第16章 杂环化合物

呋喃比较特殊，在此反应中首先生成稳定的或不稳定的2，5— 加成产物，然后加热或用吡啶除去乙酸，得硝化产物： 这也说明了呋喃芳香性不如噻吩和吡咯，而表现出了共轭二烯的 一些性质。
：
（b）磺化 呋喃，噻吩，吡咯也需避免直接用硫酸进行磺化，常用温和的非质 子磺化试剂，如用吡啶与三氧化硫加成物作为磺化剂进行反应：
(a) 、硝化
乙酰基硝酸酯
CH3COONO2 S (CH3CO)2O 100C S 70% NO2 S 5% NO2
N H
AcONO2 Ac2O ，5℃
NO2 N H 2-硝基吡咯
（83%）
NO2
N H 3-硝基吡咯
（11%）
呋喃比较特殊，在此反应中首先生成稳定的或不稳定 的2，5—加成产物，然后加热或用吡啶除去乙酸，得硝化 产物： 这也说明了呋喃芳香性不如噻吩和吡咯，而表现出了共 轭二烯的一些性质。
(c) 、卤化
噻吩、呋喃在室温下与氯或溴反应很强烈，易得多卤 代物 ，要得一卤代物，需要温和的条件，如用稀溶液或 低温下反应。
吡咯卤代常得到四卤化物。2—氯吡咯很不稳定， 下面是唯一能直接卤化制得的2—卤吡咯。
(d) 、 傅氏酰基化
(e)、傅氏烷基化
呋喃，噻吩，吡咯进行烷基化反应很难得到一烷基取代的产物。 常得到混合的多烷基取代物。甚至不可避免的产生树脂状物质，因 此用处不大。
C、O、S、N 都是SP2 杂化
1.43 1.35 1.42 1.37 S 1.71 噻吩 1.43 1.37 N 1.38 H 吡咯
O
呋喃 噻吩
S
吡咯
N
Байду номын сангаас
O 1.36 呋喃
C
C X = O，S，N
C X
C
N 电负性3.0, O 电负性 3.5, S 电负性 2.4,N、O与碳在同一周期， S在第三周期，其p轨道与碳的p轨道重叠较小。
与苯 类似 地方 ① 共平面
与苯 ② 形成封闭的共轭体系 不同 的地 ③ 具有6个P电子，符合4n+2规则 方
所以都具有芳香性
① 不如苯的电子云密度分布均匀。 ② 键长没有完全平均化。 ③ 环没有苯稳定，芳香性不如苯。 ④ 是富电子的，比苯更易发生亲核取代
芳香性：苯 ＞ 噻吩 ＞ 吡咯 ＞ 呋喃
光谱性质：IR: νc-H = 3077~3003cm-1,νN-H = 3500~3200 cm-1 (在 非极性溶剂的稀溶液中，在3495 cm-1，有一尖峰。在浓溶液中则于 3400 cm-1,有一尖峰。在浓和稀的中间浓度时，两种谱带都有),杂环 C＝C伸缩振动:1600~1300 cm-1 （有二至四个谱带）。 NMR：这些杂环化合物形成封闭的芳香封闭体系，与苯环类似，
吡咯也能与格氏试剂作用放出烃（RH）而成吡咯卤化镁：
吡咯钾盐及吡咯卤化镁都可以用来合成吡咯衍生物。
4、吡咯的其它反应：吡咯的性质与酚很类似，可发生下列反应：
2—吡咯甲醛（瑞穆尔—梯曼反应）
2—吡咯甲酸铵盐（柯尔柏反应）
第二节 五元杂环化合物
一. 含有一个杂原子的五元杂环单环体系:呋喃，噻吩，吡咯。 电子结构：这三个杂环化合物中，碳原子和杂原子均以sp2杂化 轨道互相连接成σ健，并且在一个平面上，每个碳原子及杂原子上 均有一个p轨道互相平行，在碳原子的p轨道中有一个p电子，在杂 原子的p轨道中有两个p电子，形成一个环形的封闭的π电子的共轭 体系。这与休克尔的4n+2规则相符，因此这些杂环或多或少的具有 与苯类似的性质，故称之为芳香杂环化合物。 芳香性大小,试验结果表明:
噻吩发生上述加成反应的倾向性很小。噻吩与乙炔的亲二烯试剂 加成的研究较多，双烯加成产物通常不稳定，失硫而得苯的衍生物。
（b）、催化氢化反应
3、吡咯的弱碱性和弱酸性
吡咯：Kb = 2.5 ×10-14 四氢吡咯：Kb = 2 ×10-4 苯胺：Kb = 3.8 ×10-10 吡咯：Ka = 10-15 苯酚：Ka = 1.3× 10-10 乙醇：Ka = -10-18
H2O N H NH3 H2S NH3 H2O O H2S
S
5. 取代吡咯的另一个一般的合成法，称为克诺尔合成法，即用氨基 酮与有α－亚甲基的酮进行缩合。例如用氨基酮酸酯与酮酸酯或1， 3—二酮缩合，氨基酮酸脂由相应的β－羰基酯制得。
