第14章 杂环化合物

通常用比较温和的非质子硝化剂，且在低温下进行。
O O O
=
CH3COCCH3 + HNO3
= =
CH3CONO2 + CH3COOH
乙酰硝酸酯
O N H + CH 3CONO2 Ac2O 50℃ N H NO2 NO2 + N H β-硝基吡咯 17%
α-硝基吡咯 83%
（2）硝化反应
O
+
S
CH 3CONO 2
O
CHO
2-呋喃甲醛(糠醛)
2-furan formaldehyde
3-吡啶甲酸 3-pyridine formic acid
COOH N
二、含一个杂原子的五元杂环化合物
（一）呋喃、噻吩和吡咯的结构与性质 1. 呋喃、噻吩和吡咯的结构
Z Z
呋喃、噻吩和吡咯的结构
Z= O、S、N
杂原子均为sp2杂化，形成的都是
为什么吡咯分子的偶极矩与四氢吡咯 的方向相反？
N H
N H
2. 吡咯、呋喃和噻吩的化学性质
（1）亲电取代反应 亲电取代活性比苯大， 且α位比β位活泼。
143pm -0.06 -0.10
pm N +0.32
H
13 8
吡咯的电荷分布和键长
富有电子的大π键。电子离域的 结果，使得杂原子上的电子云密 度降低，环上各碳原子的电子云 密度升高（杂原子的活化作用相 当于酚羟基），键长在一定程度 上发生平均化。
杂 五 环
元 二 杂
4 5
N3 S1
4 5
N1 H
3
N2
2
4 5
N3 N1 H
2
咪唑 吡唑 (thiazole) (pyrazole) (imidazole)
噻唑
1. 基本杂环结构
六元杂环：
4 5 6
N
4 3 5 2 6 3 N2 5 6
4
N3 5 2 6
N N
4
4 3 5 2 6 3 2
1
N
1
N
π
6 5
1. 呋喃、噻吩和吡咯的结构
吡咯的结构：

Pyrole is an amine and a conjugated diene, however its chemical properties are not consistent with either of structural features
（三）吡咯的重要衍生物 P.306
1.血红素
H3C CH CH2 N Fe H3C HOOCH2CH2C N N CH3 CH2CH2COOH N CH3 CH CH2
血红素与蛋白质结合生成血红蛋白，其功能是在血液中 运送氧气和二氧化碳。0℃、0.1MPa 时，1g血红蛋白 可结合1.35mLO2，血红蛋白与CO的结合能力是与O2结 合能力的210倍。血红素1929年由Hans Fischer合成。 （1930获诺奖）
5 6 7 8
4
CH3
NH2
6
3
N CH3
1 N 2
2
5 4
N7
8
1
N
3
N H
9
1,4-二甲基异喹啉 1,4-二甲基异喹啉 (1,4-dimethylisoquinoline)
6-氨基嘌呤 6-氨基嘌呤（腺嘌呤， A） （腺嘌呤）
(6-aminopurine, adenine)
2.取代杂环的命名
有时，为了命名的方便，也将杂环作为取代 基，以官能团作为母体来命名。
+
Α-呋喃磺酸或 呋喃-2-磺酸
N Cl H
（1）磺化反应
浓H2SO4 S 室温 S SO3H
浓H2SO4 室温
噻吩环较稳定，磺化可在室温下直接使用浓硫酸， 生成的α-噻吩磺酸溶于浓硫酸。苯在室温下不与浓
硫酸反应，据此，常用浓硫酸洗涤来除去苯中的噻吩。
（2）硝化反应
呋喃,吡咯和噻吩易氧化, 一般不用硝酸直接硝化;
亲电取代活性比苯大， 且α位比β位活泼。
143pm -0.06 -0.10
pm N +0.32
H
吡咯的电荷分布和键长
137pm
13 8
富有电子的大π键。电子离域的 结果，使得杂原子上的电子云密 度降低，环上各碳原子的电子云 密度升高（杂原子的活化作用相 当于酚羟基），键长在一定程度 上发生平均化。
1. 吡咯、呋喃和噻吩的结构
异喹啉 (isoquinoline)
吲哚 (indole)
1. 基本杂环结构
杂环与杂环的稠合：
6 1N 2 5 4
N N H N7
8 7 6 5
9
1 2 3 4
3
9
8
嘌呤 (purine)
10 吖啶 (acridine)
N
几个重要的含氮杂环化合物
