杂环化合物

N
N
Br2 300 oC
Br N
β-溴吡啶 溴吡啶 β-吡啶磺酸 吡啶磺酸
H2SO4, SO3 230 oC, 24 h
KNO3 + H2SO4 Fe, 300 oC
SO3H N
NO2 β-硝基吡啶 硝基吡啶 N
N
亲电取代反应为什么主要发生在β 位上? 亲电取代反应为什么主要发生在β-位上?
如果取代在 a 位
4 5
CH3
1-甲基吡唑 甲基吡唑
S
1
CH3 6
CH3 4 5 N3 N 2
1
4-甲基咪唑 甲基咪唑
5-甲基噻唑 甲基噻唑
4-甲基嘧啶 甲基嘧啶
3. 具有特定名称的稠杂环的编号一般和稠环芳烃相同, 具有特定名称的稠杂环的编号一般和稠环芳烃相同 但少数有例外(比如 嘌呤) 但少数有例外 比如 嘌呤
5 6 7 8 4 8 3 2 7 6 5 9 1 2 3 4
N H H
反 发 无 应 生
浓 H2SO4 / HgSO4 N 220oC Br2 / 浮 石 300oC N N
SO3H
Br
环上有给电子基时反应相对较易进行
4 芳环上的亲核取代反应
亲核取代比苯容易，主要发生在 位上 位上。 亲核取代比苯容易，主要发生在α位上。 比苯容易
PhLi N O2 or PhNO2, 化 (氧 ) N Ph
(3)周边编号的方法 (3)周边编号的方法 为表明取代基的位置，还需要对稠杂环的周边给与编号， 为表明取代基的位置，还需要对稠杂环的周边给与编号， 编号原则是基本环用英文字母编号，附加环要用数字编号。 编号原则是基本环用英文字母编号，附加环要用数字编号。
然后对稠杂环进行整体编号，共用碳原子不参与编号， 然后对稠杂环进行整体编号，共用碳原子不参与编号， 共用杂原子参与编号。 共用杂原子参与编号。
300℃ 重 排 ℃
HO3S N
从反应中间体的稳定性解释反应结果： 从反应中间体的稳定性解释反应结果：
E 5-位 位 N N N E E
*两 主 的 振 个 要 共 式 *保 一 芳 环 留 个 香
E N E 8-位 位 E N E N
两 间 稳 中 体 定 性 差 大 相 不
（2）亲核取代反应
7 6 5
a
N
b c d
4
N
1 5 4 1 2
NH N2
3 3
4-羟基 羟基-1H-吡唑并 吡唑并[5,4-d]嘧啶 羟基 吡唑并 嘧啶
OH
六元杂环化合物
(一) 吡啶 吡啶的结构
p N sp2 p 结果是： sp2 N
吡啶中五个碳原子和氮原子在同一个平面内， 吡啶中五个碳原子和氮原子在同一个平面内，形成芳香共 轭体系。 轭体系。
碱性： 1 碱性：
+ HCl N
N H
+ Cl
吡啶氮原子参与的一系列反应 2 吡啶氮原子参与的一系列反应
由于吡啶氮原子上的未共用电子对具有亲核性， 由于吡啶氮原子上的未共用电子对具有亲核性，所以可以 和卤代烷，酰卤，酸酐发生反应。 和卤代烷，酰卤，酸酐发生反应。
R RI N N RI 300 ℃ N I R + N I OH N R N 制取烷基吡啶的一种方法 R
N H
1H-吡咯 吡咯
N
2H-吡咯 吡咯 2H-吡喃 吡喃
O
4H-吡喃 吡喃
O
1. 单杂环的编号从杂原子开始 单杂环的编号从杂原子开始。
4 5 3(β) 5 6 4(γ) 1 3(β) 2(α) 2(α) 4 5 1 3(β) 2(α) 2(α)
O
呋喃
1
2(α) 2(α)
吡啶
吡咯
NO2 O CH3 N H 3-硝基吡咯 硝基吡咯 (β-硝基吡咯 硝基吡咯) β 硝基吡咯
1N
6
5
N
7
N 1
10
N
8 2 N 4 N9 3 H
喹啉
吖啶
嘌呤
4.无特定名称稠杂环的命名
首先选择基本环，原则大致如下: (1) 首先选择基本环，原则大致如下: 苯环和杂环时选择杂环为基本环
N 苯并喹啉
都是杂环时按照N;O;S 都是杂环时按照N;O;S 顺序选择基本环
O S
O NH
噻吩并呋喃
呋喃并吡咯
CH2CH3 N 4-乙基吡啶 乙基吡啶 (γ-乙基吡啶 乙基吡啶) γ 乙基吡啶
2-甲基呋喃 甲基呋喃 (α-甲基呋喃 甲基呋喃) α 甲基呋喃
2.有多个杂原子时 按O、S、NH、N 顺序编号 有多个杂原子时,按 、 、 、 有多个杂原子时
H3C 4 5
N N1 H
3
4
2
3 5 N N2 1
3N 2
NaNH2 + N NH3 或 PhNM 2 e N NH2 H2
N
+ 2NH3 100 - 200 oC Cl
N
NH2
N
+ H2O Br
NaOH
回流
N
OH
5. 氧化与还原
由于氮原子的吸电性，吡啶环的氧化很困难， 由于氮原子的吸电性，吡啶环的氧化很困难，一般需要在强 氧化剂存在下才能进行。氧化经常发生在侧链上。 氧化剂存在下才能进行。氧化经常发生在侧链上。但还原反应 较容易。 较容易。
由于吡啶环中氮原子上的一对孤对 电子占据sp 电子占据sp2轨道中，不参与环状共轭 体系，所以这一对孤对电子可以结合 质子从而表现出碱性。
N
吡啶的结构可用共振论表示为： 吡啶的结构可用共振论表示为：
+
N
N
能量最低， 贡献最大
+
N
-
N
-
N
+
-
电荷分离， 氮带负电荷
吡啶的物理性质
自学
吡啶的熔点，沸点? 吡啶的熔点，沸点? 吡啶的水溶性? 吡啶的水溶性?
