有机化学 杂环化合物

O
+ HOAc CH=CHCOOH
-ß» à« ± û Ï© Ëá
(4) 颜色反应
ß» à« HCl- ËÉ Ä¾ Ƭ ÂÌ É« ßÁ ¿© HCl- ËÉ Ä¾ Ƭ ºì É« àç · Ô µå ºì -H2SO4 À¶ É« ¿·È© ´×Ëá £­ ± ½ ° · ºì É«
3．糠醛的用途
含硫，可使催化剂中毒!
KMnO4
S
四氢噻吩
S OO
环丁砜，重要溶剂
三、呋喃、吡咯的特性反应
1. 呋喃易进行 D-A 反应
2. 吡咯的弱酸性和弱碱性
(1) 弱碱性: 吡咯虽然结构上是一个仲胺，但碱性很弱。
N H Kb 2.5 × 10-14
NH2 3.8 × 10-10
N H 2 × 10-4
N上的未共用电子对参与了环的共轭体系，减弱了 与H + 的结合力。
13―1 杂环化合物的分类和命名
13-1-1 杂环化合物
一、杂环化合物——成环原子除碳以外，还有其它非碳原 子如O、N、S、P等杂原子的环状化合物。
非芳香杂环 如 杂环化合物
,O O, O
NH ……
芳杂环（符合休克尔规则的杂环）如
,
N
H
N
……
本章重点介绍环内π-电子数符合4n+2 规则， 具有一定芳香性的芳杂环化合物。
诱导效应 (电负性): O (3.5) > N (3.0) > S (2.6) (吸电子）> C (2.5)
共轭效应 (供电子）： N > O > S
(3p 与 2p共轭较差）
姚子鹏，任平达， 高 翔，“五元芳杂环的芳香性和亲电取代活性顺序”， 大学化学，1999，14，55
（三）、 六元芳杂环化合物的结构
O
O
= =
O+
=
O 30℃ O
=O
HHO
呋喃在Ni催化下，易于加氢生成四氢呋喃——良好的溶剂和重要的 有机合成原料。
H2 / Ni
O
O
HCl 140℃
Cl(CH2)4Cl
NaCN NC(CH2)CN
NC(CH2)CN
H2O/H+ HOOC(CH2)COOH H2 / Ni H2N(CH2)6NH2
（二）糠醛（α- 呋喃甲醛）
(2) β- 位上有取代基
X = o、p - 定位基
Y = m - 定位基
X
Y
(次)
5
2
S
(主)
(主)
5S
5 - 位被占, 则进入4 - 位, 而不进入2 - 位
二、加氢反应
H2, Ni or Pd
O
四氢呋喃 ( THF ) O
H2, Ni or Pd
N H
四氢吡咯 N H
S
200H。2,CM,o2S02MPa
O CH2OH
KMnO4 弱碱性
O COOH
V2O5 - MoO O2, 320 ℃,
OO
+ CO2 + H2O O
（2）歧化反应
浓碱 O CHO
O COOH + O CH2OH
（3）羟醛缩合和Perkin 反应
稀碱 O CHO + CH3CHO
O CH=CHCHO
Ëõ ºÏ £º O CHO + (CH3CO)2O NaOAc
1. 五元杂环为 56共轭体系，电荷密度比苯大，如以苯环上 碳原子的电荷密度为标准（作为0），则五元杂环化合物的 有效电荷分布为：
0
0
0
- 0.02
- 0.04
- 0.06
0
0
0
- 0.03
O
S - 0.06
- 0.10
N H
亲电取代反应的活性为： 吡咯 > 呋喃 > 噻吩 （> 苯），
主要进入 -位
13- 6 六元杂环化合物
六元杂环化合物中最重要的有吡啶、嘧啶和吡喃等。
吡啶是重要的有机碱试剂，嘧啶是组成核糖核酸的重要 生物碱母体。
N 吡啶
N
N 嘧啶
O 吡喃
一、吡啶
1. 来源、制法和应用
吡啶存在于煤焦油、页岩油和骨焦油中，吡啶衍生物 广泛存在于自然界。例如，植物所含的生物碱不少都具有 吡啶环结构，维生素B3、维生素B6、辅酶Ⅰ及辅酶Ⅱ也含 有吡啶环。
(2) 弱酸性:其酸性介于乙醇和苯酚之间。
OH Ka = 1.3× 10-10
N H 1× 10-15
CH3CH2OH 1× 10-18
吡咯能与固体氢氧化钾加热成为钾盐，与格氏试剂作用 放出RH而生成吡咯卤化镁。
热
N H
+ KOH 固体
N
+ H2O
K
N
+ RMgX 干乙醚
N
+ H2O
H
MgX
N KOH（固体） N
13-2 结构与芳香性
一、五元芳杂环化合物的结构
sp2 轨道的孤对电子未参与共轭
二、芳香性杂环与苯环结构异同点
