杂环化学
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Cite as reviewing materials for Heterocyclic Chemistry , by Lesite Tien, May 2012.WIT
二 习题解答参考 1. 什么因素使吡啶 较苯更易进行亲电取代反应？ 解析：吡啶 N 原子有较强吸电子性使电子云偏向 N，环碳上电子云密度相对减弱，因而比 苯更难进行亲电反应。 2. 写出 2－羟基吡啶，3－羟基吡啶及 2－氨基吡啶 的主要互变异构体的形式。 解析：
注：含活泼氢：含活泼氢的杂环及其衍生物，可能存在互变异构体，结构不同，名称也不 同，命名时需要标明两种可能的位号。 如：
2
Cite as reviewing materials for Heterocyclic Chemistry , by Lesite Tien, May 2012.WIT 4) 应用举例
互变异构化：
6
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质子化：
烷基化与酰基化：
氨基重氮化：
羟基吡啶：三种异构体，其中 α 与 ϒ 异构体以酮式存在，β 异构体以羟基形式存在; 亲电取代（O 的邻位和对位 C 上）; 羟基化与 Mannich 反应； 去质子化与成盐。
14. 写出由 2－吡喃酮与甲胺反应转化为 1－甲基－2－吡啶酮的机理。 解析： 17
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2) 吡喃酮与百度文库并吡喃酮 a. 吡喃酮
无芳香性，因共轭效应使其具有一些不同于羰基的性质，不能反应成肟； 与亲电试剂反应得取代产物（较少发生，硝化）或加成产物； 与亲核试剂反应，γ 吡喃酮原则上可在 C-2,C-4,C-6 进行加成 α 吡喃酮可与亲双烯体发生 D-A 反应，同时其兼有酯的部分性质。 b. 苯并吡喃酮 与亲电试剂反应时，加成多数发生在羰基氧上（烷基化，质子化），取代反应（如硝化， 磺化）多发生在苯环上； 苯并 γ 吡喃酮可发生 Mannich 反应生成 β 位的叔氨取代的甲烷基化产物； 邻位的苯并 β 吡喃酮可看成双键与酯基（吸电子基）相连，可发生麦克尔加成反应或与二 烯体发生 D-A 反应。 3) 相关合成
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2. O－杂环化合物
1) 吡喃蓊与苯并吡喃蓊 a. 吡喃蓊
正离子，有较弱的芳香性; α 与 γ 位带有较多的正电荷，易受亲核试剂进攻（α 位）得开环的二氢吡喃，随后关环得 苯型芳香体系产物或吡啶;不发生亲电取代反应。 b. 苯并吡喃蓊 正离子，不发生亲电反应； 易受亲核试剂（水，醇，胺，氨，C-）进攻（反应在 α 位上进行，若 α 位上有取代基，则 在碱性条件下易开环）; 加氢反应通常在吡喃环上进行，可选择性还原。
Combes 合成
Knorr 合成
Bischler-Napieralski 合成 Pictet-Gams 合成
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b. 相关衍生物 羟基取代，氨基取代的喹啉与异喹啉与对应取代的吡啶有类似的性质，此处略。
N-氧化吡啶
N
O 吡啶合成：通过 2+2+1+1，3+3,5+1 环合成的方法进行。
（工业合成法）
（ Hantzsch 反应法） b. 吡啶的衍生物及其性质
氨基吡啶：存在三种互变异构体; α 和 γ 异构体是单一碱性的,而 ß 异构体在强酸性溶液中生成双正离子； 亲核试剂，可得烷基化（环氮）与酰基化（侧氮）产物; 氨基上的重氮化反应。
化学性质：N 上有孤对电子，为良好的亲核试剂，能与卤代烷，酰卤等反应成盐； 环上电子云分配不均，可进行亲电（β 位）或亲核（α 位）取代反应; 氧化和还原反应。
4
Cite as reviewing materials for Heterocyclic Chemistry , by Lesite Tien, May 2012.WIT 亲核反应举例:
