1 第十五章 杂环化合物、生物碱
杂环化合物的定义：在环状有机化合物中，构成环的原子除了碳原子外还含有其他原子，这环状种化合物就叫做杂环化合物（heterocyclic compound）。除碳以外的其他原子叫做杂原子。常见的杂原子有：氮、氧、硫。
第一节 杂环化合物的分类和命名
一、 分类
按照环的大小和环的数目可分为：
杂环单杂环五元环六元环苯环与单杂环的稠合杂环(苯并杂环)两个或两个以上单杂环的稠合杂环OSNH稠杂环NNNNNHN
二、 命名
1、音译法：根据外文译音，选用同音汉字，加“口”字旁表示杂环。
OSNH吡咯呋喃噻吩吡啶NpyrrolefuranthiophenepyridineNH吲哚indoleNN咪啶pyrimidine
取代杂环的命名：
① 杂环的编号从杂原子起依次1,2,3 ……（或：α,β,γ……）。
② 如环上不止一个杂原子时，则从O、S、N的顺序依次编号。
③ 有两个相同杂原子的，应从连有H原子或取代基的开始编号。
④ 编号时注意杂原子或取代基的位次之和最小。
⑤ 稠杂环是特定的母体和固定的编号。
NS512435-乙基噻唑NNH123454-甲基咪唑CH3C2H5NCH31234563-甲基吡啶
2、根据结构命名： 2 即根据相应于杂环的碳环来命名，把杂环看作是相应的碳环中的碳原子被杂原子置换而形成的。例如，吡啶可看作是苯环上一个碳原子被氮原子置换而成的，所以叫做氮杂苯。
OSNHN 茂(环戊二烯)氮茂氧茂硫茂NN苯氮苯1,3-二氮苯
第二节 一杂五元杂环化合物
含有一个杂原子的典型五元杂环是呋喃、噻吩、吡咯。
OSNH
一、 呋喃、噻吩、吡咯的结构
1、据现代物理方法证明：
① 呋喃、噻吩、吡咯都是一个平面的五元环结构，即成环的四个C原子和一个杂原子都是以SP2杂化轨道成键的。
②环上每个碳原子的P轨道有一个电子，杂原子P轨道上有两个电子。
③ P轨道垂直于五元环的平面，互相侧面重叠而形成一个与苯环相似的闭合共轭体系。
④ 五元环的六个π电子分布在包括环上五个原子在内的分子轨道。
2、分子结构符合休克尔(Huckel)规则（4n+2=6,n=1），π电子数为6。具有芳香性。但芳性比苯弱，环的稳定性差。
3、芳香性秩序： 苯 ＞ 噻吩 ＞ 吡咯 ＞ 呋喃
呋喃的芳香性最弱，实际上它可以进行双烯加成反应，表现出共轭二烯烃的性质。
4、它们的键长数据如下[单位（ppm）]：
OSN140145135172143137138144135137
5、吡咯、呋喃、噻吩环上杂原子氮、氧、硫的未共用电子对参与环的共轭体系，使环上的电子云密度增大。因此，它们都比苯活泼，比苯容易进行亲电取代反应，而且它们进行亲电取代反应的活泼性顺序是： 吡咯 > 呋喃 > 噻吩
> 苯
X+(CF3CO)2OXCOCF3+CF3COOH三氟乙酐酰化
二、 呋喃、噻吩、吡咯的性质
1、亲电取代反应——主要在杂原子的α位：
它是呋喃、吡咯、噻吩的典型反应。由于它们环上的电子云密度比苯大，比苯容易发生亲电取代反应。同时环稳定性比苯差，因此反应条件与苯不同，需要在较温和的条件下反应，以避免氧化、开环或聚合等副反应。 3 （1）卤代 ：
OOBr７５%+Br2二氧六环室温NH+Br2乙醇NHBrBrBrBr0℃
（2）硝化 ：
S+-10℃乙酐SNO2SNO270%5%CH3CONO2O+
（3）磺化
：
ONSO3-+HClOSO3H+吡啶三氧化硫呋喃－２－磺酸
（4）乙酰化 ：
OBF3OCOCH3(CH3CO)2O+
亲电取代反应小结：
亲电取代反应的活性： 吡咯 ＞ 呋喃 ＞ 噻吩 ＞ 苯
亲电基团一般进入杂原子的邻位即α位。
第二个取代基的位置受第一个定位基的影响。
XY+Br2XYXYBrBrY是I类定位基Y是类定位基
XXXYY是I类定位基Y是类定位基YY23545
若环上已有两个取代基，则第三个取代基进入β位，并受前两个定位基的影响。
2、加成反应：
（1）D—A反应：
O顺丁烯二酸酐25℃OOHHOO+OOO 4 NHHN+苯炔
（2）加氢反应：
进行催化氢化反应，失去芳香性而得到饱和的杂环化合物。
OOH2/NiSSH2/NiNHNHH2/Ni
3、噻吩的反应：
噻吩的磺化比苯容易，在室温下用浓硫酸即可进行反应。
S+浓H2SO4室温SSO3H噻吩－２－磺酸
用此反应可以除去粗苯中的少量噻吩。
4、吡咯的酸碱性：
弱酸性 吡咯N原子上的H原子都有微弱的酸性。
弱碱性 吡咯是一个环状的二级胺。
NHKOHN- K++NN- K++CH3COClCOCH3NHCOCH3N-乙酰基吡咯N- K+NHCOOHCO2H2ON- K+NCH3ICH3NHCH3
