第十八章杂环化合物

O
CH C
O
OH
O
COONa
CHO + (CH 3CO) 2O CH 3COOK O
CH CH COOH O
四、呋喃等的制法(见P199帕尔-诺尔合成法)(了解)
五、噻唑、咪唑和维生素B1，青霉素G（了解）
噻唑：
N 无色液体
bp 117°C
S
与水互溶,有弱碱性(由于N上孤电子对外露)
咪唑：
N
N H
磺化反应： 呋喃、吡咯不能用浓硫酸磺化，要用特殊 的磺化试剂——吡啶三氧化硫的络合物；噻 吩可直接用浓硫酸磺化；
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4、加成反应
均可催化加氢，生成相应的四氢化物
其中：呋喃最容易反应，证明芳香性最差 ，不饱和性最大
+ H2 Ni O
-50C
Br
(THF)
+ Br2
O
O
+
Br O Br O Br
>
O
71.1
O：3.50
杂原子电负性越大,闭合环π电子云分布均匀性越差, 稳定性越小,即芳香性越小
二、呋喃、噻吩、吡咯的性质
1、物理性质 ： 都难溶于水中
呋喃： 存在于松木焦油中，无色液体，bp.31.36℃ 噻吩： 存在于煤焦油中, 无色液体, bp. 84.16℃ 吡咯： 存在于煤焦油和骨焦油中,无色液体
O
H 3PO 4
O C(CH3)3
R'Cl
呋喃和吡咯的烷基化
S FeCl3
R' S
反应大多生成聚合物
吡咯、呋喃、噻吩的亲电取代反应说明：
取代基主要进入α-位 对试剂及反应条件必须有所选择和控制： 卤代反应： 不需要催化剂，要在较低温度下进行；
硝化反应： 不能用混酸硝化，一般是用乙酰基硝酸酯 (CH3COONO2)作硝化试剂，在低温下进行
有特殊臭味的无色液体，bp：115.5℃ 密度：0.982
制法（了解）： 1）煤焦油中提取：吡啶和甲基吡啶 2）从糠醛制备：
H2
CHO CuOCr 2O3
O
150°C 10MPa O
3）从乙炔制备：
NH 3 CH2OH 500°C
N
CH
CH
+
OH CH2 + NH3
Al2O3-SiO2
OCH3
N
4）实验室合成法 （见P204汉茨施合成法）
+ KOH (S)
N
-H2O N 吡咯盐
H
K
O NH + KOH / H2O O
O
N K + H2O O
说明后者酸性比吡咯的酸性较强
+ RMgX
N H
+ RH
N
吡咯卤化镁
MgX
吡咯钾盐和吡咯卤化镁的应用：合成吡咯衍生物:
N KOH（固体） N
H
热
K
RMgX
N H
干乙醚
N MgX
RCOCl RI
RCOCl RI
香料、高分子材料等，尤其在生物界中，广义的 杂环化合物几乎到处可见。
杂环化合物种类繁多，约占全部已知有机化合物的 三分之一。
•本章介绍的是具有芳香性的杂环化合物
•
（简称芳杂化合物）
第一节 杂环化合物的分类和命名
单杂环 分类
稠杂环
五元杂环 六元杂环
命名：音译法：按外文名词音译， 用带“口”字旁的同音汉字表示 (见表18-1) 编号：一般从杂原子开始,遵守最低系列原则， 不止一个杂原子时，按O → S → N 顺序编号
H △
聚聚戊戊糖糖
戊醛醛糖糖
CHO O
2、性质和用途（具有与苯甲醛相似的性质）
1）某些方面是良好的溶剂
2）催化加氢成糠醇
3）氧化反应成糠酸 O CCHHO2OH
O
4）歧化反应：
CCHOOOH
2
O
CHO + 浓NaOH
CH2OH +
O
O
5）发生安息香缩合和Perkin反应
2
O
KCN /醇
CHO 或VB1
+ SO3
N
N H
N SO3H H
+
C H 3C OO NO2
-10°C
乙酐
S
+
S NO2
70%
NO2
S
5%
S
95%室H温2SO4
H△2O
S SO3H
S
95% H2SO4
( - ) 室温下苯与浓硫酸难反应
室温下用浓硫酸可以区别苯与噻吩：
95% H2SO4
( - ) 不反应不溶于冷浓硫酸
S
(+)
