17 杂环化合物-五元杂环

哒嗪 pyridazine
嘧啶 pyrimidine
吡嗪 pyrazine
稠杂环：
O S N H
苯并呋喃 benzofuran
N N H
苯并噻吩 thionaphthene
N O
吲哚(苯并吡咯) indole
N S N N N H N
苯并咪唑 苯并 唑 benzomidazole benzoxazole
比苯容易进行亲电取代反应； 亲电取代反应首先发生在α位。
• 核磁共振信号大都出现在较低场(芳香性又一证据)
δ 6.24 δ 6.99 δ 6.22 δ 6.68 δ 6.43 δ 6.28
δ 7.29
δ 7.18
O
S
N H
呋喃、吡咯和噻吩的芳香性：比苯环差
呋喃、噻吩、吡咯及环戊二烯的键长/nm X－C1(单键) C2－C3 C3－C4
N H
四氢吡咯
使用特殊催化剂
S
• 噻吩能使常用氢化催化 剂中毒
• C-S键易还原脱硫
• 用Raney Ni催化氢化使噻酚还原脱硫
H2 R S R Raney Ni R R + N iS
O C R S C
O
H2 Raney N i
O C R C
O + R N iS
R
2. Diels-Alder反应（共轭二烯性质）
N H
sp2 –杂化
H
符合休克尔规则，具有芳香性。
呋喃
噻吩
杂原子以未共用电子对参与环的共轭，具有给电子 的共轭效应，使得环上电子云密度比苯环大，称其为富 电子芳杂环。
五元杂环化合物中各原子的电子云密度如下：
1.02 1.08 O 0.90 1.04 1.06 S 0.80 1.06 1.10 N 0.68 H
2. 磺化 吡咯、呋喃通常采用吡啶与SO3的加合物：
N + SO3 N· S O 3
噻吩可直接 用硫酸磺化
+ S
H 2 S O 4 (浓 ) 室 温
S
S O 3H
噻 吩 － 2－ 磺 酸 (~ 7 5 % )
煤焦油中提取的苯含0.5% 噻吩。这是制取无噻 吩苯的一种方法.
应用：除去苯或甲苯中的噻吩
N
苯并噻唑 benzothiazole
嘌呤 purine
喹啉 quinoline
N
N
异喹啉 isoquinoline
吖啶 acridine
杂环化合物的命名 杂环化合物的命名一般采用音译的方法，即根据其 英文读音，用同音汉字左边加上“口”字旁表示。
杂环的编号 一般从杂原子开始；当环上有两个或两个以上的杂 原子时，应使杂原子的编号尽可能小；对于不同的杂 原子，按O→S→N的顺序编号。
第17章 杂环化合物
杂环化合物：
构成环的原子除碳原子外还有其它原子的一类环 状化合物 ，常见的杂原子是O,N,S。
O N H
N
四氢呋喃
O NH NH2 O N H H S
哌啶
吡啶
CH CH2 CH3 CH N Fe N N CH3 C H 2C H 2C O O H N CH2
· H 2O CH3 COOH
芳香性：苯 > 噻吩 > 吡咯 > 呋喃
17.2.2 五元杂环化合物的化学性质
A. 亲电取代反应
X
X = N H ,O ,S
N H
杂原子的＋C 效应，增加了杂环的 亲电取代反应的活性。 亲电取代反应活性顺序：
> O > S >
它们在亲电取代反应中，使用温和的试剂： 1. 硝化
一般采用硝酸乙酰酯 CH3COONO2作硝化剂
吗啡碱
H e r o in
O R 'O H H NCH3
R ,R ' = H 3 C
C
海洛因
R = C H 3, R ' = H C o d e in e
可待因
17.1 杂环化合物的分类、命名
芳香性杂环 非芳香性杂环:
O
杂环
非芳香性杂环
O O
四氢呋喃 1,4–二氧六环
N H N N
四氢吡咯
六氢吡啶
吡咯、呋喃、噻吩亲电取代反应的定位规律：
4 5 Y 1 3G 2
Y=O, S, N G＝邻、对位定位基, 第二个基团进入与G相邻的α位， 即C-2位。
G＝间位定位基,
第二个基团进入与G间位的α位， 即C-5位。
COOH S
3 -噻 吩 甲 酸
+ B r2
25 ℃ Br S
COOH
5 -溴 - 3 -噻 吩 甲 酸
H 2S O 4 S r. t.
&
反应快
S
S O 3H
溶解于硫酸中
3. 卤化
采用溶剂稀释、低温
O
O
+ B r2
O 0℃
α –溴 代 呋 喃 (9 0 % )
O
Br
S
+ B r2
A cO H 室温
Br S α –溴 代 噻 吩
4. Friedel–Crafts酰基化
催化剂： SnCl4, BF3等(催化活性较弱）
C. 吡咯的酸碱性

