【有机化学】杂环化合物

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。
+ CH2O + HCl S
ZnCl2 0℃
CH2O + HCl ZnCl2, 25oC
ClH2C S
CH2Cl S CH2Cl
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
HNO 3, ( CH3C O )2O N H
N , SO3 N H
DMF, PO Cl3 N H
Br N H
NO 2 N H
SO 3H N H
C HO N H
+C 6H5N2+C l-
5
1
N H
2α
吡咯(pyrrole)
4
5
3
6 7
2 N H1
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
吡啶(pyridine)
4
5
3
6
N2
N
1
哒嗪(pyridazine)
γ 4
5
3β
6 O 2α 1
O
4
5
3
6O 2 1
4
5
3
6
2
OO
1
吡喃(pyran) γ-吡喃酮
HNO 2
RO
Zn - HOAc
RO
EtOOC
EtOOC NOH
R EtOOC
O +
NH2
O
COOEt R
EtOOC NH2
氨基酮酸酯
R
COOEt
EtOOC N R H
三种化合物的相互转化(有氧化铝存在的情况下)
H2O
N
NH3
O
H
H2S NH3
H2O H2S
S
五、 呋喃、吡咯、噻吩的衍生物
(1) 糠醛
卟吩胆色素原
NH N
N HN
卟吩 (Prophine)
• 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)。
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
N (氮杂环丙烷)
O
(β-丙内酰胺)
NH
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
具有芳香特征的杂环化合物称为芳杂环 ★
五元杂环
六元杂环 苯并杂环 杂环并杂环
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
吡喃(无芳香性)
O
吲哚
+N H
一 吲哚的反应
亲电试剂易进攻3位
进攻2位 E+
N
H
进攻3位
+
H N HE
H H
+
N H
N
+
+ C6H5N
N Cl-
H
....
H H ....
+
N H
N N C6H5
N H
一 吲哚的反应
常用的亲电试剂
硝化： (HNO3 + HOAc)
磺化：
N SO3
卤化： (低温、稀释条件下进行，常用 O O ，HOAc稀释， 试剂为X2) 酰基化： (酸酐、酰卤。AlCl3 , ZnCl2 ，BF3为催化剂)
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 五元杂环 七元杂环
O (环氧乙烷)
O
(β-丙内酯)
O
O
H
第二十章
杂环化合物
heterocyclic compound
exit
本章提纲
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节
杂环化合物的分类和命名 含一个杂原子的五元杂环、吡咯、呋喃、噻吩 含一个杂原子的苯并五元杂环-吲哚 含两个杂原子的五元杂环体系 含一个杂原子的六元杂环-吡啶 含两个和三个氮原子的六元杂环体系 含一个杂原子的苯并六元杂环、喹啉和异喹啉 嘧啶和嘌呤
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。 轭体系 富电子芳香杂环化合物
∏56 平面共
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
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。
N H
N=NC 6H5 N H
+CH2=CHC O 2C H3
N H
C H2C H2C O 2C H3 N H
4 呋喃的反应
O+
O
O
O
O
OO
O
H2SO4 - H2O HOAc, △
O
OO
90 %
H2O
-H+
O H
HO
OH2 OH
OH OH
4 噻吩的主要反应
NBS S
HNO 3, H2SO 4 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。
H3C
CH3 + NC-C C-CN
（2） 呋喃、噻吩、吡咯的硝化反应
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
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
CH2Cl2 室温
(固体，含量90 %) N
SO3
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
主要化学反应
吡咯、呋喃、噻吩的亲电取代反应 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：
>
N H
E
N H
H
E
H
>
O
S
E
N H
H
E
H
>
E 八隅体结构
N H
H 最稳定
E
H 无最稳定结构
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
O
SO3- N
H
N -O3S H
O
SO3- N
H
S
+
N
C lC H 2C H 2C l
r. t.
Ba (O H )2
SO3
Ba2+
S
SO
3
2
+ N H
N SO3
100 oC
HCl
N
SO3- N
H
H
N SO3H 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）。
S
60 - 120℃
S CH3
CN
-S
H3C CN
CH3 CN
CN CH3
四 呋喃、噻吩、吡咯的制备
1. 工业制备（略）
2. 实验室制备
(1)帕尔-克诺尔(Paal, C.-Knorr, L.)合成法
H2SO4-H2O, HAc TsOH, 甲苯, △
t-Bu
Bu-t
OH O
t-Bu
Bu-t
OO
H
浓 NaOH
A
COONa +
CH2OH
O
O
CH3COCH3，稀 OH-
BO
CH=CHCOCH3
CHO O
KCN C
O CH C
(CH3CO)2O D
CH3COOH
O
O
OH
CH=CHCOOH O
(2) 叶绿素和血红素
N
CH3
HOOCCH2CH2
CH2COOH
N
N
H
H
灵菌红素
(CH2)4CH3
N CH2NH2 H
苯并--吡喃酮
(benzo--pyrone)
杂环并杂环
67
1 N 5 N 嘌呤(purine)
8
2
N4 3
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
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。
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
（音译命名）
4
3β
5
2α
O
1
呋喃(furan)
4 3β 5 S 2α
1
噻吩(thiophene)
五元杂环苯并体系
4
5
3
6 7
O2 1
苯并呋喃
(benzofuran)
4
5
3
6 7
S2 1
苯并噻吩
(benzothiophene)
4
3β
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. 噻吩： 与苯共存在于煤焦油中。无色液体，沸点84℃。 鉴定：与吲哚醌在硫酸作用下发生墨绿色反应。
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
H
NO2 + S 60 %
NO2 + N H
NO2
S 10 % NO2
N H
51 %
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
H
Pyridine
AcO
O
NO2
ON
NO2
H
（3） 吡咯、呋喃、噻吩的磺化反应
Cl
Cl +
Cl
Cl2
Br2, 0℃
O
O
-40℃
O O O 稀释
Br (86 %) O
Br2 AcOH
S
Br
I2, HgO C6H6, 0℃
Br
Br (78 %) S
碘不活泼 Br2, 0℃
EtOH
N
SOCl2 (1 mol) Et2O, 0℃
H
H
Cl (80 %) N H
*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
*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
α-吡喃酮
(γ-pyrone)
(α-pyrone)
4
5
N3
4 5N3
6
2
N
1
6
2
N
1
嘧啶(pyrimidine)
吡嗪(pyrazine)
六元杂环苯并环系
5 6
4 3
7 8
N2 1
喹啉 (quinoline)
54
54
O
6
36
3
7
N2 7
O2
81
81
O
异喹啉
苯并吡喃
(isoquinoline) (benzopyran)
HCON(CH3)2
DMF
POCl3
C6H5N2+XC2H5OH-H2O AcONa
N H (1)
pKa≈ 17.5
Na 或 K 或浓NaOH
或K+NH2-
N N=N-C6H5 H
RMgX
N COOH
1 CO2 2 H2O
N MgX
N COR
RCOCl
N
RX
K+
N
(2)
R
CO2 加热 加压
COOH N H
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
时需要注意；
*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
（5） 吡咯、呋喃、噻吩的傅氏酰基化反应
150 - 200 ℃
+ Ac2O N H
Na
N
或 NaOH(浓)
H
N Na+
O CCH3 (60 %) N H
O PhCCl
N COPh
N-酰基吡咯
(70 %)
+ Ac2O
BF3
O
O