有机化学第四版(曾绍琼主编)第十八章 杂环化合物

+ 2CH2=O
Cu2O2 C-CH2OH NH3 C-CH2OH 压 力 N H
（4）呋喃、噻吩、吡咯的实验室合成法
YULIN
NORMAL
P 2O 5
UNIVERSITY
R R
O R
R
O
O
R
P2 S 5 S R R'NH2 H
R
N R'
R
YULIN
NORMAL
4 5 S 1
UNIVERSITY
CH3CH2OH 1 × 10-18
Ka = 1.3 × 10-10
1× 10-15
故吡咯能与固体氢氧化钾加热成为钾盐，与格式试剂作 用放出RH而生成吡咯卤化镁。
N H
+ KOH 固体
热 N K + H2O
YULIN
N H
NORMAL
+ RMgX 干乙醚
UNIVERSITY
N MgX + R-H
吡咯钾盐和吡咯卤化镁都可用来合成吡咯衍生物。
其它衍生物参看P213~214。
化学性质：与吡咯相似。
1）极弱的碱性；
2）松木片反应：吲哚 + 松木片（盐酸润湿）
红色
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（3）亲电取代
NORMAL
Br N H NO2 N H SO3 + N H CHO
DMF, POCl3 , H 2O
UNIVERSITY
Br2 O O , 0℃ O
C6H5C-ONO2
2
N 4N9 8 H 3 (purine) 嘌呤
YULIN
NORMAL
UNIVERSITY
如杂环上不止一个杂原子时，则从O,S,N 顺序依次编号，编 号时杂原子的位次数字之和应最小：
4 5 1 噻唑
S
N
3 2
4 5
O
N 3
4 5
N H
N
3 2
2 1
1
噁唑
咪唑
五元杂环中含有两个杂原子的体系叫唑（azole）。
杂环大体可分为：单杂环和稠杂环两类。
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NORMAL
五元杂环 单杂环 六元杂环
UNIVERSITY
N H 吡咯 O 呋喃 S 噻吩
吡啶 N
分类
稠杂环 N N N H 嘌呤 N H 吲哚
N
N 喹啉
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二、命名：
NORMAL
UNIVERSITY
杂环的命名常用音译法，是按外文名称的音译，并加 口字旁，表示为环状化合物。如杂环上有取代基时，取代 基的位次从杂原子算起用1，2，3，4，5……（或可将杂原 子旁的碳原子依次编为 α ,β, γ, δ …） 来编号。
UNIVERSITY
NNa N
N Na
（3）互变异构
N N H N
NH
H3 C 4 5 N H 1
3 N 2
H3C 5 4 N 3
1 NH 2
YULIN
O O C2H5
NORMAL
N N
UNIVERSITY
（4）含咪唑环的生物碱和药物
HFra Baidu bibliotekN N N H
O OCH3
CH3 毛果芸香碱
多菌灵
六、吲哚
N H
CH3CN,0℃
N H
N SO3
NH
离子 交换拄
SO3H N H
N H
YULIN
NORMAL
2 1
NH
UNIVERSITY
3 4
N
七、卟啉化合物


N HN

8 7 卟吩 6
5
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含
NORMAL
UNIVERSITY
卟啉族化合物广泛分布与自然界。血红素，叶绿素都是 族环的卟啉族化合物。在血红素中环络合的是Fe离子， 叶绿素环络合的是Mg离子。血红素的功能是运载输送氧气, 叶绿素是植物光合作用的能源。
N H (pyrrole) 吡咯
O (furan) 呋喃
S (thiophene) 噻吩
N (pyridine) 吡啶
YULIN
N
NORMAL
5
UNIVERSITY
4 3 8 2
N
6 7
N
1
(pyrimidine) 嘧啶
4 5 6 3 1N 2
(quinoline) 喹啉
6 5
N7
N1 7 H (indole) 吲哚
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NORMAL
O O 30℃ O 内式 (90%) O O +
UNIVERSITY
O O O O 外式
（2）D-A反应
O +
O O
吡咯、噻吩要在特定条件下才能发生D-A反应。
(不 稳 定 分解)
S +
CCOOR CCOOR S
COOR COOR
COOR COOR
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NH +
NORMAL
YULIN
NORMAL
UNIVERSITY
说明：吡咯、呋喃、噻吩的亲电取代反应，对试剂及反应 条件必须有所选择和控制。
