第十八章 杂环化合物

第十八章 杂环化合物
本章内容
杂环化合物的分类与命名 五元杂环化合物 六元杂环化合物 生物碱
广义定义：除碳原子外还含有其他原子(N、S、O)的环状化合物。 狭义定义：构成环的原子除碳原子外还有其它原子，并具有芳香结 构的环状有机化合物。 杂原子：组成杂环的原子除碳以外都叫杂原子。
杂环化合物在自然界中分布很广，功用很多。
CH CH OH
H CH C H O H OH CHO
2. 性质和用途 无-氢的醛;具不饱和呋喃杂环:
O
CHO
四. 呋喃、噻吩、吡咯的制法
1. 呋喃的制法 (1)由糠醛经催化脱羰基;
(2)1,4-二酮经五氧化二磷反应(帕尔-诺尔Paal-Knorr合成法)
CH2 C6H5 C O CH2 C CH2COOH O
N H 1H-吡咯
N
2H-吡咯
O
2H-吡喃
O
4H-吡喃
（三）取代杂环化合物的命名 当杂环上连有取代基时，先确定杂环母体的名称和编号，然后将取 代基的名称连同位置编号以词头或词尾形式写在母体名称前或后， 构成取代杂环化合物的名称。
2-氨基咪唑
8-羟基喹啉
COOH
SO3H
O
CHO
N OH
N
2-呋喃甲醛
Penicillin G
维生素B1
青霉素
2.咪唑
含有两个氮原子的五元杂环， 无色固体，熔点90℃，易溶于水，碱 性较噻唑强。它也有微弱的酸性，NH 上的氢原子可被碱金属原子置换而成 盐。
N
N
N H
NHCl-
HCl
N H N H
N
N
NaNH2
N H N
Na+
咪唑环的互变异构 咪唑环有互变异构体，当环上无取代基时， 这一现象不易辨别，当环上有取代基时则很明显。
CH CH2
CH3 N CH CH2 CH3
HO2CCH2CH2
Heme
Sedative（ 镇痛药）: Phenobarbital（镇静安眠药）
H O H N O N O CH2CH3
Phenobarbital
Antibiotic（抗生素）: Penicillin （青霉素）
O C6H5CH2 C NH H O N H H S CH3 CH3 CO2H
嘌呤 Purine
（二）杂环母环的编号规则 杂环母体的编号原则是： 1．含一个杂原子的杂环 含一个杂原子的杂环从杂原子开始编号。 2．含两个或多个杂原子的杂环 含两个或多个杂原子的杂环编号时应使杂原子位次尽可能小， 并按O、S、NH、N的优先顺序决定优先的杂原子，见咪唑、噻唑 的编号。 3．有特定名称的稠杂环的编号有其特定的顺序 如异喹啉、嘌呤的编号。 4．标氢 用其编号加H（大写斜体）表示。例如：
3．喹啉及其衍生物的合成 合成喹啉及其衍生物的常用方法是斯克劳普（Skraup）合成法。 用苯胺（或其它芳胺）、甘油（或α,β不饱和醛酮）、硫酸、硝基苯 （相应于所用芳胺）共热，即可得到喹啉及其衍生物。
NH2 CH2OH CHOH CH2OH NO2 H2SO4 N NH2
反应过程包括以下步骤： （1）甘油在浓硫酸作用下脱水生成丙烯醛；
CH2 OH CH OH CH2OH H2SO4 CH2 CHCHO H2O
（2）苯胺与丙烯醛经麦克尔加成生成β-苯胺基丙醛；
NH2 δ δ CH2 CH Oδ C δ H CHO H N
（3）醛经过烯醇式在酸催化下脱水关环得到二氢喹啉；
H N CHO HO H H N C H OH H N H H2O H N
苯并咪唑 Benzimdazole
咔唑 Carbazole
含一个杂原子的六元杂环
γ
4 5 6 1 3 2
γ β α
5 6 4 3 1 2
γ β α
4 5 6 1 3 2
β α
N
O
O
吡啶 Pyridine 含两个杂原子的六元杂环
43 5 6 1 2N 5 6
2H-吡喃 2H-Pyran
4H-吡喃 4H-Pyran
N H
O
1
O
1
2 Nα
S
1
α
吡唑 Pyrazole
咪唑 Imidazole
噁唑 Oxazole
异噁唑 Isoxazole
噻唑 Thiazole
五元稠杂环
4 5 2 6 7 1 3 5 4 3 5 1 7 2 6 7 4
N
2
3
5 6 7 8 9
4 3 2 1
N H
6
O
N H
1
N H
吲哚 Indole
苯并呋喃 Benzofuran
含一个杂原子的五元杂环
β
4
β
