杂环化合物

杂环化合物
杂环化合物：成环原子除C 外还有O 、S 、N 、P 等杂原子，且环系较稳定、具有一定芳香性的环状化合物。

下列化合物成环原子虽也含有杂原子，但环系不稳定，因此不属于杂环化合物范畴：
O
O O
O O
H 3C CH 3
O O O
O
O NH
交酯 内酯 酸酐 内酰胺
一、分类和命名 （一）分类
杂环化合物分单杂环和稠杂环两大类。

（二）命名
1、一般采用音译，取同音汉字加“口”字旁作为类别名称，取代基标注位置；
2、只有一个杂原子时，杂原子为1号；
3、含有多个杂原子时，按O ，S ，N(H)，N 顺序编号，且另外的杂原子位号尽量小；
4、常见稠杂环有固定的编号（表12-1）。

例如：
1、
O
2、
S
3、
N
H
4、
N
5、
N H 123456
6、
N 1
2
435
67
7、9N H
N N N 12
345678
8、
O
SO 3H
9、N H
I I
I
I
10、
O
11、
N H
CH 2COOH
12、N N
N
N H
NH 2
13、
O
O 2N
CHO
14、
N
OH
15、
O
CH 2OH 16、
N H
17、
N
CONH 2
18、
N
COOH
19、
N
CONHNH 2
20、
N
COOH
COOH
21、
N H
22、
N
CH 3 23、
S
Cl
COOH
解：1、呋喃 2、噻吩 3、吡咯 4、吡啶 5、吲哚 6、喹啉 7、嘌呤
8、α-呋喃磺酸 9、四碘吡咯 10、四氢呋喃 11、β-吲哚乙酸 12、6-氨基嘌呤 13、5－硝基－2－呋喃甲醛（'α－硝基－α－呋喃甲醛） 14、8－羟基喹啉 15、α－呋喃甲醇 16、四氢吡咯 17、β-吡啶甲酰胺 18、β-吡啶甲酸 19、γ-吡啶甲酰肼 20、2,3-吡啶二甲酸 21、六氢吡啶 22、N-甲基吡咯 23、4-氯-2-噻吩甲(羧)酸
二、结构
（一）单杂五元环
1、成环原子均为sp2，杂原子孤对电子参与共轭，πe=6，具芳香性；
2、芳香环上电荷密度非均化，因此芳香性﹤苯，较苯易加成；
3、芳香杂环属于5原子6电子的“富电子”体系，电荷密度>苯，故亲电取代活性>苯，且亲电取代主要进入α位（杂原子提供2个电子共轭，相当于给电子基的作用）；
4、吡咯中N 的孤对电子完全参与共轭，因此其碱性↓，反而显弱酸性；
5、O 、S 的另一对孤对电子因处于sp2，其碱性亦↓（了解）。

6、咪唑、吡唑存在互变异构，例如：
H 3C
H
N H
N
H 3C
N
N 4(5)—甲基咪唑
（二）单杂六元环（仅以吡啶为例）
1、成环原子均为sp2，N 提供1e 参与共轭，πe=6，具芳香性；
2、芳香环上电荷密度非均化，因此芳香性﹤苯，较苯易加成；
3、N 电负性>C ，因此环上电荷向N 转移，吡啶环属于“缺电子”体系，亲电活性<苯， 且亲电取代主要进入β位（N 相当于起到吸电子基作用）；
4、N 孤对e 不参与共轭，因此具有碱性，碱性>苯胺；孤对e 处于sp2上，故其碱性<氨。

三、五元单杂环的化学性质（呋喃，噻吩，吡咯） （一）酸碱性
1、吡咯N 的孤e 参与共轭，碱性↓↓，显弱酸性；
+ KOH (S)
N K -+
+ H 2O
N H
2、吡咯的酸性介于醇酚间：醇＜吡咯＜酚
N
H
OH
K a =×
1.3 10-10 1 10-18
1 10-15
××
CH3CH2OH
3、吡咯与前系列各类含氮化合物碱性的比较：
酰亚胺<吡咯<酰胺<尿素<苯胺<氨<脂胺<季铵碱例题：
N H
N
H
NH2
三者碱性强弱排序？
解：吡咯中N的孤对电子完全参与共轭；苯胺中N的孤对电子不完全参与共轭（N是接近于sp2的sp3杂化）；四氢吡咯属于环状仲胺，拥有孤对电子。

