第十一章 杂环化合物

练习：P574，(三)
2.呋喃、吡咯、噻吩的化学性质 (1)亲电取代反应
特点：活性比苯大, 吡硌>呋喃>噻吩>>苯。 亲电试剂主要进入-位。 遇强酸或氧化剂时容易使环破坏。
a.卤化
呋喃、噻吩、吡咯的卤化反应活性与苯胺和苯酚相 似，在室温与氯或溴反应很激烈，得到多卤代ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ。为了 避免多取代，反应一般在低温和稀溶液中进行。
当,-位有卤素时，使用比较弱的亲核试剂，就可 以取代卤素。 例如：
(4) 氧化和还原反应
吡啶环是非常稳定的芳香环，一般的强氧化剂如浓 硝酸、酸性高锰酸钾及重铬酸钾加硫酸都不能氧化吡啶 环，当吡啶有侧链时，容易氧化成吡啶甲酸。
尼古丁 (烟碱)
尼古丁酸 (烟酸)
尼古丁酰胺 (烟酰胺)
吡啶用过氧化氢或过氧酸氧化，生成吡啶N-氧化物 （或叫氧化吡啶）。
卟吩环是由四个吡咯和四个次甲基(-CH）交替相联组 成的共轭体系。卟吩环呈平面结构，环的中央空穴可以共 价键、配位键和不同的金属结合。在叶绿素中与镁结合， 血红素中与铁结合，维生素中与钴结合。
卟吩环
血红素
4.咪唑和噻唑的结构
唑是含有两个杂原子，其中至少有一个氮原子的五 元杂环。杂原子可处在1,3-位和1,2-位。咪唑和噻唑是 其中较常见的杂环化合物。
b.硝化
为避免氧化，一般采用硝酸乙酰酯作硝化剂。硝酸 乙酰酯由乙酸酐和硝酸反应制得。
c.磺化
呋喃、吡咯磺化时不能用浓硫酸，通常用三氧化硫 与吡啶的加成物作磺化试剂。噻吩比较稳定，可直接用 硫酸在室温下磺化。
100℃
d.酰基化
呋喃和噻吩进行酰基化时需采用较温和的催化剂如 SnCl4、BF3等。活性较大的吡咯可不用催化剂，直接用 酸酐酰化。例如：
例：
2-溴呋喃
2-硝基吡咯
2-氨基噻唑
当取代基是-COOH，-COOR，-SO3H等时，杂环作为取 代基来命名。
3-吡啶磺酸
二、五元杂环化合物
1.呋喃、吡咯、噻吩的结构和芳香性
结构特征：a.平面结构 b.构成环的五个原子都为sp2杂化，杂原子上 的孤对电子在p轨道上参与共轭形成共轭体系。 c.π电子数符合休克尔规则，具有芳香性。 呋喃、噻吩、吡咯在结构上具有共同点，
由于氮原子的强吸电子作用，其亲电取代反应类似 于硝基苯。不能进行烷基化和酰基化反应，取代时一般 需要250-350℃的高温。取代反应主要发生在3-位上。
(3)亲核取代反应
氮的吸电子作用使环上的电子密度降低，使吡啶难于 发生亲电取代反应，但却有利于亲核取代反应。吡啶发生 亲核取代反应时，因为H-是一个较差的离去基团，所以常 需用强的亲核性试剂如NaNH2，C4H9Li和PhLi等。一般情况 下，进攻几乎都发生在-位上。
吡咯
呋喃
噻吩
吡啶
吡唑
咪唑
噻唑
吲哚
喹啉
杂环编号的一般原则如下： a.从杂原子开始编号,可用阿拉伯数字1，2，3，…表示。 也可以用，，，…来表示，杂原子相邻的位置是， 其次为，再其次为…。 b.环上含有两个相同杂原子时，连有取代基的编号最小。 c.环上含有不同杂原子时，按O，S，N的顺序编号。
组氨酸
