有机化学杂环化合物

NO2 O
磺化： N H O S
+_ N SO3
+_ N SO3
+_ N SO3
N SO3H H O SO3H S SO3H
酰化：
+ (CH3CO)2O 150 ～ 200℃
COCH3
N
N
H
H
O
+ (CH3CO)2O
BF3 －10 ℃
COCH3 O
S
+ (C H 3C O )2O H 3PO 4
结构特点：杂原子的共轭效应和诱导效应都是吸电子的； 未成键电子对在sp2杂化轨道上，不参与共轭。
五元环的结构
下列化合物哪些具有芳香性
1 N
S
2 CH3 N
N CH3
3 NN
4N
H3C O CH3
NN
H
３ 吡啶的化学性质
反应特点：碱性较强；环不易发生亲电取代反应但易发 生亲核取代反应；发生亲电取代反应时，环上N起间位定 位基的作用。
4 N3
5
N2
O
1
1,2,3-噁二唑 1,2,3-oxadiazole
N
CH3
N H
4-甲基咪唑 4-methylimidazole
有些稠杂环化合物的原子编号是固定的。
5 6
7 8
4 3
N2
1
异喹啉 isoquinoline
6
1N
2
N
3
5 N7
8
4 N9 H
(3) 取代基与母体
嘌呤 purine
N H
Br N H
Vilsmeier甲酰化反应：
O
HC N(CH3)2
N
POCl3
H
CHO N H
２ 喹啉
(1) 结构和性质
5 6
4 3
7 8
2
N
1
0.988 0.932
1.003
1.008
0.984 1.013
0.896
N
1.216
喹啉的亲电取代反应发生在电子云密度较大的苯环上， 取代基主要进入5或8位。
RNH2 > NH3 >
>
N
NH2
>N H
>
>
N
N NO2 O2N N NO2
+ HCl N
N + Cl－ H
下列化合物哪个可与酸反应，哪个可与碱反应，哪个与酸碱都能反应
1
NN CH3
3 HO
2
NH2
N
N
N
N H
4
O
N
N CH3
H
H
与叔胺相似，可与卤烷结合生成相当于季铵盐的产物。
+ CH3I N
Δ
CHO O
(2) 主要性质
KMnO4 , OH－
CHO
COOH
O
O
CuO , Cr2O3
O CHO 150℃, 10M Pa
CH2OH O
浓 NaOH
CHO
CH2OH +
COOH
O
O
O
O2
CHO
O
V2O5 , Mo2O3
CO O + CO2
CO
(3) 应用 良好的溶剂； 许多药物和工业产品的原料。
CH2OH
+ CHOH 浓 H2SO4
NH2
硝基苯，Δ
CH2OH
N
反应的过程为：
CH2OH CHOH
浓 H2SO4
CHO CH + 2H2O
CH2OH
CH2
OH
CHO
1,4- 加成
+ CH
NH2 CH2Leabharlann N HC6H5NO2N
N
H
浓 H2SO4
选择不同的苯胺衍生物为原料，可以合成不同的喹啉 衍生物。
CO
COOCH3 O
OCH2CH CCH2(CH2CH2CHCH2)2CH2CH2CH(CH3)2
CH3
CH3
H2NOCH2CH2C H2NOCH2C H3C
CH3 CH3 CH3 CH2CONH2 CH2CH2CONH2
NC NN
Co+
H2NOCH2C HNOCH2CH2C
NN CH3
CH3
CH3 CH3 CH2CH2CONH2
亲核取代主要发生在吡啶环的2或4位。
亲电取代：
NO2
HNO3 , H2SO4
+
N
N
N
NO2
Br
Br2
+
N
N
N
Br
亲核取代：
N 氧化反应：
N 还原反应：
N
KNH2 100 ℃ KMnO4 , H+
Na , C2H5OH
N NH2 COOH N COOH
N H
(2) 合成 喹啉及其衍生物的合成，常用Skraup法。 原料：苯胺和甘油；脱水剂：浓硫酸；氧化剂：硝基苯。 实际操作为一次投料，但反应是分步进行的。
N
Δ
COOH N
用过氧化氢氧化，可得N-氧化吡啶，N-氧化吡啶较 易发生亲电取代，取代基主要进入对位。