因此有碱性顺序：
N H
N
H
NH2
<<
(K b=×
3.8 10-10 2 10-4)
2.5 10-14
××（二）亲电取代
N H
O
（四溴吡咯）
N
H
Br2
Br
Br
Br
Br
, 0℃
EtOH
Br2
O Br
S Br2HOAc
S Br , 0℃
,
1、呋喃、噻吩、吡咯均为富e体系，亲电活性>苯，且进入 位；
2、硝/磺化时：不可用强酸（了解）：
因杂原子遇强酸能质子化，破坏大π键显示共轭二烯性质，易聚合、氧化；可改用非质子性试剂。

3、亲电取代反应活性：吡咯>呋喃>噻吩>苯：
分析：（1）五元单杂环是富电子体系，电荷密度高于苯，因此苯的反应活性最小；
（2）噻吩中S的轨道匹配性最差，给电子能力在三个单杂环中最弱；
（3）O的电负性比N大，因此呋喃环的电荷密度小于吡咯，活性比吡咯小。

（三）加成
1、呋喃、噻吩、吡咯芳香性<苯，因此较苯易加成；
2、产物失去芳香性，性质类似脂杂环。

N S O
H
H 2
N H
H 2
H 22
H 2
N H
O
S S
MoS 2（噻吩能使Pd 中毒）
四、六元单杂环的化学性质（吡啶） （一）碱性
1、N 孤e 不参与共轭，因此显碱性；
N
H Cl -N +
+ HCl
2、N 孤e 处于sp2杂化轨道，因而碱性↓，碱性介于氨和苯胺之间
CH 3NH 2NH 3N
NH 2
pK b
3.38
4.76
8.80
9.42
3、与各类含氮化合物碱性比较：
酰亚胺<吡咯 <酰胺<尿素<苯胺<吡啶<氨<脂胺<季铵碱
（二）亲电取代
吡啶属于缺电子体系，环上ρe ↓，因此亲电活性↓，<苯，进入β位：
N
N
Br
NO 2
4SO 3H N
N
20%
71%
33%
（三）加成（还原）
吡啶芳香性<苯，因此比苯易加成（还原），产物为环状仲胺，碱性↑。

2六氢吡啶
N
N H
N
N
H Na + C 2H 5OH
五、例题：
1
、
32N H
o
2、
N
KNO 3+H 2SO 4
3、
N
HCl
+
4、
H 2 / Ni
O
5、O
6、O
°Br 2
解：1、
Br
N
H
Br
Br
Br 2、
N
NO 2
3、
N +
H Cl -
4、O
5、
+
O
COONa
O
2OH
6、Br
O
六、重要稠杂环（命名、组成、互变异构） （一）掌握名称和位号：
N
N H
N N
N H
N 2
3
4
567
8
9
11
12
2
3
3
4
4
55
6
6
778
喹啉吲哚嘌呤( Quioline )( indole )
( Purine )
（二）嘌呤存在互变异构：
N N
N H
N
N
N
N
NH
ⅡⅠ( )( )嘌呤嘌呤
9H 7H
（三）喹啉化学性质类似“苯”和“吡啶”的混血儿（了解）：
N 2 3
4
5
6
7
81
喹啉
1、亲电取代应在电荷密度高的环上进行，因此反应发生在苯环，主要进入5、8位；
2、亲核取代应在电荷密度低的环上进行，因此反应在吡啶环，主要进入邻位。

（四）喹啉的合成（了解，略）
斯克劳普合成法p314
七、了解常见生物碱（了解，略）。