第十四章杂环化合物

1 五员芳杂化合物的亲电取代反应
取代位置
E
+
E
+
A
A
E
A
a-取代 主要产物 反应相对活性
b-取 代
>
N H O
>
S
>
5 109 1
3
1018
6
1011
对取代位置的解释（分析反应中间体的相对稳定性）
i. 取代在a位
E+ A a取代 A E A E A
中间体较稳定
H E
贡献最大
H
（满足八隅体）
主要产物（例外）
Br HNO3 / Ac2O S S
Br
NO2
b位给电子基
COOH
Br2 CH3COOH Br S
COOH
S
b位吸电子基
从中间体稳定性分析取代基对反应取向的影响
(i) a 位有给电子基
E E
4 5 3
+
E G G
进入3位
A A
• 二个共振式 • 推电子基使 稳定
A
G E+ E+
较稳定
进入4位
E G
E A G
进入5位
A
• 二个共振式 • 推电子基未 起作用
不稳定 • 三个共振式 • 推电子基使 稳定
E
A
G
E
A
G
E
A
G
最稳定
(ii) a 位有吸电子基
E 4 5 3 E
E 进入3位
+
A A W
W
A
W
• 二个共振式 • 吸电子基使 不稳定
不稳定
E+ E
+
进入4位
E
E
进入5位
A
W
CO2CH3 O CO2CH3
+
O CO2CH3
CO2CH3
O F Br
O
Li NH H N
（3） 呋喃的几个特殊反应
• 呋喃的芳香性较小
S N H O
共振能
(kcal/mol)
36
29
21~22
16
(i) 2, 5-二取代呋喃的酸性开环反应（成 1, 4-二酮）
H2O / H+ R O R R O O R
N
H N: sp2杂化
N
第一节
含一个杂原子的五员芳杂化合物
• 芳香性 • 共轭二烯性质 • 不饱和性
H C H C A C
H
N H
C
H
O
A
• 杂原子的性质
S
• 杂原子对环的影响
由于在氧、氮、硫三种原子中，氧原子电负性较大， 呋喃环中氧原子周围π电子云密度较大，削弱了π电子的 共轭，故呋喃的芳香性最小，实际上它已表现出部分二 烯的性质。硫原子电负性较小，原子半径又大，硫原子 对π电子的吸引力因而较小，故噻吩环上π电子共轭程度 增强，电子云分布较均匀，所以具有较强的芳香性，氮 原子介于氧和硫之间，使得吡咯的芳性也介于呋喃和噻 吩之间。从以上分析可知有下面的芳香性顺序： 芳香性：苯 ＞ 噻吩 ＞ 吡咯 ＞ 呋喃
A
W
吸电子基
G
给电子基
W
吸电子基
A
A
b位有取代基
反应举例
NO2 HNO3 / Ac2O + S CH3 (AcONO2) O2N S CH3 S CH3
a位给电子基
O2N
70%
HNO3
30%
S
NO2
+ S NO2
O2N
S
NO2
a位吸电子基
85%
15%
HNO3 O NO2 O2N O NO2
• 吡咯和噻酚发生正常亲电取代反应
NO2 AcONO2 N H Ac2O,10 C
o
N H 51%
NO2
+ N H 13% NO2
AcONO2 S Ac2O-AcOH, 0 C
o
S 60%
NO2
+ S 10%
• 呋喃发生加成反应（特殊，共轭烯烃性质）
AcONO2 O 5 ~ 30 C
o
碱 或 AcO O NO2 HOAc O NO2
满足八隅体 （较稳定） •比较：苯的亲电取代
E
+
E
H
-H
+
E
未满足八隅体 （较不稳定）
亲电取代反应举例
注意：五员杂环较活泼，遇酸不稳定
氧化 强酸
A
聚合 分解 反应剧烈
（吡咯，呋喃，噻吩）
硝化：HNO3/H2SO4 磺化：H2SO4
用温和试剂代替
（1） 五员杂环的硝化反应 硝化试剂
AcONO2 AcO + NO2
不稳定
E+ 进入5位
E A
G
G
G
E
A
E
A
• 三个共振式 • 推电子基未 起作用
较稳定
(iv) b位有吸电子基
W W W
E+ 进入2位
A E A E A E
