有机化学-第十三章

4）综上所述，它们的芳香性由强到弱的顺序为：
二、六元单杂环化合物的结构和芳香性
吡啶具有六元单杂环的典型结构和苯的结构很相似， 是苯中的一个碳原子被氮原子代替，氮原子以 sp2 杂化 轨道和两个相邻碳原子的 sp2 杂化轨道形成两个 σ 键 。环上每个原子均有一个 p 轨道垂直于环的平面，组成 闭合的6电子大 π 轨道，因此，吡啶环也有芳香性。吡 啶的结构如图所示：
这个加成物是温和的磺化试剂，可用来磺化那些对强酸不稳 定的化合物。如：呋喃等。
当 α 位上有烷基取代时，生成的络合物的稳定性下降。 如下列络合物的稳定性次序为：
α-位烷基的体积越大，络合物越不稳定。
吡啶也能与卤代烷或酰氯作用生成盐，后者是良好的酰化剂 ：
如果 R 是高级烷基，产物即是阳离子表面活性剂：
呋喃、噻吩和吡咯具有芳香性还可以从分子偶极矩看出。 在非芳香性杂环中只有诱导效应，而在相应的芳香杂环中 除诱导效应外，还有共轭效应，并且两者的方向相反。
μ=5.77x10-30C· m μ=6.33x10-30C· m
四氢呋喃
四氢噻吩
μ=5.27x10-30C· m
四氢吡咯
在呋喃、噻吩、吡咯杂环中，由于杂原子不同，显示的芳 香性也不完全一致。键长的平均化程度也不一样。实测的 键长数据如下：
亲电取代反应主要发生在 α 位上
二、定位规律
对五元杂环的亲电取代反应环上取代基有一定的定位 作用，以噻吩为例，说明如下： （1）当 α 位上有邻对位定位基(x)时，亲电试剂(E)主 要进入 5 位，3 位次之：
（2）当 α 位上有间定位基（Y）时，则 E 主要进入 4 位，少量进入 5 位：
（3）当 β 位上有邻对位定位基（X）时，E 主要进入 2 位，少量进入 5 位：
（4）当 β 位上有间位定位基（Y）时，E主要进入 5 位 ；若 5 位被占，则进入 4 位，而不进入 2 位：
常见的五元杂环化合物
一、呋喃
1.物理性质与鉴别 呋喃是无色液体，沸点31℃，难溶于Leabharlann Baidu，易溶于有机 溶剂。呋喃存在于松木焦油中，它的蒸气能使浸过盐酸的 松木片显绿色，这个现象可用来检验呋喃的存在。
第十三章
杂环化合物
O
N N
N
HN
N
N
H2N N
N H
杂环化合物的分类和命名
基本概念
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称为杂环化合物。这些其它原子称为 杂原子，最常见的杂原子有 O, S ,N 等。
一、杂环化合物的分类：
二、命名
杂环化合物的命名包括基本母环及环上取代基两部分 ，取代基的命名原则与一般化合物命名原则基本一致。 1.杂环母环的命名 杂环母环的命名常用音译法，即按照英文名称的音译 选用同音汉字，再加上“口”旁表示环状代合物。例如：
在吡啶分子中，吡啶环的键长有较大程度的平均化。在核 磁共振谱中，环上氢的 δ 值位于低场（α-H δ=8.50 β-H δ =6.98 γ-H δ=7.36）也是具有芳香性的标志。
氮原子上过多的负电荷表现在吡啶的偶极矩上，吡啶的偶 极矩比六氢吡啶的偶极矩大，因为吡啶环上的共轭同诱导 效应的方向一致都指向 N 原子，与吡咯不同，吡啶氮上 的一对未共用电子（sp2）不参与共轭，氮原子又有吸电 子作用，使环上电子云密度比苯环上的低，尤其 α、γ 位更甚，类似于苯环上连接 -NO2 等吸电子基团的作用。 所以吡啶的亲电取代反应比苯难，取代基主要进入 β 位 ；但吡啶可以发生亲核取代反应，主要进入 α 及 γ 位 。
5.吡啶环的合成
6.应用
许多药物中都含有吡啶环，如：
稠杂环化合物
一、 苯并五元杂环化合物
1.结构与存在 苯并五元杂环化合物有苯并呋喃、苯并噻吩和苯并吡 咯（吲哚）
苯并呋喃
苯并噻吩
苯并吡咯，吲哚
这三个化合物的结构是由苯环与相应所得五元杂环稠和而成 ，都是共轭体系，有芳香性。
