有机化学11杂环化合物a

N ‥
N
芳香性
具有闭合环结构，具有环多烯结构， 具有共平面或近似平面结构，π电子 数符合4n+2规则。 符合休克尔规则，因此具有芳香性。 易发生亲电取代反应。富电子体系亲 电取代反应发生在-位为主；缺电子 体系亲电取代反应发生在-位为主。

芳香性强弱
亲电反应强弱(反应活性) ＞ ＞
(杂)茂 (杂)茂
N 吡唑
N异噻唑
4 5
3 2
苯并呋喃 benzofuran 氧茚
O
6 7
吲哚indole 氮茚 6
1
N1 H
N
2
5
N
7 8
N
3
4
茚Indene
嘌呤 purine 1,3,7,9-四氮茚
N9 H
CH2COOH
O
CHO
H3C N N H
2-呋喃甲醛 α-呋喃甲醛 糠醛
N H
3-吲哚乙酸 β-吲哚乙酸
§11.1.2 杂环化合物的命名

一般有“译音名”和环母体加杂原子两种方式。 碳环母体如下：
环戊二烯 茂
苯
1,4-环己二烯 芑
茚 Indene
萘
芴 Fluorene

杂环的编号以杂原字为最小号，存在两个以上 杂原子的以O、S、NH、N顺序进行。即不含 双键的取1号位次。
O
呋喃 furan
氧(杂)茂
1,2-二氮苯
N
N 嘧啶pyrimidine
1,3-二氮苯
N
吡嗪pyrazine 1,4-二氮苯
N
O 吡喃pyran
氧芑
5 6 7 8
4 3
5 6 7 8
4 3
N
1
2
N2
异喹啉isoquinoline 2-氮萘
1
喹啉quinoline 氮萘
5 6 7 8 10 4 3
N
1
N
喋啶pteridine 1,3,5,8-四氮萘
O
NO2 N
SO3H N
N
+Br2 NH2
300 C HAc
O
Br N NH2
4.吡啶环系的亲核取代反应
+NaNH2 N N NH2
N
+ KOH Cl
N
OH
Cl Cl + NaNH2 N NO2
Cl + H2O N
Cl + NH3
CuSO4
NH2 Cl N O
165 C
O
Cl N H
NH2 N
N
卟啉化合物
卟啉化合物在自
然界分布极为广 泛：叶绿素、血 红素、维生素B12 细胞色素等都含 有基本结构—卟 吩环。具有重要 的生理作用。
NH N 卟吩环 N HN
N
+
N
Fe OH
血红素
N
N
CH2CH2COOH CH2CH2COOH
R= -C20H39= -CH2CH=C-(CH2)3-CH-(CH2)3-CH-(CH2)3-CH(CH3)2 CH3 CH3 CH3
CH2 -C
丁二酸酐
O
O O
CH2 -C CH2 -C
O
NH
CH2 -C CH2 -C
O
O
-丁酰胺
-丁内酯

天然化合物中有很大部分含有杂环结构，叶绿素、 血红素、DNA、RNA、部分维生素、中草药中的有 效成分(生物碱)、抗生素、植物色素等。
§11.1杂环化合物的分类、命名 §11.2杂环化合物的结构 §11.3五元杂环—富电子单杂环体系 §11.4六元杂环—缺电子单杂环体系 §11.5稠杂环体系
§11.1 杂环化合物的分类和命名
§11.1.1 杂环化合物的分类 由于组成杂环化合物的杂原子的种类、数目 不同，环的大小及稠合的形式不同。因此其 种类繁多数目可观，约占全部有机物的1/3, 一般以环骨架为基础。 1.杂环化合物分为五元杂环化合物和六元杂环 化合物。 2.杂环化合物分为单杂原子杂环化合物和多杂 原子杂环化合物。 3.杂环化合物分为单杂环化合物和稠杂环化合 物。
＞
N H
环稳定性大小 ＞
O
S
S
＞
N H
＞
O
相互转化 佑尔业夫(Yupev)：利用Al2O3为催化 剂，实现噻吩、吡咯、呋喃环之间的转 化。
H2O
N H
H2S NH3
NH3 H2O H2S
O
S
§11.3五元杂环—富电子单杂环体系
一、亲电取代反应
S
1.硝化反应
S
NO2
O AcOH Ac2O + CH3CONO2 0 OC
220OC 浓H2SO4
N
N
NaNH2 100 OC
N SO3H
N
N
NH2
KMnO4 100 OC N
H2-Pt-H 2O 0.2MPa or Sn + HCl
COOH N COOH
N
H2-Pt-CH3COOH 40 OC
N H
N
N H
具有弱碱性，嘧啶环本身不存在 于自然界。但其衍生物广泛分布于 动植物体内。是组成核酸的重要部 分，嘧啶的羟基、氨基衍生物在核 酸内称为——碱基。有三种形式：嘧啶pyrimidine
氮(杂)茂
N H
吡咯 pyrrole
S
噻吩 thiophene
硫(杂)茂
N 噁唑 O
oxazole
1,3-氧氮 (杂)茂
N N H
咪唑 imidazole
N 噻唑 S
thiazole
1,3-硫氮 (杂)茂
1,3-二氮 (杂)茂
O
N异噁唑 isoxazole
1,2-氧氮 (杂)茂
N pyrazole S isothiazole H 1,2-硫氮 1,2-二氮
第十五章
杂环化合物
Heterocyclic Compounds


