暨大有机化学课件第十五章_杂环化合物

HOOC
CH3 CH3
N S
CO
CH NH C R O
R = CH2
为青霉素 G
R = CH2 O
为青霉素 V 常用青霉素
R = CH CH CH2 S CH3 为青霉素 O
2．维生素B1（VB1）
NH3Cl Cl
N CH3 N
CH2 N
C来自百度文库3
S
CH2CH2OH
噻唑环
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
Al C l3
O
CHO
吡啶三氧化硫，一种温和的磺化剂
磺化 O
N H
S
C5H5N SO3 C5H5N SO3
浓H2SO4 室温
O SO3H 不能用强酸！
N SO3H H
（苯在室温下不能磺化 ！） S SO3H
说明：① 噻吩环芳性比呋喃环和吡咯环强，较稳定； ② 噻吩环上电子云密度比苯环大，更容易磺化。
N
N
PKb
9.1
8.8
吲哚亲电取代反应发生在什么位置？C－3位
苯环
4
5
3
1
6
N 2 吡咯环
7H
+ E+ N H
进攻 C2 进攻 C3
只有一个带有完
+ 整苯环的共振杂化体。
E
N2 H
H
3E
3E
H N+ H
+H N H
有两个带有完整苯环的共振杂化体。
有利于亲电取代反应的 发生,且主要发生在5, 8 -位。
O
S
N H
C H2
③ 离域能数据
以上的数据或实验事实说明，芳香性：
S
N
O
H
与苯的性质接近
具有部分共轭 二烯的性质
（2） 六元杂环的结构
吡啶中氮原子采取不等性sp2杂化：
p
N sp 2 p
结果是：
N
sp 2
① 由于吡啶环中有6中心6电子的大π键，符合休克尔 4n+2规则，所以吡啶环亦有芳香性。但由于键长未完全 平均化，其芳香性不及苯。
O
O
S
S
N H
HN
为Π
6 5
共轭体系
π 电子 = 6
符合 4n + 2
具有芳性
富电子芳环
下列实验事实均说明呋喃、噻吩、吡咯具有芳香性： ① 键长数据
呋喃、噻吩、吡咯都具有一定程度的键长平均化：
注：普通C＝C键长0.133nm；普通C－C键长0.154nm。
② 环流效应 它们的核磁共振吸收均出现在低场：
S
200H。2,CM,o2S02MPa
含硫，可使催化剂中毒!
KMnO4
S
四氢噻吩
S OO
环丁砜，重要溶剂
O
4
3 O+ O
2
1
O
O
3
4
21
O C
CO O
呋喃环具有共 轭双烯的性质！
3. 吡咯的弱碱性和弱酸性
N H sp 2 sp 2 p
NH
参与环体系共轭 离域于整个共轭体系 难以表现出碱性
吡咯分子中氮原子上虽然带有孤对电子，但是由于其参与 了环状π56的共轭，为整个环状共轭体系所共享，从而使氮上 电子云密度降低，孤对电子难以给出去而表现碱性。所以， 吡咯的碱性很弱，甚至于大大弱于苯胺的碱性。
第十五章 杂环化合物
主要内容
• 1. 杂环化合物的分类、命名和结构 • 2. 五元杂环化合物及其化学性质 • 3. 六元杂环化合物 • 4. 稠杂环化合物（吲哚、喹啉）
学习提要
• 学习杂环化合物的分类和命名。 • 掌握杂环化合物中结构与芳香性的关系。 • 掌握五元杂环化合物、六元杂环化合物的结构和性
+
N
Cl- （吡啶盐酸盐）
H
+
N
I- （吡啶季铵盐）
CH3
?
