有机化学-杂环类

NH 3
O
H 2S
S
五、 呋喃、吡咯、噻吩的衍生物
(1) 糠醛
浓 NaOH
A
O
CHO
CH3COCH3，稀 OH-
BO
O
KCN
C
O
(CH3CO)2O D
CH3COOH
O
COONa + O
C H =C H C O C H 3 O
CH C O
OH
C H =C H C O O H
C H 2O H
(2) 叶绿素和血红素
H2O
-H +
O H
HO
OH 2 OH
OHOH
4 噻吩的主要反应
NBS S
H N O 3, H 2S O 4 S
H 2 S O 4 (95 % ) S
D M F , P O C l3 S
如
Br S
何
除
去
NO 2
苯
S
中
少
量
S O 3H S
噻
吩
？
C HO S
Ac2O,SnCl4 S
COCH3 S
第三节 含有一个杂原子的五元杂环苯并体系
吡喃(无芳香性)
O
吲哚
N H
N
N
N
N H
嘌呤
喹啉
N
N 异喹啉
二 五元杂环化合物的命名
五元杂环
4
3β
5
2α
O
1
呋喃(furan)
（音译命名）
4
3β
5 S 2α 1
噻吩(thiophene)
4
3β
5
1
N H
2α
吡咯(pyrrole)
五元杂环苯并体系
4
5
3
6
2
O
7
1
苯并呋喃
(benzofuran)
4
5
3
一 吲哚的反应 二 吲哚的合成（自学）
4
5
3
6
2
7 N H 1
-
-
H 3 C
C 3+ H N C - C C-C 6 0 -1 2 N 0 ℃
S
S CH 3
CN
-S
H3C
CN
CH 3 CN
CN CH 3
四 呋喃、噻吩、吡咯的制备
1. 工业制备（略）
请同学们自学
2. 实验室制备(1)帕尔-克诺尔(Paal, C.-Knorr, L.)合成法
t-Bu
Bu-t
OO
1，4 二酮
C H 2O+H C l Z nC l2, 25oC
C lH 2C
C H 2C l
S
3. 呋喃、吡咯、噻吩的加成反应
（1） 加氢反应 噻吩在镍催化下加氢生成丁烷 （2） Diels-Alder反应
呋喃最易发生Diels-Alder反应
O
O+
O
O
O
O
O
O
90 %
O+
O
76 %
噻吩基本上不发生双烯加成，即使在个别情况下生成也 是一个不稳定的中间体，直接失硫转化为别的产物。
呋喃, 噻吩和吡咯易氧化, 一般不用硝酸直接硝化;
通常用比较温和的非质子硝化试剂，如：硝酸乙酰酯。
反应在低温下进行。
OO
O
CH3COCCH3 + HNO3
CH3CONO2 + CH3COOH
AcONO2 O oC
S
Ac2O/AcOH
AcONO2 O oC
N
Ac2O/AcOH
H
NO2 + S 60 %
>>
N H
O
S
>
E
N H
H
E
H
E
N H
H
E
H
E八隅体结构
N H
H最稳定
E
无最稳定结构
H
吸电子诱导：O(3.5) > N(3.0) > S(2.6) 给电子共轭：N > O > S 综合：N贡献电子最多，O其次，S最少
*2 取代反应主要发生在α-C 即2-位上； *3 吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感，选择试剂 时需要注意；
B 3F
O
C H 3 C(75% -92% )
O
O
与 3的A 混 lC 合 l
体系
C3 CH
S
呋喃、噻吩的酰化反应在-C上发生，而吡咯的酰化反 应（不用催化剂）既能在 -C上发生，又能在N上发生。
（6） 呋喃、噻吩、吡咯的傅氏烷基化反应
总体看，在合成上无实用价值。
S + 2 O CH +Z 0 ℃ 2 n H CC lSl C 2 C H l
第二十止章 杂环厚化合物 于 德 heterocyclic compound 至博 善学
exit exit
本章提纲
第一节 杂环化合物的分类和命名 第二节 含一个杂原子的五元杂环
吡咯、呋喃、噻吩 第三节 含一个杂原子的苯并五元杂环-吲哚 第四节 含两个杂原子的五元杂环体系 第五节 含一个杂原子的六元杂环-吡啶 第六节 含两个和三个氮原子的六元杂环体系 第七节 含一个杂原子的苯并六元杂环
H
H
Cl(8 0% ) N H
（5） 吡咯、呋喃、噻吩的傅氏酰基化反应
1 5 0 - 2 0 0 ℃
+ 2 O Ac N H
O C3 C (6 0 H % ) N H
Na
N 或 N a O H (浓 ) H
O
PhCCl
