有机化学--杂环化合物

杂环化合物
➢ 杂环化合物的简解和命名 ➢ 含一个杂原子的五元杂环体系 ➢ 含两个杂原子的五元杂环体系 ➢ 含一个杂原子的六元杂环体系 ➢ 含两个和三个氮原子的六元杂环体系 ➢ 含一个杂原子的五元杂环苯并体系 ➢ 含一个杂原子的六元杂环苯并环系 ➢ 嘧啶和咪唑的并环体系--嘌呤环系
杂环化合物的简解和命名
O SO3- N H
N -O3S H
O SO3- N H
S+ N
ClCH2CH2Cl
r. t.
Ba(OH)2
SO3
Ba2+
S
SO3- 2
+ N H
N SO3
100 oC
HCl
N
SO3- N
H
H
N SO3H H
（4） 呋喃、噻吩、吡咯的卤化反应
反应强烈，易得多卤取代物。为了得一卤代(Cl, Br)产 物，要采用低温、溶剂稀释等温和条件。
含有两个杂原子的五元杂环，若至少有一个杂原子是 氮，则该杂环化合物称为唑。
命名时的编号原则是： 1） 让杂原子的位号尽可能小； 2）当两个杂原子不相同时，编号的次序是：价数小的在前， 大的在后； 3）价数相等时，原子序数小的在前，大的在后。
O、S、N的 次序如左：
OS
2价 原子序数小
N
3价 原子序数大
NO2 N
H2O 60℃
OH N
O
(95 %) N H
5. 吡啶的氧化还原反应
吡啶环本身不易被氧化，但它的侧链很容易被氧化成醛或羧酸。
CH3
O2, DMF
t-BuOK, 室温
N
COOH N
N
HNO 3
N
CH3
COOH N
SeO2
N CH3
KMnO4
N
N CHO COOH
N COOH
N
还原反应
30% H2O2 - HOAc
OH
O
OH-
Na 或 K
N
或浓NaOH
H
N K+
pKa=10
pKa≈ 17.5
吡咯成盐后，使环上电荷密度增高，亲电取代反应更易进行。
3. 呋喃、吡咯、噻吩的加成反应
（1） 加氢反应 （2） Diels-Alder反应
呋喃最易发生Diels-Alder反应
O
O
O+
O
O
O
90 %
O
O
O+
O
H3C
COOCH 3
5
2α
O
1
呋喃(furan)
4 3β 5 S 2α
1
噻吩(thiophene)
4
3β
5
1
N H
2α
吡咯(pyrrole)
五元杂环苯并体系
4
5
3
6 7
2 O
1
苯并呋喃
(benzofuran)
4
5
3
6 7
2 S
1
苯并噻吩
(benzothiophene)
4
5
3
6
2
N
7 H1
苯并吡咯
吲哚 (indole)
唑的命名
N H
H
E
H
八隅体结构最稳定
E
N H
H
E
无最稳定结构
H
吸电子诱导：O(3.5) > N(3.0) > S(2.6) 给电子共轭：N > O > S 综合：N贡献电子最多，O其次，S最少
*2 取代反应主要发生在α-C上；
*3 吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感，选择试 剂时需要注意；
*4 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。
定义：吡啶与氨基钠作用生成2-氨基吡啶的反应称为 齐齐巴宾反应。
100oC
N
+ NaNH2 C6H5N(CH3)2
N NH-Na+
H2O
N NH2
（2） 置换易离去基团的亲核取代反应
如在,γ位有好的离去基团，如Cl、-NO2、Br，可以
与氨（或胺）、烷氧化物、水等亲核试剂发生亲核取代反 应（在亲核取代反应中，吡啶N对邻、对位活化）。
Zn - HOAc
RO
EtOOC NOH
O +
NH2
O
COOEt R
EtOOC NH2 氨基酮酸酯
R
COOEt
EtOOC N R H
三种化合物的相互转化(有氧化铝存在的情况下)
H2O
N
NH3
O
H
H2S NH3
H2O H2S
S
呋喃、噻吩、吡咯的反应
1. 呋喃、噻吩、吡咯的质子化反应 2. 呋喃、噻吩、吡咯的亲电取代反应 3. 呋喃、噻吩、吡咯的加成反应
有一个邻对位定位基。
