第15章 杂环化合物

54
6
3
7
N2
81
异喹啉
isoquinoline
[命名] 音译名
（Imidazole）
H N
（ Thiophene）
O
S
S
H
H
N
NN
N
N
吡咯 呋喃
（Pyrrole）（Furan）
噻吩 噻唑 咪唑 吡唑
（ Thiazole）
（Pyrazole）
N N
N
吡啶Pyridine
喹啉Quinoline
异喹啉Isoquinoline
CH3COONO2
O
- 5~30oC
O NO2
(35%)
CH3COONO2
N H
OH-,5oC,Ac2O
N NO2 + H (83%)
NO2
N H
(7%)
当呋喃或吡咯环上连有吸电子基团时，环的稳定性
增 加，可用一般方法硝化。
O2N
N H
CCH3 O
HNO3 H2SO4
O2N
N H
CCH3 + O
N H
吡啶N
P
N
SP2
N 吡咯N
P
H
SP2
C
呋喃O(噻吩S)
P
P
SP2
SP2
“多π”芳杂环———六个电子由五个原子分配，每个碳 原子的电子云密度比苯环高，故亲电取代比苯容易。
H
O
S
N
2.33 10-30C.m 1.70 10-30C.m 6.03 10-30C.m
N原子
给电子共轭>> 吸电子诱导。
吡啶N：吸电子诱导+吸电子共轭
碱性： 咪唑 酸性： 吡唑 pKa 7.0
> 吡唑 > 咪唑
2.5
> 噻唑 > 吡咯
17.5
3、化学反应及互变异构
吡啶N的吸电作用，其亲电取代比含一个杂原子的五
元杂环要低，对氧化剂也不敏感。
4(5)-硝基咪唑
N 发烟H2SO4
N
S HgSO4，250。C HO3S S
N
CH3 KNO3,1000CCH3
N (66%)
CH3
SO3H (70%)
N
3、亲核取代反应
吡啶类似硝基苯
易发生亲核取代反应。 、位，以位为主, 因α位 离N比γ位近，受吸电子诱导影响较大。
N
+ NaNH2
PhN(CH3)2 回流
H2O N NHNa
N NH2
若两个α位已有基团，则发生在γ位。 齐齐巴宾反应
吡啶与RLi或ArLi（强碱性的亲核试剂）作用，可在吡啶 的α与γ位引入烷基或芳基。—消除-加成机理
+ PhLi N
Ph +LiH N
吡啶环的α位和γ位的C缺少电子，若这些位置上有
易离去的基团（Cl、Br、NO2等，其阴离子较稳定），可与氨 （或胺）、烷氧化物、水等亲核试剂发生SN。
NHC6H5
NaOMe
PhN H2
Cl
N Cl HOMe,
N
NH2
N
NH3
NaOH
N OMe
180~2000C N
N Br H2O,
N OH
4、氧化还原反应
吡啶比苯稳定，不易被氧化，当有侧链时，总是侧链先氧化生 成 相应的吡啶甲酸。
N HNO3
CH3 N
烟碱(尼古丁)
COOH NH3
N
烟酸
CONH2
N
烟酰胺
CH3 HNO3 ,
N
N
NN
嘌呤Purine
H N
吲哚 Indole
编号从杂原子开始，尽可能使取代基的位次较小。遇两 相同杂原子, 则由带取代基(或H)的杂原子开始。含多个不 同杂原子, 则按 O S N 顺序编号。
CH3
C2H5 O CH3 N
O2N O CHO
2-甲基-5乙基呋喃
4-甲基吡啶
5- 硝 基 -2呋喃甲醛
95%H2SO4
S
室温
69%~76% S SO3H
4）傅-克酰基化
吡啶不发生傅-克反应
Ac2O
O BF3
O COCH3 75~92%
Ac2O
S H3PO4 S COCH3 94%
Ac2O
N 150 ~ 200。C N COCH3 60%
H
H
吡咯与苯酚的性质相似（吡啶相似于硝基苯），可发生 瑞默尔-梯门（Reimer-Tiemann）反应及与重氮盐偶合：
吡啶
六氢吡啶
0nm
0.130nm
吸
吸电子诱导
电
吸电子共轭
N 0.134nm
-30
µ=7.4× 10 c.m
N
H
-30
µ=3.9× 10 c.m
子 诱 导
3 ) 缺“π”芳杂环—氮原子使环上碳原子的电子云密度降 低，亲电取代反应比苯难进行。
吡啶的性质
吡啶N
P
