有机化学第15章

（抗癌药） HO O
SS
H2O
SS
TTF
HgOH
NaO
O
O
Br 红汞
Br CO2Na
Br
NaO
O
O
Br 曙红 （红墨水）
Br CO2Na
杂环化合物的类型
芳香杂环
N
O
S
N H
N H
H
NN
N
N
N
N
N
N
普通杂环
O
O
O
N
OO O
O
H
环醚，内酰胺，环状酸酐，内酯等
OO
§15.1 杂环化合物的分类、命名
杂环分类:
+
S
（Hale Waihona Puke 量） 反应快H2SO4 r. t.
S SO3H 溶解于硫酸中
（3）五员芳杂环的Friedel-Crafts反应
(CH3CO)2O
N H
(CH3CO)2O
O
BF3
(CH3CO)2O
S
SnCl4
COCH3 N H
2-乙酰基吡咯
COCH3 O
2-乙酰基呋喃
COCH3 S
2-乙酰基噻吩
2）五员芳杂环的加成反应
H3C 4
3
N
5
2
N1
H
4-甲基咪唑
10
3. 含两个不同的杂原子：按O, S, N顺
3
N
4 序编号
2 S 5 CH3 5-甲基噻唑
1
4. 特殊编号
5 6
4 3
7
2
N
8
1
喹啉
Quinoline
5 6
4 3
7
N2
8
1
异喹啉
Isoquinoline
6
1N
5
N7
8
2 N 4 N9
3
H
嘌呤
Purine
11
5. 标氢编号
钝化芳环、 b取代为主
对反应位置选择性及钝化现象的解释
i）由吡啶共振式分析:
N
N
N
N
N
E
d
E
结论:
d Nd
d
1. 环上带正电核, 不利于亲电取代 2. b 位的正电荷密度相对较低、
较易受亲电试剂进攻
对反应位置选择性及钝化现象的解释
ii）根据中间体的稳定性分析：
• a 位取代
E N a位
E N
H
E NH
N SO3 （吡啶SO3加合物）
N SO3
H+
N
100oC
H
N
SO3H
H
90%
N SO3
Ba(OH)2
S
r. t.
Ba2+
S
SO3 2
86%
N SO3
H+
+
O
r. t.
O
SO3H
HO3S O
SO3H
41%
15%
•噻吩活性大，较稳定：可直接用硫酸磺化
H2SO4
S
r. t.
S SO3H
应用：从煤焦油中得到的苯含噻吩，利用 该反应将其除去
N
4.氧化还原反应
（1）吡啶侧链的氧化反应
（2）吡啶的还原反应
H2, Pt
N
0.3 MP
N
H
六氢吡啶又称哌啶(pK=2.8),为仲胺化合物,碱性为吡啶的106倍
N
喹啉
Sn / HCl
H2, Ni
or Na / EtOH
N
H
1, 2, 3, 4-四氢喹啉
吡啶环比苯环易被还原
N H
十氢喹啉
嘧啶及其衍生物
（1）催化加氢
O
H2 / Ni
H2 / Ni
N H
Ni/H2
脱S
S
(2)Dields-Alder反应
O+
H2 / MoS2
O
O O
O
THF（常用的有
机溶剂）
吡咯烷：一个仲胺
N H
使用特殊催化剂（噻 吩能使常用氢化催 S 化剂中毒）
O OO
O
3) 吡咯的弱酸性
吡咯N-H: 弱酸性
由于共轭 N-H 键极性增加， 使吡咯表现出 弱酸性
- H+
NE
中间体有两个 主要共振式
E NH
不稳定 正电荷在电负性
大的原子上
• b 位取代
E H
N 中间体有三个主要 共振式，较稳定
E
N b
attack
E H
N - H+
E
N
E
H N
• g 位取代 ： （与a位取代类似）
E N
- H+
EH N
E N
EH
N
不稳定 正电荷在电负性
大的N原子上
EH N
1）符合Hückel规则 i）环状的平面结构 ii ）垂直于平面的p轨道 iii） 4n+2 p电子
2）易发生芳香族化合物的典型反应----亲电取代
