第17章 杂环化合物

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第12章 杂环化合物及生物碱 Heterocyclic Compounds and Natural Bases

重点提示：本章介绍了杂环化合物的分类和命名，分析了五员单杂环和六员单杂环化合物的结构——芳香杂环，重点阐述了五员单杂环化合物呋喃、噻吩和吡咯以及六员单杂环的典型代表吡啶的化学性质——芳香性，介绍了一些重要的、常见的杂环衍生物和生物碱。

12.1 杂环化合物(Heterocyclic Compounds)

分子中由碳原子和氧、硫、氮等其它原子形成的比较稳定的环状结构的化合物称为杂环化合物。杂环中除碳原子以外的其它原子称为杂原子。最常见的杂原子有氧、硫、氮等。例如：

S

N H

N

N

N

O

呋喃 噻吩 吡咯 吡啶 嘧啶 furan thiophene pyrrole pyridine pyrimidine 12.1.1杂环化合物的分类和命名(Classification and Nomenclature) 1.分类

按照杂环的结构，杂环化合物的分类和名称见表12-1。 2.命名

杂环化合物的命名在我国有两种方法：译音命名法和糸统命名法。目前普遍采用译音命名法。

（1）译音命名法

杂环母体的命名：杂环母体的名称是按英文名称音译，选用简单的同音汉字，加上 “口”字旁以表示环状化合物。详情见表12-1。

环上取代基的编号：含一个杂原子的单杂环上有取代基时，环上原子的编号从杂原子开始,并遵循最低糸列规则，使各取代基的位次尽可能小，也可用希腊字母来表示取代基的位次；单杂环上有不同杂原子时，则按氧、硫、氮的顺序编号；如果单杂环上的两个杂原子都是氮，则由连有氢或取代基的氮原子开始编号，并使杂原子的位次尽可能小；稠杂环的编号有特定的编号顺序（见表12-1）。例如：

O C HO N

C O O H

C 2H 5

O N S C H 3

C H 3

1

2

345

4

1

6

2

3

51

2

345

1

2

345

2－呋喃甲醛 3－吡啶甲酸 2－甲基－5－乙基呋喃 5－甲基噻

唑

α－呋喃甲醛β－吡啶甲酸α－甲基－α′－乙基呋喃

表12-1 常见杂环化合物的结构、分类和名称

（2）糸统命名法

根据相应的碳环来命名。把杂环看成是相应的碳环中的碳原子被杂原子取代而形成的化合物。命名时在相应的碳环母体名称前加上“杂”字（也可不加），并在杂

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字前加上杂原子的名称。详情见表12-1。

12.1.2杂环化合物的结构与芳香性(Structure and Aromaticity)

1.五员单杂环

五员单杂环如呋喃、吡咯、噻吩，在结构上都是平面型闭合的共轭体系，符合休克尔的4n+2规则。环上四个碳原子和杂原子均为sp2杂化，环上相邻的两个原子间均以sp2杂化轨道相互重叠形成σ键，组成一个五员环状平面结构。环上的每个原子还剩下一个未参与杂化的p轨道，碳原子的p轨道各有一个p电子，而杂原子的p 轨道有两个p电子，这五个p轨道都垂直于环的平面，以“肩并肩”的形式重叠形成大π键，组成一个含有五个原子六个π电子的环状闭合共轭体系，如图所示：

图12-1 呋喃、吡咯、噻吩分子中p轨道重叠示意图

呋喃吡咯噻吩

它们分子中键长数据如下：

图12-2 呋喃、吡咯、噻吩分子的键长

O N S

H

0.144nm

0.135nm

0.137nm

0.143nm

0.137nm

0.138nm

0.142nm

0.137nm

0.171nm

呋喃吡咯噻吩

由此可见：

（1）五员杂环分子中的键长有一定程度的平均化，但不像苯那样完全平均化；此外，由于杂原子的电负性比碳原子大，它们的电子云密度比碳高，即环上电子云分布不象苯环那样完全平均化。因此五员单杂环的芳香性和稳定性比苯差，表现出某些共轭二烯烃的性质，例如能发生加氢反应生成饱和化合物，也可以象共轭二烯烃那样发生Diels-Alder反应等。五员单杂环的芳香性随着杂原子电负性的增加而减小，由于杂原子的电负性为O>N>S，所以芳香性的大小次序为苯>噻吩>吡咯>呋喃。

（2）五员杂环分子中由于杂原子上的孤电子对参与了环的共轭，这些杂环中的杂原子相当于取代苯中的致活基，使环上碳原子电子云密度比苯环上碳原子的电子云密度大，所以属富电子杂环，它们在亲电取代反应中的活性比苯大，亲电取代反应的活性次序为吡咯>呋喃>噻吩>苯。在呋喃、吡咯、噻吩的闭合共轭体糸中，杂原子的两个α位碳原子上的电子云密度要比两个β位上的相对高些，它们的亲电取代反应主要发生在α位碳原子上。

2.六员单杂环

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六员单杂环的典型结构可以吡啶来说明。吡啶的结构与苯很相似，相当于苯中的一个碳原子被氮原子代替，在吡啶分子中，碳原子为sp 2杂化，氮原子为不等性sp 2杂化，氮原子的孤电子对在sp 2杂化轨道上。环上所有原子的p 轨道各有一个电子，所有p 轨道相互平行且垂直于环的平面，形成有六个π电子的环状、平面、闭合的共轭体糸。

图12-1 吡啶分子中p 轨道重叠示意图

由于吡啶分子中氮原子上的孤电子对不参与共轭，而氮原子的电负性大于碳原子，氮原子类似于苯环上的硝基等吸电子基团，其吸电子的诱导效应使吡啶环中碳原子的电子云密度降低，尤其α、γ位更甚，所以吡啶的亲电取代反应比苯困难，且主要进入β位。但吡啶可以发生亲核取代反应，主要进入α及γ位。

12.1.3杂环化合物的化学性质Chemical Property of Heterocyclic Compound 1.亲电取代反应 （1）卤代反应

五员杂环化合物可以直接发生卤代反应，卤原子主要取代α位上的氢：

S

S

B r

O

40。C

_

O

C l

O

O

B r

+

B r 2+

C H 3C O O H

+C l 2

+H C l

+

B r 2

+H B r

25。C

H B r

吡咯极易发生卤代，如在碱性介质中与碘作用，生成的不是一元产物而是四碘吡咯：

N H

N I

I

I

I

H

+

I 2

N a O H

N a I

++H 2 O

吡啶的卤代反应不但需要催化剂，而且要在较高的温度下才能进行：