NO2
H2O2
HNO3 , H2SO4
CH3COOH
90℃
N
N
N
O
O
NO2
PCl3
Δ
+ POCl3
N
吡啶比苯易还原。
Na , C2H5OH
or H2 , Ni
N
N
H
(4) 弱碱性 碱性强弱的顺序：
N
CH3COONO2
(CH3CO)2O , －10℃ N
NO2
H
H
S
CH3COONO2 (CH3CO)2O , －10℃
S
NO2
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。
CH3COONO 2
H
O －30 ～ －5 ℃ O NO2 +
H
H 吡啶
CH3COO O NO2
课程名称： 有机化学(Organic Chemistry) 第十五章 杂环化合物 任课教师： 张金梅
教学目标
杂环化合物的分类和命名； 五元、六元杂环化合物的结构和芳香性及化学性质； 了解生物碱、毒品的种类与危害。
教学重点
杂环化合物的命名原则； 呋喃、吡咯、噻吩、吡啶。
教学难点
杂环化合物的命名原则； 五元、六元杂环化合物的结构与芳香性。
吸电子诱导-I：O(3.5) > N(3.0) > S(2.6)， 供电子共轭+C：N > O > S， 综合：贡献电子N最多，O其次，S最少。 亲电取代反应的活性为：吡咯>呋喃>噻吩>苯； 取代反应主要发生在α-位上。
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；
呋喃
150.3 117
87.8 66.9
具有共轭二烯烃结构，呋喃可以进行双烯合成反应。
２ 呋喃、吡咯、噻吩的性质
(1) 主要物理性质和鉴别 呋喃：与盐酸浸过的松木片反应，显绿色。 吡咯：与盐酸浸过的松木片反应，显红色。 噻吩：在硫酸存在下和吲哚醌作用，显蓝色。
O NO H
吲哚醌
(3) 亲电取代反应 π电子云密度比苯环大。
+ SO3 N
N+ I－
CH3
290～ 300℃
CH3
N + I－+
H
N+ SO－3
CH3
N+ I－ H
４ 吡啶的衍生物
COOH
CO NHNH2
130℃
+ NH2NH2·H2O N
γ-吡啶甲酸
N
异烟肼
维生素B6 ： HO
CH2OH (or CHO or CH2NH2) CH2OH
CH3 N
60完
N
NH2 N
HO N
胸腺嘧啶
HO
N
胞嘧啶
5 6
7 8
4 3
2
N
1
4 5
6 7
3
N H
1
2
喹啉 quinoline
吲哚 indole
6
1N
5
7
N
2
8
N 4 N9
3H
嘌呤 purine
１ 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。
CH2CHCOOH 分解
N
NH2
H
CH3 N H
sp2杂化
六元环结构
结构特点： ①杂原子共轭效应是供电子的，诱导效应是吸电子的。
②杂原子是sp2杂化，未成键电子对在2p轨道上，参 与共轭。
由于6个π电子分布于5个原子上，整个环的π电子几 率密度比苯大，是富电子芳环，因而比苯环活泼，亲 电取代反应比苯快得多。
芳香性顺序： 噻吩 > 吡咯 > 呋喃 电负性： S 2.6 N 3.0 O 3.5 离域能/kJ·mol-1： 苯 噻吩 吡咯
５ 卟啉化合物
2
α
3
1
4
NH
N
δ
β
N
HN
8
5
7
γ
6
卟吩 prophine
CH CH2
CH3
CH3
N
N
Fe
CH3
N
N
CH CH2 CH3
CH2CH2COOH CH2CH2COOH
血红素
CH CH2
R
CH3
N
N
Mg
N
N
CH3
CH2CH3
CH3
叶绿素a R=CH3 叶绿素b R=CHO
CH2 CH2
５ 嘧啶及其衍生物
嘧啶是1,3-位各为一个氮原子的六元杂环化合物。
N N 嘧啶的碱性比吡啶弱得多，亲电取代反应也比吡啶 更难，原因是氮原子的吸电子作用。
嘧啶本身不存在于自然界，但它的衍生物在自然界分 布很广，脲嘧啶、胞嘧啶、胸腺嘧啶是遗传物质核酸的 重要组成部分。