五元杂环化合物
(1) 稳定性（芳香性）：苯分子中的键长完全平均 化，而五元杂环化合物分子中的键长只是有一 定程度的平均化。因此，五元杂环化合物的芳 香性比苯差。
其芳香性次序是：
离域能： 150.6
吡啶是重要的有机合成原料（如合成药物）、良好的有 机溶剂和有机合成催化剂。
吡啶的工业制法可由糠醇与氨共热（500℃）制得。 吡啶为有特殊臭味的无色液体，沸点115.5℃，相对密 度 0.982，可与水、乙醇、乙醚等任意混和。
2. 吡啶的结构
N
N
N 上的孤电子对在 sp2 轨道上，在环外 未参与环内共轭。
2
α
3
1
4
NH
N
δ
β
N
HN
8 5
7
γ6
卟吩环(Porphine)
卟啉族化合物广泛分布与自然界:
血红素，叶绿素都是含卟吩环的卟 啉族化合物。
在血红素中,与卟吩环配位的是Fe, 血红素的功能是运载输送氧气
叶绿素与卟吩环配位的是Mg, 叶绿 素是植物光合作用的能源。
1964年，R. B. Woodward（1917-1979）用55步合成了叶绿 素。1965年接着开始合成VB12，用11年时间完成了全合成。 Woodward一生人工合成了20多种结构复杂的有机化合物， 是当之无愧的有机合成大师。
C_ sp2 N_ sp2
成环原子 共平面
Π
6 6
体系
吡咯
NH
N上的孤电子对在 p 轨道上， 参与环内共轭,为富电子芳环
由于吡啶环的N上在环外有一孤对电子，故吡啶环
上的电荷分布不均：
γ
δ
δ
δβ
δ Nδ α
γ 0.87 β 1.01
N α 0.84
1.43
δ
电荷分布 N > β > α >γ 亲电取代 β 位 亲核取代 α， γ 位
α - 甲基吡咯
Biblioteka Baidu
α
O CHO
2 - 呋喃甲醛 α - 呋喃甲醛
COOH
β
S 3 - 噻吩甲酸 β - 噻吩甲酸
β COOH
α
N COOH 2, 3 - 吡啶二甲酸 α , β - 吡啶二甲酸
• 杂环上不止一个杂原子时，编号则从 O、S、N (O→S→N) 顺序依次编号。
• 如果环中含有相同的杂原子，可以从连有氢原子或取代 基的那个杂原子开始编号。
0.140
4
3
N2
0.139
0.134
C =C
0.134
CC 0.154
CC 0.1397
• 吡啶环的键长发生了较大程度的平均化，C―C键与苯相似，但C―N 键变化很大，因此，其芳香性比苯略差。
• 吡啶和苯属等电子体系，但因氮原子电负性较大，使环上电子云密度 降低 ，故其亲电取代反应性能比苯差，而且亲电取代反应发生在电子 云密度较高的β-位, 这一特性类似于硝基苯。
S
121.1
N
O
H
88.7
66.1 (kJ / mol)
(2) 亲电反应活性：五元杂环化合物是富电子体系，其环电子云 密度比苯高，亲电取代反应比苯容易，尤其易发生在-位。
• 杂原子的存在相当于在环上引入了-NH2、-OH、-SH 等活化 基团而使芳环活化，故进行亲电取代反应的活泼顺序是：
N
O
S
H
13-3 五元杂环化合物的物理性质
偶极矩
N H
1.81D
b.p. 131 oC
S
0.52 D
b.p. 84oC
O
0.70 D
b.p. 32oC
N H
1.58 D
b.p. 89.5 oC
S
1.90 D
b.p. 119 oC
O
1.73 D
b.p. 65.4oC
13-4 五元芳杂环化合物的化学性质
一、亲电取代反应
乙酰硝酸酯
X2/ 低温 X2=Cl2、Br2
CH3COON。O2 5 ~ -30 C
ZX Z NO2
Z
= Z NH、O、S
N+ SO3。
100 C
(CH3CO)2O SnCl4
H N+
HCl
Z SO3
Z SO3H
( Z = NH、O ) 噻吩可直接用H2SO4磺化
Z COCH3
吡啶三氧化硫 配合物
维生素B12 （钴胺素）
2α 3
1 NN
4
δ
Fe
β
8
NN
5
7γ COOH
6 COOH
OO NH HN NH HN
COOH
COOH
血红素
O
胆红素IX a
HN H
NH H
生物素, 维生素H
S
(CH2)4COOH
(四)、噻唑和咪唑
1．噻唑
噻唑是含一个硫原子和一个氮原子的五元杂环，无色，有吡啶臭味的 液体，沸点117℃，与水互溶，有弱碱性。是稳定的化合物。
二、芳香杂环化合物的分类
