第十八章 杂环化合物

较大。
δ 6.99
δ 7.18
S
δ 6.22
δ 6.68
N H
δ 6.24 δ 7.29
O
9
2、具有芳香性的杂环与苯环的异同点
1).五元杂环化合物
ZC
C2 C3
C3 C4
4
3
2
Z
呋喃 吡咯
0.136(0.143) 0.1370(0.147)
0.1361 0.1383
0.1430 0.1417
Z = O、NH、S
NaCN
NC(CH2)4CN
H2O/H+ HOOC(CH2)4COOH
NC(CH2)4CN
H2 / Ni H2N(CH2)6NH2
17
a-呋喃甲醛又称糠醛，是呋喃的重要衍生物。 糠醛的化学性质与苯甲醛类似，可发生Cannizzaro反 应、与含a-H的醛或酮的交错缩合反应等。
糠醛是良好的溶剂和重要的有机合成原料。 2. 吡咯和吲哚
2
第一节 杂化化合物的分类和命名
一、杂环化合物的涵义
成环原子除碳以外，还有其它如O、N、S、P 等杂原子的环状化合物，统称为杂环化合物。
非芳香性杂环化合物, 如：
、
、 内酯、环状酸酐等。
O
N
杂环化合物
H
芳香性杂环化合物
本章讨论的就是那些环为平面型，环内p电子数符合 4n+2规则，具有一定芳香性的芳杂环化合物。
(CH3CO)2O SnCl4
ZX
乙酰基硝酸酯
Z NO2 吡啶三氧化硫
H
N+
HCl
Z SO3
Z SO3H
( Z = NH、O )
噻吩可直接用H2SO4 磺化。
Z COCH3
五元杂环化合物进行亲电取代反应的特点是：使用较
为温和的试剂或反应条件。
13
五元杂环化合物亲电取代反应发生在α- 位可用共振论解
应和一般的亲电加成反应。如：
16
= =
O+
=
O O 30℃
O
O
=O
HHO
O
+
Br2
CH3CO OK CH3O H
H
H
Br O Br
CH3O H
H
H
CH3O O OCH 3
呋喃在Ni催化下，易于加氢生成四氢呋喃——良好的 溶剂和重要的有机合成原料。
H2 / Ni
O
O
HCl 140℃
Cl(CH2)4Cl
CH3
N CH3
N
N
a -甲基吡啶和g -甲基吡啶
甲基吡啶的侧链甲基的活泼性与硝基甲苯中的甲基 相似，具有一定的酸性。因此，在强碱的催化下可进行
缩合反应，且主要发生在a -位和g -位。如：
O
=
+
C
NaNH2
N CH3
N CH2 C OH
30
CH3 CH2CH3 NaNH2
N
CH2Na+ CH2CH3
90.4
O 71.1 kJ / mol 10
(2) 五元杂环化合物是富电子体系，而苯环为等电子 体系，故环上的电子云密度比苯高，其亲电取代反应比苯
容易，尤其易发生在a - 位。杂原子的存在相当于在环上
引入了-NH2、-OH、 -SH 等活化基团而使环活化，故进行 亲电取代反应的活泼顺序是：
N
O
S
H
N 异烟酸
N 异 烟 肼 (雷米封)
CH3 KMnO 4 N
COOH
NH3
N 烟酸
CONH2
N 烟酰胺
COOH
N
KMnO4
N CH3
N
32
烟碱 (nicotine)
烟酸
2. 喹啉 喹啉在常温下为无色油状液体，b.p 238℃。与吡啶
相似，具有弱碱性(pkb=9.15)。喹啉的许多衍生物在医药 上具有重要意义，特别是抗疟类药物。
靛蓝
一种染料
21
第三节 六元杂环化合物的化学性质
一、 吡啶的结构
C
C
N
C
π6 6
等电子体系
C
sp2
N
C
未参与共轭
0.140
4
3
0.139
N2
0.147 单
0.134 0.128 双
吡啶环的键长也发生了较大程度的平均化，C-C 键虽与 苯相似，但C-N键变化很大，因此，其芳香性也比苯差。
22
吡啶和苯虽然都属等电子体系，但因 氮原子的电负性较大，从而使环上的电子 云密度降低 ，故其亲电取代反应性能不但
CH3NH2
NH3
N
NH2
pkb 3.36
4.75
8.8
9.3
24
N
N
sp3 H sp2
CH3 C≡N
sp
吡啶环上有供电子基时将使碱性增强。如：
a.
+
N H
pka
5.17
b.
+
N CH3 H
5.79
c.
CH3
+
N
H
5.68
CH3 d.
