第十六章杂环化合物详解演示文稿

ZX
Z
= Z ( NH、O、S )
CH3CO O。NO2 -5 ~ -30 C N+ SO3-
C l C H2C H2C l
(CH3CO )2O S n C l4
Z NO2
H+ N
HCl
Z SO3
Z SO3H
( Z = NH、O ) 噻吩可直接用 H2SO4 磺化。
Z COCH3
五元杂环化合物进行亲电取代反应的特点是：使用较
Li
NaNH2
H2O
N
N ( - H2 )
N NHNa
N NH2
N OCH3
CH3O Na NaOH ,
NH3 , ZnCl2
N Cl
220℃
Br Br
N
NH3 , H2O 160℃
NH2 Br
N
N NH2
4. 氧化还原反应
（1）吡啶环对氧化剂稳定（对氧化作用比苯 环更稳定）
CH3
HNO3
N
COOH N
为温和的试剂或反应条件。
五元杂环化合物亲电取代反应发生在α-位可用共振
论解释：
+
E ZH
E +Z H
正电荷可在三个原子上离域
+ E+ Z
= Z ( NH、O、S )
E
E
H
H
+
Z
Z
+
正电荷只能在两个原子上离域
*亲电取代反应的活性顺序：
吡咯 > 呋喃 > 噻吩 > 苯
II
I2 + NaOH I N I
+
N
Br+
Br
Br2 / CCl4
+
N
I
C H3I
N
CH3
+
N
Cl
Ph C O C l 石油醚
PhCO
HCl
NO2+BF4 Et 2O
SO3 C H2C l2
+
N
Cl
H
+
N
BF4
NO2
+
N SO3
2. 吡啶环上的亲电取代反应
如前所述，吡啶的亲电取代反应困难，需在较强
的条件下方可发生，且发生在β-位。
当环上有不同杂原子时，按O→S→N的次序编号。若
环上连有不同的取代基，其编号按次序规则和最低系列。
如：
N3
12
N H imidazole 咪唑
N3
12
O
oxazole 噁唑
N3
12
S
thiazole 噻唑
N3
1
N
2
pyrimidine 嘧啶
N3
5
CH3
1
N
2
H
5 - 甲基咪唑
O2N 4
N3
12
O
4 - 硝基噁唑
杂环化合物分子中的键长只是有一定程度的平均化。因此
五元杂环化合物的芳香性比苯差。其芳香性次序是：
S
N
H
离域能： 150.5
117
88
O 67 kj / mol
(2) 五元杂环化合物是富电子体系，而苯环为等电子 体系，故环上的电子云密度比苯高，其亲电取代反应比苯 容易，尤其易发生在α- 位。杂原子的存在相当于在环上 引入了― NH2、―OH、 ―SH 等活化基团而使环活化， 故进行亲电取代反应的活泼顺序是：
第十六章杂环化合物详解演示 文稿
优选第十六章杂环化合物
位的碳原子也可依次用α、β、γ…编号。
21
CH3 α N H
2 - 甲基吡咯 α - 甲基吡咯
α
O CHO
2 - 呋喃甲醛 α - 呋喃甲醛
COOH
β
S 3 - 噻吩甲酸 β - 噻吩甲酸
β COOH
α
N COOH 2, 3 - 吡啶二甲酸 α , β - 吡啶二甲酸
γ
δ
δ
δβ
δ Nδ α
δ
比苯差，且亲电取代反应发生在电子云密度较高的β-位。 这一特性很类似于硝基苯。
综上所述，五元、六元杂环化合物虽然都具有芳香性，
但其环上的电子云的密度是不同的，其电子云密度由高到 低的顺序是：
S
N
O
N
H
第二节 五元杂环化合物的化学性质
一、亲电取代反应
X2/ 低温 X2=Cl2、 Br2
N
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
O
S
H
2. 六元杂环化合物
0.140
4
吡啶环的键长也发生了较大程度
3
0.139
N2
0.147 单
0.134 0.128 双
的平均化，C ―C键虽与苯相似，但 C ―N键变化很大，因此，其芳香性
也比苯差。 吡啶和苯虽然都属等电子体系，但因
氮原子的电负性较大，从而使环上的电子 云密度降低 ，故其亲电取代反应性能不但
( 卤代 )
N H
N2+C l
H
N N=N
(偶合)
H
E ZH
+
（2）加成反应（催化加氢、狄—阿反应） 共轭二烯性：呋喃 > 吡咯 > 噻吩
H2 / Ni
O
THF
O
O
+
Br2
CH3COOK CH3OH
H
H CH3OH
H
H
Br O Br
CH3O O OCH3
O+
= =
=
O O 30℃
O
O
O
=O
HHO
（3）吡咯的弱碱性和弱酸性 弱碱性：由于N上未共用电子参与环的共轭，碱性极弱，
弱于苯胺
..
N
1.81D
H
+KOH（固）
N- + H2 O +
K
..
N H
+K+NH2- 液 NH3
N
+ NH3
+
K
+RMgX
N + RH
MgX
第三节 六元杂环化合物的化学性质 一、吡啶的化学性质
亲核试剂进攻部位
γ
δ
δβ
δ Nα
亲电试剂进攻部位
碱性与成盐
1. 碱性与成盐：
CH3NH2
NH3
N
pkb 3.36
Br2
300℃
Br N
HNO3, H2SO4
NO2
N
300℃
N
H2SO4, HgSO4 220℃
SO3H N
显然，当吡啶环上连有供电子基团时，将有利于亲电 取代反应的发生；反之，就更加难以进行亲电取代反应。
3. 吡啶环上的亲核取代反应 吡啶环的亲核取代反应主要发生在α-位和γ-位，被 取代的可以是氢原子，也可以是易于离去的基团。如：
4.75
8.8
NH2 9.3
N
N
sp3 H sp2
CH3 C≡N
sp
吡啶环上有供电子基时将使碱性增强。如：
a.
+
N H
b.
c.
+
N CH3 H
CH3
+
N H
CH3
d.
+
N H
pka
5.17
5.79
5.68
6.02
酸 性： a ＞ c ＞ b ＞ d
碱 性： d ＞ b ＞ c ＞ a
吡啶既然是一个碱，遇酸便形成稳定的盐。 如果用非质子的硝化试剂、磺化试剂，或用卤素、卤 代烷、酰氯与吡啶环进行反应，也将形成相应的吡啶盐：
1. 五元杂环化合物
4
3
2
Z
呋喃 吡咯
ZC 0.136(0.143) 0.1370(0.147)
C2 C3 0.1361 0.1383
C3 C4 0.1430 0.1417
Z = O、NH、S
噻吩 0.1714(0.182) 0.1370
0.1423
C =C
0.134
CC 0.154
(1) 由此可见，苯分子中的键长完全平均化，而五元
CH34 N3
5 12
HOCH2CH2 S
4 - 甲基 - 5 - ( 2' -羟乙基 ) 噻唑
O 苯并呋喃
N S 苯并噻唑
三、 结构与芳香性
1、杂环化合物为什么具有芳香性？
C
C
C
C
N
C
NH
C
O
O
H
C
π
6 5
C
未参与共轭
富电子体系
C C
C N
π6 6
等电子体系
N
CC
未参与共轭
2、具有芳香性的杂环与苯环的异同点