杂环化合物

OH N HO N HO N
OH CH3 N HO N
NH2
N
尿嘧啶 ( U )
胸腺嘧啶 ( T )
胞嘧啶 ( C )
uracil
thymine
cytosine
§17.4
稠杂环化合物
稠杂环化合物是指苯环与杂环稠合或杂环与杂环稠合在一起的化合物。常见的有 喹啉、吲哚和嘌呤。
5 6 7 8
4 3 5 6
NH3Cl N CH3 N
Cl CH3 S 噻唑环 CH2CH2OH
对糖类的新陈代谢有 显著的影响，人体缺 乏时可以引起脚气病
CH2 N
§17.3
六元杂环化合物
六元杂环化合物中最重要的有吡啶、嘧啶和吡喃等。
N N 吡啶 N 嘧啶 O 吡喃
吡啶是重要的有机碱试剂，嘧啶是组成核糖核酸的重要生物碱母体。
Cl2, AlCl3 100 ℃ Br2, 浮石催化 300 ℃ 气相
Cl
3 氯吡啶 3 溴吡啶
N
Br
N
NO2
N
浓 H2SO4 HgSO4 催化， 220 ℃ 混酸 300 ℃
3 硝基吡啶
N
SO3H
吡啶 3 磺酸
N
3．氧化还原反应 （1）氧化反应 吡啶环对氧化剂稳定，一般不被酸性高锰酸钾、酸性重铬酸钾氧化，通常是侧链 烃基被氧化成羧酸。
+ HCl N + SO3 CH2Cl2 室温
N HCl
NH3 N
此反应常用于 在反应中吸收 生成的气态酸
N
N SO3 (90%) 吡啶三氧化硫络合物 是常用的缓和磺化剂
R RI N N RI 300 ℃ N I R + N I OH N R N 制取烷基吡啶的一种方法
R
OH
2．亲电取代反应 吡啶环上氮原子为吸电子基，故吡啶环属于缺电子的芳杂环，和硝基苯相似。其亲 电取代反应很不活泼，反应条件要求很高，不起傅-克烷基化和酰基化反应。亲电取代 反应主要在β-位上。
2 1
α NH N N HN γ
3 4
δ
8 7
β
5 6
卟啉族化合物广泛分布与自然界。血红素，叶绿素都是含 环的卟啉族化合物。在 血红素中环络合的是Fe，叶绿素环络合的是Mg。血红素的功能是运载输送氧气（P564） 叶绿素是植物光合作用的能源。 1964 年，Woodward用 55 步合成了叶绿素。1965 年接着合成VB12，用 11 年时间完成了 全合成。 Woodward 一生人工合成了 20 多种结构复杂的有机化合物，是当之无愧的有机 合成大师。Woodward 20 岁获博士学位，30 岁当教授，48 岁时（1965 年）获诺贝尔化
化硫的络合物，噻吩可直接用浓硫酸磺化。 2．加氢反应
H2, Ni or Pd O H2, Ni or Pd N H H2, Ni S O
四氢呋喃 ( THF )
四氢吡咯 N H 不能用 Pd 催化 因噻吩能 Pd 使中毒
S
3．呋喃、吡咯的特性反应 （1） 呋喃易起 D-A 反应
O O O + O O 30 ℃ O O 内式 (90%) O +
§17.1
杂环化合物的分类和命名 （略）
17.1.1 分类
17.1.2 命名
杂环的命名常用音译法，是按外文名词音译成带“口”字旁的同音汉字。
N H (pyrrole) 吡咯 N N (pyrimidine) 嘧啶
O (furan) 呋喃
S (thiophene) 噻吩
N (pyridine) 吡啶 N N N N H (purine) 嘌呤
O O O O
外式
吡咯、噻吩要在特定条件下才能发生 D-A 反应。 （2）吡咯的弱酸性和弱碱性
吡咯虽然是一个仲胺，但碱性很弱。
NH2 N H Kb 3.8 × 10-10 2.5 × 10-14 N H 2 × 10-4
原因： N 上的未共用电子对 参与了环的共轭体系， 减弱了与 H 的结合力。
吡咯具有弱酸性，（其酸性介与乙醇和苯酚之间。
非芳香杂环 如 杂环化合物
O
, O
O ,
NH …… N H , N ……
芳杂环（符合休克尔规则的杂环）如
杂环化合物不包括极易开环的含杂原子的环状化合物，例如：
O
,
O O ,
O O O
,
NH O
