17 杂环化合物-五元杂环解析

H
sp2 –杂化
符合休克尔规则，具有芳香性。
呋喃
噻吩
杂原子以未共用电子对参与环的共轭，具有给电子 的共轭效应，使得环上电子云密度比苯环大，称其为富 电子芳杂环。
五元杂环化合物中各原子的电子云密度如下：
1.02 1.08 O 0.90 1.04 1.06 S 0.80 1.06 1.10 N 0.68 H
5–甲基噻唑
6–甲氧基苯并 唑
稠杂环化合物的编号一般有固定的编号顺序。如：
• 对于含一个杂原子的杂环也可把靠近杂原子的位置叫 做α位，其次为β和γ位。
γ β＇
α ＇N
β α
17.2 五元单杂环化合物
呋喃、噻吩和吡咯 17.2.1 结构和芳香性
N H
H
H N H
参与大π键生成 H 的p轨道中的电子
五元杂环：
O
呋喃 furan
N
S
噻吩 thiophene
N
吡咯 pyrrole
N O N S
N H
N H 吡唑 pyrazole
N H 咪唑 imidazole
唑 oxazole
噻唑 thiazole
N N
六元杂环：
N N N N N
吡啶 pyridine
哒嗪 pyridazine
嘧啶 pyrimidine
比苯容易进行亲电取代反应； 亲电取代反应首先发生在α位。
• 核磁共振信号大都出现在较低场(芳香性又一证据)
δ 6.24 δ 6.99 δ 6.22 δ 6.43 δ 6.28
O
δ 7.29
S
δ 7.18
N H
δ 6.68
呋喃、吡咯和噻吩的芳香性：比苯环差
呋喃、噻吩、吡咯及环戊二烯的键长/nm X－C1(单键) C2－C3 C3－C4
吡嗪 pyrazine
稠杂环：
O
苯并呋喃 benzofuran
N N H O
S
苯并噻吩 thionaphthene
N S
吲哚(苯并吡咯) indole
N N N N H N
N H
苯并咪唑 苯并 唑 benzomidazole benzoxazole
N
苯并噻唑 benzothiazole
N 吖啶 acridine
嘌呤 purine
喹啉 quinoline
N
异喹啉 isoquinoline
杂环化合物的命名 杂环化合物的命名一般采用音译的方法，即根据其 英文读音，用同音汉字左边加上“口”字旁表示。
杂环的编号 一般从杂原子开始；当环上有两个或两个以上的杂 原子时，应使杂原子的编号尽可能小；对于不同的杂 原子，按O→S→N的顺序编号。
X=O,S, NH,CH2
X
呋喃 0.1362(0.143) 噻吩 0.1714(0.182) 吡咯 0.1370(0.147) 环戊二烯 0.1502
0.1361 0.1370 0.1382 0.1341
0.1430 0.1423 0.1417 0.1455
C C
C C
键长/nm 0.154 0.134
第17章 杂环化合物
杂环化合物：
构成环的原子除碳原子外还有其它原子的一类环 状化合物 ，常见的杂原子是O,N,S。
O
四氢呋喃
O NH NH2 O N H H S
哌啶
N H
N
吡啶
CH CH2 CH3 CH CH2 N Fe N N CH3 H3C HOOCCH2CH2 N
·H2O
H3C
CH3 COOH
头孢氨苄(先锋霉素IV)
血红素(heme)
CH2CH2COOH
自然界中的杂环化合物
R = CH3 R N Mg N N O O O N O R= CHO CH3 O Chloropgyll a Chloropgyll b
RO O R'O H H NCH3
R,R' = H O C
Morphine base
4 5 Y 1
3 2 G
Y=S, N
G＝邻、对位定位基,
第二个基团进入C-5位。 G＝间位定位基, 第二个基团进入C-4位。
B. 加成反应
1.催化加氢
H2 / Pd O O H2 / Pd N H H2 / MoS2 S S N H
Y=O, S, N G＝邻、对位定位基, 第二个基团进入与G相邻的α位， 即C-2位。
G＝间位定位基,
第二个基团进入与G间位的α位， 即C-5位。
COOH S
3-噻吩甲酸
+ Br2
25 ℃
COOH Br S
5-溴- 3-噻吩甲酸
4 5 O 1
3 2 G
无论G是什么基团， 第二个基团均进入C-5位。
2. 磺化 吡咯、呋喃通常采用吡啶与SO3的加合物：
N + SO3 N·SO3
噻吩可直接 用硫酸磺化
S
+ H2SO4(浓) 室温
噻吩－2－磺酸 (~75%)
S
SO3H
煤焦油中提取的苯含0.5% 噻吩。这是制取无噻 吩苯的一种方法.
应用：除去苯或甲苯中的噻吩
H2SO4 S r. t. S SO3H
&
反应快
溶解于硫酸中
3. 卤化
采用溶剂稀释、低温
O
O
+ Br2
O 0℃
Байду номын сангаас
α –溴代呋喃 (90%)
O
Br
S
+ Br2 AcOH
室温
Br S α –溴代噻吩
4. Friedel–Crafts酰基化
催化剂： SnCl4, BF3等(催化活性较弱）
吡咯、呋喃、噻吩亲电取代反应的定位规律：
4 5 Y 1 3G 2
芳香性：苯 > 噻吩 > 吡咯 > 呋喃
17.2.2 五元杂环化合物的化学性质
A. 亲电取代反应
X
杂原子的＋C 效应，增加了杂环的 亲电取代反应的活性。 亲电取代反应活性顺序：
> N H O > S >
X = NH,O,S
它们在亲电取代反应中，使用温和的试剂： 1. 硝化
一般采用硝酸乙酰酯 CH3COONO2作硝化剂
吗啡碱
R,R' = H3C
Heroin
海洛因
R = CH3, R' = H
Codeine
可待因
17.1 杂环化合物的分类、命名
芳香性杂环 非芳香性杂环: 杂环
非芳香性杂环
O
O O 四氢呋喃 1,4–二氧六环
N H N N
四氢吡咯
六氢吡啶
H
奎宁环 (1–氮杂二环[2.2.2]辛烷)
芳杂环化合物 :
基本要求： 1. 掌握五元杂环化合物（呋喃、吡咯、噻吩、糠醛） 的命名、结构和芳香性； 掌握五元杂环化合物的典型 反应（重点）； 2. 掌握六元杂环化合物（吡啶、嘧啶）的命名、结构 和芳香性；掌握六元杂环化合物的典型反应（碱性； 亲电取代反应；还原反应；烷基吡啶侧链上的反应） （重点，难点）。 3. 掌握稠杂环化合物（吲哚、喹啉、异喹啉）的命名、 结构和芳香性；掌握稠杂环化合物的典型反应（碱性； 亲电取代反应；亲核取代反应；还原反应；氧化反应） （重点，难点）。 7. 掌握喹啉的合成方法。