2.化学性质 这些稠杂环化合物都比相应的简单杂环稳定，由于简 单杂环的电子密度比苯环上的高，亲电取代反应都发生在 杂环上，但反应活性比未稠合的低，而且取代位臵也有一 些变化：苯并呋喃主要发生在 2 位；苯并噻吩发生在 2 与 3 位，3 位更活泼些；吲哚主要发生在 3 位上。取代 位臵的变化可能与简单杂环中杂原子对电子亲和能力的差 异，在与苯环稠合后被突出出来所至，杂原子对电子的亲 合能力顺序为 O>S>N。
综合五元、六元杂环化合物的结构特征，虽然它们都具有 芳香性，但环上电子云密度的大小顺序为：
五元杂环化合物的亲电取代反应及 定位规律
一、亲电取代反应
呋喃、噻吩、吡咯是最常见的具有芳香性的五元杂环 化合物，能发生亲电取代反应，由于杂原子使环上碳原子 的电子云密度升高使环活化，发生亲电取代反应的活性比 苯高，同苯酚、苯胺相似，它们都可以进行通常的亲电取 代反应，如硝化、磺化、卤化和 Friedel-Crafts 反应。 其亲电取代反应条件温和，不需用浓硫酸磺化，酰基化时 用弱酸性的四氯化锡为催化剂。
二、喹啉及异喹啉
喹啉在常温时是无色油状液体，沸点是238℃；异喹 啉的熔点是26℃，沸点为243℃。喹啉及异喹啉都存在于 煤焦油和骨油中。它们都难溶于水，易溶于有机溶剂，有 弱碱性（喹啉pKb=9.15，异喹啉pKb=8.86）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。
喹啉
1.取代反应 喹啉及异喹啉的亲电取代反应比吡啶容易进行，亲电 试剂主要进攻分子中苯环部分，因为苯环上电子密度高于 吡啶环；而亲核取代反应则发生在吡啶环上，其中喹啉主 要在 2 位取代，而异喹啉主要在 1 位。
一些重要杂环化合物的名称表
2.环上取代基位臵的编号 环上有取代基的杂环化合物，需将取代基在环上的位 臵标出，杂环上的原子编号的原则如下： 1)从杂原子开始，编为 1 号，其它原子依次为 2、3…… 或把与杂原子相邻的碳原子编为 α，其它依次用 α、β 、γ……表示。 2)当环上含有两个或两个以上的杂原子时，应使杂原子所 在的位次数字最小；当环上有不同的杂原子时，按 O->S>N 的次序开始编号。 3)当环上连有不同的取代基时，习惯上根据顺序规则及最 低系列原则编号。
2.化学性质与用途 糠醛是重要的化工原料，如糠醛脱去羰基可生成呋喃 ，我国农副产品资源丰富，这是呋喃的主要来源：
糠醛是很好的溶剂，也是有机的含成原料，其性质与苯甲 醛相似，如能发生银镜反应、坎尼扎罗反应、珀金反应等 如：
三、噻吩
1.物理性质与鉴别 噻吩主要存在于煤焦油的粗苯中，粗苯中含 0.05% 噻吩是无色液体，沸点84℃,熔点-38.2℃,不溶于水，溶 于有机溶剂。在浓H2SO4 存在下，噻吩与靛红一同加热即 发生靛吩咛反应，显出蓝色，反应很灵敏，可用来检验噻 吩的存在。
由此可见： 1）五元杂环分子中的键长有一定的平均化，但不像苯那 样完全平均化，因此芳香性较苯环差，有某种程度的不饱 和化合物的性质和环的不稳定性； 2）杂原子有给电子性，环上电子云密度比苯环上的高， 因此比苯更容易发生亲电取代反应，取代主要发生在 α 位，其活性相当于苯环上连接 -OH、-SH、-NH2；
2.氧化与还原 喹啉及异喹啉发生氧化反应时，由于吡啶环上电子云 密度较低，苯环容易破裂，加氢还原时，则吡啶环容易被 加氢还原：
3.喹啉、异喹啉环的合成： Skraup合成喹啉法：
用其它芳胺代表苯胺，用其它不饱和醛、酮代替丙烯醛，可 以制备喹啉衍生物。 Doebner-Miller合成异喹啉环法：
3）由于杂原子的电负性为 O>N>S,它们的给电子能力为 S>N>O,所以环上电子云密度的大小顺序为：
它们的离域能分别为117KJ·mol-1，88KJ·mol-1，67kJ·mol-1 也说明了这点。如呋喃就表现出某些共轭二烯的性质，可 以进行双烯加成反应，有介于芳香族及不饱和脂肪族化合 物之间的某些特征。
六氢吡啶又称哌啶，是环状仲胺沸点106℃，能溶于水和有 机溶剂，常用作溶剂及有机合成原料。
4.甲基吡啶的侧链反应 甲基吡啶的侧链甲基的活泼性类似于硝基甲苯中的甲 基，不仅可被氧化生成羧基，而且其 α-及 γ-甲基中的 氢原子，可以进行一系列的缩合反应。例如：