3）1H NMR特征吸收在 δ= 6 ~ 9ppm
二、含一个杂原子的五员芳杂化合物的性质
芳香性
N
不饱和共轭双烯性质
H
O
A
杂原子本身的性质
S
杂原子对环的影响
N
异喹啉 isoquinoline
N
H
吲哚 indole
N
N
NN
H
嘌呤 purine
喹啉及异喹啉
5 6
7 8
喹啉
4 3
2
N
1
5 6
7 8
4 3
N2
1
异喹啉
50
喹啉的制备（Skraup合成 法）
CH2OH
H2SO4
+ CHOH
NH2 CH2OH
NO2
N
反应历程
（1）：
CH2OH CHOH CH2OH
6
1N
5 N7
2
N
3
4
N
9
8
H
嘌呤
purine
4
5
3
6 7
2
N
1
H
吲哚
indole
命名：一般采用音译法
杂环的编号
1. 只含一个杂原子：杂原子为1，并使取代基编号最小
4
3
2-甲基呋喃 5 O 2 CH3 2, 5 a位 3, 4 b位
1
2. 含两个相同的杂原子：从有H或取代基的杂原子编起， 并使第二个杂原子编号最小。
中间体有两个主要共振式
KNO3+H2SO4 Fe 350oC N
NO2
(15%)
N
β- 硝基吡啶
H2SO4.SO3 230oC，24h N
SO3H (71%)
N
β- 吡啶磺酸
N
+ Br2 300oC
Br N
β- 溴吡啶
3.吡啶环上的亲核取代反应
通过氧化去氢
d
Nu
或 与负氢接受体结合
d Nd
d
N Nu
中间体较不稳定
E+ A
E A
E H
A
- H+ 贡献最大 （满足八隅体）
E
A
亲电取代反应相对活性的解释
i.根据五员杂环结构分析
杂原子起给电子基 的作用，环上的电 荷密度比苯环大
A
A
A
A A
ii. 根据中间体稳定性分析
E+ A a取代
H
AE 满足八隅体 （较稳定）
H+
AE
•比较：苯的亲电取代
E+
EH
第十五章 杂环化合物 (Heterocyclic compounds)
主要内容
1.芳香杂环化合物分类、命名 2.五员芳杂环（呋喃、噻吩、吡咯）的结构、性质 3.六员芳杂环（吡啶）的结构、性质 4.稠杂环简介（略） 5.生物碱简介（略）
杂环所涉及的领域
1. 药物
2. 染料 3. 工程高分子材料 4. 生物模拟材料
HOOCH2CH2C
CH2CH2COOH
卟吩
血红素
叶绿素(Chlorophyll a)
叶绿素a、b和细菌叶绿素都是原初叶绿 素，可聚集太阳的光能
咪唑的结构与功能
N
H3C N
N
N
H
H
H3C
H
N
N
咪唑环 互变异 构现象
咪唑
a
4-甲基咪唑
5-甲基咪唑
在生物体内,组氨酸含有一个咪唑基,具有独特的化学性质，它既是一
N
N
H
Me
3-氯吡咯 1-甲基-3-乙基吡咯
thiophene
•五员芳杂环衍生物
3
2
N H
N H
O
吡咯烷
2, 3-二氢吡咯 四氢呋喃 (THF)
pyrrolidine
tetrahydrofuran
（2）含两个以上杂原子的五员环
4
3
5 1 N2 N H
吡唑 pyrazole
4 N3
51 2
N H
4 N3
1)五员芳杂环的亲电取代反应
取代位置
主要产物
E
E+ +
A
A
E
A
a-取代
b-取代
反应相对活性
>
>
>
N
O
S
H
3 1018
6 1011 5 109
1
取代位置选择性的解释
a位取代
AE 中间体有三个 主要共振式
中间体较稳定
E+
A a - 取代
AE
- H+
H AE
贡献最大 （满足八隅体）
AE
b位取代
中间体主要共 振式仅有二个
H
H CONH
HS
NH2
N O
CH3
头孢氨苄 CO2H
5. 有机导体和超导材 料
6. 贮能材料
Me Se Se Me
Me
Se
Se Me