8. 喹啉与异喹啉硝化发生在什么位置？为什么？ 解析：N 原子的存在使吡啶环上电子云密度降低，而硝化反应属于亲电反应，苯环上电子 云密度相对较高因而硝化发生在苯环上，同时 N 原子的存在使得吡啶环为缺电子体，因而 整体上具有吸电子效应，C-5 和 C-8 位电子云密度相对较高，故喹啉硝化发生在 C-5 的 C－ 8 位，异喹啉中 N 原子的吸电子效应导致 C-8 上电子云密度相对于 C-5 位低，故主要以 C-5 位取代产物为主。
相同：从含 H 或取代基的杂原子开始编号，并使另一个杂原子的编号尽可能的小。 不同：按 O—S—NH—N 的顺序编号。 2) 常用母体及编号
1
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亲电取代反应举例：
亲核取代反应举例： 当 α 或 ϒ 位有其它离去基团时，亲核取代反应易发生。 氧化与还原反应举例：
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H2O2 HOAc N
4. 吡啶 N-氧化物进行亲电取代反应和 C-4 卤代吡啶进行亲电取代（取代卤素）反应都比吡啶 快，为什么？
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Cite as reviewing materials for Heterocyclic Chemistry , by Lesite Tien, May 2012.WIT 解析：吡啶 N－氧化物中 O 的供电了性使环上电子云密度增加，因而进行亲核反应活性增 加；γ－溴代吡啶中由于 N 的吸电子诱导效应使 γ 位 C 上电子云密度降低，该处易被亲核 试剂进攻，而溴本身又是一个很好的离去基团，故进行亲核反应活性比吡啶高。 5. 4－吡啶 酮如何完全成 1－乙基－4－吡啶酮？ 解析：
互变异构： 7
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羟基化与 Mannich 反应：
烷基吡啶：α 和 ϒ 位的烷基去质子化容易，β 难。
N 氧化吡啶：多个共振结构； Α 与 ϒ 位既可以进行亲电反应也可以进么亲核反应;
9. 为什么喹啉与异喹啉容易与亲核试剂反应？反应在什么位置？ 解析：如上题所述,因 N 的吸电子性使得杂环上电子云密度减弱，因而容易受到亲核试剂 进攻，喹啉的亲核反应发生在 2 位和 4 位，异喹啉发生在 3 位。
10. 如何从苯胺来制备 2－乙基－3－甲基喹啉－4－羧酸？ 解析：
11. 完成下列反应。
喹啉与异喹啉兼有吡啶（杂环部分）与萘（碳环部分）的部分性质，杂环部分可进行亲电 取代（β），亲核取代（α 位或 ϒ 位，对应有离去基时更易进行），氧化反应（与 KMnO4）,还原反应（可实现吡啶环上先择性还原）以及 N 上的质子化，烷基化与酰基化
9
Cite as reviewing materials for Heterocyclic Chemistry , by Lesite Tien, May 2012.WIT 得加成产物。苯环部分可发生亲电取代反应（活性较高，喹啉主要在 5 位和 8 位，异喹啉 在 5 位），亲核取代不明显。合成可用如下方法： Skraup 合成
二 习题解答参考
3
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一 主要内容 1. N-杂环化合物
第二章 六元杂环化合物
1) 吡啶类杂环化合物 a. 吡啶的性质及其合成
物理性质：极性，能与水任意比混溶； 碱性，可作催化剂与除酸剂等。
共振结构式： 亲电反应：
8
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亲核反应：
吡啶羧酸：三种异构体，存在互变异构； 两性化合物，酸性比苯甲酸强。
2) 喹啉，异喹啉及其衍生物 a. 喹啉，异喹啉的性质及合成
6. 下列各组试剂反应各生成什么？ 1) H2NCOCH2CN 与 MeCOCH2COMe 2) MeC(NH2)=CHCO2Et 与 MeCOCH2COMe 3) PhCH=O,MeCOCH2COMe 与 NH3 解析： 1)
2)
3)
7. 4-甲基喹啉如何转化为 4－乙基喹啉？ 解析： 15