１、弱碱性 （pKa=5.19）
Ag(NH3)2
CHO O
COOH O
2. 不含α-H的芳醛，可发生康尼扎罗(Cannizzaro S.)反
应
浓NaOH
CHO O
O
COOH +
O
CH2OH
3. 在醋酸存在下与苯胺作用,生成一种亮红色缩合产 物，可检验糠醛。
O CHO + H2N
- H2O
CH=N O
二）含两个杂原子的五元杂环
1、结构与物理性质
SP2杂化变为SP3杂化， S成分减少，电子受核束缚减弱，结合H+
的能力比SP2杂化的N强)。
三、五元杂环化合物
一）呋喃、噻吩和吡咯
4 4 4
5
2
1O
呋喃
5
2
1S
噻吩
5 1HN
2
吡咯
1、结构和芳香性 furan thiophene pyrrole
sp 2
Z Z= O S NH
碳原子P轨道中有一个电子 杂原子P轨道中有两个电子 形成环状离域大键。 电子数:6 有芳香性。
P
1、吡啶 有特殊臭味，无色液体。
SP2
N
具有碱性
未参与共轭
N
未参与成键
处于sp2杂 化轨道上
一个闭合的共轭体系 特点: 符合休克尔4n+2规则 吡啶具有芳香性
1）C-C键长与苯近似，C-N键长则处于C-N键长和C=N 键长之间。说明吡啶环系具有与苯相似的结构。
2）吸电子诱导效应和吸电子共轭效应共存，方向一致 。 键长不象苯(0.140nm)一样完全平均化。
低 b）Lewis酸与吡啶生成酸碱络和物。
卤化:
Br2,浮石
Br Br
Br
+
N
3000C
N
N
(37%)
(26%) Br2 Br
硝化:
浓HNO3,浓H2SO4
N
NO2
AcOH,200C NH2
N (92%)
NH2
N
3000C,1天
N (6%)
磺化:
CH3
SO3,H2SO4
N
HgSO4
浓H2SO4
NO2
第十五章 杂环化合物
(heterocyclic compounds)
构成环的原子除C外还有其它原子的一类环状化合物 。
最常见的杂原子：O、N和S，以N为最多。
O H2C CH2
O
HC C
HC
O C
O
C NH
C
O
O
环氧乙烷 顺丁烯二酸酐
邻苯二甲酰亚胺
本章主要讨论具有芳香性的杂环化合物，即芳杂环化合 物(aromatic heterocycles)。环比较稳定、在结构上与芳香族化合 物相似。(环为平面型，π电子数符合4n+2规则）
2、亲电取代反应
反应活性: 吡啶 < 苯环
吡啶N的吸电子诱导和吸电子共轭与硝基苯类似
反应发生在位。、位不发生反应。
0.87 1.01
N 0.84
1)硝化、磺化等只能在极强的条件下进行，且产率很低 , 当环上有给电子基团时，能增进吡啶环的反应活性。
2)吡啶环不能发生傅-克反应。原因：a）环上电子云密度
有芳香性，6e
咪
N 吡啶N
唑N
H 吡咯N
吡
N 吡啶N
唑
N H
吡咯N
N吡啶N 噻
S
唑
pKa 7.0
2.5
2.4
碱性： 咪唑 > 吡唑 > 噻唑
碱性中心
N
+ H+ N H
H N+ N H
水溶解度均比吡咯、呋喃、噻吩要大，因增加了一个氮 原子，从而增加了与水分子形成氢键的能力。
沸点差距较大，其中吡唑和咪唑沸点较高，因能形成 分 子间的氢键。
COOH
N
SeO2 N CH3
或 KMnO4/OH
N
2-吡啶甲醛
N CHO
3-吡啶甲酸 （烟酸）
N KMnO4 HOOC
N
P SP2
吡啶还原比苯容易
哌啶(六氢吡啶) SP3
有芳 香性
Na + C2H5OH
无芳 香性
N 或 H2/Pt , 0.3MPa, 250C
N
H
六氢吡啶易溶于水、乙醇和乙醚。碱性比吡啶强(N由
位比位活泼。亲电取代主要发生在位。
1）卤化
O
S
Br2
00C, 二噁烷 O
Cl2 - 400C,AcOH O
Br2 ACOH
Cl2 500C I2, HgO
C6H 6,00C
Br 80% OO
Cl 64% 二噁烷
Br (78%) S
Cl (36%) S
I (70%) S
吡咯极易卤化生成四卤吡咯：
I
N
N
H
H
N
N
吡唑的二聚体