(7 0% )
N
N
N +a
COP
N-酰基吡咯
+ A c 2 O O
S
A 2 O c
6 7
2 S
1
苯并噻吩
(benzothiophene)
4
5
3
6
2
7
N H
1
苯并吡咯
吲哚 (indole)
四 六元杂环化合物的命名
六元杂环
γ 4
5
3β
6 N 2α 1
γ 4
5
3β
6 O 2α 1
O
4
5
3
6O 2 1
4
5
3
6
2
Biblioteka Baidu
OO
1
吡啶(pyridine)
4
5
3
吡喃(pyran) γ-吡喃酮
α-吡喃酮
吡咯的性质与苯酚类似，都具有酸性，但吡咯的酸性比苯 酚小。吡咯与苯胺也有类似性质。
OH
O
Na 或 K
OH-
N
或浓NaOH
H
N K+
pKa=10
pKa≈ 17.5
吡咯成盐后，使环上电荷密度增高，亲电取代反应更易进行。
N COO-NH4+ H
N H
CHCl3
CH O
HCON(CH3)2
(NH4)2CO3 25%NaOH
N H 51 %
NO2 +
NO2
S 10 % NO2
N H 13 %
呋喃比较特殊,先生成稳定的或不稳定的2,5加成产物, 然后加热或用吡啶除去乙酸,得到硝化产物。
AcONO2
H
O
-5 - -30oC
O +
NO2
H AcO O
H NO2
Pyridine
ONH
NO2
（3） 吡咯、呋喃、噻吩的磺化反应
偶极矩 ：吡咯指向杂环，呋喃、噻吩指向杂原子 质子化学位移: 类似苯环，在 6.22-7.29之间
三 吡咯、呋喃、噻吩 的化学性质
主要化学反应 1 吡咯、呋喃、噻吩的亲电取代反应 2 吡咯、呋喃、噻吩的加成反应
1. 吡咯、呋喃、噻吩的亲电取代反应 重点 （1）概述 *1 亲电取代反应的活性顺序为：
1. 吡咯： 存在于煤焦油、骨焦油中。无色液体，沸点 130-131℃。鉴定：蒸汽遇盐酸浸湿的松木片显红色。
2. 呋喃： 存在于松木焦油中。无色液体，沸点32℃。鉴 定：蒸汽遇盐酸浸湿的松木片显绿色。
3. 3. 噻吩： 与苯共存在于煤焦油中。无色液体，沸点 84℃。
4. 鉴定：与吲哚醌在硫酸作用下发生墨绿色反应。
N C H 3 H O O C C H 2C H 2
C H 2C O O H
N H
N H
灵菌红素
(C H 2)4C H 3
N C H 2N H 2 H
卟吩胆色素原
NH N
N HN
卟吩 (P ro p h in e)
• 卟吩由四个吡咯和四个次甲基(=CH) • 交替相连组成的共轭体系。
卟吩呈平面结构, 环中间空隙里四个氮 原子可分别以共价键、配价键与不同的 金属离子结合。叶绿素(镁), 血红素(铁)。
吡
咯
的
结 构
N H
N
共轭效应是给电子的。 诱导效应是吸电子的。
孤电子对在p轨道上。
吡咯
结构：吡咯N是sp2杂化，孤电子对参与共轭。
∏56 平面共轭体系 富电子芳香杂环化合物 反应：碱性较弱，环易发生亲电取代反应，环上
相当于有一个邻对位定位基。
呋喃、噻吩的结构请同学自己分析。
二 吡咯、呋喃、噻吩的物理性质及鉴定
吡咯、呋喃不太稳定，所以须用温和的磺化试剂磺 化。常用的温和的非质子的磺化试剂有：吡啶与三氧化 硫的加合化合物。
+ SO3 N
CH 2C2l 室温
(固体，含量90 %) N
SO 3
噻吩比较稳定，既可以直接磺化（产率稍低），
也可以用温和的磺化试剂磺化。
+ O
N SO3
ClCH2CH2Cl
r. t. 3 days
试问它们的稳定性顺序如何？
芳香性、稳定性： 苯〉噻吩〉吡咯〉呋喃
*5 杂原子和取代基的定位效应
A 杂原子的定位效应：邻位
第一取代基进入到杂原子的α-位。
B 取代基的定位效应： 3位上有取代基时，呋喃、吡咯、噻吩的定位效应一致。
G (o, p)
G (m)
Z
Z
6 吡咯的特殊反应 -氮原子上的取代反应
DMF
130oC
POCl3
Na 或 K
C6H5N2+XC2H5OH-H2O AcONa
N H (1)
pKa≈ 17.5
或浓NaOH
或K+NH2-
N N=N-C6H5 H
RMgX
N
1 CO2
N
COOH
2 H2O
Mg X
N COR
RCOCl
N RX
K+
N
(2)
R
CO2
加热 加压
COOH N H
（2） 呋喃、噻吩、吡咯的硝化反应
D M F , P O C l3 N H
Br N H
NO 2 N H
S O 3H N H
C HO N H
+C6H5N2+Cl-
N H
N=NC6H5 N H