呋喃、噻吩的结构请同学自己分析。
呋喃、噻吩、吡咯的制备
1. 工业制备（略） 2. 实验室制备
(1)帕尔-诺尔(Paal, C.-Knorr, L.)合成法
t-Bu
Bu-t
OO
H2SO4-H2O, HAc TsOH, 甲苯, △
t-Bu
Bu-t
OH O
t-Bu
P2S5, 170℃
+ ZHN Nu
*1 负氢不易离去，一般需要一个氧化剂作为负氢的接受体；
*2 亲核取代优先在α位上发生，如果α位上有取代基，则 反应在γ位上发生。
实例：烷基化、芳基化反应
+ N
甲苯
Li
0℃
+ PhN Li
加成
H
Ph N Li
-H+ O2 or HNO3
消除
Ph N Li
+ Li+ Ph N
实例：齐齐巴宾(Chichibabin, A.E.)反应——氨化
Cl
Cl +
Cl
Cl2
Br2, 0℃
O
O
-40℃
O
O O 稀释
Br (86 %) O
Br2 AcOH
Br (78 %) S
S
I2, HgO
C6H6, 0℃
Br
Br
Br
Br
N H
S
Br2, 0℃ EtOH
I 碘不活泼，要用催化剂才能发生一元取代
SOCl2 (1 mol)
N
Et2O, 0℃
H
Cl (80 %) N H
S
O CCH3 S
呋喃、噻吩的酰化反应在-C上发生，而吡咯的酰化 反应（不用催化剂）既能在 -C上发生，又能在N上发生。 在 -C上发生比在N上发生容易。
H NE
sp2杂化
碳上酰化，正电荷处在 离域范围内，较稳定。
N
sp3杂化
HE
氮上酰化，正电荷 不处在离域范围内。
O
+ H2SO4 +
NO
S
H
墨绿色
六元杂环
γ 4
5
3β
6 N 2α 1
γ 4
5
3β
6 O 2α 1
O
4
5
3
6O 2 1
4
5
3
6
2
OO
1
吡啶(pyridine)
4
5
3
吡喃(pyran)
4
5
N3
γ-吡喃酮 (γ-pyrone)
5
α-吡喃酮 (α-pyrone)
4 N3
6
N2
N
1
6
2
N
1
6
2
N
1
哒嗪(pyridazine) 嘧啶(pyrimidine)
吡咯、呋喃不太稳定，所以须用温和的磺化试剂 磺化。常用的温和的非质子的磺化试剂有：吡啶与三 氧化硫的加合化合物。
+ SO3 N
CH2Cl2 室温
(固体，含量90 %) N
SO3
噻吩比较稳定，既可以直接磺化（产率稍低）， 也可以用温和的磺化试剂磺化。
+ O
N SO3
ClCH2CH2Cl
r. t. 3 days
嘌呤(purine)
含有一个杂原子的五元杂环体系
呋喃、噻吩、吡咯的结构 呋喃、噻吩、吡咯的制备 呋喃、噻吩、吡咯的反应
呋喃、噻吩、吡咯的结构
吡
咯
的
结
N
构
H
N
共轭效应是给电子的。 诱导效应是吸电子的。
孤电子对在p轨道上。
吡咯 结构：吡咯N是sp2杂化，孤电子对参与共轭。 反应：碱性较弱，环易发生亲电取代反应，环上相当
（6） 呋喃、噻吩、吡咯的傅氏烷基化反应
总体看，在合成上无实用价值。
*1
+ CH2O + HCl S
ZnCl2 0℃
CH2Cl S
CH2O + HCl ZnCl2, 25oC
ClH2C
CH2Cl
S
BuLi
*2 H3C
O
Br(CH2)3Br
H3C O
(CH2)3Br
（7） 吡咯的特殊反应
吡咯的性质与苯酚类似，都具有酸性，但吡咯的酸性 比苯酚小。吡咯与苯胺也有类似性质。
H
OH -H2O
t-Bu
O Bu-t
O
t-Bu
Bu-t (~40 %)
S
Bu-t
(1)NH2R (2)NH3 (NH4)2CO3, 100℃
t-Bu
Bu-t
HO NH2O
-2H2O
t-Bu
t-Bu HO
Bu-t N OH H
Bu-t N H
R EtOOC
R EtOOC
（2）诺尔合成法
O
HNO 2
RO
（4） 在稀的酸性水溶液中，呋喃的质子化在氧 上发生并导致水解开环。
H2SO4 - H2O
90 %
O
HOAc, △
OO
H2O
-H+
O H
HO
OH2 OH
OH OH