吲 哚 喹 啉 左 并 苯
4 5 3 (β ) 2 (α )
吡咯、呋喃不太稳定，磺化时直接使用质子酸会 发生聚合或开环，所以使用较温和的磺化剂：吡啶 与三氧化硫的加合物。
N + SO3 CH2Cl2
室温
N SO3
HCl
N SO3
N H 100℃ N H
SO3-
N H
SO3
-
SO3H N H
HCl
N SO3
O ClCH2CH2Cl r.t.days O
N H
SO3H O
1
1
O
1
吡啶 (pyridine)
嘧啶 吡嗪 哒嗪 (pyridazine) (pyrimidine) (pyrazine)
吡喃 (pyran)
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其中以吡啶和嘧啶最为重要
1.基本杂环结构
稠杂环（苯环与杂环稠合）
5 6 7 8
N
4 3 2 1 6 7
5
4 3 N2
4 5 6 7
N 1 H
3 2
8
1
喹啉 (quinoline)
(四)、含两个杂原子的五元杂环化合物 （一）唑的结构和物理性质
N S 噻吩 N H 咪唑 N
H 3 N C H C C H N H
1
S和仲N原子上的孤对电子处于P轨道，参与共轭; 叔N原子的孤电子对处于SP2杂化轨道，未参与共轭。 水溶性比相应单杂环高。
（二）咪唑
1. 咪唑的酸碱性
结构特点：有一个氮原子的孤电子对未参与杂化， 既能与水形成氢键，又能与质子结合。
137pm
1. 亲电取代反应
α取代 X + E+ X β取代 X E H X E H E H X E H X E H
八隅体 结构最稳定
亲电取代反应发生在α-位时，反应活性中间体的 正电荷能够得到更有效地分散，体系能量较低反应 易于进行。所以： 五元杂环化合物的亲电取代反应主要发生在α-位
1. 亲电取代反应
4 5
O1
3β 2α
N S CH3
H 3C
N N H
CH3
2-甲基呋喃 （α -甲基呋喃） (2-methylfuran)
5-甲基噻唑 5-methylthiazole
4-甲基咪唑 4-methylimidazole
3. 稠杂环的命名
对于稠杂环则有固定的编号顺序，通常是从一端开始， 依次编号，公用的碳原子一般不编号，并尽可能使杂原 子的编号较小如喹啉、异喹啉和吲哚。值得注意的是嘌 呤，不仅公用碳参与编号，而且编号的顺序很特殊。
1. 吡咯、呋喃和噻吩的结构
结构特点： 杂原子上的孤对电子，参与闭合的共轭体系。 π电子数为 6 ，具有一定的芳香性，芳香性比 苯差。
芳香性： 苯> 噻吩 > 吡咯 > 呋喃 共振能： 150.6 121.3 87.8 66.9 （kJ· mol-1）
亲电取代活性比苯大， 且α位比β位活泼。
1. 吡咯、呋喃和噻吩的结构
4 4 5
N3 N1 H
4 3 2 5 6
N N3
5 6
N
N1 H
2
2
吡咯
4 5 6 7
N1 H
咪唑
5 3 2 6 7 8
N
吡啶
4 3 2 1
1
嘧啶
6 5 4
N N7 N H
1
1N 2
3
9
8
间 氮 咪 唑 和 嘧 啶
吲哚
喹啉
嘌呤
嘧（啶）咪（唑）稠合是嘌呤。
记 忆 口 诀： 氮五吡咯六吡啶； 间氮咪唑和嘧啶； 吲哚喹啉左并苯； 嘧咪相稠是嘌呤。
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。
Br2, 0℃
O
O
O 稀释
O
Br
(86 %)
Br Br N H
Br Br Br2, 0℃ EtO H
NB S
N H
N H
Br
1.亲电取代反应 小 结：
因吡咯、呋喃、噻吩的环上电子云密度比苯大， 故比苯活泼。取代基进入α 位。 亲电取代反应活性：吡咯>呋喃>噻吩>苯。 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
SO3H
N H
N N
SO3H
呋喃和噻吩不能偶联，说明吡咯环电子密度高。
（三）吡咯的重要衍生物(P.306)
与生命有着密切关系的两大色素：叶绿素和血红 素，以及维生素B12都含有卟吩环。
NH N
卟吩(porphine)
N
HN