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3. 比较溴苯，2－溴吡啶，3－溴吡啶用 NaOEt 处理时卤素被乙氧基取代的相对反应活性。 解析：吡啶环上 N 的存在使环碳上电子云密度降低，因而相对苯环，不易受亲电试剂进攻, 而相对易受亲核试剂进攻，故与 NaOEt 反应，吡啶活性高于苯；同样由于 N 的吸电子效 应，使环碳上电子云分存不均，N 的 α 位与 γ 电子云密度较低，相对易发生亲核反应，故 2－溴吡啶活性高于 3－溴吡啶。既溴苯 3－溴吡啶 2－溴吡啶 。
3) 二嗪类杂环化合物性质及合成 二嗪类化合物有三种异构体：哒嗪（α－β），嘧啶（α－γ），吡嗪（α－δ）； 物理性质：哒嗪，嘧啶有极性，可与水混溶，吡嗪极性较小，水溶性略小； 有碱性，但均比吡啶弱; 化学性质：氮原子的电子构型与吡啶氮相同，可作亲核试剂或质子化（单质子化）； 环碳（仅嘧啶）上可亲电取代（活性不高，主要发生在 5 位）； 环碳上容易进行亲核反应，可得取代产物（有良好离去基时）和加成产物; 氧化反应不易进行（用过氧化物可得 N－氧化物）； 侧链 α－H 有一定的活性，可发生羟醛综合型反应和烷基化反应； 连有吸电子基的二嗪与亲双烯体可得类似 D-A 反应的中间体，然后脱 HCN 得 电环化产物。 相关合成路线如下：
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一 主要内容 1. 分类
第一章 杂环化合物的分类与命名
2. 命名 1) 命名原则
杂环的命名常用音译法，是按国际通用名称音译成带“口”字旁的同音汉，当环上含有取 代基时须对环进行编号，具体编号规则如下： a.只有一个杂原子时，以杂原子为编号起点，杂原子的编号为 1，也可以用希腊字母编号， 靠近杂原子的碳为 α 位，其次为 β 位等。 b.含一个以上的杂原子时，根据所含杂原子是否相同，分二种情况。
3) 标氢 杂环母环的名称已表明该杂环含有最多数目的非聚集双键。在此条件下，若还含有饱和氢 原子时，则会出现异构体，此时要用“标氢”指示氢位置不同的异构体，以其位号加“H” （斜体大写）作词首来表示，如：
若杂环尚未含有最大可能的非聚集双键，则多出的氢原子为“外加氢”，命名时要表明氢的 位置和数目，如：
1)
2) 解析： 1)
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2) 12. 具体写出三个容易与吡喃蓊卧车反应的亲核试剂，并写出它们反应产物的结构。
解析：
13. 举例说明含氧六元环衍生物 4+2 环加成反应。 解析：
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二 习题解答参考 1. 什么因素使吡啶 较苯更易进行亲电取代反应？ 解析：吡啶 N 原子有较强吸电子性使电子云偏向 N，环碳上电子云密度相对减弱，因而比 苯更难进行亲电反应。 2. 写出 2－羟基吡啶，3－羟基吡啶及 2－氨基吡啶 的主要互变异构体的形式。 解析：
注：含活泼氢：含活泼氢的杂环及其衍生物，可能存在互变异构体，结构不同，名称也不 同，命名时需要标明两种可能的位号。 如：
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互变异构化：
6
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质子化：
烷基化与酰基化：
氨基重氮化：
羟基吡啶：三种异构体，其中 α 与 ϒ 异构体以酮式存在，β 异构体以羟基形式存在; 亲电取代（O 的邻位和对位 C 上）; 羟基化与 Mannich 反应； 去质子化与成盐。
14. 写出由 2－吡喃酮与甲胺反应转化为 1－甲基－2－吡啶酮的机理。 解析： 17
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2) 吡喃酮与百度文库并吡喃酮 a. 吡喃酮
无芳香性，因共轭效应使其具有一些不同于羰基的性质，不能反应成肟； 与亲电试剂反应得取代产物（较少发生，硝化）或加成产物； 与亲核试剂反应，γ 吡喃酮原则上可在 C-2,C-4,C-6 进行加成 α 吡喃酮可与亲双烯体发生 D-A 反应，同时其兼有酯的部分性质。 b. 苯并吡喃酮 与亲电试剂反应时，加成多数发生在羰基氧上（烷基化，质子化），取代反应（如硝化， 磺化）多发生在苯环上； 苯并 γ 吡喃酮可发生 Mannich 反应生成 β 位的叔氨取代的甲烷基化产物； 邻位的苯并 β 吡喃酮可看成双键与酯基（吸电子基）相连，可发生麦克尔加成反应或与二 烯体发生 D-A 反应。 3) 相关合成