吡咯N的碱性很弱(pKb=13.6)
原因：吡咯氮原子上的未共用电子对参与整个环上 的共轭体系，从而使氮原子上的电子云密度降低， 给电子能力减弱。

吡咯N-H的弱酸性
R N R H N H R O H Ph O H
pKa
~ 35
~15.0
~17
~10
• 吡咯钾盐的生成
K + N H N K H2
5–甲基噻唑
6–甲氧基苯并 唑
稠杂环化合物的编号一般有固定的编号顺序。如：
• 对于含一个杂原子的杂环也可把靠近杂原子的位置叫 做α位，其次为β和γ位。
γ β ＇ β
α ＇ N α
17.2 五元单杂环化合物
呋喃、噻吩和吡咯 17.2.1 结构和芳香性
N H
H H
参与大π键生成 H 的p轨道中的电子
X
X = O ,S , N H ,C H 2
呋喃 0.1362(0.143) 噻吩 0.1714(0.182) 吡咯 0.1370(0.147) 环戊二烯 0.1502
C C C C
0.1361 0.1370 0.1382 0.1341
0.1430 0.1423 0.1417 0.1455
键长/nm 0.154 0.134
H 3C
头孢氨苄(先锋霉素IV)
H 3C H O O C C H 2C H 2
血红素(heme)
自然界中的杂环化合物
R = CH3 R N Mg N N O O O N O R= CHO CH3 O Chloropgyll a Chloropgyll b
RO
R ,R ' = H O
M o r p h in e b a s e
基本要求： 1. 掌握五元杂环化合物（呋喃、吡咯、噻吩、糠醛） 的命名、结构和芳香性； 掌握五元杂环化合物的典型 反应（重点）； 2. 掌握六元杂环化合物（吡啶、嘧啶）的命名、结构 和芳香性；掌握六元杂环化合物的典型反应（碱性； 亲电取代反应；还原反应；烷基吡啶侧链上的反应） （重点，难点）。 3. 掌握稠杂环化合物（吲哚、喹啉、异喹啉）的命名、 结构和芳香性；掌握稠杂环化合物的典型反应（碱性； 亲电取代反应；亲核取代反应；还原反应；氧化反应） （重点，难点）。 7. 掌握喹啉的合成方法。

吡咯负离子的一些典型反应
-呋喃甲醛（糠醛）:
不含α–H的醛，化学性质与苯 甲醛相似。
17.3 五元双杂单环化合物
噁唑
噻唑
咪唑
酸性比吡咯强 碱性比吡咯强 为弱碱 新增加的N原子上的孤对电子不参加共轭。 未共用电子对不参与共轭
亲电反应活泼性比吡咯弱 （ 环上引入了吸电子能 力强的N原子），反应发生在4-位）。
H
奎宁环 (1–氮杂二环[2.2.2]辛烷)
芳杂环化合物 :
五元杂环：
O S
呋喃 furan
N Nቤተ መጻሕፍቲ ባይዱH N H
噻吩 thiophene
N
吡咯 pyrrole
N O S N
N H
吡唑 pyrazole
咪唑 imidazole
唑 oxazole
噻唑 thiazole
N N
六元杂环：
N N N N N
吡啶 pyridine
4 5 O 1
3 2 G
无论G是什么基团， 第二个基团均进入C-5位。
4 5 Y 1
3 2 G
Y=S, N
G＝邻、对位定位基,
第二个基团进入C-5位。 G＝间位定位基, 第二个基团进入C-4位。
B. 加成反应
1.催化加氢
H2 / Pd O
THF（常用溶剂）
O H2 / Pd
N H H2 / M oS2 S