维生素B1
组胺
三、六元杂环化合物
1.吡啶结构与芳香性
结构特征：a.平面结构 b.成环的六个原子都为sp2杂化，杂原子上的 孤对电子在sp2杂化轨道不参与共轭构成。 c.π电子数符合休克尔规则，具有芳香性。
2.吡啶化学性质
吡啶为无色而具有特殊臭味的液体，沸点115.5C， 与水及许多有机溶剂如乙醇、乙醚等混溶，是一种良好 的溶剂。它存在于煤焦油和页岩油中。
吡啶N-氧化物容易进行亲电取代反应，主要发生在 γ位，如吡啶N-氧化物的硝化反应。吡啶N-氧化物与 PCl3作用脱氧还原为吡啶。
吡啶比苯容易还原，在常温常压下可催化加氢得六 氢吡啶（哌啶，Piperidine）。
(1)碱性及亲核性
吡啶环上的氮带有未成键电子对，所以具有碱性和 亲核性。吡啶为一弱碱，碱性比脂肪胺碱性弱，但是比 苯胺和吡咯的碱性强:
Pkb
2.7
8.8
9.3
13.6
吡啶与强酸生成盐，与许多Lewis酸生成络合物：
吡啶是良好的亲核试剂，可与卤代烷进行亲核取代 反应。生成N-烷基吡啶盐：
(2)亲电取代反应
第十一章 杂环化合物
除碳原子外，成环原子还有N,O,S等杂原子 的环状化合物。 非芳香性杂环：
芳香性杂环：
一、芳杂环化合物分类和命名
1.分类
(1)五元杂环
(2)六元杂环
pyridine
pyrimidine
(3)稠杂环
稠杂环一般是指苯环和杂环或杂环间稠合而成的化合物。
2.命名
音译法： 按英文名词音译成带“口”字旁的同音汉字。
吡咯钾盐可用于合成吡咯衍生物。例如：
甲苯 110℃
3. 呋喃、吡咯的重要衍生物
(1)糠醛
糠醛是呋喃的重要衍生物，为无色液体，沸点162C， 在空气中容易氧化变黑。性质与苯甲醛类似，可发生 Cannizzaro反应、Perkin反应等。糠醛是重要的工业原 料，可用于酚醛树脂、药物、农药的等。
(2)卟吩环系化合物
150-200℃
e.取代呋喃、噻吩、吡咯的定位效应
邻、对位定位基 间位定位基
邻、间、对位定位基
邻、对位定位基
间位定位基
练习：P575，(五)，(1)(2)(3)(4)
(2)加成反应
呋喃、吡咯、噻吩催化加氢，得饱和的杂环化合物。
200-250℃
四氢吡咯(有机碱)
50℃
四氢呋喃(有机溶剂)
四氢噻吩
(3)双烯合成
呋喃、吡咯、噻吩具有共轭双烯的性质，与亲双烯 体可进行Diels-Alder反应。
练习：P575，(五)，(11)
(4)吡咯的酸碱性
吡咯的碱性极弱（pKb=13.6），这是因为氮原子中 的未成键电子对参与了环的共轭，不能再与酸结合。
吡咯氮上的氢具有弱酸性，pKa=17.5，比醇的酸性强， 可与强碱或碱金属作用成盐。
咪唑
噻唑
5.咪唑和噻唑的化学性质 (1)碱性
在唑环中氮原子有一个sp2杂化轨道被一对电子占 据，是未成键的孤对电子，可与质子结合，具有碱性。 1,3-唑中，咪唑碱性最强。
(2)氮烷基化和酰基化
唑中氮原子上的未共用电子对的存在使其可以发生 烷基化和酰基化反应。例如：
6.咪唑、噻唑的重要衍生物
许多天然物质内含有咪唑环，如蛋白质中的组氨酸。 组氨酸在细菌的作用下失羧得组胺，它具有降低血压的 作用，具有药用价值。