卤代反应 不需要催化剂，要在较低温度下进行。
硝化反应 不能用混酸硝化，一般是用乙酰基硝酸酯 (CH3COONO2)作硝化试剂，在低温下进行。
磺化反应 呋喃、吡咯不能用浓硫酸磺化，要用特殊
YULIN
NORMAL
UNIVERSITY
第二节 五元杂环化合物 含一个杂原子的典型五元杂环化合物是呋喃、噻吩
和吡咯。含两个杂原子的有噻唑、咪唑和吡唑。本节重
点讨论呋喃、噻吩和吡咯，简单介绍一下噻唑、咪唑和 吡唑。 一、呋喃、噻吩、吡咯杂环的结构 呋喃、噻吩、吡咯在结构上具有共同点，即构成环的五
个原子都为sp2杂化，故成环的五个原子处在同一平面，杂
YULIN
HO N H
NORMAL
CH2CH2NH2
UNIVERSITY
5 羟基色氨
动物激素，参与 神经思维的物质。
是哺乳动物及人脑中
思维活动的重要物质。
CH3O N H
CH2CH2NHAc 脑白金 Melatonine
YULIN
N H
NORMAL
CH2COOH
UNIVERSITY
β 吲哚乙酸
植物激素，少量能调节植物 生长，量大则杀伤植物。 如在侧链多一个 CH2 去生理效能。 就失
RCOCl
KOH （固体）
N N K COR RI N R
N H
COR
N H
热
N H
R
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NORMAL
RCOCl
UNIVERSITY
N COR N H COR
RMgX N H
干乙醚
N MgX
RI
N R
N H
R
三、糠醛（α - 呋喃甲醛） 1．制备 由农副产品如甘蔗渣、花生壳、高粱杆、棉子壳…… 用稀酸加热蒸煮制取。
检测：呋喃 + 松木片（HCl湿润）
（2）噻吩的物性 无色有特殊气味的液体。 b.p.84.16℃。
检测：噻吩 + 吲哚醌
H2SO4
蓝色反应
(3) 吡咯的物性 无色液体， b.p.130-131℃，有弱苯 胺的气味。
检测：吡咯 + 松木片（盐酸润湿）
红色反应
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2、光谱性质 （1）IR
NORMAL
YULIN
NORMAL
H2,CuO, Cr2O3 150 ℃, 10MPa
UNIVERSITY
（2）氧化还原反应
O
CH2OH COOH + CO2 + H2O
O
CHO
KMnO4 弱碱性 O V2O5 - MoO3 O2, 320 ℃, O O O
（3）歧化反应
O
CHO
浓碱 O
COOH
+ O
CH2OH
1964年，Woodward用55步合成了叶绿素。1965年接
着合成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。Woodward 20岁获博士学位，30岁当教授，
48岁时（1965年）获诺贝尔化学奖。 血红素和叶绿素的结构见P215、216。
HN
UNIVERSITY
（3）加卤素
（苯炔亲双烯性很强）
Br Br2 -50℃ Br H H O + O H H Br
O
Br
Cl2 S
Cl Cl S
Cl Cl
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CHCl3
NORMAL
CCl2 N H N H
UNIVERSITY
H2O N H
吡咯的插烯反应：
N H
OH
CHCl2
CH=O
5、吡咯的弱碱性和弱酸性
为青霉素 G 为青霉素 V 常用青霉素
R = CH CH CH2 S CH3 为青霉素 O
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2、咪唑
NORMAL
4 5 N H 1 N 3 2
UNIVERSITY
（1）弱碱性
N N H
HCl N H
NHCl N H
NH Cl
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(2)、弱酸性
NORMAL
N NaNH 2 N H N
YULIN
0 0 0 0 0 0
NORMAL
- 0.02 - 0.03
UNIVERSITY
- 0.04 - 0.06 - 0.06 - 0.10 + 0.32
O
+ 0.1
S
+ 0.20
N H
五元杂环有芳香性，但其芳香性不如苯环，因环上的π
电子云密度比苯环大，且分布不匀，它们在亲电取代反应中 的速率也比苯要快得多。 亲电取代反应的活性为： 吡咯 > 呋喃 > 噻吩 > 苯，主要 进入α -位。
的磺化试剂--吡啶三氧化硫的络合物，噻吩可直接用浓硫 酸磺化。 反应表解：参看P206~207。
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4、加成反应 （1）加氢
NORMAL
UNIVERSITY
