第十六章 杂环化合物

N N pyrazine 吡嗪
5 6 7 8
4 3 6 7 2
5
4 3
4
6 3 2 1N 2
N
N2
8 1
5 6
5
7 8
1
7
quinoline 喹啉
isoquinoline 异喹啉
N1 H indole 吲哚
N 4 N9 H 3 purine 嘌呤
杂环化合物分类：
第一类：无芳香性的杂环化合物：
O 例： O 四氢呋喃 O 丁二酸酐 O N H 四氢吡咯 N H 六氢吡啶
CO2Et H2C COCH3 Et2NH CO2Et C COCH3
H2 C O
+
CH2
第二步：发生迈克加成
CH2
CO2Et C COCH3
+
H2 C
CO2Et COCH3
Et2NH
EtO2C H3C OO
CO2Et CH3
第三步：关环，生成二氢吡啶环
EtO2C H3 C OO
CO2Et CH3
KNO3 , H2SO4(SO3) N 300℃ Br N N
NO2 3-硝基吡啶
Br2 , HOAc N NH2 20℃
NH2
E N
E
H N
E
H N
E
H N
E N
E H E N N E H or N+
16.1.4 吡啶环上亲核取代反应 亲核取代是吡啶环特有的反应，苯系化合物没有类似的反应。 吡啶环 2, 4, 6 位上的卤素容易被亲核试剂取代。
N2
2
thiazole
oxazole
2 六元杂环
N N pyridine 吡啶 N pyrimidine 嘧啶 N pyridazine 哒嗪 N N N pyrazine 吡嗪
3 稠杂环
5 6 7 8 4 3 6 7 8 1 2 5 4 3 4 6 3 2 1N 2
N
N2 isoquinoline 异喹啉
5 6
5
7 8
1
quinoline 喹啉
N1 7 H indole 吲哚
N 4 N9 H 3 purine 嘌呤
§16．1 吡啶
16.1.1 结构和物理性质 氮上有一对电子未参与共轭，易接受质子，具有碱性，五 个碳原子和一个氮原子在同一个平面，极性分子。 碱性：脂肪胺＞吡啶＞芳香胺 吡啶是一个无色有恶臭的液体，对人体神经系统有损害， 与水及许多有机溶剂，如乙醇、乙醚等混溶，是良好的溶 剂。
CH2 CH CH2 OH OH OH H2SO4 CH CH CH2 OH OH HC O CH2 CH2 OH H2SO4 HC O CH CH2
②.苯胺与丙烯醛发生迈克加成
O
+
NH2
CH2
CHCHO
HC N H
CH2 CH2
③.质子化的醛对苯环进行亲电取代反应
O HC N H CH2 CH2 H OH HC N H H OH C OH HC N H OH C N H
N
吡啶共振结构为：
N：sp 杂化
2
N
N
N
N
N
与苯环相比，吡啶环是缺点子的芳环 吡啶环上原子的编号与π-电子密度：
4γ 3β N 1 2α
0.87 1.01 N 1.43 0.84
16.1.2 吡啶的化学性质
亲电取代 芳环 亲核取代 氮上未成键电子对 亲核性 碱性
吡啶环上氮的碱性及亲核性
NH3 , ZnCl2 N Br Br N NH3 , H2O Cl
220℃
N NH2
NH2
Br N
160℃
NaOMe CH3OH N Cl N OMe
除吡啶环 2, 4, 6 位上的卤素容易被亲核试剂取代 外，吡啶环2位上的负氢离子也能被取代。
+
N H NaNH2 N NHNa
+
H2
+
N NHNa
30%H2O2 CH3COOH 70℃, 24h. O CH3COOH N N O N O
COOH NH 3 N
CNH2
N
尼古丁（烟碱）
CH3 N
尼古丁酰胺（烟酰胺）
CH3
16.1.8 吡啶环合成 Hantzsch（汉栖）合成法：原料：β-酮酸酯、醛和氨缩合。 第一步： β-酮酸酯和醛发生羟醛缩合
罂粟花
婴粟碱 papaverine
16.2.2．7 喹啉及其衍生物的合成 Skraup合成法：将芳香族伯胺与甘油同硫酸和一种氧化剂 （如：硝基苯、五氧化二砷、氧化铁等）一起加热，即可得 喹啉及其衍生物。
+
NH2 CH2 CH CH2 OH OH OH 浓H2SO4 As2O5 N
反应过程： ①.甘油在浓硫酸（或磷酸）作用下脱水生成丙烯醛，也可直 接用α，β-不饱和醛或酮
