第十一杂环化合物

2021/1/10
4 化学反应 (1) 氮原子上的反应
+ HCl N
NHCl NH3 N
N
+ SO3 CH2C2l 室温
NSO3 (90%)
吡啶三氧化硫络合物 是常用的缓和磺化剂
此反应常用于 在反应中吸收 生成的气态酸
2021/1/10
RI N
300℃ N RI
R
NR+ N
I
I
R
OH N R
OH N
第十一杂环化合物
主要内容
第一节 杂环化合物的分类和命名 第二节 六元杂环化合物 第三节 五元杂环化合物
2021/1/10
第一节 杂环化合物的分类和命名
（一）分类
1、脂杂环 三元杂环
没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂环。
O (环氧乙烷)
H
N (氮杂环丙烷)
四元杂环 五元杂环 七元杂环
2021/1/10
制取烷基吡啶的一种方法
2021/1/10
(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。
N
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Cl2, AlCl3 100 ℃
Br2, 浮石催化 300 ℃ 气相
1. 取代在 a 位
E
N
a位
E N
H
E N
H
E NH
-H+
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NE
正电荷在电负性大的 原子上,不稳定
2. 取代在 b 位
E N b 位
E
H N
E
H N
3. 取代在 位
中间体较为稳定
E 位 N
EH N
EH N
E H
N
EH N
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正电荷在电负性大的原子上,不稳定
实验事实：钝化和 b取代
N
N H
嘌呤
喹啉
N
N 异喹啉
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(二) 命名
命名原则: 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。
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。
C3H
N
(7 3% )
eg 2
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浓 2 S4 H O
+ 2 C H 3 C H O1 0 0 ℃ N 2H
(3 2 % ) N C 3H
eg 3
C 2 O H H H + , 氧化剂 +CHOH
(主 )
H 3 CO N 2H C 2 O HH
H 3 CO N
H 3 CO
H 3 CO
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实例:
五元杂环
4
3β
5
2α
O
1
呋喃(furan)
4
3β
5 S 2α 1
噻吩(thiophene)
五元杂环苯并体系
4
5
3
6 7
2 O
1
苯并呋喃
(benzofuran)
4
5
3
6 7
2 S
1
苯并噻吩
(benzothiophene)
4
3β
5
1
N H
2α
吡咯(pyrrole)
4
5
3
6
2
7
N H
OH
-C l
N Cl
N OH
其 他 制 备 a-吡 啶 酮 的 方 法
NaNH2
(1)NaNO2, HCl
N
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N
NH2 (2)H2O,
异构化
N OH
NO H
(4) 氧化和还原反应 • 氧化在侧链上
KMnO4 N CH3
N COOH
N
N
CH3
尼古丁(烟碱)
HNO3
COOH
N
烟酸
2021/1/10
2021/1/10
2 物理性质
氮原子的电负性较大,使吡啶有较大极性,其偶极距数值较大.
N
=2.20D
N H
=1.17D
吡啶能与水以任意比例混溶,又能溶解大多数极性或非极性 有机化合物,甚至许多无机盐类,是一个良好的溶剂。
2021/1/10
3 碱性
吡啶N是sp2杂化，孤电子对不参与共轭，可以与质子 结合或给出电子，显弱碱性。利用它的碱性，可从混 合物中分离吡啶类化合物，在化学反应中还可用作催 化剂和除酸剂。
O 2 o r P h N O 2 , ( 氧 化 )
NP h
N
N a N H 2 N H 3或 P h N M e2
+ H 2 N N H 2
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当 a 或 位有其它离去基团时，反应易发生
NaOH N Cl
机理：
异构化
N OH
NO H
a-吡 啶 酮
（仍有芳香性）
NO H
N Cl OH
2021/1/10