• 三个共振式 • 吸电子基使 不稳定
不稳定
4 5 W E W W
E 进入4位
A 2
+
E
A
A
• 二个共振式 • 吸电子基未 起作用
较稳定
E+ 进入5位
E A
W
W
W
E
A
E
A
• 三个共振式 • 吸电子基未 起作用
最稳定
3. 五员芳杂环的其它反应
（1） 还原成饱和杂环化合物
H2 / Pd O O
THF（常用溶剂）
H2 / Pd N H H2 / MoS2 S S N H
吡咯烷
使用特殊催化剂
（噻吩能使常用 氢化催化剂中毒）
• 用Raney Ni催化氢化使噻酚还原脱硫
4.苯并五员杂环的亲电取代 5.喹啉和异喹啉的性质（亲电取代，亲核取代，取代的取向， 氧化和还原及取向，侧链上的反应）；喹啉的Skraup合成法 及机理
杂环化合物（heterocyclic compounds）是指构 成环的原子除碳原子外还有其它原子的环状有机化合物。 碳原子以外的原子，称为杂原子（heteroatoms），常 见的杂原子有氧、硫、氮等。在自然界存在大量的杂环 化合物，加上人工不断合成新的杂环，实际上杂环化合 物是有机化合物中数量最庞大的一类，此类化合物已引 起化学家越来越多的重视。
(ii) 呋喃的加成反应（呋喃的共轭二烯性质）
例：与AcONO2的反应（前面已介绍）：
NO2 AcONO2 S Ac2O-AcOH, 0 C
o
S 60%
NO2
+ S 10%
比较
取代
AcONO2 O 5 ~ 30oC AcO O NO2
碱 或 HOAc O NO2
加成
消除
例：
Br2 / CH3OH O H3CO O Br CH3OH H3CO O OCH3
n
（3） 吡咯N-H的弱酸性
R N H R N H R O H Ph O H
pKa
~17.5
~ 35
~17
~10
•吡咯钾盐的生成
K N H N K + H2
（4） 吡咯钾盐的性质
•吡咯负离子 的结构特点
N N
有烯胺负离子片断
烯胺
•共振式
N
N
N
环上每个位置 均带负电荷
N N
吡咯负离子的一些典型反应
•合成上进一步应用——制备环戊烯酮衍生物
H2O / H+ RCH2 O CH2R RCH2 O O CH2R RCH2 R OH O
• 呋喃酸性开环机理:
H H+ R O R R O H H2O R R O R
OH2 R O R R O H
OH R R OH
OH R
- H+
H+ O R OH R R OH O R - H+ R O O R
2, 5-二甲氧基-2, 5-二氢呋喃
• 2, 5-二甲氧基二氢呋喃的形成机理：
Br2 + 2 CH3OH CH3O Br + CH3Br H2O
+
Br O CH3O O Br H3CO O Br
Br H3CO O
OCH3 H3CO O OCH3
• 合成上的应用举例
Br2 / CH3OH O H3CO O Br
N N
稠合体系
嘌呤
蝶呤
常见杂环化合物的分类、命名
当环上连有烷基、硝基、卤素、羟基、氨基等取 代基时，以杂环为母体； 当环上连有醛基、羧基、磺酸基等时，将杂环作为 取代基，取代基位置用数字编号，杂原子编号应最小， 如有不同种类杂原子，则按O，S，N的顺序由小到大 编号。例如：
NH2
N C2H5 S
H2 R S R Raney Ni R R
+
NiS
O C R S C
O R
H2 Raney Ni
O C R C
O R
+
NiS
•其它脱硫的例子
O R C R' HS SH S C R R' S H2 Raney Ni R H C H R'
一种还原羰基至亚 甲基的方法
（2） Diels-Alder反应（共轭二烯性质）
杂环化合物分类:
单杂环与稠杂环两大类；
根据是几元环可以把杂环分为三元、四元、五元、 六元等杂环；
根据杂原子数目又可以分为含一个杂原子、含两个 杂原子或含三个杂原子等杂环； 还可以根据杂原子种类分为含氧杂环、含硫杂环、 含氮杂环和含磷杂环等。