杂环化合物

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
5.氧化和还原反应
幻灯片 1
• 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
苯并噻吩 (benzothiophene)
苯并吡咯 吲哚 (indole)
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
4 5 6 O 1 3 2 O
吡啶(pyridine)
4 5 6 N 1 3 N2
吡喃(pyran)
4 5 6 N 1
（一）特定杂环的命名
五元杂环
4 5
O 1
3β 2α
4 5
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
4 5 6 7 S 1 3 2
4 5 6 7 N H1 3 2
苯并呋喃 (benzofuran)
N
发烟 HNO3 / 发烟 H2SO4
NO2
300oC / 24h
起吸电子基作用
N
取代在 b 位
NO2
发烟 HNO3 / 发烟 H2SO4
N(CH3)3 N(CH3)3
其它反应现象
Friedel-Crafts 反应
无反应发生
浓 H2SO4 / HgSO4 N 220oC Br2 / 浮石 300oC N N
E N E 8-位 E N E N
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：
C6H5CH2MgCl
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：
浓H2SO4, 220℃
浓H2SO4
N
或发烟 H2SO4, 90℃
N SO3H (54%)
300℃ 重排
HO3S N
若反应在有机溶剂中进行，取代在杂环上发生。
喹啉发生在C5与C8位，异喹啉发生在C5位
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
3 氯吡啶
N
Br
3 溴吡啶
N
NO 2
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
•亲电试剂或亲核试剂反应 (a) 与亲电试剂的 亲电取代
(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
保留吡啶的特点，氧负 离子使环上的正电荷密 度增大
（1）取代在 a 位
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
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
O O
(环氧乙烷)
H N
O
(氮杂环丙烷)
(β-丙内酯)
NH
(β-丙内酰胺)
(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
具有芳香特征的杂环化合物称为芳杂环
4 N N 1
3 2
2.稠合边的表示方法 苯并[d]噻吩
3 b a 2 1
噻吩并[2.3. b]呋喃
噻吩并[3.2. b] 吡咯
a b c
3
2 1
3.周边编号方法
4 5 2 6 7 1 3
5-苯基并咪唑[2.1. b]噻唑
6-H
第二节 六元杂环化合物 一、吡啶
（一）电子结构 及芳香性
孤电子对 在sp2杂化 轨道上。
(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 O PCl3 N O NO2 N O NO2 H NO2 -H+ N O NO2
满足八隅体
对比：吡 啶的直接 亲电取代
不稳定
烟酸 烟酰胺
异烟肼
烟碱
吡虫啉
吡哆醇
N
=2.20D
N H
=1.பைடு நூலகம்7D
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。
三、化学反应 1.碱性和成盐 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 (1)显弱碱性 (2)利用它的碱性，可从混合物中分离吡啶 类化合物 (3)在化学反应中还可用作催化剂和除酸剂
OH
作酰化试剂更好
室温
3.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, AlCl3 100 ℃ Br2, 浮石催化 300 ℃ 气相
Cl
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：1.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。 2.发生亲电取代反应时，环上N起间 位定位基的作用。 3.发生亲核取代反应时，环上N起邻 对位定位基的作用。
（二）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.
(1) 氮原子上的反应
NH3 N
+ HCl N + SO3 CH2Cl 2 室温
N HCl
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
2.与卤代烷、酰卤和酸酐的反应
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 R
环边编号
1.基本 环的选择原则 （1）芳环和杂环组成的稠环 苯并呋喃 （2）杂环和杂环组成的稠环氮氧硫
噻吩并呋喃
噻吩并吡咯
（3）基本 环应选择原则大环 呋喃并吡喃 （4）杂 原子的数目及种类最多 吡啶并嘧啶
吡啶并噁唑
（5）杂 原子的数目及种类相同
稠和前杂原子最低编号
吡嗪并哒嗪
4 5 6 N 1 3 N2 5 6
+ CH2=CHC CH3
(73 %) N
eg 2
NH2
+ 2CH3CHO
浓 H2SO4
(32 %) N CH3
100℃
eg 3
+ H3CO NH2
CH2OH CHOH CH2OH
H , 氧化剂
+
(主) H3CO N
H3CO
H3CO
甘油 氧化剂
H3CO N H NO2 N
eg 4
NO2
NH2 NO2
呋喃
N
S
噻吩 噻唑
N
N H
吡咯
N
N
O
噁唑
S
N H
咪唑
N N H
吡唑
六元杂环
N
吡啶
N
嘧啶
O
吡喃(无芳香性)
苯并杂环
N H
N N N
吲哚
N
喹啉
N
异喹啉
杂环并杂环
嘌呤
N H
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。
吡哆醛
吡哆胺
吡硫醇
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
（一）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
N
N H
or I2
N
H
H2, Pt, AcOH, 40℃
H +
N
N H H
N H H
反十氢喹啉
顺十氢喹啉
（三） 喹啉及其衍生物的合成
1 斯克劳普(Skraup, Z.H.)反应：苯胺、甘 油、硫酸和硝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
ZnCl 2 FeCl 3
（1）甘油在浓硫酸作用下脱水生成丙烯醛
H HO
OH OH H+ HO
HO
OH HO OH2 + -H2O CHO
OH
CHO
CHO
H2 O
H+
H
-H2O
（2）苯胺作为亲核试剂对丙烯醛的麦克尔加成
H
O H
NH2
H+
O
O
N
脱水 关环 + H O
N H
（3）质子化
H
O
N
H
OH + N H
H
H+
+ OH2 H
γ-吡喃酮 (γ-pyrone)
5 6 4 N N 1
α-吡喃酮 (α-pyrone)
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
哌啶
eg 1
180℃
(80%) N Ph
CH3 C O
CH3 H H + O 100~110℃ N (90%)
eg 2
N H2 HCl
R=CH3O 奎宁 R=H 辛可宁碱
R=H 喜树碱 R=OH 10-羟基喜树碱 R=OCH3 10-甲氧基喜树碱
吗啡
罂粟碱
小蘖碱
dl-延胡索乙素
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。
幻灯片 24
幻灯片 55
第十四五章
杂 环 化 合 物
beterocydlic compounds
掌握: 吡咯、呋喃、噻吩的结构
熟悉：定义、命名。嘌呤及衍生物的结 构、命名及应用 了解：其它内容