5 1 3 2
β α α
4 5
3
β α α
β
5
β
4 3
α
N H
O
1
2
S
1
2
α
吡咯 Pyrrole
呋喃 Furan
噻吩 Thiophene
含两个杂原子的五元杂环
β
4 3
β α
β
5
4
3 1
Nβ
2
β α α
5
α
4
3
Nβ
2
β α α
5
β
4 3
β α
5
4
3
Nβ
2
5 1
2 Nα
N H
六、吲哚
存在与物理性质
5 6 7
3
N1 H
2
存在于煤焦油中，为白色片状结晶，熔点52.5℃，沸点254 C。
CH2CHCOOH NH2 N H
CH2COOH N
色氨酸
HO N H NH2
β-吲哚乙酸
H3CO N H
H
NHCOCH3
5-HT
褪黑素
取代反应 吲哚的化学性质与吡咯相似，也有松木片反应呈红色，亲 电取代主要发生在3位。
O CHO O NH3 500 o C CH2OH
N
实验室合成法为汉茨施（Hantzsch）合成法：
H C ROOC C C CH3 OH H N H H O
H ROOC
H
C C
COOR
COOR N H
HO H
CH3
H3C
CH3
ROOC
COOR N H CH3
HNO 3/H2SO 4 H3C
2．电子结构及芳香性
Penicillin G
第一节 分类和命名
1 按环的个数分：单环和稠环(单环与芳香环或其它杂环稠并而成)
三 杂环 四 杂环 S O N N S
单杂环
五 杂环 六 杂环
O N
O N H
七 杂环 N H
2 按是否具有芳香性分： 芳香杂环化合物和普通杂环化合物
杂环化合物的命名
（一）有特定名称的杂环
按照英文名称的读音，选用同音汉字加“口”旁组成音译名，其中 “口”代表环的结构。
注意：
硝化反应：不能用硝酸或混酸进行硝化反应，只能用较温和的 非质子性的硝乙酐作为硝化试剂，并且在低温条件下进行反应。 磺化反应：吡咯和呋喃的磺化反应也需要使用比较温和的非质 子性的磺化试剂，常用吡啶三氧化硫作为磺化试剂。 由于噻吩比较稳定，可直接用硫酸进行磺化反应。
4. 加成反应
（1） 呋喃的加成反应
3-吡啶甲酸
8-羟基喹啉-5-磺酸
第二节 五元杂环化合物
含一个杂原子的五元杂环化合物
O Furan 呋喃
N H Pyrrole 吡咯
S Thiophene 噻吩
一、呋喃、噻吩、吡咯杂环的结构
物理方法证明：
吡咯、呋喃和噻吩这三个化合物都是平面型分子。 碳原子与杂原子均以sp2杂化轨道与相邻的原子彼此以σ键构成 五元环，每个原子都有一个未参与杂化的 p轨道与环平面垂直， 碳原子的p轨道中有一个电子，而杂原子的p轨道中有两个电子。 这些p轨道相互侧面垂直重叠形成封闭的大 π键，大π键的π电 子数是6个，符合4n+2规则，因此，这些杂环具有芳香性特征。
P2O5 C6H5 O
CH2COOH
2. 噻吩的制法 (1)煤焦油中提取; (2)1,4-二酮经五硫化二磷反应(帕尔-诺尔Paal-Knorr合成法)
3. 吡咯的制法 (1)呋喃与氨在高温下反应:
Al2O3 o 430 C
+
NH3
O
N H
（2）丁炔二醇与氨在压力下反应:
HOCH2
CH2OH
+
NH3
N
N
尿嘧啶(Uracil)
胞嘧啶(Cytosine)
胸腺嘧啶
嘧啶衍生物广泛存在于动植物中。
H3C HN + N NH2 CH3 + N S OH 2Cl
-
维生素B1
三、喹啉与异喹啉
5 6 7 8 4 3 6 7 8 1 5 4 3
N
1
2
N2
1．结构 2．化学性质
亲电取代反应、亲核取代反应有以下规律： （1）亲电取代反应发生在苯环上，其反应活性比萘低，比吡 啶高，取代基主要进入5位和8位。 （2）亲核取代反应发生在吡啶环上，反应活性比吡啶高。喹 啉取代主要发生在2位上，异喹啉取代主要发生在1位上。
七、卟啉类化合物
NH N
CH3 CH2 CH N CH3 CH3 H N Mg N H N O CO2CH3 H O O CH3 H CH3 H CH2CH3
N HN
CH3
Chlorophyll a
第三节 六元杂环化合物
一、吡啶
1. 来源和制法 吡啶是从煤焦油中分离出来的具有特殊臭味的无色液体，沸点为 115.3℃，比重为0.982，是性能良好的溶剂和脱酸剂。 工业上可从糠醛制备：