1
e d
O
a
2
S
5 4
e d
O
a
3
4
b c
3
b c
2
5
S1
噻吩并[2,3-b]呋喃
噻吩并[3,2-b]呋喃
命名时，基本环写在后面，附加环写在前面， 命名时，基本环写在后面，附加环写在前面，用并字将 两者连接，同时表示稠合边的数字在前，英文字母在后。 两者连接，同时表示稠合边的数字在前，英文字母在后。
N O S N H N
N
N N N H N
N
单杂环
杂环
稠杂环
六元杂环: 六元杂环
N
N N
杂环化合物的命名： 杂环化合物的命名：
N O
Furan 呋喃
S
Thiophene 噻吩 Pyrrole 吡咯
S
Thiazole 噻唑
N O
Imidazole 咪唑 Pyrazole 吡唑 Oxazole 噁唑
Pyridine
NO2 烟 发 HNO3 N O 烟 发 H2SO4 90 C
o
NO2 PCl3 + N POCl3
N O
要 物 主 产
(b) 与亲核试剂的亲核加成
为什么N-氧化吡啶既有亲电性又有亲核性? 为什么N 氧化吡啶既有亲电性又有亲核性?
由共振结构式分析
N O
N O
N OБайду номын сангаас
N O
三个位置负电荷密度较大。 环上的 2, 4, 6 三个位置负电荷密度较大。
吡啶
Pyrimidine
嘧啶
Pyridazine
哒嗪
Quinoline 喹啉
Isoquinoline 异喹啉
Indole
吲哚
Purine
嘌呤
环中仍然有饱和的碳原子或氮原子时， 环中仍然有饱和的碳原子或氮原子时，则这个饱和的原子 上所连接的氢原子称为“标氢” 指示氢” 上所连接的氢原子称为“标氢”或“指示氢”。用其编号 大写斜体）表示。例如： 加H（大写斜体）表示。例如：
选择较大的杂环为基本环
NH
N
吡咯并吡啶
选择杂原子数目较多的杂环为基本环
N N N
吡啶并嘧啶
选择杂原子种类较多的杂环为基本环
N NH
N S
咪唑并噻唑
若环系大小和环上杂原子数目、种类均相同， 若环系大小和环上杂原子数目、种类均相同，则选择两个 环系稠合前杂原子编号较低的杂环为基本环
N N
N N
吡嗪并嘧啶
范大民
杂环化合物
“杂环”就是组成环的原子除 C 外，还含有其它 杂环” 元素的原子，这些非碳原子统称为杂原子 杂原子。 元素的原子，这些非碳原子统称为杂原子。原则上 二价以上的元素都可成为杂原子, 二价以上的元素都可成为杂原子, 但最常见的是 O、 S 和N 。
杂环化合物的分类
五元杂环: 五元杂环
亲核取代反应主要在吡啶环上发生， 亲核取代反应主要在吡啶环上发生，喹啉的反应位置在 2位和4位(2位为主)，异喹啉在1位 位和4 (2位为主) 异喹啉在1 位为主
N
N
实例： 实例：
（3）氧化反应 喹啉和异喹啉与绝大多数氧化剂不发生反应； 喹啉和异喹啉与绝大多数氧化剂不发生反应； 与高锰酸钾能发生反应： 与高锰酸钾能发生反应：
喹啉和异喹啉分子都具有弱碱性，与吡啶的碱性接近。 喹啉和异喹啉分子都具有弱碱性，与吡啶的碱性接近。
物理性质： 物理性质：
喹啉在常温时是无色油状液体， 喹啉在常温时是无色油状液体，有类似吡啶的恶臭 异喹啉为固体。 。异喹啉为固体。 它们都与大多数有机溶剂混溶，难溶于冷水，但溶 它们都与大多数有机溶剂混溶，难溶于冷水， 于热水。 于热水。 它们的熔点和沸点都比较高 与吡啶相比溶解度下降，因为有苯环的存在。 与吡啶相比溶解度下降，因为有苯环的存在。
用PCl3或者其他试剂
保留吡啶的特点，氧负离子使环上的正电荷密度增大。 保留吡啶的特点，氧负离子使环上的正电荷密度增大。
(二) 喹啉和异喹啉
5 6 7 8 4 3 6 7 8 1 5 4 3