芳香杂环化合物的不对称氢化反 应研究取得新进展

芳香化合物的不对称氢化，不仅要破坏芳香性， 而且需要一次氢化多个不同类型的双键，是氢 化领域具有挑战性的课题。近年来，中科院大 连化学物理研究所周永贵研究员领导的研究组 一直致力于发展用于芳香化合物的不对称氢化 的新策略，并成功发展了两类用于含氮芳香化 合物的不对称氢化的活化策略：1、利用分子 碘活化催化剂生成高活性的催化物种，实现了 喹啉、喹喔啉和部分吡啶的不对称氢化，对应 选择性达到96%；2、利用氯代物活化底物的 策略，实现了喹啉和异喹啉的不对称氢化。
N H
N H
N
（4）二氢喹啉与硝基苯作用脱氢为喹啉， 而硝基苯被还原成苯胺，作为原料参与喹啉 的合成
+ N H NO2 N
+
NH2
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。
CH3 C O CH3 + N H2 H H O Ph
CH2 N
[O]
?
KMnO 4 水 溶 液
HOOC HOOC N
O
N
100℃
COOH + COOH
HOOC HOOC N
KMnO 4, OH
-
KMnO 4 水溶液
N
NH O
*（3） 喹啉与异喹啉在过酸的作用下均可形成N-氧化物。
RCO 3H
N
N O
RCO 3H
N
N
O
4.还原反应
H2 / Ni Hg(OAc)2, 130℃
SO3H
Br
环上有给电子基时反应相对较易进行
4.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
O O
喹啉
异喹啉
苯并吡喃
苯并--吡喃酮
(quinoline)
(isoquinoline) (benzopyran) (benzo--pyrone)
杂环并杂环
6 1N 2 7 5 N 8 N 4 N9 H 3
嘌呤(purine)
（二）无特定杂环的命名
基本环 噻吩并[2.3.b] 呋喃 附加环编号 附加环 基本环
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，气味类似于 苯甲醛，熔点26℃，沸点243℃。
（二）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。