤 (9-H)
4
4
5
35
3
4（ γ ）
5
3
一个杂原子6
26
2（ α 6）
2
N
O
O
1
1
1
吡啶
α -吡 喃
γ -吡 喃
(2-H)
(4-H)
4
4
4 N
六 两 个 杂 原 子 3N
55
35
3
元 杂 环
2
66
N2 6
2
b
1 N
3
5
4
2,3,5,6 四氢咪唑并[2,1-b]噻唑
HOCH2CH2 HOCH2CH2
N
8
7N1
N2 6
3 N
5
1 5 c N b2 N
d
a
4
N3
4
N
CH2CH2OH CH2CH2OH
2,6 双 [二 羟 乙 基 ]氨 基 4,8 双 哌 啶 基 嘧 啶 [5,4-d]并 嘧 啶
个别化合物沿用习惯命名：
咪唑
< NN
噻唑
NS
H
噻唑环优先于咪唑环
咪唑并噻唑
三、稠和边位置的表示：
1、稠和边的表示：
A、基本环各边以a、b、c……表示；
B、附加环（按原来环正常顺序编号——O、S、NH、N）各原
子以1、2、3、4……表示，如果有选择时，尽量使稠和边的位号
最小，命名时，在[ ]内，将附加环的号码写在前面，基本环稠
3、由于电荷分布不均匀，分子中应有偶极矩；
4、由于O、S、N上的电子均参与了共轭，因此其偶极矩应小 于吡啶，故其水溶性小于吡啶，水溶性：吡啶>吡咯>呋喃>噻吩；
5、吡咯分子中由于N原子的电子参与了共轭，降低了本身的电 子云密度，故吡咯分子应具有一定的酸性。
二、亲电取代反应：
1、硝化：
N H
O
S
2、磺化：
N NH 2
N
C H 3
N + C l
N C H 3
N 2 + C l-
C l
N NH3
N
N
+ 100℃
Cl
N Cl H2N
N Cl Cl
N
NH2
N C H 3
NN N
C H 3
NH3
160℃ H2N
N
N
NH2
一、结构：
五元杂环
C C
C
C C
C C
C
NH C
环戊二烯负离子
电子云分布状况：
吡咯
0 0
O
O
H+ H H2O
C
C2 H C2 H C
H
O
CH CH
O
HO 2C CO 2H
显色反应： H
+O C N H
CHCH
N
O N O HO 2C C2 O H
H
H
N C (3 )H 2 H + E tOH N
CH
H
N + (C3 )H 2 C - l
由红变紫
咪唑（含有两个氮杂原子）
SP2
C
C
N
N
N
3
4
CH2 CH CO2H 3' 2' 1'
1 对氯苯甲酰基—3—羟甲基—2,3—二氢吲哚.
4 [3(2— 氨 基 ） 羟 乙 基 ]吡 唑
.
γ
β
α N 1 吡啶
一、吡啶的结构：
六元杂环
5 6
4 3
5 6
4 3
7
2
8
N 1
喹啉
7
N2
81 异喹啉
不 等 性 SP2杂 化
N
.
1.40
1.39
N
1.39
2、周边编号： A、尽可能使杂原子的位号最小，其次按O、S、NH、N顺序编 号；
B、所有杂原子，包括共用杂原子都要编号； C、共用碳原子一般不编号； D、尽可能优先排列共用碳原子的位次（即共用碳原子位号最 低），并使所有氢原子的位次较低；
E、以右上角最远的自由角开始按顺时针编号：
6 苯基
7
1
6
N
2
S a
>
>
>
N
O
S
H
AcNO2
+ NO 2 N 51 H
NO 2 N
13 H
NO 2 O
+
NO 2
S
S
62
16
NO 2
SO3H 90
N
N
H
+N
H
SO3
O
SO3H O
S
SO3H 81 S
3、卤代：
O
B r2 B r
C 2l