H2, Ni or Pd O H2, Ni or Pd N H H2, Ni S O
四氢呋喃 ( THF )
四氢吡咯 N H 不能用 Pd 催化 S 因噻吩能使Pd中毒
YULIN
学习要求：
NORMAL
UNIVERSITY
第十八章 杂环化合物
1．掌握各类常见杂环化合物的结构和命名。 2．掌握呋喃、噻吩、吡咯、吡啶、吲哚、喹啉的化学性质。
3．认识核酸组成中的重要碱基——嘧啶、嘌呤；了解叶绿 素、血红素等卟啉环化合物；了解生物碱的有关知识。
主要讨论：五元杂环和六元杂环的结构和性质。 第一节 杂环化合物的分类和命名 一、分类
吡咯虽然是一个仲胺，但碱性很弱。
NH2 N H Kb 3.8 × 10-10 2.5 × 10-14 N H 2 × 10-4 原因： 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。
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NORMAL
OH N H
UNIVERSITY
吡咯具有弱酸性，其酸性介与乙醇和苯酚之间。
五、噻唑和咪唑 1、噻唑
N3 2
含噻唑环的药物：VB1、青霉素G：
NNH3Cl Cl N H3 C N VB1 N S
CH3 OH
YULIN
HOOC H 3C N H 3C S
NORMAL
O N H O Ph
UNIVERSITY
N C O CHNHC R S O
HOOC CH3 CH3
青霉素G
R = CH2 R = CH2 O
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环上的C—H ：3077~3003 cm-1 ;
吡咯N—H：3500~3200cm-1 ；
环骨架伸缩振动：1600~1300cm-1 。 （2）NMR 3、亲电取代反应 从结构上分析，五元杂环为共轭体系，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： α H：6.68；β H：6.22；N—H： ~8.0
NORMAL
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四、呋喃、噻吩、吡咯的制法 1、呋喃的制法
ZnO-Cr2O3 O + H2O CH=O
-MnO2
400~500℃
O
+ CO2 + H2
（2）噻吩的制备
YULIN
NORMAL
+ S
UNIVERSITY
650℃ S
or:
+ SO2 650℃ S
(3)吡咯的制备
CH CH
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NORMAL
UNIVERSITY
N Fe N
N N COOH
COOH
血红素
YULIN
NORMAL
UNIVERSITY
血红素的立体构型
YULIN
NORMAL
R'
UNIVERSITY
叶 绿 素 a： R'=CH3 ; 叶 绿 素 b： R'= -CHO R= H3C H3C O CH3 2CH3
YULIN
NORMAL
UNIVERSITY
CH=CHCHO
（4）羟醛缩合反应
O
CHO + CH3CHO
稀NaOH O
（5）安息香缩合反应
KCN-醇
溶液
O O OH
糠偶姻
O
CHO
或 VB1
O
H2,Ni,
（6）合成四氢呋喃
Ni,280℃
125℃
O
CH=O
(催 化 脱 羰 基 )
O
10MPa
O
YULIN
YULIN
NORMAL
UNIVERSITY
吲哚是白色结晶，熔点52.5℃。极稀溶液有香味，可用 作香料，浓的吲哚溶液有粪臭味。素馨花、柑桔花中含有吲
哚。吲哚环的衍生物广泛存在于动植物体内，与人类的生命、
生活有密切的关系。
N H
CH2 CH COOH NH2 分解 N H
色氨酸 构成蛋白质的重要成分 CH3 β 甲基吲哚（粪臭素） 很稀时有茉莉香味
YULIN
NORMAL
水蒸气
UNIVERSITY
稀 H2SO4 O CHO
3~5%H2SO4 (C5H8O4)n
多聚戊糖
HO CH CH OH CH2 CH CHO OH OH 戊糖
呋喃甲醛
2．糠醛的性质和用途
与没有α -H的醛的一般性质相同。
（1）糠醛是良好的溶剂
精制石油的溶剂；
精制松香，脱除色素；溶解硝化纤维。
原子上的孤对电子参与共轭形成共轭体系，其π 电子数符合 休克尔规则（π 电子数 = 4n+2），所以，它们都具有芳香
性。
YULIN
NORMAL
S
UNIVERSITY
O
N H
O
S
H
N
它们均为5个原子6个电子的环状大π 键。属富电 子的环状大π 键。
YULIN
NORMAL
UNIVERSITY
二、呋喃、噻吩、吡咯的性质 1、物性和化学检测法 （1）呋喃的物性 味。 无色液状，b.p.31.36℃ ；氯仿样气 变为绿色