卟吩(porphine)是由4个吡咯环的α碳原子通过次甲基 （-CH=）相连而成的复杂的共轭体系，成环的原子 共平面，有26个π电子，符合4n+2的规则，有芳香性， 其取代物则称为卟啉（porphyrin）。
一、杂环化合物的定义、分类与命名
O O
O
环氧乙烷
O 氮杂环丙烷 γ-丁酸内酯 γ-丁内酰胺 马来酸酐
N H
O
O
N H
O
这些化合物中虽然含有杂原子，但不稳定 易开环，性质类似于开链化合物。习惯上认为 的杂环化合物是： 定义：含有杂原子，具有芳香性或一定程度稳 定性的环状化合物叫杂环化合物。
一、杂环化合物的定义、分类与命名 （二）杂环化合物的分类和命名 单杂环 五元杂环、六元杂环。
稠杂环
苯环和杂环稠合、杂环和杂环稠合。
（二）杂环化合物的分类和命名
1.基本杂环结构 3 (β ) 五 4 5 2 (α ) 元 O1 五 一 呋喃 杂 (furan)
4 5
S1
3 (β ) 2 (α )
4 5
N1 H
3 (β ) 2 (α )
元
噻吩 吡咯 (thiophene) (pyrrole)

指出下列杂环化合物中，各含有哪些杂环 母核？
（ 1）
N N N H NH CH2 N
（ 2）
O CH3 N N CH2 NH2
Cl N
+
S CH2CH2OH CH3
激动素（一种植物激素）
维生素 B1（硫胺素）
（1）含嘌呤环和呋喃环 （2）含嘧啶和噻唑环
2.取代杂环的命名(P.298)
编号的原则：对于单杂环，从杂原子开 始，用阿拉伯数字（或α、β、γ）表示； 若同一环上有多个杂原子，则按O、S、NH （仲氮）和N（叔氮）的顺序编号。
第14章 杂环化合物 内容提要: 一、杂环化合物的定义、分类与 命名 二、五元单杂环化合物 三、六元单杂环化合物 四、稠杂环化合物
一、杂环化合物的定义、分类与命名 （一）定义
广义来讲，构成环的原子除了碳原子外，还含有一个 或多个非碳原子(杂原子)的化合物称为杂环化合物 。
常见的杂原子（hetero-atom）：N、O、S 。
五元杂环的反应有两点需要注意： （1）呋喃、吡咯、噻吩对氧化剂都敏感， 遇到氧化剂时环都很容易被破坏。 （2）呋喃、吡咯、噻吩在酸性条件下能不同程 度发生质子化。吡咯在强酸作用下会发生聚
合生成吡咯红；呋喃在稀酸水溶液中质子
化发生在氧上，会导致开环反应发生。相对来说 噻吩对于酸比较稳定。
（1）磺化反应
第14章 杂环化合物
杂环化合物广泛地存在于自然界，是有机化 合物中数目最庞大的一类。邢其毅先生在给花 文廷《杂环化合物》一书的序言中写到：杂环 化合物占有机化合物总数的65%，论文占有机 化学的1／3…..。 生物体内具有重要生理功能的两大色素： 血红素和叶绿素具有杂环； 对生物的生长、繁殖、遗传、变异起决定性 作用的核酸具有杂环。
2. 加成反应 （自学）
3.吡咯的特殊性质
（1） 吡咯的酸碱性 苯酚 吡咯
Ka 1.3×10-10 10-15
Na 或 K 或浓NaOH
乙醇
10-18
氨
10-35
N H
N K+
+
N H
CH3MgI
+
N MgI
CH4
吡咯可将格氏试剂分解，说明分子中有酸性氢。
3.吡咯的特殊性质
（2） 吡咯的偶联
+N N N H
Ac 2O 0℃ S NO 2
+
S
NO 2
=
2-硝基噻吩（主）
3 4 O 2 1 AcONO2 -5 - -30oC H 3 2 H 吡啶 5℃ O NO2
4 O 1 AcO NO2
2-硝基呋喃
呋喃的硝化比较特殊,相当于先进行1，4—加成, 然后再加热或用吡啶除去乙酸,得到硝化产物。
（3）卤代反应
（三）吡咯的重要衍生物
2.叶绿素
叶绿素是绿色植物进行光合作用所必须的催化剂。光 合作用的实质是绿色植物将太阳的光能转化成化学能 的过程。叶绿素由“现代有机合成之父”Woodward历 时4年经30多步反应，于1960年合成。(1965或诺奖)
（三）吡咯的重要衍生物
3.维生素B12
1926年发现肝脏提取 液可治疗恶性贫血， 1948年得到纯品暗红 色的结晶物。1954年 测得其结构。 合成工作在Woodward 的组织下前后有19个国 家的一百多位化学家参 加，经95步反应，历时 11年，于1972年宣告完 成。VB12的合成被成为 有机化学界的“阿波罗 登月”。