具有一定芳香性的、成环原子除碳原子以外， 还有其它原子的环状化合物。常见的杂原子有 O、S、N，也可出现B、P、Si。 二元酸酐、内酰胺、内酯虽具有环状结构和成 环的杂原子，但它们在水中易水解开环。因此, 不属于杂环化合物。
CH2 -C
N
H3C
5-甲基噻唑 5-methylthiazole
S
4-甲基咪唑 4-methylimidazole
NH2
N N
CH3 N O
N 腺嘌呤A
OH 鸟嘌呤G
N N N N H
N H O
NH2
CH3 N
N N 咖啡因 CH3 1,3,7-三甲基-2,6-二氧嘌呤
N
N 吡啶pyridine
氮苯
N 哒嗪 pyridazine
O
S
Cl
Br
O
Br2 0OC
Cl
O
Cl
O
S
O
O
Br2 CH3COOH
Br
S
I2 0OC Hg2O
S
I
N H
Cl2 0OC C2H5OC2H5
N H
Cl
Br Br
Br
N H
Br2 0OC C2H5OH
4. 傅克反应：主要是酰基化反应，烷基化反应 得到混合物。 Ac2O
N H
Br
O
BF3
O
COCH3
Ac2O
§11.2.2缺电子体系—六元杂环
§11.2.1富电子体系
典型的物质：呋喃、 噻吩、吡咯。环原子 为sp2杂化，平面结构 杂原子提供一对p电 子，参与大Π键的组 6 成。Π NH 5 符合4n+2的休克尔规 则。因此，具有芳香 性。环的电子密度大 于苯环。尤其在杂原 子的邻位。

源自文库

此外，根据环上各键的键长并不 相等，说明杂环中的电子密度没 有完全平均化芳香性弱于苯环。 δ苯>吡咯>呋喃>噻吩。其电子密度 的变化情况类似于苯胺。
N
9
2 1
吖啶acridine 氮蒽
N
N
4 5 6 3
COOH
2
4 5 3
CH3 4
5 3
N1
3-吡啶甲酸 β-吡啶甲酸
CH3 NH2
6
N1
2
O
N1
4-甲基吡啶 γ-甲基吡啶
3-甲基-1-苯基-5-吡唑酮
H2N N O N H
H N O
O
H N
O CH3 N H
胸腺嘧啶T
N H
O
胞嘧啶C
尿嘧啶U
N
7 8
NH N N
H
2
N
3
4
嘌呤 purine 1,3,7,9-四氮茚
N9 H
OH N H 2N N N H OH N H N HN
O N N N H
鸟嘌呤 (G)
OH N N OH HO N N H N
N
H 2N N N H
尿酸
黄嘌呤

N
N
OH
O
N
N
N H CH3
N H
H
1,3-二氮苯
尿嘧啶 (U)
N
OH
O
NH N H
NH2
CH3 N
N OH
胞嘧啶 (C)
O
OH CH3 N N OH CH3
O
N N H
H
胸腺嘧啶 (T)
O
水溶液呈中性，但可与碱或酸
6 5
反应成盐。其羟基和氨基衍生 1 N 物是组成核酸的碱基。
NH2 N N N H 腺嘌呤 (A) N N N
N H
O
O + CH3CONO2
AcOH Ac2O -10 OC
N H
NO2
O + CH3CONO2
硝乙酐
AcOH Ac2O -5－- 30 OC
N
O
NO2
2. 磺化反应
SO3 72h
O
N
O
SO3H
SO3
N H
N
N H
N
O
SO3H
SO3
S
100 C
S
SO3H
3. 卤代反应
Cl2 -40 OC
+
O
N
雷米封：治疗结核病
N
维生素B6 CH2OH H3C CH2OH
H3C N
烟碱、尼古丁
N CH3 N 康福斯试剂 J.W.Cornforth 铬酸酐水溶液 加入到吡啶中 溶液
沙瑞特试剂 Sarrett 1份铬酸酐 10份吡啶 黄色固体
喹啉和异喹啉的化学性质
浓HNO3 浓H2SO4 0OC
N NO2