13-1-2 杂环化合物的命名: 音译法和系统命名法
1. 音译法：在同音汉字左边 + “口”字
N H
(pyrrole) 吡咯
O
(furan) 呋喃
S
(thiophene)
噻吩
N
(pyridine) 吡啶
N
N
(pyrimidine) 嘧啶
N
(quinoline) 喹啉
N H
一些重要天然产物及合成药物含有噻唑结构，如青霉素、维生素B1 等。 青霉素是一类抗菌素的总称，已知的青霉素一百多种，它们的结构 很相似。
HOOC
CH3 CH3
N CO
S
CH NH C R
O
R = CH2
为青霉素 G
R = CH2 O
为青霉素 V 常用青霉素
R = CH CH CH2 S CH3 为青霉素 O
吡啶和苯虽然属等电子体系，但因氮原子的电负性较大， 从而使环上的电子云密度降低 ，故其亲电取代反应性能不 但比苯差，且亲电取代反应发生在电子云密度较高的β-位。 这一特性很类似于硝基苯。
本体异质结太阳能电池给受体材料
Chapter 13 Heterocyclic Compound 第十三章 杂环化合物
本章主要内容
• 常见杂环化合物的结构和命名 • 呋喃、吡咯、噻吩和吡啶的结构与芳香性。 • 呋喃、噻吩、吡咯、吡啶、吲哚、喹啉等化学性质 • 组成核酸的重要碱基——嘧啶、嘌呤 • 其他生物碱
由四氢噻唑环和 β- 内酰胺环稠合 而成
青霉素具有强酸性 (pKa ≈ 2.7), 在游离状态下不稳定 (青霉素 O 例外)， 故常将它们变成钠盐、钾盐或有机碱盐用于临床。
维生素B1（VB1）
NH2
Cl
N CH3 N
CH2 N
CH3
S
CH2CH2OH
噻唑环
对糖类的新陈代谢有显著的影响， 人体缺乏时可以引起脚气病
Óà ÓÚ Çø ± ð ¼ì Ñé Îå Ôª ÔÓ »·
糠醛是良好的溶剂，常用作精练石油的溶剂，以溶解含 硫物质及环烷烃等。可用于精制松香，脱出色素，溶解 硝酸纤维素等。 糠醛广泛用于油漆及树脂工业。
（三）吡咯的重要衍生物
最重要的吡咯衍生物是由四个吡咯环和四个次甲基(-CH= )交替相连组成 的大环(卟吩)化合物。其取代物称为卟啉族化合物。
(indole)
吲哚
N
N
NN H
(purine)
嘌呤
2. 杂环及环上取代基的编号：
(1) 母体杂环的编号：
一种方式：“杂原子” 编号为 “1”，其他原子依 次用2, 3…..等编号。
另一种方式：将“杂原子” 作为官能团，按与杂
原子间隔位置的不同将碳原子依次用α、β、γ…编号。
CH3
2 α
1
N
H
2 - 甲基吡咯
1．制备
由农副产品如甘蔗渣、花生壳、高粱杆、棉子壳 等, 通过稀酸加热蒸煮制取。
(C5H8O4)n 3~5%H2SO4 水蒸气
多聚戊糖
HO CH CH OH
CH2 CH CHO OH OH
戊糖
稀 H2SO4
O 呋喃甲醛
CHO
2．糠醛的性质
（1）氧化-还原反应
O CHO
H2, CuO, Cr2O3 150 ℃,10MPa
• 编号时应杂原子的位次最小。
N3
12
N H
imidazole 咪唑
N3
12
O
oxazole 噁唑
N3
12
S
thiazole 噻唑
N3
12
N
pyrimidine 嘧啶
吡啶
3-吡啶甲酸 （烟酸）
胞嘧啶 4-氨基-2-羟基嘧啶） 4-氨基-2(1H)嘧啶酮
当杂环上氢原子位置不同时，应将氢原子编号置于母体名称前
H
热
K
RCOCl RI
N COR
N R
N COR H NR H
RCOCl
N
RMgX
COR
N H
干乙醚
N MgX
RI
N
R
N COR H NR H
13- 5 重要的五元杂环衍生物
（一）呋喃
呋喃为无色液体，难溶于水而易溶于有机溶剂，b.p为32℃。尽管呋喃在 较温和的条件下就可发生亲电取代反应，但因其芳香性较弱，呋喃及其衍 生物容易进行Diels-Alder反应和一般的亲电加成反应。如：
亲电取代反应的活性： 吡咯 > 呋喃 > 噻吩 主要进入-位
2. 五元杂环化合物亲电取代反应特点：
•使用较为温和的试剂或反应条件 •五元杂环化合物亲电取代反应发生在α-位 •进攻 2 – 位所形成的共振杂化体 比进攻3 – 位所形成的共振杂化体稳定
3.五元杂环化合物亲电取代反应的定位规律
以噻吩为例： (1) α- 位上有取代基