第十四章 杂环化合物

吡喃及其衍生物无芳香特性
O
H
+
OH
O
O
吡喃酮的钅 羊盐是芳香体系。
第三节 五元杂环化合物
(一 ) 呋喃、噻吩、吡咯的结构 (二) 吲哚 (三) 含两个杂原子的五元杂环
异喹啉
苯并吡喃
苯并--吡喃酮
杂环并杂环
6 1N 2 7 5 N 8 N 4 N 9 H 3
嘌呤(purine)
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。
(a) 与亲电试剂的亲电取代
NO2 发烟HNO3 N O 发烟H2SO4 90 C
o
NO2 PCl3 + N POCl3
N O
主要产物
(b) 与亲核试剂的亲核加成
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 O
N O
N O
N O
O
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
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。
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。
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。
实例:
五元杂环
4 5
O 1
3β 2α
4 5
eg 2
NH2
+ 2CH3CHO
浓H 2SO4
100℃
(32 %) N CH3
eg 3
+ H3CO NH2
CH2OH CHOH CH2OH
H+, 氧化剂
(主) H3CO N
H3CO
H3CO
甘油 氧化剂
H3CO N H N NO2
eg 4
NO2
NH2 NO2
2 弗里德伦德(Friedlander)反应：
N
Br
N
NO2
N
浓 H2SO4 HgSO4 催化， 220 ℃ 混酸 300 ℃
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
N
N