+
N H
6.02
酸 性： a ＞ c ＞ b ＞ d 碱 性： d ＞ b ＞ c ＞ a
吡咯为无色油状液体，b.p 131℃，微溶于水，易溶于 有机溶剂。
吡咯的酸碱性： 由于氮上的未共用电子对参与了共
N
轭体系，难以与H+结合，故基本不显碱性
(pkb=13.6)。
18
H
然而，由于氮原子的吸电子作用，使得吡咯会显示出一定的酸性， 但其酸性较弱，需在强碱下方可成盐。
N + KOH (NaNH2) H
吲哚亲电取代反应发生在什么位置？
E+
4
5
3
1
苯环 6
N 2 吡咯环
7H
+ E+ N H
进攻 C2 进攻 C3
+ 只有一个带有完整苯环
N2 H
E H
的共振杂化体。
3E
3E
H N+
H
+
N
H
H
有两个带有完整苯环的共振杂化体。
20
= =
CH2COOH
N H β - 吲哚乙酸 一种植物生长促进剂
OH N
CC N HO
25
-
吡啶既然是一个碱，遇酸便形成稳定的盐。 如果用非质子的硝化试剂、磺化试剂，或用卤素、卤 代烷、酰氯与吡啶环进行反应，也将形成相应的吡啶盐：
-
26
2. 吡啶环上的亲电取代反应 如前所述，吡啶的亲电取代反应比较困难，需在较强
的条件下方可发生，且发生在b - 位。
Br2
300℃
Br N
HNO3, H2SO4
NO2
N
300℃
N
H2SO4, HgSO4 220℃
SO3H N
显然，当吡啶环上连有供电子基团时，将有利于亲电
取代反应的发生；反之，就更加难以进行亲电取代反应。
HNO3, H2SO4
NO2
CH3 N CH3
100℃
CH3 N CH3
27
吡啶环也象硝基苯一样，不能发生F―C烷基化和酰 基化反应。
吡啶的亲电取代反应所以发生在b -位，除用电子理
γ
δ
δ
δβ
δ Nδ α
δ
比苯差，且亲电取代反应发生在电子云密度较高的b - 位。
这一特性与硝基苯很相似。
五元、六元杂环化合物虽然都具有芳香性，但其环上的 电子云的密度是不同的，其电子云密度由高到低的顺序是：
S
N
O
H
N 23
二、吡啶的化学性质
亲核试剂进攻部位
γ
δ
δβ
δ Nα
亲电试剂进攻部位
碱性与成盐 1. 碱性与成盐：
论解释外，还可以用中间体的稳定性加以说明：
+ E+ N
进攻 α 位
+
H NE
进攻 β 位
H N +E
HE
进攻 γ 位 +
N
+
H NE
H +N E
HE
N
+
特不稳定
H
N
+
E
特不稳定
+
H NE
HE
+
N
28
3. 吡啶环上的亲核取代反应
吡啶环的亲核取代反应主要发生在a - 位和g - 位，被
取代的可以是氢原子，也可以是易于离去的基团。如：
Li
NaNH2
H2O
N
N ( - H2 )
N NHNa
N NH2
N OCH3
CH3O Na NaOH ,
NH3 , ZnCl2
N Cl
220℃
N NH2
Br Br
NH3 , H2O
NH2 Br
160℃
N
N
29
三、常见的六元杂环化合物
1. 甲基吡啶
吡啶同系物中以甲基吡啶最为重要，它有三个异构体：
CH3
N
C H3I ( 1 mol )
那么为什么a - 位、g - 位的侧链氢酸性强？
H N CH
=
O
H
N
CH
H
O
H
CH2CH3 CH2CH3
N
α-位
N CH2
β-位
CH2 N
N CH2
CH2 N
N CH2
=CH2
N
N CH2 特别稳定
=CH2
N
CH2
CH2
CH2
CH2
= = =
γ-位
31
N
N
N
N
特别稳定
11
二、五元杂环化合物的化学性质 （一）、亲电取代反应 （二）、五元杂环化合物的亲电取代反应的定位规则 （三）、常见的五元杂环化合物
12
（一）、亲电取代反应
Z Z = ( NH、O、S )
X2/ 低温 X2=Cl2、Br2 CH3COON。O2
-5 ~ -30 C N+ SO3-
ClCH2CH2Cl
2 - 呋喃甲醛 α - 呋喃甲醛
COOH
β
S 3 - 噻吩甲酸 β - 噻吩甲酸
β COOH
α
N COOH 2, 3 - 吡啶二甲酸 α , β - 吡啶二甲酸
当环上有不同杂原子时，按O→S→N的次序编号。若
环上连有不同的取代基，其编号按次序规则和最低系列原 则。
N3
12
N H imidazole 咪唑
N3
12
O
oxazole 噁唑
N3
12
S
thiazole 噻唑
N3
1
N
2
pyrimidine
嘧啶
6
N3
CH3
5
1
N
2
H
5 - 甲基咪唑
O2N 4
N3
12
O
4 - 硝基噁唑
CH34 N3