N NH N NH N NH 咪唑的线性多聚体
2、酸碱性
碱性均比吡咯强（多了一个具未共用电子对的N）
1,2-唑类杂原子相距较近，吸电子诱导效应使碱性较1,3-唑类弱
N
N
( <)
O
N H
N >
N H
N N H
N >
O
N O
氮唑类：吡咯N的给电子共轭吸电子诱导使碱性增强
氧唑类：氧的吸电子诱导给电子共轭使碱性减弱；
1
NH 1
25
25
N2
3 4 N3 4
3
pyrrolidine 噻唑 咪唑 吡唑
thiazole imidazole pyrazole
类 母体碳环 别
六 元 杂苯 环 benzene
杂环母体
5
5
6 N 2
1
吡啶
6 N 1 2 H
哌啶(六氢吡啶)
pyridine 1
6N
piperdine
2
NH
5
5 N3
2. 酸碱性
吡啶N：吸电性 吡咯N：给电性
吡咯没有碱性, 有酸性(pka=17.5),比醇强而比酚弱
KOH
- + H2O
N
N
H
K+
CH3MgI
N
乙醚
H
+ CH4 N
MgI
3.化学反应
杂原子提供一对电子参与共轭，环上π电子云密度比 苯环大,亲电取代反应比苯容易进行。
亲电取代反应活性: 吡咯 > 呋喃 > 噻吩 > 苯 稳定性：苯 > 噻吩 > 吡咯 > 呋喃
S CH2CH2OH
2-(2-羟乙基)噻吩 2-(2-噻吩)乙醇
O C N(C2H5)2
N N,N-二乙基-3吡啶甲酰胺
CH3
N3
Br N 1
CH3
1,4-二甲基-5-
溴咪唑
N3 CH3 S 1
5-甲基噻唑
稠杂环的命名
有固定的编号顺序，通常从一端开始依次编号。公用的
碳原子一般不编号。尽可能使杂原子取较小的编号，并遵
SP2
(CH3)3N > NH3 >
pKa 9.8
9.3
>
N
5.19
NH2
4.6
NH3 pKa 9.3
PhNH2 4.60
PhNHCH3 PhN(CH3)2
4.85
5.06
N + HCl
N HCl 或
NHCl
可作碱性溶剂和脱酸剂（缚酸剂），生成相应的吡啶盐
NO2 BF4
N CH3Et2O, 室温
路易斯酸
一、分类和命名
类 母体碳环
杂环母体
别
4
4
五 元
杂 环
4
5
2
1
环戊二烯
cyclopentadiene
5
2
1O
4
呋喃 furan
5 1S 2 噻吩
thiophene
4
1
5 1HN 2 吡咯啶
5 4
S N
5
1
N H
吡咯
2
4 5 1O
2
pyrrole 四氢呋喃
tetrahydrofuran
H N
+ 4 I2 + 4NaOH N H
I
N H
Br2, 0oC Br
I + 4 NaI + 4H2O I
Br
N H
EtOH
Br
N H
Br
（2）硝化
呋喃和吡咯易被氧化，甚至能被空气氧化，遇无机酸易 聚合，因而不能用HNO3硝化。通常用比较温和的非质子 硝化试剂，如用硝酸乙酰酯(硝乙酐)
CH3COONO2硝酸乙酰酯有爆炸性，随用随制
CCH3 O
3）磺化
吡咯和呋喃不能用硫酸直接磺化，要用温和的非质子 磺化试剂。
N SO3 HCl
O ClCH2CH2Cl,1000C
O
SO3
N
H
O
SO3H (41%)
N SO3 HCl
N
1000C
H
N
SO3
H
N SO3H (90%) H
当吡咯或呋喃环上连有吸电子基团时，可用一般的磺化 方法。噻吩是这些五元杂环化合物中最稳定的一个, 可在 室温下直接磺化。
SO3
BF4 N CH3 NO2
N CH2Cl2,室温
( N-磺酸吡啶 ) N
SO3 吡啶三氧化硫 N
SO3
N SO3 HCl
O ClCH2CH2Cl,1000C
O
SO3
N
H
O
SO3H (41%)
吡啶盐(固体，有芳香性,因反应时并未破坏它的环状封闭共轭体 系），是活性强而温和的硝化、磺化、烷基化或酰基化 试剂。
4
嘧啶
6 HN1 2 哌嗪
pyrimidine
piperizine
类 母体碳环 别
4
5
3
6
2
7 茚1
稠 indene
杂
环
54
6
3
7
2
8 萘1
napthalene
杂环母体
4
5
3