2. 呋喃、噻吩、吡咯的亲电取代反应 （1）概述
*1 亲电取代反应的活性顺序为：
>
N H
O
>
S
>
①电子密度 ②σ-络合物
E
N H
H
E
H
E
（5） 呋喃、噻吩、吡咯的傅氏酰基化反应
Eg 1 Eg 2
Eg 3 Eg 4
150 - 200 ℃
+ Ac2O N H
O CCH3 (60 %) N H
Na
N
或 NaOH(浓)
H
+ Ac2O O
N Na+
BF3
O PhCCl
O
(70 %) N
COPh
O CCH3 (75%-92 %)
Ac2O 与 AlCl3 的混合体系
H3C
CH3 + NC-C C-CN
S
60 - 120℃
S CH3
CN
-S
H3C CN
CH3 CN
CN CH3
含有两个杂原子的五元杂环体系
一 唑的结构 二 唑的合成 三 唑的反应
唑的结构
（1）互变异构
N N H
N-N(单键)
N N
N=N(双键)
H3C
N
H3C
NH
N
N
H
4-甲基咪唑
5-甲基咪唑
4(5)-甲基咪唑(因为4-甲基咪唑和5-甲基咪唑不可分离)
O
(氧杂 )
O
N H
(1H-氮杂 )
芳杂环 具有芳香特征的杂环化合物称为芳杂环
五元杂环 六元杂环
呋喃
O N
噁唑
O
吡啶
N
噻吩
S N
噻唑
S
N 嘧啶
N
N 吡咯
H N
咪唑
N H
N 吡唑
N H
吡喃(无芳香性)
O
苯并杂环 杂环并杂环
吲哚
N H
N
N
N
N H
嘌呤
喹啉
N
N 异喹啉
五元杂环化合物的命名
五元杂环
4
3β
1,2-唑
43
43
43
5
N2
O1
异噁唑(isoxazole)
5
N2
S1
异噻唑(isothiazole)
5
N H
N 1
2
吡唑(pyrazole)
1,3-唑
4 N3
5
2
O1
4 N3
5
2
S1
4 N3
5
2
N H
1
噁唑(oxazole) 噻唑(thiazole) 咪唑(inidazole)
六元杂环化合物的命名
（2） 呋喃、噻吩、吡咯的硝化反应
呋喃, 噻吩和吡咯易氧化, 一般不用硝酸直接硝化; 通常用比较温和的非质子硝化试剂，如：硝酸乙酰酯。 反应在低温下进行。
OO
O
CH3COCCH3 + HNO3
CH3CONO2 + CH3COOH
AcONO2 O oC
S
Ac2O/AcOH
AcONO2 O oC
N
Ac2O/AcOH
N O
H2, Pt, 25℃, 3atm or Na + C2H5OH
吡嗪(pyrazine)
六元杂环苯并环系
5 6
7 8
4 3
N2 1
喹啉
(quinoline)
5 6
7 8
4 3
N2 1
异喹啉
(isoquinoline)
54
O
6
3
7
2
O
81
O
苯并吡喃
苯并--吡喃酮
(benzopyran) (benzo--pyrone)
杂环并杂环
67
1N 5 N
8
2
N 3
4
N H
9
杂环化合物简解 五元杂环化合物的命名 唑的命名 六元杂环化合物的命名
杂环化合物的简介
在环上含有杂原子（非碳原子）的有机物称为杂环化合物。
脂杂环 没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂环。
三元杂环
O (环氧乙烷)
H
N (氮杂环丙烷)
四元杂环 五元杂环 七元杂环
O
(β-丙内酯)
O
O
O
(β-丙内酰胺)
NH
O (顺丁烯二酸酐)
1. 呋喃、噻吩、吡咯的质子化反应 分子接受一个质子的反应称为质子化反应.
（1）呋喃、噻吩、吡咯在酸的作用下可质子化；
（2） 质子化反应主要发生在C-2上；
H
H
N H
H
H+
α-C质子化
N H
H+
H+
H
N H
β-C质子化
N HH
N-质子化
（3） 由于-C的质子化反应，吡咯在强酸作用 下会因聚合而被破坏；
（3）碱性
1. 1,2-唑与1,3-唑都有吡啶N，所以都有碱性。 2. 1,3-唑的碱性比1,2-唑强。
因为两个杂原子互相影响大。 3. 咪唑的碱性＞噻唑的碱性＞噁唑的碱性
由综合电子效应决定。