碱性强弱：喹啉＜吡啶＜异喹啉
物理性质：
喹啉在常温时是无色油状液体，有类似吡啶的恶臭， 沸点238℃，异喹啉为低熔点的固体，气温类似于 苯甲醛，熔点26℃，沸点243℃。
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2 化学反应
（1） 亲电取代反应: 反应产物受介质的影响。若反应在酸性介质中进行，取
代主要在苯环上发生。喹啉主要发生在C-5与C-8位，而 异喹啉以C-5产物为主。
6
2
N
1
哒嗪(pyridazine) 嘧啶(pyrimidine) 吡嗪(pyrazine)
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六元杂环苯并环系
54
54
54
O
6
36
36
3
7
27
N
N2 7
2 O
8
1
81
81
O
喹啉
(quinoline)
异喹啉
苯并吡喃
苯并--吡喃酮
(isoquinoline) (benzopyran) (benzo--pyrone)
C3H CO H
H +
N2H O
HCl
100~110℃
C3H
(80% ) N
Ph
C3H N
(90% )
(三） 含二个氮原子的六元杂环
含有两个氮原子的六元杂环体系称作二嗪类，因氮原子 在环中的相对位置不同，二嗪类有三种异构体：哒嗪、 嘧啶、吡嗪。
4
5
3
4
5
N3
6
N2
N
1
6
2
N
1
哒嗪(pyridazine) 嘧啶(pyrimidine)
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2 化学反应
（1）. 亲电取代反应
N Br2 Br
+
160 oC
N
H Cl-
N
N 66 %
N
Cl2，CCl4 40 oC
N CH3
N Cl
N CH3 67 %
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H3C
O
OH
O
NH
N H
O H3C
N HNO3,HOAc
N
浓 H 2SO 4, 220℃ 或 发 烟 H 2SO 4,90℃
浓2S HO 4
HO3S
300℃ 重 排
N
SO 3H
N
(54% )
若反应在有机溶剂中进行，取代在杂环上发生。
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从反应中间体的稳定性解释反应结果：
E 5-位
N
E N
E N
* 两个主要的共振式 * 保留一个芳香环
两中间体稳定 性相差不大
发烟 HNO3 / 发烟 H2SO4
无反应发生
N 起吸电子基作用
发烟 HNO3 / 发烟 H2SO4
300oC / 24h
发烟 HNO3 / 发烟 H2SO4
N(CH3)3
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NO2 N
取代在 b 位 NO2
N(CH3)3
其它反应现象
Friedel-Crafts 反应
无反应发生
浓 H2SO4 / HgSO4
E
N
8-位
N
E
E
N E
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（2） 亲核取代反应 亲核取代反应主要在吡啶环上发生，喹啉的反应位置 在2位和4位(2位为主)，异喹啉在1位；
N N
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实例：
N
NaNH2
H2O
(1)n-BuLi (2)H2O
PhNO2
N Ph
NaNH2
KNH2
N
NH3
H2O H2O
N NH2
N Bu-n NH2 N Ph
N NH2
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LiBu-n
H2O
PhNO2
N
N Bu-n
（3） 氧化反应 *1 喹啉和异喹啉与绝大多数氧化剂不发生反应； *2 与高锰酸钾能发生反应：
C2H N
[O] ?
N
HOOC
K M 4水 nO 溶液
1 0 0 ℃
HOO NC
COH OO HOK C4 M , O - nH O + N
浓 H2SO4 HgSO4催化，220 ℃
混酸 300 ℃
Cl
N
3 氯吡啶
Br
N
3 溴吡啶
NO2 3 硝基吡啶 N
SO3H 吡啶 3 磺酸 N
解释原因: • 由吡啶的共振式分析:
N
N
N
2021/1/10
N
N
N
结论: 1. 环上带正电, 不利 于亲电取代
2. b 位的正电荷密相 对较低
• 由取代反应的中间体稳定 性分析
H
N H H
反十氢喹啉
H
+ N
H H
顺十氢喹啉
2021/1/10
3 喹啉及其衍生物的合成
1 斯克劳普(Skraup, Z.H.)反应：苯胺、甘 油、硫酸和基苯等氧化剂一起作用，生成喹啉 的反应称为斯克劳普反应。
实
例
eg 1