结论: 1. 环上带正电, 不利 于亲电取代


N
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
1. 取代在 a 位
环上有给电子基时反应相对较易进行
(3) 亲核取代反应
取代主要发生在 a 位
PhLi N O2 or PhNO2, (氧化) N Ph
NaNH2 + N NH3 或 PhNMe2 N NH2 H2
当 a 或 位有其它离去基团时，反应易发生
NaOH N Cl N OH
异构化
N H O N H O
Cl CH3
N N
Cl2， CCl4 40 oC
N N 67 %
CH3
O NH H3C N H O H3C
OH N HNO3, HOAc O2N
20 oC
O NH N H 85 % O
N
OH
H3C
Br N N
Br2 80 oC
N N 41 % NH2
NH2
NH2 N N
Cl N2+
Cl NH2
H2O
第十四章
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
第三节
六元杂环化合物
五元杂环化合物
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 四元杂环 五元杂环
O
没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂环。
O
O O
(环氧乙烷) (β-丙内酯)
H N
O NH
(氮杂环丙烷) (β-丙内酰胺)
a-吡啶酮
机理：
OH N Cl OH N Cl
（仍有芳香性）
-Cl N OH
其他制备a-吡啶酮的方法
NaNH2 N N NH2 (1)NaNO2, HCl (2)H2O, N
异构化
OH N H O
(4) 氧化和还原反应 • 氧化在侧链上
•氧化在 N 上 复习：叔胺的氧化
吡啶的类似反应
• N-氧化吡啶的性质：比吡啶易与亲电试剂或亲核试剂反应
H +
N
N H H
N H H
反十氢喹啉
顺十氢喹啉
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
eg 1
NH2 O
例
CH3
Zn C l 2 Fe C l3
+ CH 2=CHC CH 3
(73 %) N
六元杂环
γ 4 5 6 N 1 3β 2α 5 6 O 1 γ 4 3β 2α
5 6 O 1 O 4 3 2
5 6 O 1 4 3 2 O
吡啶(pyridine)
4 5 6 N 1 3 N2
吡喃(pyran)
4 5 6 N 1
γ-吡喃酮 (γ-pyrone)
5 6 4 N N 1
α-吡喃酮 (α-pyrone)
N
发烟 HNO3 / 发烟 H2SO4
NO2
300oC / 24h
起吸电子基作用
N
取代在 b 位
发烟 HNO3 / 发烟 H2SO4
N(CH3)3
NO2
N(CH3)3
Friedel-Crafts 反应
其它反应现象
浓 H2SO4 / HgSO4 N 220oC Br2 / 浮石 300oC
无反应发生 SO3H N Br N
S 1
3β 2α
4 5 1N H
3β 2α
呋喃(furan)
噻吩(thiophene)
吡咯(pyrrole)
五元杂环苯并体系
4 5 6 7 O 1 3 2 5 6 7 S 1 4 3 2
4 5 6 7 N H1 3 2
苯并呋喃 (benzoห้องสมุดไป่ตู้uran)
苯并噻吩 (benzothiophene)
苯并吡咯 吲哚 (indole)
PhC HO Zn C l 2
CH3 N H3C N CH=CHPh
2Ph C HO Zn C l 2
CH=CHPh N PhCH=CH N CH=CHPh
羟醛缩合型
CH3 N H3C N CH3
PhLi
CH2Li N H3C N CH3
C H3I
CH2CH3 N H3C N CH3
烷基化反应
(四) 含氧原子的六元杂环 吡喃环系
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 6 N 1 3 N2
4 5 6 N 1 N3 2
5 6
4 N N 1
3 2
哒嗪(pyridazine) 嘧啶(pyrimidine)
吡嗪(pyrazine)
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
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℃。
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。
E N a位 E N H N H E N
E H
-H+ N E
正电荷在电负性大的 原子上,不稳定
2. 取代在 b 位
中间体较为稳定
3. 取代在 位
E E N 位 N N N H E H E H
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
发烟 HNO3 / 发烟 H2SO4 无反应发生
浓H2SO4, 220℃
浓H 2S O4
N
或发烟 H2SO4, 90℃
N SO3H (54%)
300℃ 重排
HO 3S N
若反应在有机溶剂中进行，取代在杂环上发生。
从反应中间体的稳定性解释反应结果：
E 5-位 N N N E E
* 两个主要的共振式 * 保留一个芳香环
E N E 8-位 E N E N
3 2
N3 2
哒嗪(pyridazine)
嘧啶(pyrimidine)
吡嗪(pyrazine)
六元杂环苯并环系
5 6 7 8 N 1 4 3 2 6 7 8 1 5 4 3 N2
6 7 8 O 1 5 4 3 2
O O
喹啉
(quinoline)
(isoquinoline) (benzopyran) (benzo--pyrone)
R
OH
(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。
Cl2, AlCl 3 100 ℃ Br2, 浮石催化 300 ℃ 气相
Cl
3 氯吡啶 3 溴吡啶
N N N
N NH2
（2）. 亲核取代反应
反应最易在2位发生，其次是4,6位
CH3 N N
NaNH2 130 - 160 ℃
CH3 N N NH2 + H2N
CH3 N N
取代卤素要比取代负氢更容易
Cl N N Cl
NH3 100 ℃
NH2 N N Cl +
Cl N N NH2
NH3 160 ℃
NH2 N N NH2
不稳定
(二） 喹啉和异喹啉
5 4 3 6 7 8 1 5 4 3
喹啉和异喹啉：
6 7 8
N
1
2
N
2
喹啉
异喹啉
1 结构与物理性质： 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)
碱性强弱：喹啉＜吡啶＜异喹啉
4 化学反应
(1) 氮原子上的反应
+ HCl N + SO3 CH2Cl2 室温
N HCl
NH3 N
此反应常用于 在反应中吸收 生成的气态酸
N
N SO3 (90%) 吡啶三氧化硫络合物 是常用的缓和磺化剂
R RI N N RI 300 ℃ N I R + N I OH N R N 制取烷基吡啶的一种方法
两中间体稳定 性相差不大
（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
实例：
（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：
CH2 N
[O ]
?
KMnO4 水溶液
HOOC HOOC N
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。
CH3 C O CH3 + N H2 H H O Ph
哌啶
eg 1
180℃
(80%) N Ph
CH3
CH3 + H H O 100~110℃ N (90%)
eg 2
C O N H2 HCl
(三） 含二个氮原子的六元杂环
利用亲核取代反应可制取烃基取代的二嗪。
H N N
C4H9-n NLi N
KMnO4
C4H9-n N N
+ CH 3C H 2C H 2C H 2Li
乙醚
丙酮
（3） 氧化
二嗪不易被氧化。若用过酸氧化，得嘧啶单N-氧化物
N N
H2O2 AcO H
N N O
（4） 侧链α-H反应
CH3 N H3C N CH3
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
H NO2 N O NO2 PCl3 N O PCl3 N N O NO2 N O NO2 H NO2 -H+ N O NO2
满足八隅体
+
O
PCl3
对比：吡 啶的直接 亲电取代
O O
(顺丁烯二酸酐)
七元杂环
O
(氧杂 )
N H
(1H-氮杂 )
2 、芳杂环
五元杂环
O
N O
具有芳香特征的杂环化合物称为芳杂环
呋喃 噁唑
S
N S
噻吩 噻唑
N
N H
吡咯
N
N H
咪唑
N H
N
吡唑
六元杂环
N
吡啶
N
嘧啶
O
吡喃(无芳香性)
苯并杂环
N N
N H
N N H
吲哚
N
喹啉
N
异喹啉
杂环并杂环
嘌呤
(二) 命名
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.
2 化学反应
（1）. 亲电取代反应
N + N H ClBr2 160 oC
Br N N 66 %
O
N
HOOC + COOH HOOC
100℃
COOH
KMn O4, O H
-
KMn O4 水溶液
N
N
O
NH
*3 喹啉与异喹啉在过酸的作用下均可形成N-氧化物。
RC O3H
N
N O
RC O3H
N
N
O
（4） 还原反应
H2 / Ni
N
N H
Hg(OAc)2, 130℃ or I2
N
H
H2, Pt, AcOH, 40℃