与冷浓硫酸反应而溶于 冷浓硫酸中
R = CH CH CH2 S CH3 为青霉素 O
维生素B1（VB1）：
NH3Cl Cl
N
CH2 N
CH3 N
S 噻唑环
CH3 CH2CH2OH
对对糖糖类类的的新新陈陈代代谢谢有有 显显著著的的影影响响，，人人体体缺缺
乏乏时时会可引以起引脚起气脚病气病
六、吲哚（了解）
无无色色结结晶晶
N
mp 52.5°C 溶溶于于热热水水
+ CH3COOH
O
O NO2
+ (CH3CO)2O + HNO3 5C
+
NO2
N H
N NO2 N
H
H
83%
+
SO3
N ClCH2CH2Cl
O
O SO3H
11%
-5C
(CH3CO)2O + HNO3
CH3COONO2 + CH3COOH
温和的消化试剂
用浓硫酸或混酸反应都易使呋喃等开环而成焦油状聚合物
4
3
5
N
O2
1
异噁唑
4 N3
5
2
O
1
噁唑
第二节 五元杂环化合物
一、呋喃、噻吩、吡咯杂环的结构： 芳香性：苯 > 噻吩 > 吡咯 > 呋喃
二、呋喃、噻吩、吡咯的性质 松木片反应； 亲电取代反应活性: 吡咯 > 呋喃 > 噻吩 > 苯 取代基主要进入α-位 卤代、硝化、磺化时试剂要求； 加成反应；吡咯的弱碱性和弱酸性； 了解——糠醛、噻唑、咪唑和吲哚、卟啉化合物
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第二节 五元杂环化合物
重点讨论呋喃、噻吩、吡咯 一、呋喃、噻吩、吡咯杂环的结构：
吡啶的结构
• 构成六电子体系的芳香环结构体系，符合4n+2休 克尔规则——具有芳香性
呋喃、噻吩、吡咯：
结构上：符合4n + 2规则的闭合共轭体系； 键长趋于平均化； （NMR谱δ值≈7）
性质上：易起亲电取代反应：硝化、磺化、卤代等；
卤代反应：
Br2 /0°C 11,,44—-二二氧氧六六环环 O
25°C
O Br 80% Br O Br
Br2 /室温 乙乙醚醚
S
S Br 78%
Br2 /0°C Br
Br
乙乙醇醇
N H
Br N Br
I
HI
+ I2 KI
N
IN I
H
H
四碘代吡咯在医疗中作为伤口的消毒剂
硝化和磺化反应：
+ CH3COONO2 -5~30C
+
S
O H2SO4
NO H
(靛红)
S NO H
S ON H
3、亲电取代反应
亲电取代反应活性的次序：
吡咯 > 呋喃 > 噻吩 > 苯
取代基主要进入α-位，若α-位有取代基时，则进入β-位
吡咯活性类似于苯胺 ， 呋喃活性类似于苯酚
• 呋喃、吡咯、噻吩五元杂为Π56共轭体系，环碳上的 电子云密度较苯环大，故比苯容易发生亲电取代反应; •例如：噻吩溴代比苯快109倍
γ
β
β' β
β' β
β' β
β' • 环 上 只 有 一 个 杂
α
α'
O
α
α'
N
H
α S α' α N
α'
原子时，有时也把 靠近杂原子的位置
furan 呋喃
pyrrole 吡咯
thiophene 噻吩
pyridine 吡啶
叫位，其次为位， 再次为位：
4
54
4
5
N3 6
35
3
6 N2 1
7 8
1,4- 和 1,2-加成
呋喃芳香性最差，从而共轭二烯性质较大，最容易
进行双烯合成；吡咯、噻吩不易进行双烯合成，要
在特定条件下才能发生D-A反应。 例如：
O +O
30C
O O
OH H+ O
OO
OO O
HH O
内式(90%) 外式
ROOC-C C-COOR
COOR
S
S

COOR
HN
+
N H
吡咯与卡宾的反应：
N26
1
7
2 NH1
pyrimidine quinoline
indole
编号一般从杂 原子开始
OSN
嘧啶
喹啉
吲哚
4 N3 4 N3
5
25
2
NH1
S1
咪唑
噻唑
4
5
3
6 O1 2 吡喃
1N 6 5
5 N7 6
43
2
4
N
3
NH9 8
7
8
N2 1
嘌呤
异喹啉
特殊编号!