OH
N
HO
N
脲嘧啶
OH CH3
N H
吲哚 indole
N
N
NN H
嘌呤 purine
+
O
Cl－
苯并吡喃盐 benzopyran
２ 命名
(1) 杂环母核 音译法：按照IUPAC推荐的普通名称，用2~3个汉字音 译，使用带口字旁的同音汉字。
系统命名法：根据相应的碳环命名。
O
呋喃
氧杂-2,4-环戊二烯 （茂） oxacyclopent-2,4-diene
Δ + KOH（固） N H
－ + H2O N K+
+ RMgBr N H
+ RH N MgBr
60转吡啶
３ 糠醛及其衍生物
(1) 制法
聚戊糖 H2O , H2SO4 n 戊糖( CH2
CH
CH
CH
CHO )
Δ
OH OH OH OH
HO CH CH OH
H CH C H CHO
OH OH
H2SO4
NO2
N
300℃
N
用箭头表示下列化合物起反应时的位置
1溴 化 S
2 硝化 COOH
S
3 硝化 O2N S CH3
4 溴化 NO2
S
5 硝化 CH3
S
6 碘化
NN CH3
(2) 氧化和还原 吡啶环对氧化剂稳定，比苯环难氧化。
KMnO4 , H+
COOH
Δ N
N COOH
CH3 KMnO 4 , H+
吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感； 由于这些五元杂环容易被破坏，稳定性差，因而对试 剂及反应条件应有所控制。
卤代：
N H O S
Br2 0℃
Br2 0℃
Br
Br
Br
Br
N
H
Br O
Br2 25℃
Br S
硝化： 由于环的稳定性差，在强酸或强氧化剂的作用下环
被破坏，不能用混酸硝化。因此，应在较低的温度下， 使用温和的硝化剂乙酰硝酸酯。
常见的杂原子：O、N、S。 非芳香杂环：
O
O
O
N H
芳香杂环：
O
S
N
１ 分类
单杂环：
N
O
呋喃 furan
N
S
噻唑 thiazole
N H
咪唑
imidazole
N H
吡咯 pyrrole
N
吡啶 pyridine
S
噻吩 thiophene
N
N
嘧啶 pyrimidine
稠杂环：
N
喹啉 quinoline
CH2OH
+ CHOH NH2
浓 H2SO4
硝基苯，Δ
OH
CH2OH
N OH
CH2OH
浓 H2SO4
+ CHOH
NH2 CH2OH 硝基苯，Δ
N
用不同的α,β-不饱和醛、酮代替甘油，也能合成不同的 喹啉衍生物，这一反应称为Doebner-Miller反应。
CHO
+ CH NH2
CH
浓 H2SO4
当环上连有烷基、硝基、卤素、羟基、氨基等基团时，以
杂环为母体；当环上连有羰基、羧基、磺酸基时，杂环做
取代基。
命名或写出结构式
１N CH3
N-甲基吡咯
２
CH3
N H
３-甲基吡咯
３
CHO
O
2-呋喃甲醛
４
COOH
N
３-吡啶甲酸
５ β-羟基吡啶
OH N
６ 2-噻吩磺酸 S SO3H
１ 呋喃、吡咯、噻吩的结构
S
COCH 3
(4) 加成反应 催化加氢：
O
N H
H2 , Ni
S
H2
Ni or Pd
O
H2
Ni or Pd
N
H
H2 , Ni
S
S
双烯合成：
呋喃与顺丁烯二酸酐很容易加成，噻吩较难，吡咯一 般不发生双烯合成。
CO
30 ℃
O+
O
CO
O
CO O
CO
(5) 吡咯的弱酸性和弱碱性
碱性：苯胺>吡咯
酸性：苯酚>吡咯>醇
维生素B12
CH3
O
N
CH3
O P O OH H
N
CH3
O
O
CH2OH H
六元杂环化合物中重要的有吡啶、嘧啶和吡喃等。
N
N
N
O
吡啶 pyridine
嘧啶 pyrimidine
吡喃 pyran
许多生物碱、维生素、辅酶Ⅰ及辅酶Ⅱ都含有吡啶环。
２ 吡啶的结构
0.87 1.01 0.84
N
1.43
sp2杂化
(2) 编号
含有一个杂原子的单杂环，让杂原子的位号尽可能小， 其次考虑取代基；编号也可使用希腊字母。