（吡啶三氧化硫，
N+
温和磺化剂）
SO3-
2. 亲电取代
NH
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
N 上的孤电子对在 sp2 轨道上，在环外 未参与环内共轭。
C_ sp2 N_ sp2
成环原子 共平面
Π
6 6
体系
α 0.15
N
-0.43
β -0.06
α -0.10
N 0.32 H
β -0.02
α -0.03
O
β -0.04
α -0.06
S
亲电取代发生在α-位的理论解释
+ E+ Z
= Z ( NH、O、S )
+
E ZH
E +Z H
正电荷可在三个原子上离域
E
E
H
H
+
Z
Z
+
正电荷只能在两个原子上离域
E ZH
+
1) α- 位上有取代基
利用磺化反应可分离苯和噻吩：
( b.p81。C) S。
( b.p84.C)
浓H2SO4 室温
（苯层）
分液
S SO（3H酸层）
蒸馏 无噻吩苯
付氏酰基化：
N
+(CH3CO)2O
150-200。C
60%
H
N COCH3 H
2. 加成
O + H2 Pd
N + H2 Pd
H
O （THF,重要溶剂）
N （吡咯烷，R2NH的性质） H
Cl
N
Br
N
3 氯吡啶 3 溴吡啶
N
浓 H2SO4
SO3H 吡啶 3 磺酸
HgSO4 催化，220 ℃
N
混酸 300 ℃
NO2 3 硝基吡啶 N
吡啶的亲电取代反应所以发生在β-位，可以用中间体 的稳定性加以说明：
+ E+ N
进攻 α 位
+
H NE
进攻 β 位
H N +E
HE
进攻 γ 位 +
N
+
H NE
碱性：
N
N
H
NH2 N
H
吡啶在有机化学中是一种常用的溶剂，它能溶解许多有 机化合物和部分无机盐；吡啶及其衍生物在自然界分布较 广，在药物中也常见吡啶及其衍生物：
(orCH2NH2 、CHO )
CH2OH
HO
CH2OH
N N CH3
CONHNH2 N
CH3 N
O
CH2OH
H3C N
烟碱，尼古丁 异烟肼
p轨道
NH
呋喃、吡咯、噻吩的结构
sp2杂化
呋喃、噻吩、吡咯在结构上具有共同点，即构成环的五个 原子都是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。由于环 上的5 个原子共享6个π电子，电子云密度比苯环大，发生亲电 取代反应的速度也比苯快得多。
对电子与苯环共平面（填入sp2轨道
中），不参与环状共轭体系，所以
这一对孤对电子很容易给出去从而
N
表现出碱性。
③ 吡啶的结构可用共振论表示为：
+
N
N
能量最低， 贡献最大
+N
N
N+
-
-
-
电荷分离， 氮带负电荷
④ 吡啶环也有环流效应，说明 吡啶有芳香性：
N
第二节 五元杂环化合物及其化学性质
1. 亲电取代
亲电取代反应比苯快，新引入基团上α-位。
卤代
O
+ Br2 1,245-。二C，氧7六5%环
O Br+ HBr
醋酸硝酰 ，一种弱的硝化试剂
硝化 O + CH3COONO 2 S + CH3COONO 2
O NO2 不用强酸，否则呋喃
或噻吩开环聚合！
S NO2
一些杂环化合物的电荷分布：
γ 0.18
0
β 0.05
H +N E
HE
N
+
特不稳定
H
N
+
E
特不稳定
+
H NE
HE
+
N
3. 亲核取代（ α- 位为主）
N + NaNH2 + KOH
N
N NH2 a-氨基吡啶
a-羟基吡啶
N OH
N OCH3
CH3O Na NaOH ,
NH3 , ZnCl2
N Cl
220℃
N NH2
Br Br
N
NH3 , H2O 160℃
第三节 六元杂环化合物
N 吡啶
N
N 嘧啶
N
H2N
SO2NH N
磺胺嘧啶(SD)
1. 碱性与亲核性
由于氮上孤对电子与苯环共面，不参与环体系的共轭， 所以吡啶有碱性和亲核性，而且碱性大于苯胺：
碱性： R3N Kb : 6.2 10 -5
N
2.3 10 -9
NH2
3.9 10 -10
+ HCl N N + CH3I N + SO3
∴ 碱性：苯胺（Kb=3.8×10-10）>> 吡咯（Kb=2.5×10-14）
能与强酸成盐
不能与强酸成盐，遇酸分解
另一方面，吡咯有弱酸性：
N + KOH(S) H2O
H
N- + H2O
K+
原因：可形成
N-
p
6 5
,
稳定!