乙烯基吡啶是合成高聚物的单体，如 γ-乙烯基吡啶与丁 二烯共聚，制成性能优异的丁吡橡胶。
同样，卤代吡啶也可以发生环上的亲核取代反应。如：
3.氧化反应 吡啶可与过氧化氢作用生成吡啶-N-氧化物。后者与 亲电试剂作用，不仅条件相对温和，且亲电取代反应如溴 化和硝化都发生在 4 位上。最后将氧原子除去，该反应 提供了一种合成 4-取代吡啶的较方便的方法： 例如：
吡啶经催化或用 C2H5OH+Na 还原，可得六氢吡啶：
吡咯很容易发生亲电取代反应，其活性与苯胺相似。如与 重氮盐能发生偶合反应，生成有色的偶氮化合物：
3.工业制备 工业上可从呋喃或乙炔与氨作用制得：
五、吡咯环，呋喃环，噻吩环的制法
五元杂环化合物可用1，4二酮合成，称为PaalKnorr合成法：
常见的六元杂环化合物
一、物理性质
吡啶及甲基吡啶存在于煤焦油及页岩油中，为无色有 强烈臭味的液体，它们的沸点如下：
近年发现不少天然存在的呋喃或氢化呋喃衍生物，具 有明显的生物活性或药用价值。例如，从重斑病感染的薯 类植物块根中分离的苦味成为含多种呋喃衍生物，如3-呋 喃甲酸，巴他酸（bacatic acid）,番薯酮等
二、α-呋喃甲醛
1.来源与制备 呋喃甲醛最初是从米糠中得来，故俗称糠醛，因为这 些农副产品中都含有戊聚糖，在稀酸作用下水解成戊醛糖 ，再进一步脱水环化，得到糠醛:
2.取代反应 由于吡啶分子中的氮原子有吸电子的诱导效应，使环 上电子云密度降低，且 α 位的电子云密度较 β 位的低 ，因此，吡啶与硝基苯类似，一般要在强烈条件下才能发 生亲电取代反应，取代基主要在 β 位，吡啶不能发生付 -克反应。但吡啶可以与强的亲核试剂进行亲核取代反应 ，主要生成 α 位取代衍生物。
2.化学性质 呋喃除能进行亲电取代反应外，还可以进行加成反应 ，如 Dies-Alder 反应，催化氢化反应：
四氢呋喃沸点65℃，是良好的溶剂，也是有机合成的原料 ，如通过开环反应制备己二胺和己二酸，它们是制造尼龙 -66的原料：
3.工业制备 呋喃由呋喃甲醛在催化剂存在下脱去羰基而得：
4.应用
也可以由乙炔制得：
四、吡咯
1.物理性质 吡咯及其同系物主要存在于煤焦油、骨油中，是无色 油状液体，沸点131℃，微溶于水，而溶于有机溶剂。 吡咯的蒸汽或其醇溶液能使浸过浓盐酸的松木片显红 色，这是鉴别吡咯及其低级同系物的方法。
2.化学性质 吡咯分子中氮上的电子对参与共轭，所以不易与 H+ 结合，基本上无碱性（pkb=13.6），而氮上的氢显弱酸性 ，如在强碱作用下，可以被取代：
它们常用做溶剂，脱酸剂等。
二、化学性质
1.弱碱性 吡啶氮原子处于 sp2 杂化轨道上的未共用电子对不 参与 π 体系。处于 sp2 杂化轨道上，因此，吡啶的碱 性（pKb=8.8）较吡咯强，也比苯胺（pKb=9.3）略强，容 易和无机酸生成盐，例如：
吡啶也可以和一系列路易斯酸生成酸碱络合物。例如：
2.化学性质 噻吩和呋喃类似，能发生亲电取代反应，在室温时同 浓H2SO4 作用即可 α 磺化，而溶于浓H2SO4。利用这个反 应，可把粗苯中的噻吩除去。噻吩可以发生加成反应，如 催化加氢生成四氢噻吩，后者具有硫醚的性质，氧化成环 丁亚砜和环丁砜：
3.工业制备 工业上噻吩可以由 C4 馏分烃（丁烷，丁烯，丁二烯） 和S迅速通过600～650℃的反应而制得：
3.命名
取代基位号及名称加上母环的名称即为杂环化合物的 名称，例如：
课堂练习
1、命名下列杂环化合物： （1）
Br
(2)
CH3
N
O
NO2
2 – 硝基 – 4 –溴呋喃
3 – 甲基吡啶
杂环化合物的结构与芳香性
一、五元单杂环化合物的结构和芳香性
五元单杂环如呋喃、噻吩、吡咯，在结构上，都符 合 Huckel 的关于芳香性的规则，即环上原子共平面，彼 此以 σ 键相连接，四个碳原子各有一个电子在 p 轨道 上，杂原子有两个电子在 p 轨道上，这些 p 轨道都垂直 于σ 键所在的平面，相互重叠形成大 π 键——闭和的 共轭体系，π 电子数目为4n+2。结构如图所示：