18.杂环化合物解析

nC5H10O5
HCl / 脱水
HO HO CHO
O
CHO
戊糖
性质及用途： 无α-H的醛，不饱和的呋喃杂环，重要的工业原料。
a、催化加氢
O + H2 CHO
CuO , Cr2O3 150℃ 10 MPa
O
CH2OH
b、歧化反应
+ NaOH CHO + O
O
O
CH2 OH
COONa
c、安息香缩合
KCN
第十八章 杂环化合物 (Heterocyclic componds)
构成环的原子除了碳原子外还有其它原子的一类 环状化合物——杂环化合物，其它原子称为杂原子， 常见杂原子为O、S、N等。
杂环在自然界广泛存在。
一、杂环化合物的分类和命名
单杂环：五元环，六元环 杂环化合物 稠杂环：苯环与单杂环或两个以 上单杂环稠合而成。
H+
+ C6H5 N2+ClN H
N H
N=NC6H5
2-（苯基偶氮）- 吡咯
f、取代呋喃、噻吩、吡咯的定位效应
由环上杂原子的α-定位效应及取代基共同决定。
COOH + S Br + HNO3 S Ac2 O S NO2 Br2
HOAc 25℃
COOH
Br
S
5-溴噻吩-3-甲酸
Br
如α -位有取代基
π 电子几率密度比苯环大。
呋喃、噻吩、吡咯中，诱导效应与共轭效应方向 相反。 在呋喃、噻吩中，由于氧与硫的电负性较大，吸 电子的诱导效应被给电子的共轭效应部分抵消，因而 偶极矩值比相应的饱和化合物小。 而在吡咯中，氮的给电子共轭效应可能大于吸电 子诱导效应，故偶极矩比相应的饱和化合物大。
2、化学性质
Br Br Br
N H
C2H5OH 0℃
Br
N H
四溴代吡咯
不活泼的I2在催化剂作用下也可直接取代。
I
I2 / NaOH
I I
N H
I
N H
I2 / HgO
S
S
I
d、傅氏酰基化反应 采用温和催化剂SnCl2、BF3，对活性大的吡咯 可不用催化剂。
+ (CH3CO)2 O S
H3PO4
O S C CH3
90%
吡咯则先烷基化
O NH + O O N O O O
N ① ClCH2Ph NH ② O O O
CH2Ph
O O O
更强的亲双烯体可反应
H N NH +
噻吩加成产物不稳定，易脱硫。
COOR S + COOR S COOR -S COOR COOR COOR
（3）吡咯的弱碱性、弱酸性 吡咯因未共用电子对参与环的共轭，不能再与酸 结合，碱性比苯胺还弱，只能慢慢溶解在冷稀酸中。
O + CH3C N H
Al2O3
硝酸乙酰基酯 + 乙酸
ONO2
5℃
N H
NO2
83%
O + CH3C S ONO2
Al2O3 -10℃
S
NO2
70%
c、卤代 不需催化剂，为避免多取代物，采用温和条件， 如溶剂稀释和采用低温。
Br2 O O 10℃
O
O
Br
Br2
S
CH3COOH 室温
S Br
BFra Baidu bibliotek 2
a、磺化 磺化试剂：吡啶与SO3的加合物
N + SO3-
N H
100℃
N H
SO3 -
N+ H
吡咯-2-磺酸吡啶盐（90%）
HCl
N H
SO3H
+
N H
+
Cl-
+ H2 SO4(95%) S
25℃
S
SO3 H
噻吩-2-磺酸（69-76%）
b、硝化 用硝酸乙酰酯CH3COONO2作硝化剂 乙酐 + 硝酸
2-乙酰基噻吩
+ (CH3CO)2O O
BF 3
O O C CH3
+ (CH3 CO)2O N H
150~200℃
O N H C CH3
因呋喃、吡咯、噻吩很活泼，傅氏烷基化往往得到多烷基取代 混合物，甚至产生树脂状物质，因此用处不大。
e、吡咯的特殊反应 类似于苯胺、苯酚，可与重氮盐偶联，呋喃、 噻吩无此反应。
非芳香杂环：具有脂肪族类化合物相似性质。
杂环
O
N H
芳香杂环：环为平面型，电子数符合4n+2规则， 有一定程度芳香性的较稳定的杂环。
O
S
N H
N
命名：
β` 4 α` 5 3 β
O
1
2 α
S
N H
N
N
呋喃
噻吩
吡咯
N
吡啶
喹啉
N
N H
CH3
S
CH3O
O
吲哚
5-甲基噻唑
6-甲氧基苯并噁唑
编号 从杂原子编起（母体的编号是固定的）； 若有不同杂原子时，从O、S、N顺序编号； 杂原子的位次遵循最低系列原则 例：
CH3I
N MgBr
N CH3
+ Mg
Br I
（4）糠醛（α -呋喃甲醛） 制法： 由农副产品（甘蔗渣、花生壳、高粱杆、棉子壳） 以热酸处理，因农副产品多为多聚戊醛糖，先水解为戊 糖，然后脱水环化而得。
(C5H8O4)n
HO H CH CH
+ nH2O
CH C OH H
3~5% 稀 H2SO4 水解
3-甲基吡咯 (β-甲基吡咯) 酸类化合物 以酸为母体， α-呋喃甲酸 杂环为取代 (2-呋喃甲酸) 基。 1-甲基吡咯 (N-甲基吡咯)
α-噻吩磺酸
二、五元杂环化合物
1、呋喃、噻吩、吡咯杂环的结构
sp2
O
o
呋喃
sp2
S
s
噻吩
N H
N
H
吡咯
具有环闭的共轭体系，平面结构，符合4n+2规 则，具有芳香性。核磁共振氢谱δ值在7左右。
具有芳香性，易进行亲电取代，其活性都比苯 大，顺序为：
吡咯 ﹥ 呋喃 ﹥ 噻吩 ﹥ 苯 共振能 90.4 71.1 125.5 151 KJ/mol-1
（1）亲电取代反应 呋喃、吡咯稳定性较差，遇酸或氧化剂易开环， 或聚合成高聚物。噻吩较稳定，因C-S键较长，缓解了 环张力的缘故。 为避开开环、聚合、氧化等副产物，常采用较温和 的试剂，避免强酸强氧化剂。
吡咯具有弱酸性，其pKa=17.5，比醇强，比酚弱， 可与强碱或金属作用。
固体 KOH K
N K+
N H
N K+
+ H2
可与格氏试剂反应
CH3MgI
N H
乙 醚
N MgI
+ CH4
吡咯钾盐和吡咯卤化镁，可用于合成吡咯衍生物。
N K+
C6H5COCl 甲苯 110℃
O N C C6H5 + KCl
OH CH O
O C O
O
CHO
醇溶液
d、珀金反应
O + (CH3CO)2O CHO
NaAc
O
CH=CHCOOH
e、氧化
中性或碱性
O
CHO
KOH , KMnO4
O
E
X
第一类定位基
X
第二类定位基
X = N 或 S ，两种产物差别不大
（2）加成反应 催化氢化
N H
H2 / Pt 200~250℃
N H
有机碱，广泛存在于生物碱
H2 / Pt
O
50℃
O
噻吩中含S，易使催化剂中毒，须采用特殊催化剂。
H2 / MoS2
S
S
双烯合成
O O + O O O H O O O H