（三）呋喃，噻吩，吡咯的反应。 1.亲电取代反应： （1）呋喃，噻吩，吡咯亲电取代活泼顺序
以下这些杂环不属于杂环化合物 O C C=O O O C O
C=O NH
O
杂环大体可分为：单杂环和稠杂环两类。
1、分类：
2．命名：杂环的命名常用音译法，是按外文名称的音译，并加口字旁， 表示为环状化合物。如杂环上有取代基时，取代基的位次从杂原子算起用 1，2，3，4，5……（或可将杂原子旁的碳原子依次编为 α ,β, γ, δ …） 来 编号。
N1 嘧啶
(thiazole)
(oxazole)
(imidazole)
(pyrimidine)
一. 含有一个杂原子的五元杂环单环体系:呋喃，噻吩，吡咯。 电子结构：这三个杂环化合物中，碳原子和杂原子均以sp2杂化 轨道互相连接成σ健，并且在一个平面上，每个碳原子及杂原子上 均有一个p轨道互相平行，在碳原子的p轨道中有一个p电子，在杂 原子的p轨道中有两个p电子，形成一个环形的封闭的π电子的共轭 体系。这与休克尔的4n+2规则相符，因此这些杂环或多或少的具有 与苯类似的性质，故称之为芳香杂环化合物。 芳香性大小,试验结果表明:
C、O、S、N 都是SP2 杂化
1.43 1.35 1.42 1.37 S 1.71 噻吩 1.43 1.37 N 1.38 H 吡咯
O
呋喃 噻吩
S
吡咯
N
O 1.36 呋喃
C
C X = O，S，N
C X
C
N 电负性3.0, O 电负性 3.5, S 电负性 2.4,N、O与碳在同一周期，S 在第三周期，其p轨道与碳的p轨道重叠较小。
呋喃，吡咯，噻吩亲电取代反应小结：呋喃，吡咯遇 强酸容易开环或产生聚合物。故所使用的亲电试剂一般 比较温和。
2、加成反应：
(a)、 D－A反应
噻吩和吡咯不发生双烯合成，这是因为他们的芳香性 较强，所以共轭二烯的性质也弱。但是遇到更强的亲双烯 试剂也能发生反应 吡咯能发生下列加成反应：
吡咯与典型的亲双 烯试剂如：顺丁烯 二酸酐，顺丁烯二 酸，不能发生狄尔 斯-阿尔德反应，而 与之发生迈克型加 成反应。
此环电流可产生一个和外界磁场方向相反的感应磁场，在环外的质 子，处在感应磁场回来的磁力线上，和外界磁场方向一致，在去屏 蔽区域，故环上氢吸收峰移向低场。化学位移一般在7ppm左右。
在核磁共振谱上，由于外磁场的作用而诱导出一个绕环转的环电流，
呋喃：α－H δ=7.42ppm
噻吩：α－H δ=7.30ppm 吡咯：α－H δ=6.68ppm
与苯 类似 地方 ① 共平面
与苯 不同 ③ 具有6个P电子，符合4n+2规则 的地 方 所以都具有芳香性
② 形成封闭的共轭体系
① 不如苯的电子云密度分布均匀。 ② 键长没有完全平均化。 ③ 环没有苯稳定，芳香性不如苯。 ④ 是富电子的，比苯更易发生亲核取代
芳香性：苯 ＞ 噻吩 ＞ 吡咯 ＞ 呋喃
光谱性质：IR: νc-H = 3077~3003cm-1,νN-H = 3500~3200 cm-1 (在 非极性溶剂的稀溶液中，在3495 cm-1，有一尖峰。在浓溶液中则于 3400 cm-1,有一尖峰。在浓和稀的中间浓度时，两种谱带都有),杂环 C＝C伸缩振动:1600~1300 cm-1 （有二至四个谱带）。 NMR：这些杂环化合物形成封闭的芳香封闭体系，与苯环类似，
S
5*、取代吡咯的另一个一般的合成法，称为克诺尔合成法，即用氨 基酮与有α－亚甲基的酮进行缩合。例如用氨基酮酸酯与酮酸酯或1， 3—二酮缩合，氨基酮酸脂由相应的β－羰基酯制得。
（三）、呋喃，噻吩，吡咯的反应。 1、亲电取代反应： （1）、呋喃，噻吩，吡咯亲电取代活泼顺序
（2）、亲电基团容易进入杂环的2，5 位（即α, α′位）， 若杂环的2，5位已有基团存在，则进入3位。 (3)、 这些杂环化合物亲电取代反应比较容易，但是它 们的芳香性不如苯，即不如苯稳定，因此，进行亲电取代 反应需在较温和的条件进行。如遇到强酸及氧化剂容易使 环破坏。
β－H δ=6.37ppm
β－H δ=7.10ppm β－H δ=6.22ppm
二．呋喃，噻吩，吡咯的制备。