吡咯还能和格氏试剂反应：
NH+RMgXN+RHMgXNNHRR 5 吡咯的亲电取代活性类似于苯胺、苯酚，它可进行瑞穆尔—蒂曼反应，并可与重氮盐偶联。
NH+CHCl3+KOHNHCHO2-吡咯甲醛NH+C6H5N2Cl-NHN2-吡咯偶氮苯H+NC6H5
三、 呋喃、噻吩、吡咯的来源
1、工业制备噻吩是用丁烷、丁烯或丁二烯与硫磺一起加高温反应而制得：
600℃CH3CH2CH2CH3+SS+H2S
2、吡咯存在于骨焦油中，它可用下法进行合成：
HCCH+2CH2OHOCH2CCCH2OHNHCu2C2NH3压力
3、呋喃存在于木焦油中，它很容易由农副产品经下述一系列反应而制得：
400℃戊糖OCHO花生壳玉米芯稻壳(C5H10O5)nHCl水解(CHOH)3CHOCHO-3H2OO催化剂-CO聚戊糖糠醛
4、某些取代的吡咯、呋喃和噻吩可从母体杂环经过取代反应而制得。但大多数是从开链化合物通过闭环而制得：
(NH4)2CO3P2S5OOCH3CH3P2O5△OCH3CH3SCH3CH3NHCH3CH3△△
5、吡咯的克诺尔(Knorr)合成法：
NHCH3CO2C2H5CH3CH3CH2O2CCH3CCHNH2COC2H5OOCH3COCH2CO2C2H5CH3CO2H
25℃NHCH3CH3CH3CCH2NH3Cl-OCH3CCH3O+NaOH 6 四、 重要衍生物
1、呋喃衍生物—糠醛
OCHOHCHCCHCOHHOOHOHH稀酸△-3H2OHCHO
OCHO 浓NaOHOCH2OHOCOOH+2
2、吡咯衍生物—叶绿素、血红素和维生素B12
（1）、结构：
NNNN1324657δ8αγβ
（2）、衍生物：①
叶绿素a、b 中心离子为Mg2+
② 血红素
中心离子为Fe2+
③ 维生素B12 中心离子为Co
第三节 一杂六元杂环化合
一、 吡啶的结构
1、结构：吡啶的结构与苯相似，也符合休克尔规则，具有芳香性。
N
吡啶分子中的五个碳原子和一个氮原子都是以SP2杂化轨道成键的，六个原子都在一个平面上。同时每个原子各提供一个P电子，它们的P轨道与环平面垂直，互相重叠成闭合共轭体系。
2、吡啶的来源和制取：
CCHROOCCH3OHNHHHCOHHCCHCOORCH3HO乙酸乙酯甲醛氨乙酸乙酯NHCOORCH3ROOCCH3H2SO4HNO3NCOORCH3ROOCCH3(C2H5)2NH
二、 吡啶的性质
1、 碱性
吡啶是一个弱碱，它能接受一个质子，其碱性比吡咯强。 7 +N+HClNHCl-NN+SO3SO3
碱性秩序：三甲胺 ＞ 吡啶 ＞ 苯胺
＞ 吡咯
吡啶也易与碘甲烷作用生成季铵盐：
N+CH3IN+CH3I-290~300℃NHCH3+I-+NH+I-CH3
2、 亲电取代与亲核取代反应
吡啶环由于氮原子的电负性大，环上的电子云向氮转移，而且一般在进行亲电取代的酸性条件下，氮上的孤电子对被质子化或路易斯酸形成络合物，使氮原子带正电。
300℃NBr2NBrNNO2NSO3H39% 3-溴吡啶6% 3-硝基吡啶70% 吡啶-3-磺酸30℃200℃浓HNO3 + H2SO4浓H2SO4浮石[HgSO4]
亲电取代：条件强烈；进入吡啶环的β位 。
N+NaNH2H2ONNNaNNH2N(CH3)2+H2+NaOH
其反应过程为：
N+NaNH2NNH2+H--H-NNH2H
吡啶和强碱性的苯基锂反应，发生类似的亲核取代反应：
NC6H5N+甲苯+LiHC6H5-Li+ 8 NOCH3NClNaOCH3
3、 氧化还原反应
吡啶环由于电子云密度低，对氧化剂一般比苯环稳定，而对还原剂则比苯环活泼。
NNCOOHCOOHHNO3△喹啉NNa + C2H5OH室温NH六氢吡啶HNO3△Nβ-吡啶甲酸（烟酸）NCOOHNCH3尼古丁——烟碱
4、 吡啶 离子的亲核加成反应
吡啶 离子容易在２或４位与亲核试剂发生加成，例如：
NCH3X-23456+OH-NHOHCH3NCH3OK2Fe(CN)6
三、吡啶的重要衍生物
1、雷米丰（remifonum）
学名异烟酰肼，是一种白色固体，熔点在170—180 ℃之间，易溶于水，γ-吡啶甲酸（异烟酸）与肼缩合即可得到：
NCOOH+H2NNH2NCONHNH2雷米丰
2、维生素B6
自然界存在的维生素B6 是有下列三种物质组成的：
NCH2OHCH3HOCH2OH吡多醇NCHOCH3HOCH2OH吡多醛NCH2NH2CH3HOCH2OH吡多胺
3、维生素PP
维生素PP包括两种物质，即β-吡啶甲酸和β–吡啶甲酰胺：