PF6 2
双四甲基四硒富瓦烯
O
（第一个有机超导体）
F
CO2H
HO
HCl H2O
N
N
O N
HN
N
O
盐酸环丙杀星
10-羟基喜树碱
Ciprofloxacin Hydrochloride
N H 吡咯
O
CH2 N 2H-吡咯
O
CH2 N 3H-吡咯
4H-吡喃
2H-吡喃
1N
6
5
H N
N
N
3
78
2 N4 N 9
N
N H
7H-嘌呤
9H-嘌呤
12
§15.2 五元芳香杂环化合物的结构与性质
一、结构
Pyrrole
Furan
Thiophene
N
O
sp2 orbital
H
S
sp2 orbital
3p orbital
•吡咯钾盐的生成
N H pKb 13.6 pKa 17.5
dry KOH
N
N
H
K
N H 2.89
+ H2O
吡咯衍生物
吡咯衍生物广泛存在于动植物体内,如叶绿素,血红素,维生素B12,胆 红素,它们都具有重要的生理活性
N HN NH N
H3C H3 C
CH CH2 CH3
NN Fe
NN
CH CH2 CH3
2-乙基吡啶 （a-乙基吡啶）
六氢吡啶（哌啶） piperidine
（2）含两个以上杂原子的六员环
N N2
1
哒嗪 pyridazine
N3
N
1
嘧啶 pyrimidine
4
N
N
1
吡嗪 pyrazine
5
N
N3
N
1
1, 3, 5三嗪
(1,3,5-triazine)
三、稠杂环
5 6
7
8
4
3
2
N
1
喹啉 quinoline
H2SO4
CHOH 重排 CH
CH2OH
CHO CH2 CH2OH
如：单环
i. 杂原子的类型和数目 ii. 环的大小 （五员环、六员环等） iii. 环的个数（单环、稠环）
monocyclic
S
N H
稠环
H
N
N
N
N
N
N
H
N
N
N N
O N
fused
一、五员芳杂环
（1）含有一个杂原子的五元杂环
b
Cl
Et
4
a3
51 2
N H
吡咯 pyrrole
O
呋喃 furan
S
噻酚
six electrons
O
N H
S
共振能R.E
97
~130
~130
151
kJ/mol
分子偶极矩/D
0.71
0.80
0.50
0
芳香性： 苯 > 噻吩 > 吡咯 > 呋喃
吡咯、呋喃和噻吩键长(pm)
143 137
N H
138
144 137
O 135
145 135
S 172
五元芳杂环的结构与性质特点
III)可以质子化,具有碱性,易溶于水
一、吡啶的碱性和亲核性
1. 吡啶氮原子上的反应 （1） 碱性 (basicity)
R3N
pKb
~4
N
N
H
~9
~14
有机合成中常用 的一个有机碱
（2）亲核性
吡啶的烷基化
+
C15H31CH2 Br
N
吡啶与SO3加合物
+
SO3
N
+
Br-
N
C16H33
溴化十六烷基吡啶盐
E
etc.
H+
不满足八隅体 （较不稳定）
➢ 亲电取代反应实例
Caution：遇强酸时杂原子被质子化，导致芳环π键的破坏
强酸
A
（A = O,S, NH）
分解 氧化 聚合
反应剧烈
硝化：HNO3/H2SO4 磺化：H2SO4
用温和试剂代替 AcONO2
AcO
+
NO2
（1）五员杂环的硝化反应
• 吡咯和噻酚发生正常亲电取代反应
+ N
SO3-
2.吡啶环上的亲电取代反应
？ 取代位置：位置选择性？ 反应活性：与苯比快或慢?
E N
+
NE
a-取代
E
+
N
b-取代
E
N
g-取代
若干实验事实
N
相当于强 吸电子基
发烟 HNO3 / 发烟 H2SO4 无反应发生
r. t .
发烟 HNO3 / 发烟 H2SO4
NO2
300oC / 24h
N
Nu = NH2, Ph
H