此外，还有一类带有杂原子的饱和环状化合物, 例：
O N O H 吖丁啶 1,3-环氧丙烷 环氧乙烷 氮丙啶;吖丙啶 氧化乙烯 氮杂环丁烷 氧杂环丁烷 氮杂环丙烷 O S 噁噻烷 N-H
O 四氢呋喃 O N-H 吗啉
S 四氢噻吩 O O
H-N
哌嗪
N-H
二噁烷
§11.2杂环化合物的结构
§11.2.1富电子体系—五元杂环
吡啶是典型的六元杂环化合物， 环原子以sp2方式杂化。并且， 每个原子的未参加杂化p轨道上 均只有一个单电子，组成 6Π 6 大Π键符合4n+2休克尔规则，六 元杂环化合物同样具有芳香性电 子密度变化情况如左图
1. 05 1.10 ‥ δN0.64
§11.2.2缺电子体系

H
0.87 δ+
1.02 δδ+ 0.84
N H
150－200 OC
N H
COCH3
KOH
N H
二、加成反应
N
K
C6H5COCl 110OC
N
C6H5CO
1.亲双烯加成反应
O O
O O O O
+
O O
O
+
+
O
N H
NH
一般认为：呋喃较易发生亲双烯加成反应， 吡咯也能和活性较大的亲双烯体发生反应，噻 吩不易发生反应。
2. 催化加氢反应：呋喃、吡咯较易发生反应， 噻吩能催化剂中毒，在特殊催化下发生反应。
Et2O
BF4 + N CH3 NO2
CCl4
+Br2 N
+ N Br
Br
+ CH3I N
CCl4
I + N CH3
+ C6H5COCl N
-20 OC CCl4
Cl + N COC6H5
3.吡啶环系的亲电取代反应
+ HNO3 N
+ H2SO4 N
22 C HgSO4
O
300 C 24h H2SO4
HO-CH-CH-OH H-CH C-H HO OH CHO
稀H2SO4
O
O
CHO
呋喃甲醛
+
康尼查罗反应
2
浓 NaOH
O
CHO
O
CHO +
V2O5,-MoO3 2O2 520℃
COONa O CH2OH O CH-C O + CO2 + H2O CH-C O
鉴别：
1.托伦斯试剂：生成银镜。 2.斐林试剂：生成红色沉淀。 3.醋酸存在下加入苯胺，显红色。
N H O S
H2 Pd H2 Pd H2 MoS2
N H O S
三、五元杂环化合物的鉴别
蒸气遇到盐酸浸渍过的松木片 显红色。
N H O S
蒸气遇到盐酸浸渍过的松木片 显绿色。
浓硫酸存在下，与靛红一起加 热，显示蓝色。
糠醛（呋喃甲醛）

无色液体，Tb=161.7℃，易被空气氧化，在水 中的溶解度9%。可通过戊糖脱水制得。
165OC 18atm 16h
5.吡啶环系的氧化和还原
+ CH3COOOH N N O
+ H2 N
N CH3
Pt CH3COOH
CH3 + KMnO4
N H
N
哌啶
COOH
HO
烟酸
COOH + O2
V2O5
异烟酸
N
N
吡啶衍生物
尼古丁
N N CH3
CONH2 N
HNO3 N
COOH
CONHNH2
COOH
HOOCCHCH2CH2CH2CONH NH2 N
S
头孢霉素
CH3 CH3 COOH
O
§11.4六元杂环—缺电子单杂环体系
吡啶环系的化学性质
1.吡啶环系的碱性 pKb = 8.1(强于苯胺)
CN + HCl N + N H + N SO3 CN Cl
+SO3 N
2.吡啶环系氮上发生的反应
N + NO2BF4 CH3
X
N
N
Mg+ OH Fe
X=CH3;叶绿素a =CHO;叶绿素b
N
CH3 H H
N
CH2 2CH2COOH CH2CH2COOH CH O CH2COOR COOCH3
S CH3 RCONH CH3 N COOH O 青霉素
可口服青霉素的R为：
Cl Cl
OCH3 CH
青霉素F： R=CH2CH=CHCH2CH3 青霉素G： R=CH2C6H5 青霉素X： R=CH2C6H4OH-p 青霉素F： R=CH2(CH2)5CH3 青霉素V： R=CH2OC6H5