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2. O－杂环化合物
1) 吡喃蓊与苯并吡喃蓊 a. 吡喃蓊
正离子，有较弱的芳香性; α 与 γ 位带有较多的正电荷，易受亲核试剂进攻（α 位）得开环的二氢吡喃，随后关环得 苯型芳香体系产物或吡啶;不发生亲电取代反应。 b. 苯并吡喃蓊 正离子，不发生亲电反应； 易受亲核试剂（水，醇，胺，氨，C-）进攻（反应在 α 位上进行，若 α 位上有取代基，则 在碱性条件下易开环）; 加氢反应通常在吡喃环上进行，可选择性还原。
Combes 合成
Knorr 合成
Bischler-Napieralski 合成 Pictet-Gams 合成
10
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b. 相关衍生物 羟基取代，氨基取代的喹啉与异喹啉与对应取代的吡啶有类似的性质，此处略。
N-氧化吡啶
N
O 吡啶合成：通过 2+2+1+1，3+3,5+1 环合成的方法进行。
（工业合成法）
（ Hantzsch 反应法） b. 吡啶的衍生物及其性质
氨基吡啶：存在三种互变异构体; α 和 γ 异构体是单一碱性的,而 ß 异构体在强酸性溶液中生成双正离子； 亲核试剂，可得烷基化（环氮）与酰基化（侧氮）产物; 氨基上的重氮化反应。
化学性质：N 上有孤对电子，为良好的亲核试剂，能与卤代烷，酰卤等反应成盐； 环上电子云分配不均，可进行亲电（β 位）或亲核（α 位）取代反应; 氧化和还原反应。
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8. 喹啉与异喹啉硝化发生在什么位置？为什么？ 解析：N 原子的存在使吡啶环上电子云密度降低，而硝化反应属于亲电反应，苯环上电子 云密度相对较高因而硝化发生在苯环上，同时 N 原子的存在使得吡啶环为缺电子体，因而 整体上具有吸电子效应，C-5 和 C-8 位电子云密度相对较高，故喹啉硝化发生在 C-5 的 C－ 8 位，异喹啉中 N 原子的吸电子效应导致 C-8 上电子云密度相对于 C-5 位低，故主要以 C-5 位取代产物为主。
相同：从含 H 或取代基的杂原子开始编号，并使另一个杂原子的编号尽可能的小。 不同：按 O—S—NH—N 的顺序编号。 2) 常用母体及编号
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亲电取代反应举例：
亲核取代反应举例： 当 α 或 ϒ 位有其它离去基团时，亲核取代反应易发生。 氧化与还原反应举例：
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H2O2 HOAc N
4. 吡啶 N-氧化物进行亲电取代反应和 C-4 卤代吡啶进行亲电取代（取代卤素）反应都比吡啶 快，为什么？
14
Cite as reviewing materials for Heterocyclic Chemistry , by Lesite Tien, May 2012.WIT 解析：吡啶 N－氧化物中 O 的供电了性使环上电子云密度增加，因而进行亲核反应活性增 加；γ－溴代吡啶中由于 N 的吸电子诱导效应使 γ 位 C 上电子云密度降低，该处易被亲核 试剂进攻，而溴本身又是一个很好的离去基团，故进行亲核反应活性比吡啶高。 5. 4－吡啶 酮如何完全成 1－乙基－4－吡啶酮？ 解析：
互变异构： 7
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羟基化与 Mannich 反应：
烷基吡啶：α 和 ϒ 位的烷基去质子化容易，β 难。
N 氧化吡啶：多个共振结构； Α 与 ϒ 位既可以进行亲电反应也可以进么亲核反应;
9. 为什么喹啉与异喹啉容易与亲核试剂反应？反应在什么位置？ 解析：如上题所述,因 N 的吸电子性使得杂环上电子云密度减弱，因而容易受到亲核试剂 进攻，喹啉的亲核反应发生在 2 位和 4 位，异喹啉发生在 3 位。