本章我们只讨论芳香族杂环化合物。 杂环化合物是一大类有机物，占已知有机物的三分之一。杂环化合物在自然界分布 很广、功用很多。例如，中草药的有效成分生物碱大多是杂环化合物；动植物体内起重 要生理作用的血红素、叶绿素、核酸的碱基都是含氮杂环；部分维生素，抗菌素；一些 植物色素、植物染料、合成染料都含有杂环。
N (quinoline) 喹啉
N H (indole) 吲哚
当环上有取代基时，取代基的位次从杂原子算起依次用 1,2,3,… (或α,β,γ…)编号。 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。例见P552
§17.2 五元杂环化合物
含一个杂原子的典型五元杂环化合物是呋喃、噻吩和吡咯。含两个杂原子的有噻 唑、咪唑和吡唑。本节重点讨论呋喃、噻吩和吡咯，简单介绍一下噻唑、咪唑和吡唑。
第十七章 杂环化合物
学习要求：
1．掌握各类常见杂环化合物的结构和命名。 2．掌握呋喃、噻吩、吡咯、吡啶、吲哚、喹啉的化学性质。 3．认识核酸组成中的重要碱基——嘧啶、嘌呤；了解叶绿素、血红素等卟啉环化合 物；了解生物碱的有关知识。 杂环化合物是指组成环的原子中含有除碳以外的原子(杂原子——常见的是 N、O、 S 等)的环状化合物。
17.2.1 呋喃、噻吩、吡咯杂环的结构
呋喃、噻吩、吡咯在结构上具有共同点，即构成环的五个原子都为sp2杂化，故成 环的五个原子处在同一平面，杂原子上的孤对电子参与共轭形成共轭体系，其π电子数 符合休克尔规则（π电子数 = 4n+2），所以，它们都具有芳香性。
O
O 共轭体系 π 电子 = 6 为Π
OH N H Ka = 1.3 × 10-10 1× 10-15
CH3CH2OH 1 × 10-18
故吡咯能与固体氢氧化钾加热成为钾盐，与格式试剂作用放出 RH 而生成吡咯卤化镁。
N H
N H
热 + KOH 固体 + RMgX 干乙醚
N K
+ H2O
N MgX
+
H2O
吡咯钾盐和吡咯卤化镁都可用来合成吡咯衍生物。
HOOC CH3 CH3 S
N
C O CH NH C R O
R = CH2 R = CH2 O
为青霉素 G 为青霉素 V 常用青霉素
R = CH CH CH2 S CH3 为青霉素 O
青霉素具有强酸性(pKa≈2.7),在游离状态下不稳定(青霉素 O 例外)，故常将它们 变成钠盐、钾盐或有机碱盐用于临床。 维生素B1（VB1）
N H N 上的孤电子对在 P 轨道上，参与 环内共轭，为富 电子芳环。
N N 上的孤电子对在
N
C_ sp2 N_ sp2 成环原子 共平面
Π
6 6
体系
sp2 轨道上，在环外 未参与环内共轭。
由于吡啶环的 N 上在环外有一孤对电子，故吡啶环上的电荷分布不均。
γ 0.87 β α N
1.43 1.01 0.84
CH3 KMnO4 / H N β HNO3 N
COOH N 吡啶甲酸（烟酸）
COOH N α 吡啶甲酸
吡啶易被过氧化物（过氧乙酸、过氧化氢等）氧化生成氧化吡啶。
O CH3C-OOH N N O
氧化吡啶在有机合成中用于合成 4-取代吡啶化合物。
NO2 HNO3 N O H2SO4 90 ℃ N O PCl3
4 3 2 1N 2
6
5
N
7 8
N
1
2
喹啉 ( Quioline )
N1 7 H ( indole ) 吲哚
N 9 3 H ( Purine ) 嘌呤
N
4
17.4.1 吲哚
吲哚是白色结晶，熔点 52.5℃。极稀溶液有香味，可用作香料，浓的吲哚溶液有 粪臭味。素馨花、柑桔花中含有吲哚。吲哚环的衍生物广泛存在于动植物体内，与人 类的生命、生活有密切的关系。
17.3.1 吡啶
(一) 来源、制法和应用
吡啶存在于煤焦油页岩油和骨焦油中，吡啶衍生物广泛存在于自然界，例如，植物 所含的生物碱不少都具有吡啶环结构，维生素PP、维生素B6、辅酶Ⅰ及辅酶Ⅱ也含有吡 啶环。吡啶是重要的有机合成原料（如合成药物）、良好的有机溶剂和有机合成催化剂。 吡啶的工业制法可由糠醇与氨共热（500℃）制得，也可从乙炔制备（P565）。吡啶 为有特殊臭味的无色液体，沸点 115.5℃，相对密度 0.982，可与水、乙醇、乙醚等任意 混和。 （二）吡啶的结构
NO2 + POCl3 N