N
1
2
N
2
喹 啉
异 啉 喹
喹啉和异喹啉分子都是具有芳香性的共轭体系。 喹啉和异喹啉分子都是具有芳香性的共轭体系。 都是具有芳香性的共轭体系
氮原子的电负性较大,使吡啶有较大极性, 氮原子的电负性较大,使吡啶有较大极性,其偶极距数值较大
µ=2.20D
N
吡啶能与水以任意比例混溶, 吡啶能与水以任意比例混溶,又能溶解大多数极性或非 极性有机化合物,甚至许多无机盐类,是一个良好的溶剂。 极性有机化合物,甚至许多无机盐类,是一个良好的溶剂。
吡啶的化学性质
KMnO4 水溶液
HOOC HOOC N
N
100℃ ℃
喹啉与异喹啉在过酸的作用下均可形成N-氧化物。 氧化物。
RCO3H
N
(H2O2/HOAc)
N O
RCO3H
N
N
O
（4）还原反应
H2 / Ni
N
N H
Hg(OAc)2, 130℃ ℃ or I2
N
H
H2, Pt, AcOH, 40℃ ℃
H +
N
N H H
化学性质： 化学性质：
5 6 7 8 4 3 6 7 8 1 5 4 3
N
1
2
N
2
啉 喹
喹 异 啉
杂环部分性质和吡啶相似，具有碱性能发生亲电取代， 杂环部分性质和吡啶相似，具有碱性能发生亲电取代， 亲核取代，氧化反应，还原反应，支链上的反应。 亲核取代，氧化反应，还原反应，支链上的反应。 碳环部分性质和萘相似，可以发生亲电取代反应。 碳环部分性质和萘相似，可以发生亲电取代反应。
（1）亲电取代反应: 亲电取代反应:
反应主要发生在苯环上， 反应主要发生在苯环上，因为苯环的电子云密度高于吡啶 环。喹啉主要发生在C-5与C-8位，而异喹啉以C-5产物为主。 喹啉主要发生在C 而异喹啉以C 产物为主。
浓H2SO4, 220℃ ℃
浓H2SO4
N
或发烟 H2SO4, 90℃ ℃
N SO3H (54%)
CH3 N
COOH
KMnO4
N
KMnO4 N
CO2H N
β-吡啶甲酸 吡啶甲酸 (烟酸 烟酸) 烟酸 六氢吡啶 (哌啶 哌啶) 哌啶
Na + C2H5OH N or H2/Pt
NH
氧化还可以发生在氮原子上
叔胺的氧化
吡啶的类似反应
N-氧化吡啶的性质：比吡啶易与亲电试剂或亲核试剂反应 氧化吡啶的性质： (a) 与亲电试剂的亲电取代
OH
请写出吡啶和酰卤， 请写出吡啶和酰卤，酸酐的反应式
3. 芳环上的亲电取代反应
吡啶环上氮原子为吸电子基，其亲电取代反应很不活泼， 吡啶环上氮原子为吸电子基，其亲电取代反应很不活泼，反 应条件要求很高，不起傅-克烷基化和酰基化反应。 应条件要求很高，不起傅-克烷基化和酰基化反应。亲电取代反 应主要在β 位上。 应主要在β-位上。
若含有共用杂原子， 若含有共用杂原子，则视两个稠合环均含有该杂原子来选择 基本环
N N
S
咪唑并噻唑
(2) 稠合边的表示方法
基本环将各边分别编为a(编号为1 基本环将各边分别编为a(编号为1，2原子之间的边为a)，b， a(编号为 原子之间的边为a ……；当有选择时，应使稠合边的位号尽可能小。 c，d，……；当有选择时，应使稠合边的位号尽可能小。 附加环按照编号1 附加环按照编号1，2，3，……进行编号，当有选择时，应 ……进行编号，当有选择时， 进行编号 使稠合边的位号尽可能小。 使稠合边的位号尽可能小。
E N α位 E N H N E H N
E H
-H+ N E
电 在 负 大 正 荷 电 性 的 原 上不 定 子 , 稳
如果取代在 β 位
中间体较为稳定
如果取代在 γ 位
E E N γ位 N N N H E H E H
电 在 负 大 原 上 稳 正 荷 电 性 的 子 ,不 定
Friedel-Crafts 反 应