但是，吡咯（pKa=17）的酸性非常小，甚至远远小于 酚（pKa=10）。
4. 颜色反应
X = o、p - 定位基
(次)
3
(主)
5
S
X
Y = m - 定位基
(主) 4
(次)
5
SY
2) β- 位上有取代基
X = o、p - 定位基
Y = m - 定位基
X
Y
(次)
5
2
S
(主)
(主)
5S
5 - 位被占, 则进入4 - 位, 而不进入2 - 位
4
5
O
CHO
C l2
5
Cl O CHO
(CH3)2CHCl (CH3)2CH 4
COCHC6H5
维生素B6 （农业杀虫剂） （抗结核药） 颠茄碱，阿托品
（一种止痛药）
吡啶可从煤焦油中提取：
N + H2SO4
N
H2SO4（吡啶硫酸盐，可溶于水）
分出水层
OH-
N
第四 稠杂环化合物（吲哚、喹啉）
吲哚在自然界中广泛存在。（如天然精油及动物粪 便中）吲哚乙酸是一种植物生长调节剂。
8-羟基喹啉是一种常用的金属离子络合剂，可与 “较硬”的离子如Al3+、Mg2+等络合。
O (furan) 呋喃
S (thiophene)
噻吩
N (pyridine)
吡啶
N
N (pyrimidine)
嘧啶
4 N3 5N 2
1
咪唑 imidazole
N
N
N
(quinoline) 喹啉
N H (indole) 吲哚
NN H
(purine) 嘌呤
4 N3 5 S2
1
噻唑 thiazole
N H3C S
0.140nm
0.139nm
N 0.134nm
0.140nm 0.140nm
正常值(单位：nm) C-N C=N C=C 0.147 0.128 0.133
C-C 0.154
吡啶分子的偶极矩数据(D＝7.4×10-30C•m ) 也表明吡啶分子中电 子去不是完全平均分布的。
② 由于吡啶环中氮原子上的一对孤
由于吡啶环的N的电负性比C大，故吡啶环上的电荷分布 不均。如以苯环碳原子上的电子云密度为0, 则（P375）:
γ 0.18 β 0.05
N α 0.15
-0.43
电荷分布 N > β >α >γ 亲电取代 β 位 亲核取代 α， γ 位
Cl2, AlCl3 100 ℃
Br2, 浮石催化 300 ℃ 气相
活化环
有利于亲核取代反应的 发生, 且主要发生在2 - 位。
N 钝化环
喹啉亲电取代在苯环，亲核取代在吡啶环：
浓 HNO3 + 浓 H2SO4 0℃
Br2 + 浓 H2SO4 Ag2SO4
NO2
N Br
N
+
N
NO2
+ N
质。 • 了解一些重要杂环衍生物的结构特点、用途。 • 了解生物碱的结构特点、用途
本章重点
• 杂环化合物的分类和命名 • 杂环化合物的结构与芳香性 • 呋喃、噻吩、吡咯、吡啶的结构与性质
第一节 杂环化合物的分类、命名和结构
1. 分类和命名
根据有无芳香性，可将杂环化合物分为非芳香性杂环和 芳香性杂环。 非芳香性杂环化合物具有与相应脂肪族化合 物相类似的性质。例如：
4
5
3
6 7 ? N1 2 H
吲哚
CH2COOH
N H
b- 吲哚乙酸 3- 吲哚乙酸
5 6
7 8
4 3
N2
1
喹啉
N OH 8- 羟基喹啉
CH3O
CH2CH2NHAc Melatonine
N
脑白金
H
= =
OH N
CC N HO
靛蓝
一种染料
1. 稠杂环的化学性质
吲哚的碱性与吡咯相当；喹啉的碱性与吡啶相当。
O 四氢呋喃
O O 1,4-二氧六环
N H 六氢吡啶
N H 四氢吡咯
N 奎宁环
通常，杂环化合物是指含有杂原子构成环的、有一定芳香性 的环状化合物(芳杂环)。
常见的杂环化合物如下：
√√ √
√
√ √
命名：
杂环化合物的命名常用音译法，是按外文名词音译成带 “口”字旁的同音汉字。例如：
N H (pyrrole) 吡咯
呋喃 HCl- 松木片 绿色 吡咯 HCl- 松木片 红色 噻吩 靛红-H2SO4 蓝色 糠醛 醋酸－苯胺 红色
用于区别检验五元杂环
5. 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。
2
α
3
1 NH N
4
δ
β
8
N HN
NH2 Br
N
4. 氧化与还原
氧化
CH3 V2O5，O2 N
COOH N
b - 吡啶甲酸 烟酸
CH3
V2O5，O2
N
COOH
g- 吡啶甲酸 异烟酸
N
CONHNH2
NH2NH2 HCl
异烟肼
N
还原
H2/Ni
N orNa+C2H5OH
哌啶，六氢吡啶
N
典型仲胺性质
H
问题：吡啶、吡咯、苯胺、哌啶四种化合物碱性强弱顺序？
5
7γ
6
卟啉族化合物广泛分布与自然界。血红素，叶绿素都 是含吡咯环的卟啉族化合物。在血红素中，环络合的是 Fe；叶绿素中环络合的是Mg（P379）。
6. 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及合成药物含有噻唑结构，如青 霉素、维生素B1等。青霉素:
O CHO
5-甲基噻唑 a-呋喃甲醛 5-methylthiazole 2- 呋喃甲醛
糠醛
（以O、S、N为序！）
2. 结构和芳香性
（1）五元杂环的结构 呋喃、噻吩、吡咯分子中所有的原子共平面，具有与苯
环类似的结构。
吡咯( N-H )：
N:2s 22p 3 s轨道 p轨道
sp2杂化
p 轨道 sp2轨道