+ N2H
O 2 =C C H H 3 C Z Fe n 3 2C C ClH l
N O
N
2021/1/10
N
N
N
O
O
O
保留吡啶的特点，氧负离子使环 上的正电荷密度增大
(b) 由反应过程分析（中间体的稳定性分析）
亲电取代及进一步的反应过程
NO2
H NO2
H NO2 -H+
NO2
N O
PCl3
N O NO2
N
N
N
O
O
满足八隅体
NO2
+ O PCl3 N
O PCl3
对比：吡 啶的直接 亲电取代
1
苯并吡咯
吲哚 (indole)
2021/1/10
六元杂环
γ 4
5
3β
6 N 2α 1
γ 4
5
3β
6 O 2α 1
O
4
5
3
6O 2 1
4
5
3
6
2
OO
1
吡啶(pyridine)
4
5
3
吡喃(pyran) γ-吡喃酮
(γ-pyrone)
4
5
N3
5
α-吡喃酮 (α-pyrone)
4 N3
6
N2
N
1
6
2
N
1
COH OO HOC
KMn4O水 溶 液
N
2021/1/10
O NH
O
*3 喹啉与异喹啉在过酸的作用下均可形成N-氧化物。
RC3H O
N
RC 3HO
N
N O
N O
2021/1/10
（4） 还原反应
H 2/ Ni
N
H g ( O A c ) 2 , 1 3 0 ℃
N H
o2 r I
N
N
H 2 , P t, A c O H , 4 0 ℃
SO3H
N
220oC
N
Br2 / 浮石 300oC
Br N
环上有给电子基时反应相对较易进行
KNO3 / 浓H2SO4
H3C N CH3
110oC
2021/1/10
N NH2
Br2 / HOAc 20oC
NO2 H3C N CH3 Br
N NH2
(3) 亲核取代反应 取代主要发生在 a 位
P h L i N
杂环并杂环
67
1N
5NБайду номын сангаас
8
2
N 3
4
N H
9
嘌呤(purine)
2021/1/10
第二节 六元杂环化合物
(一) 吡啶
1 电子结构
孤电子对 在sp2杂化 轨道上。
共轭效应和诱导效应都是吸电子的
结构：吡啶N是sp2杂化，孤电子对不参与共轭。 反应：碱性较强。环不易发生亲电取代反应但易发生亲核
取代反应。发生亲电取代反应时，环上N起间位定 位基的作用。发生亲核取代反应时，环上N起邻对 位定位基的作用。
O
(β-丙内酯)
O
O
O
(β-丙内酰胺)
NH
O (顺丁烯二酸酐)
O
(氧杂 )
O
N H
(1H-氮杂 )
2 、芳杂环 具有芳香特征的杂环化合物称为芳杂环
五元杂环 六元杂环
呋喃
O N
噁唑
O
吡啶
N
噻吩
S N
噻唑
S
N 嘧啶
N
N
吡咯
H
N
咪唑
N 吡唑
N H
N H
吡喃(无芳香性)
O
苯并杂环 杂环并杂环
吲哚
N H
N
N
•氧化在 N 上 复习：叔胺的氧化
H 2 O 2
R 3 N
吡啶的类似反应
R 3 N O胺 氧 化 合 物
2021/1/10
H2O2 HOAc N
N-氧 化 吡 啶
N
O
• N-氧化吡啶的性质：比吡啶易与亲电试剂或亲核试剂反应
(a) 与亲电试剂的亲电取代
发烟HNO3
NO2
PCl3
N
发烟H2SO4
N
O
90oC
O
主要产物
(b) 与亲核试剂的亲核加成
NO2
+ POCl3 N
N O
2021/1/10
(1) P h M gX (2) H 2O
P h NH O H
A c2O
N P h
为什么N-氧化吡啶既有亲电性又有亲核性
(a) 由共振结构分析（有两种形式的共振式）
N
N
O
O
N
N
O
O
O
2021/1/10
有苯氧基负离子特点，环 上的 2, 4, 6 三个位置负电 荷密度较大
4 5N 3
6
2
N
1
吡嗪(pyrazine)
2021/1/10
1 结构与物理性质 •二嗪类环上的两个氮原子，其电子构形与吡啶中的氮原子 相同，各有一对未共用电子对，位于sp2杂化轨道上，能与 水经氢键缔合。哒嗪与嘧啶因结构的不对称性，分子有一 定的极性，可与水混溶，吡嗪因分子极性小而水溶性略小。 •二嗪类化合物都是一元碱,而且碱性都比吡啶弱.
甘油
eg 4
N2H N2O
N H N2 O
H 3 CO
氧化剂
N N2O
2021/1/10
2 弗里德伦德(Friedlander)反应：
芳香族邻氨基羰基化合物发生缩合反应，得到 喹啉或它的衍生物，这称为弗里德伦德反应。
eg 1 eg 2
2021/1/10
C3H CO H
H +
N2H O Ph
哌啶
180℃
2021/1/10
N
N O 2
H N O 2
N
H
N O 2 N
不稳定
(二） 喹啉和异喹啉
5
喹啉和异喹啉： 6
7 8
4 3
2
N
1
喹啉
1 结构与物理性质：
5 6
4 3
7 8
N2
1
异喹啉
结构： *杂环部分性质象吡啶(碱性和亲和性、亲电取代、 亲核取代、氧化反应、还原反应、支链上的反应) *碳环部分性质象萘(亲电取代及其取代定位作用)