1.玉米心，稻糠，花生壳，大麦壳，高粱秆等用稀硫酸处理得戊糖， 戊糖失水得糠醛，再在400℃下加热，同时在催化剂ZnO,Cr2O3存在 下，失去一氧化碳而得呋喃。
2. 工业上制备噻吩是用丁烷，丁烯或丁二烯与硫磺混合，在600℃ 反应得到：
：
（b）、磺化
呋喃，噻吩，吡咯也需避免直接用硫酸进行磺化，常用温和的非 质子磺化试剂，如用吡啶与三氧化硫加成物作为磺化剂进行反应：
反应首先得到吡啶的磺酸盐，在用无机酸转为游离的磺酸。 由于噻吩比较稳定（芳香性强），可以用硫酸直接进 行磺化，但产率不如上述试剂所得到的高。从煤焦油中得 到的苯通常含有少量的噻吩。可在室温下反复用硫酸提取， 由于噻吩比苯容易磺化，磺化的噻吩溶于浓硫酸内，可以 与苯分离。然后水解，将磺酸基去掉，可得到噻吩：
β－H δ=6.37ppm
β－H δ=7.10ppm β－H δ=6.22ppm
二、呋喃，噻吩，吡咯的制备。
1、玉米心，稻糠，花生壳，大麦壳，高粱秆等用稀硫酸处理得戊 糖，戊糖失水得糠醛，再在400℃下加热，同时在催化剂ZnO,Cr2O3
存在下，失去一氧化碳而得呋喃。
2、工业上制备噻吩是用丁烷，丁烯或丁二烯与硫磺混合， 在600℃反应得到：
反应首先得到吡啶的磺酸盐，在用无机酸转为游离的磺酸。 由于噻吩比较稳定（芳香性强），可以用硫酸直接进行磺化，但 产率不如上述试剂所得到的高。从煤焦油中得到的苯通常含有少量 的噻吩。可在室温下反复用硫酸提取，由于噻吩比苯容易磺化，磺 化的噻吩溶于浓硫酸内，可以与苯分离。然后水解，将磺酸基去掉， 可得到噻吩：
（2）亲电基团容易进入杂环的2，5 位（即α, α′位），若杂环的2， 5位已有基团存在，则进入3位。 (3)、 这些杂环化合物亲电取代反应比较容易，但是它们的芳 香性不如苯，即不如苯稳定，因此，进行亲电取代反应需在较温 和的条件进行。如遇到强酸及氧化剂容易使环破坏。
(a) 硝化
乙酰基硝酸酯
CH3COONO2 S (CH3CO)2O 100C S 70% NO2 S 5% NO2
有机化合物中除了碳原子以外的原子都是杂原子。所谓杂环化 合物也就是说：构成环的原子除了碳原子以外还有其他原子的环状 化合物。常见的杂原子是：氧、氮、硫等。为了研究方便，我们只 把那种具有芳香结构（封闭共轭体系）的杂环化合物进行研究：
杂 环 化 合 物 含杂原子（一个或多个，一种或多种，如：N，O，S） 具有芳香性（封闭共轭体系） 具有一定的稳定性，不易开环
CH3CH=CHCH3 CH3CH2CH=CH2
SO2 S
3、噻吩也可用琥珀酸钠盐与五硫化二磷一起加热反应制 得：
4、帕尔——克诺尔（C.Paal—L.Knorr）合成法：
佑尔业夫（Yupev）以氧化铝为 催化剂可以使吡咯、噻吩、呋喃 的环互变 (Al2O3)
H2O N H NH3 H2S NH3 H2O O H2S
此环电流可产生一个和外界磁场方向相反的感应磁场，在环外的质 子，处在感应磁场回来的磁力线上，和外界磁场方向一致，在去屏 蔽区域，故环上氢吸收峰移向低场。化学位移一般在7ppm左右。
在核磁共振谱上，由于外磁场的作用而诱导出一个绕环转的环电流，
呋喃：α－H δ=7.42ppm
噻吩：α－H δ=7.30ppm 吡咯：α－H δ=6.68ppm
(pyrrole) (furan) (thiophene)(pyridine) (indole)
(quinoline)
4
如杂环上不止一个杂原子时，则从O,S,N 顺序依次编号，编号时杂原子的 位次数字之和应最小：
4 5
N S1 噻唑
3 2
4 5
N3
2
4 5
N N1 H 咪唑
3 3N 2
5 6
2
O1
口 恶唑
CH3CH=CHCH3 CH3CH2CH=CH2
SO2 S
3. 噻吩也可用琥珀酸钠盐与五硫化二磷一起加热反应制得：
4.帕尔——克诺尔（C.Paal—L.Knorr）合成法：
P2O5 R O CH2 CH2 R C O C R O P2S5 R S R'NH2 R N R' R
R
R
佑尔业夫（Yupev）以氧化铝为 催化剂可以使吡咯、噻吩、呋喃 的环互变 (Al2O3)