来自百度文库
• 含有两个或以上的相同杂原子的单杂环衍生物，编 号从连有取代基（或氢原子）的那个杂原子开始， 顺序定位，使另一个杂原子的位次保持最小：
CH2CH2 NH 2
七、了解卟啉化合物（吡咯色素）
含卟啉环的化合物称为卟啉化 合物（卟啉或卟吩）卟啉环本身 在自然界并不存在，但卟啉化合 物广泛存在于自然界中，同时与 金属离子形成络合物； 例如： 血红素： 含铁的卟啉化合物 叶绿素： 含镁的卟啉化合物 维生素B12： 含钴的卟啉化合物
卟啉环:
2 α3
2、吡啶的结构
N
N
sp2 Π66 符合4n+2规则,具芳香性
吡啶N上孤电子对外露于环外，碱性较苯胺强， 易与水成氢键——易溶于水的主要原因
呋喃、噻吩、吡咯的结构
3、吡啶的碱性及其盐的性质
CH3NH2
N
pKb: 3.38
8.8
∴碱性:
R
>
>
第十八章杂环化合物
第十八章 杂环化合物教学大纲
（一）、教学要求 1、了解杂环化合物的分类、掌握一般杂环化合物的命名 2、掌握呋喃、噻吩、吡咯和吡啶的结构与性质的关系 3、了解嘧啶、喹啉、嘌呤及吲哚的结构 4、了解生物碱的一般概念 （二）、重点与难点
本章的重点和难点是：芳杂环化合物的结构特征、 芳香性、亲电取代反应的活性及所用试剂的选择性。
第十八章 杂环化合物
广义上杂环化合物定义：环上含有杂原子(C 除外)的环状化合物 常见杂原子：O、S、N
一般所指杂环化合物—— 具有芳香结构的含有杂原子的环状化合物及其衍生物
O
这些都是杂环化合物吗？
N
S
H
O
N O
O
O
O
O
环醚、 内酐、
内酯
等因没有芳香结构，非杂环化合物
杂环化合物应用范围极其广泛，涉及医药、
具有类似苯的典型性质——具芳香性：
问题：它们的芳香性是否一致？与苯环比较如何？
呋喃、噻吩、吡咯具有一定芳香性，但由于 杂原子的存在，闭合π电子云没有苯环均匀，稳定性 较苯环小，即芳香性较苯环差：
芳香性:
？
(稳稳定定化性能能或)共共振轭能能:152 (kj/mol)
>
S
125.5
>
N H
90.4
杂原子电负性： S: 2.44 N: 3.04
噻吩与苯共存于煤焦油中，常在苯中含有少量的 噻吩，除去少量噻吩可用冷浓硫酸。
•偶合反应：（习题4）
乙酰化和烷基化反应：
(CH3CO)2O
O
O
BF3
O C CH3
(CH3CO)2O
N H
150~200C
N C CH3 HO
H3COC N COCH3 H
(CH3CO)2O
S
H3PO4
S COCH3
(CH3)2C CH2
1
4
NH N
δ
β
N HN
8
5
7γ 6
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第三节 六员环化合物
一、吡啶
1、吡啶的来源和制造（了解）
N
吡啶存在于煤焦油，页岩油和骨焦油中
吡啶是重要的 有机合成原料（合成药物等）
良好的有机溶剂
有机合成催化剂（常作碱性试剂）
吡啶可与水、乙醇、乙醚等任意混溶（与五员环呋 喃等不溶于水不同，为什么？）
bp.130~131℃
2、松木片反应——呋喃、吡咯、噻吩的鉴定反应： 呋喃: 其蒸气遇到盐酸浸湿的松木片——呈绿色 吡咯: 其蒸气遇到盐酸浸湿的松木片——呈红色 噻吩: 在浓H2SO4作用下与松木片反应——呈蓝色 (噻吩最好用如下反应鉴定)
吲哚的松木片反应
噻吩 + 吲哚醌 /浓H2SO4 —— 显蓝色反应：
（三）、教学内容
1、杂环化合物的分类和命名。 2、五元杂环化合物：呋喃、噻吩、吡咯、糠醛、
噻唑、咪唑和吲哚等化合物的结构与性质。 3、六元杂环化合物：吡啶、嘧啶、喹啉、嘌呤等
化合物的结构与性质。 4、生物碱的性质与制法。
作业:
1(1、3、5、7、9）、 4、6、7、8、9（1、2、3、4）、 10、11，12
COOR COOR
CHCl3 CCl2
N H
OH-
N H
N CHCl2 H2O N -CHO
H
H
5、吡咯的弱碱性和弱酸性
弱碱性:
pKb =
NH2 >
9.38
N H
13.6
NO2
NH2
13
弱酸性:
OH >
Ka = 1.310 -10
> N H
10 -15
CH3CH2OH
~10-18
吡咯的弱酸性反应实例：
粪便臭气 纯吲哚极稀时具有花香气味,常用于化妆品中.
H
用于制茉莉型香料、染料、药物等
吲哚的松木片反应呈红色（与吡咯相同）， 松木片反应
亲电取代在3位发生（见P202反应式相当于萘的α位），
β —吲哚乙酸——植物生长调节剂：
5-羟基色胺——哺乳 HO
动物及人脑中思维活
动的重要物质：
N
H
CH 2COOH N H
N COR
N R
N COR
N R
N COR H NR H N COR H NR H
三、糠醛（α—呋喃甲醛）
CHO O
1、制备（了解）
无色液体，放置容易变色
工工业业上上: ：
农农副副产产品品如如甘甘蔗蔗渣渣
稀H2SO4 △
CHO O
(C5H8O4)n + nH2O 3~5%△H2SO4nC5H10O5
广泛存在于自然界中， 具有生理活性——用作杀菌剂
无色固体， mp：90℃ 易溶于水
比较： 呋喃、噻吩、吡咯难溶于水，噻唑、咪唑易溶于水？为什么？ 能理解噻唑是液体、而咪唑是固体吗？
青霉素:
R = CH2
HOOC
CH3 CH3
N CO
S
CH NH C R
O
为青霉素 G
R = CH2 O
为青霉素 V 常用青霉素