（2）还原反应 吡啶比苯易还原，用钠加乙醇、催化加氢均使吡啶还原为六氢吡啶（即胡椒啶） 4．亲核取代 由于吡啶环上的电荷密度降低，且分布不均，故可发生亲核取代反应。例如：
NaNH2 N 二甲苯胺中回流 N NHNa
H2O N NH2
17.3.2 嘧啶及其衍生物
N N
嘧啶本身不存在于自然界，其衍生物在自然界分布很广，脲嘧啶、胞嘧啶、胸腺嘧 啶是遗传物质核酸的重要组成部分，微生素B1也含有嘧啶环。合成药物的磺胺嘧啶也含 这种结构。
电荷分布
N > β > α >γ
亲电取代 β 位 亲核取代 α ， γ 位
（三）吡啶的性质 1．碱性与成盐 吡啶的环外有一对未作用的孤对电子，具有碱性，易接受亲电试剂而成盐。吡啶 的碱性小于氨大于苯胺。
CH3NH2 pKb 3.38
NH3 4.76 N 8.80 9.42
NH2
吡啶易与酸和活泼的卤代物成盐。
N H
CH2 CH COOH NH2 分解 N H
RCOCl N H
KOH（固体） 热
N K
N COR RI N R
N H N H
Байду номын сангаас
COR
R
RCOCl
RMgX
N H
干乙醚
N MgX
N COR RI N R
N H N H
COR
R
17.2.3 重要的五元杂环衍生物
（一）糠醛（α- 呋喃甲醛） 1．制备 由农副产品如甘蔗杂渣、花生壳、高粱杆、棉子壳……用稀酸加热蒸煮制取。
(C5H8O4)n 多聚戊糖
3~5%H2SO4 水蒸气
HO CH OH
CH OH OH
CH2 CH CHO 戊糖
稀 H2SO4 CHO 呋喃甲醛
2．糠醛的性质 （1）氧化还原反应
同有α-H 的醛的一般性质。
CuO, Cr2O3 150 ℃, 10MPa O CHO KMnO4 弱碱性 O V2O5 - MoO O2, 320 ℃, O O O + CO2 + H2O COOH O CH2OH
学奖。
17.2.4 噻唑和咪唑
1．噻唑 噻唑是含一个硫原子和一个氮原子的五元杂环，无色，有吡啶臭味的液体，沸点 117℃，与水互溶，有弱碱性。是稳定的化合物。一些重要的天然产物几合成药物含有 噻唑结构，如青霉素、维生素B1等。 青霉素是一类抗菌素的总称，已知的青霉素大一百多种，它们的结构很相似，均具 有稠合在一起的四氢噻唑环和β- 内酰胺环。
五元杂环吡咯、呋喃、噻吩的反应实例见P555~556 说明：吡咯、呋喃、噻吩的亲电取代反应，对试剂及反应条件必须有所选择和控制。 卤代反应 硝化反应 在低温下进行。 磺化反应 呋喃、吡咯不能用浓硫酸磺化，要用特殊的磺化试剂——吡啶三氧 不需要催化剂，要在较低温度和进行。 不能用混酸硝化，一般是用乙酰基硝酸酯(CH3COONO2)作硝化试剂，
0 0 0 0 0 0 - 0.02 - 0.03
P554
P554
- 0.04
- 0.06
O
+ 0.1
S
+ 0.20
- 0.06
N H
- 0.10 + 0.32
五元杂环有芳香性，但其芳香性不如苯环，因环上的π电子云密度比苯环大，且分 布不匀，它们在亲电取代反应中的速率也比要苯快得多。亲电取代反应的活性为： 吡咯 > 呋喃 > 噻吩 > 苯，主要进入α-位。
6 5
S
S
符合 4n + 2 具有芳性 富电子芳环
N H
H
N
17.2.2 呋喃、噻吩、吡咯的性质
（一）存在与物理性质 （二）光谱性质 （三）化学性质 1．亲电取代反应 从结构上分析，五元杂环为Π56共轭体系，电荷密度比苯大，如以苯环上碳原子的 电荷密度为标准（作为 0），则五元杂环化合物的有效电荷分布为：
（2）歧化反应
O
CHO
浓碱 O
COOH
+ O
CH2OH
（3）羟醛缩合反应
O
CHO + CH3CHO
稀碱 O
CH=CHCHO
（4）安息香缩合反应
O
CHO
KOH 醇溶液 O
O CH C OH O
3．糠醛的用途 糠醛是良好的溶剂，常用作精练石油的溶剂，以溶解含硫物质及环烷烃等。可用于 精制松香，脱出色素，溶解硝酸纤维素等。糠醛广泛用于油漆及树脂工业。 （二）吡咯的重要衍生物 最重要的吡咯衍生物是含有四个吡咯环和四个次甲基(-CH= )交替相连组成的大环 ( ）化合物。其取代物称为卟啉族化合物。