10. 如何从苯胺来制备 2－乙基－3－甲基喹啉－4－羧酸？ 解析：
11. 完成下列反应。
喹啉与异喹啉兼有吡啶（杂环部分）与萘（碳环部分）的部分性质，杂环部分可进行亲电 取代（β），亲核取代（α 位或 ϒ 位，对应有离去基时更易进行），氧化反应（与 KMnO4）,还原反应（可实现吡啶环上先择性还原）以及 N 上的质子化，烷基化与酰基化
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二 习题解答参考
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一 主要内容 1. N-杂环化合物
第二章 六元杂环化合物
1) 吡啶类杂环化合物 a. 吡啶的性质及其合成
物理性质：极性，能与水任意比混溶； 碱性，可作催化剂与除酸剂等。
共振结构式： 亲电反应：
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亲核反应：
吡啶羧酸：三种异构体，存在互变异构； 两性化合物，酸性比苯甲酸强。
2) 喹啉，异喹啉及其衍生物 a. 喹啉，异喹啉的性质及合成
6. 下列各组试剂反应各生成什么？ 1) H2NCOCH2CN 与 MeCOCH2COMe 2) MeC(NH2)=CHCO2Et 与 MeCOCH2COMe 3) PhCH=O,MeCOCH2COMe 与 NH3 解析： 1)
2)
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7. 4-甲基喹啉如何转化为 4－乙基喹啉？ 解析： 15
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3. 比较溴苯，2－溴吡啶，3－溴吡啶用 NaOEt 处理时卤素被乙氧基取代的相对反应活性。 解析：吡啶环上 N 的存在使环碳上电子云密度降低，因而相对苯环，不易受亲电试剂进攻, 而相对易受亲核试剂进攻，故与 NaOEt 反应，吡啶活性高于苯；同样由于 N 的吸电子效 应，使环碳上电子云分存不均，N 的 α 位与 γ 电子云密度较低，相对易发生亲核反应，故 2－溴吡啶活性高于 3－溴吡啶。既溴苯 3－溴吡啶 2－溴吡啶 。
3) 二嗪类杂环化合物性质及合成 二嗪类化合物有三种异构体：哒嗪（α－β），嘧啶（α－γ），吡嗪（α－δ）； 物理性质：哒嗪，嘧啶有极性，可与水混溶，吡嗪极性较小，水溶性略小； 有碱性，但均比吡啶弱; 化学性质：氮原子的电子构型与吡啶氮相同，可作亲核试剂或质子化（单质子化）； 环碳（仅嘧啶）上可亲电取代（活性不高，主要发生在 5 位）； 环碳上容易进行亲核反应，可得取代产物（有良好离去基时）和加成产物; 氧化反应不易进行（用过氧化物可得 N－氧化物）； 侧链 α－H 有一定的活性，可发生羟醛综合型反应和烷基化反应； 连有吸电子基的二嗪与亲双烯体可得类似 D-A 反应的中间体，然后脱 HCN 得 电环化产物。 相关合成路线如下：
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一 主要内容 1. 分类
第一章 杂环化合物的分类与命名
2. 命名 1) 命名原则
杂环的命名常用音译法，是按国际通用名称音译成带“口”字旁的同音汉，当环上含有取 代基时须对环进行编号，具体编号规则如下： a.只有一个杂原子时，以杂原子为编号起点，杂原子的编号为 1，也可以用希腊字母编号， 靠近杂原子的碳为 α 位，其次为 β 位等。 b.含一个以上的杂原子时，根据所含杂原子是否相同，分二种情况。
3) 标氢 杂环母环的名称已表明该杂环含有最多数目的非聚集双键。在此条件下，若还含有饱和氢 原子时，则会出现异构体，此时要用“标氢”指示氢位置不同的异构体，以其位号加“H” （斜体大写）作词首来表示，如：
若杂环尚未含有最大可能的非聚集双键，则多出的氢原子为“外加氢”，命名时要表明氢的 位置和数目，如：
1)
2) 解析： 1)
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2) 12. 具体写出三个容易与吡喃蓊卧车反应的亲核试剂，并写出它们反应产物的结构。
解析：
13. 举例说明含氧六元环衍生物 4+2 环加成反应。 解析：