CH2 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱH2
CH2 CH2
H H
CH2 H CH 2 N H
CH2 CH2
H2O N H
④.1, 2-二氢喹啉氧化
NO2
N H
+
N NH2
Cl 例： NH2
甘油 , H2SO4
Cl NO2
Cl N （85-88%）
+
NH2
CH2
O CH C CH3
CH3 FeCl3 , ZnCl2 或 H2SO4
+
N
HCl
N H
Cl
N N
Cl Pt Cl
N N
+ N
RCOX
N COR
X
X N COR
-HX + HNu +HX N R C O Nu
O RC-Nu + N
+ N
PhCH2Cl
N CH2Ph
Cl
吡啶与酰氯、磺酰氯或酐迅速生成季铵盐，与酰氯相比是更 有效的酰化剂，因吡啶是芳环，与卤离子相比，是更好的离 去基团。
NO2
N （73%）
CH2CH2NH2 Ac2O
CH2 O
C CH3
CH2 NH
P2O5 205℃
CH2
C CH3
CH2 N
Pd 190℃ N CH3 （83%）
§16.3 嘧啶（1，3-二嗪）
结构与物理性质 嘧啶是含有二个氮原子的六元杂环化合物，，较难发生 亲代取代反应，它本身在自然界并不存在，但它的衍生物 在自然界很多，如核酸、Vitamin B1等，它们在生理和药 理上都有着非常重要的作用。此外，含嘧啶环结构的药物 也非常多，如维生素类、磺胺类、巴比妥类以及抗癌药物。
16.2.2 化学反应：多数反应与吡啶相似，碱性与吡啶也相近，N 原子上的亲电加成与吡啶相似。 16.2.2．1 碳原子上的亲电取代反应亲电取代反应主要发生在碳 环的5位和8位，较吡啶容易。 NO
2
HNO3 , H2SO4 N 0℃ NO2 N
+
N 5-硝基喹啉（52%）
8-硝基喹啉（48%）
HNO3 , H2SO4 N 0℃ NO2 10%
1 五元杂环
β4 α5 3β
O
1
2α
S thiophene 噻吩
N H pyrrole 吡咯
furan 呋喃
五元环中含两个或两个（至少有一个氮原子）以上的杂原 子的体系称唑。
4 5
N3
2
4 5
3
4 5
N3 S1 噻唑
2
4 5
N3 O1
噁唑
N1 H imidazole 咪唑
N1 H pyrazole 吡唑
quinoline 喹啉
16．2.1
结构与物理性质
喹啉、异喹啉的性质与吡啶相似，分子中所有的原子都在同一 个平面，为杂芳环，具有弱碱性。常压下，喹啉为液体，沸点 为238℃，难溶于冷水，易溶于热水及有机溶剂，采用水蒸气蒸 馏可以得到喹啉；异喹啉为低熔点固体，熔点为26℃，沸点为 243℃，微溶于水，易溶于有机溶剂
H2 / Ni N 25℃, 3 atm. Sn , HCl N 或Na ,EtOH N H 六氢吡啶（哌啶） N H
16.1.6 羟基吡啶和氨基吡啶
2-吡啶酮 N OH OH N H O 4-吡啶酮 N OH N N+ H HNO2 N NH N N N H2O N OH N H O N H ON H O O
第二类：具有一定程度的芳香性的杂环化合物：
β4 α5 3β
O
1
2α
S thiophene 噻吩
N H pyrrole 吡咯
furan 呋喃
N
吡啶
2p轨道
sp2杂化轨道
分类和命名 芳杂环的数目很多，可根据环大小、杂原子的多少以及单 环和稠环来分类。 常见的杂环为五元、六元的单杂环及稠杂环。 稠杂环是由苯环及一个或多个单杂环绸合而成。 命名：复杂，杂环母环采取外文音译方法，用带“口”字旁 的同音汉字表示。
NH3, EtOH
EtO2C H3 C N H
CO2Et CH3
第四步：二氢吡啶环脱氢，生成吡啶衍生物
EtO2C H 3C N H
CO2Et CH3
HNO3, H2SO4
EtO2C H3C N
CO2Et CH3
§16．2 喹啉、异喹啉
5 6 7 8 4 3 2 5 6 7 8 1 4 3
N
1
N2 isoquinoline 异喹啉
NO2 N
+
N 90%
16.2.2．2 亲核加成 喹啉和异喹啉与吡啶的显著差异是更容易在1，2位加成