5 12
HOCH2CH2 S
4 - 甲基 - 5 - ( 2' -羟乙基 ) 噻唑
O 苯并呋喃
N S 苯并噻唑
7
第二节 五元杂化合物
基团进入的位置与反应试剂有关。如：
15
4
5
O
CHO
C l2
5
Cl O CHO
(CH3)2CHCl (CH3)2CH 4
Al C l3
O
CHO
(三)、常见的五元杂环化合物
1. 呋喃和糠醛
呋喃为无色液体，难溶于水而易溶于有机溶剂，b.p
为32℃。
尽管呋喃在较温和的条件下就可发生亲电取代反应，
但因其芳香性较弱，呋喃及其衍生物容易进行Diles-Alder反
一、结构与芳香性 1、杂环化合物为什么具有芳香性？
N
C C
C NH
C
C
sp2
C
O
C
O
H
C
sp2
未参与共轭
C
C
sp2
π
6 5
富电子体系
C
S
C
未参与共轭 S
8
五元杂环化合物具有芳香性的另一个标志就是环上的 氢受离域电子环流的影响，其核磁共振信号都出现在低场
区。a- H 由于受杂原子吸电子诱导效应的影响，其d值
第十八章 杂环化合物
杂环化合物的涵义 杂环化合物的命名 结构与芳香性 五元杂环化合物的化学性质 六元杂环化合物的化学性质 含2个杂原子的六元杂环化合物
1
【本章重点】 呋喃、吡咯、噻吩和吡啶的结构与化学性质。
【必须掌握的内容】 1. 杂环化合物的命名方法。 2. 呋喃、吡咯、噻吩和吡啶的结构与芳香性。 3. 呋喃、吡咯、噻吩和吡啶的化学性质。
噻吩 0.1714(0.182) 0.1370
0.1423
C =C
CC
0.134
0.154
(1) 由此可见，苯分子中的键长(0.1397 nm)完全平均化，
而五元杂环化合物分子中的键长只是有一定程度的平均化。
因此，五元杂环化合物的芳香性比苯差。其芳香性次序是：
离域能： 152 (共轭能)
S
N
H
125.5
噻吩
1
N pyridine
吡啶
1
N H indole
吲哚
N
1
quinoline
喹啉
2. 杂环及环上取代基的编号：
(1) 母体杂环的编号：杂原子的编号为“1”。
杂原子邻位的碳原子依次用1, 2, 3, 4, 5…(或a、b、g…)编号5。
21
CH3 α N H
2 - 甲基吡咯 α - 甲基吡咯
α
O CHO
+ N K (Na) 吡咯钾（钠）盐
吡咯环不如苯环稳定，易被氧化。
H2O (NH3)
吡咯容易发生亲电取代反应，其反应活性与苯胺类似。如：
II
I2 + NaOH I N I
( 卤代 )
N H
N2+C l
H
(偶合)
N N=N
19
H
吲哚是由苯环和吡咯环稠并而成，故又称苯并吡咯。 吲哚仍具有芳香性，其亲电取代反应的活性比苯高， 但比吡咯低。
喹啉及其衍生物通常用斯克劳普(Skraup Z H)合成法
来合成。
CH2 CH CH2
释：
+ E+ Z Z = ( NH、O、S )
+
E
ZH
E
+
ZH
正电荷可在三个原子上离域
E
E
H
H
+
Z
Z
+
正电荷只能在两个原子上离域
E
ZH
+
由此可见，进攻2-位所形成的共振杂化体比进攻3-位所 形成的共振杂化体稳定。
(二)、五元杂环化合物亲电取代反应的定位规律
以噻吩为例：
(1) a-位上有取代基
14
X = o、p - 定位基
N
+ CH3
CH3CHO ห้องสมุดไป่ตู้nCl2
4 Cl2 ( - 4 HCl )
OH N CH2CHCH3
Cl N CCl3 氮肥增效剂
N CH=CHCH3
H2/ Ni
N CH2CH2CH3 毒芹碱
CH3 N
O2. V2O5 / 硅 酸 or KMnO 4
b -甲基吡啶
COOH
CONHNH 2
NH2NH2 H2O
3
二、杂环化合物的分类
杂环化合物
五元杂环, 如
O
N
S
单杂环
H
六元杂环, 如 N
稠杂环
苯环与单杂环稠并, 如
N H 吲哚
两个或两个以上单杂环稠并 N
N 喹啉
N
NN H
嘌呤
4
三、杂环化合物的命名 1. 音译法： 在同音汉字左边 + 口字。
1
O
furan 呋喃
1
N H pyrrole
吡咯
1
S thiophene
Y = m - 定位基
(次)
3
(主)
5
S
X
(主) 4
(次)
5
SY
(2) b- 位上有取代基
X = o、p - 定位基
Y = m - 定位基
X
Y
(次)
5
2
S
(主)
(主)
5S
5 - 位被占, 则进入4 - 位, 而不进入2 - 位
这里值得注意的是：吡咯和呋喃也遵循上述规律，但
当a- 位上有m – 定位基(如： –CHO、 –COOH)时，新引入