+CH2=CHCO2CH3
N H
CH2CH2CO2CH3 N H
4 呋喃的反应
O+
O
O
O
O
OO
O
H2SO 4 - 2H O HOAc, △
O
90 % OO
O
O
H
N (氮杂环丙烷)
O
(β-丙内酰胺)
NH
五元杂环 七元杂环
O (顺丁烯二酸酐) O
O
(氧杂 ) 六元杂环
O
四氢呋喃
O
二噁烷
O
2 芳杂环
五元杂环
六元杂环 苯并杂环 杂环并杂环
具有芳香特征的杂环化合物称为芳杂环 ★
呋喃
O N
噁唑
O
吡啶
N
噻吩
S N
噻唑
S
N 嘧啶
N
N
吡咯
H
N
咪唑
N H
N 吡唑
N H
N H
t-Bu BuHON OH
H
Bu-t
（2）诺尔合成法
RO
HN2O
RO
Zn - HOAc
RO
EtOOC
EtOOCNOH
RO
+
EtOOCNH2
O
COOEt R
EtOOCNH2
氨基酮酸酯
R
COOEt
EtOOCN R H
三种化合物的相互转化(有氧化铝存在的情况下)
H 2O
N
NH 3
H
H 2S
H 2O
O
6
3
7
2
O
8
1
O
苯并吡喃
苯并--吡喃酮
(benzopyran) (benzo--pyrone)
杂环并杂环
67
1 N 5 N 嘌呤(purine)
8
2
N 3
4
N H
9
第二节 含有一个杂原子的五元杂环体系
一 呋喃、噻吩、吡咯的结构 二 呋喃、噻吩、吡咯的制备 三 呋喃、噻吩、吡咯的反应
一吡咯、呋喃、噻吩的结构
*4 噻吩、吡咯的芳香性较强，所以易取代而不易 加成；呋喃的芳香性较弱，虽然也能与大多数 亲电试剂发生亲电取代，但在强亲核试剂存在 下，能发生亲核加成。
离域能：噻吩：121.3 kJ·mol-1 吡咯：87.8 kJ·mol -1 共振能 呋喃：66.9 kJ·mol -1 苯： 150 kJ·mol -1
H2SO4-H2O, HAc TsOH, 甲苯, △
t-Bu
Bu-t
OH O
H
OH -H 2O t-Bu
O Bu-t
t-Bu Bu-t O
P2S5, 170℃
t-Bu
Bu-t (~40 %)
S
t-Bu
Bu-t
(1)NH2R (2)NH3 (NH4)2CO3, 100℃
HO N2H O
-2H2O t-Bu
(γ-pyrone) (α-pyrone)
4
5
N3
4 5N 3
6
N2
N
1
哒嗪(pyridazine)
6
2
N
1
嘧啶(pyrimidine)
6
2
N
1
吡嗪(pyrazine)
六元杂环苯并环系
5 6
4 3
7 8
2 N 1
喹啉 (quinoline)
5 6
4 3
7
N2
8
1
异喹啉
(isoquinoline)
54
O SO3- N H
N -O3S H
O SO3- N H
S
+
N
ClCH2CH2Cl
r. t.
Ba(OH)2
SO3
Ba2+
S
SO
3
2
+ N H
100 oC
N S O 3
N S O 3- N H
H
H C l
N S O 3H H
（4） 吡咯、呋喃、噻吩的卤化反应
反应强烈，易得多卤取代物。为了得一卤代(Cl, Br)产 物，要采用低温、溶剂稀释等温和条件（NBS溴化剂）。
小结
1.亲电取代反应活性顺序 三者是富电子的芳香化合物，亲电取代活性比苯大。 吡咯〉呋喃〉噻吩 〉苯
2.环的稳定性顺序 （根据离域能的大小） 苯〉噻吩〉吡咯〉呋喃 150 122 90 68
遇氧化剂或酸不稳定
3 吡咯的反应
NBS
N H
H N O 3 , (C H 3 C O ) 2 O N H
N , SO 3 N H
喹啉和异喹啉 第八节 嘧啶和嘌呤
第一节 杂环化合物的分类和命名
一 杂环化合物分类 二 五元杂环化合物的命名 三 六元杂环化合物的命名
一 杂环化合物的分类
在环上含有杂原子（非碳原子）的有机物称为杂环化合物。 1 脂杂环 没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂环。
三元杂环 四元杂环
O (环氧乙烷)
O
(β-丙内酯)
Cl
C+ l
ClC 2 l
Br2, 0℃
O
O
-4 0 ℃OO O稀 释
Br (86%) O
Br2 AcOH
S
I2, HgO
C6H6, 0℃
BrBr
Br (78%) S
碘不活泼，要用催化剂才能发生一元取代
I S
Br N
BrB E r 2 ,0 ℃ tON HS O C E lt 2 2 ( O 1 ,m 0 ℃ o l)