20杂环化合物

2-乙酰基呋喃
N-甲基-2-羟基咪唑
6
CH3 Br N N SO3H N N
3-溴吡啶
PhCO N H N NH2
3-吡啶磺酸
4-甲基嘧啶
COOH N H 3-吲哚甲酸
2-氨基-5-苯甲酰基苯并咪唑
3-溴吡啶
3-吡啶磺酸
4-甲基嘧啶
7
（2）当作碳环芳香化合物的衍生物（不常用），如：
O 氧杂茂 茂
4 5
N3
2
4 5
3
4 5
N3
2
N2
S
1
3
thiazole噻唑 N3 4
5 2
N1 H pyrazole吡唑
4 5
N1 H imidazole咪
N
3
N2
1
e吡唑
N1 O 1 H imidazole咪唑 Oxazole 恶唑
29
2
20.3 唑
主要介绍吡唑和咪唑
1. 结构 以咪唑为例：
N
N1： SP2杂化，角色与吡咯中相同，孤对电 子参与环共轭。 N2： SP2杂化，未共用电子对在轨道上不参 与环的共轭，有碱性；相当于叔胺的碱性。
ZnCl2 N N 吡啶的离去基团是较难离去的H-，故亲核试剂必须是强碱性亲 核试剂，能在吡啶的-位直接发生亲核取代。
+ NH3
180~200oC
+ NH4Cl
+ PhLi N N
N + NaNH2
+ LiH Ph NH3
N NH2
38
齐齐巴宾反应
3、吡啶环上氮的碱性及亲核性
(1) 碱性
+ HCl N + N H Cl-
13
O
+ N
SO3
CH2Cl2 室温 O SO3-
N H
+
HCl O SO3H
N H
+
N
SO3
100oC
HCl N H SO3H
90%
S
98%H2SO4 室温
H2O S SO3H 69~76% S
利用该反应可用浓硫酸除去苯的中少量噻吩
14
（2）呋喃、噻吩、吡咯的硝化反应 试剂：
O O CH3COCH2CH3 + HNO3 -5oC
34
1、亲电取代反应
吡啶环属于缺电子的芳杂环，和硝基苯相似，反应条件要求很
高，不能进行F-C反应。亲电取代 反应主要在β-位上。
浓HNO3,浓H2SO4 N 300 C,24小时
o
NO2 N 20%
浓H2SO4,HgSO4 N 220 C
o
SO3H N 70%
Br2,沸石 N 300 C
o
Br N 39%
12
如：
H2O,H2SO4 H3C O CH3 CH3COOH O O CH3 C CH2CH2C CH3
▲反应
（1） 呋喃、噻吩、吡咯的磺化反应
吡咯、呋喃不太稳定，须用温和磺化试剂磺化。常用的温和 的非质子的磺化试剂为吡啶与三氧化硫的加合物。
+ SO3 N
CH2Cl2 室温
N SO3
(固体，含量90 %)
2. 命名：
（1）音译法：按英文名词译音选用 同音汉字加“口”字旁， 从杂原子开始 编号，不止一个杂原子，按O，S，N顺序编号
4 3 2 4 5 3 2 4 5 3 2
◆ 五元环
5
O
1
S
1
N1 H
Furan呋喃
thiophene噻吩
pyrrole吡咯 4
至少含一个氮的两个或以上杂原子的分子，称为唑：
N H
30
2. 碱性
碱性大小与另一N原子的相对位置有关：
1，3-唑：另一N原子在间位，诱导吸电子比共轭给电子弱， 碱性较强。 1，2－唑：另一N原子在邻位，诱导吸电子影响大得多，碱 性比相应的1，3－唑弱，但仍比吡咯强。
31
20.4 吡啶
一、吡啶的结构及物理性质
5C、1N共面，都是SP2杂化；
都有一个垂直与分子面的P轨道， 侧面交叠形成闭合大π 键。 结构分析： ► N的一对未成键电子在SP2杂化轨道上，未参与形成环上共轭 体系，可接受H＋成盐——碱性。
环状化合物，环上除碳，还有杂原子（N,O,S等） 环具有芳香结构和一定的稳定性（闭合共轭体系）
环醚、内酯、内酐和内酰胺等，不属杂环化合物。(?)
核酸碱基 嘧啶
O HO P O OH B O
嘌呤环
O
NH2 N
B=
NH
NH O
N
自然界分布
N
NH
OH OH
血红素，叶绿素
生物碱，天然或合成药成分 维生素，植物色素，植物染料
CH3CH2CH2CH3 + H2S S
S
H2/MoS3
Na + C2H5
S
+
S
（2）Diels—Alder反应 相对而言，呋喃芳香性最差，最容易发生D-A反应：
22
O
O
+
O O H
90%
O O
HO O
呋喃的芳香性最差， 故共轭双烯的反应最高
HN
+
NH
吡咯遇活泼亲双烯体 也能反应
O NH C CH3 COOCH3 COOCH3 CH3
N 氮杂苯
苯
8
20. 2 五元环单杂环化合物
一、呋喃、噻吩、吡咯的物理性质（自学）、结构和芳香性： 1. 结构分析
比较
共轭效应是给电子的。 诱导效应是吸电子的。
孤电子对在p轨道上。
吡
咯
结构：吡咯Nsp2杂化，孤电子对参与共轭，电子数符合 4n+2。 反应：碱性较弱，环易发生亲电取代反应，环上相当有一个 邻对位定位基。
39
► 吡啶的碱性比脂肪胺弱，比苯胺、吡咯强。
►解释：吡啶的碱性比脂肪胺弱，主要由于孤对电子所占据的
轨道S成分的较多（N为SP2 杂化）。
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。
40
(2) 氮原子上的反应
41
4、吡啶侧链环α-H的反应
吡啶的2,4,6-位上若有烷基，则α -H具有酸性，酸性与甲基酮
S
Br2 HOAc
Br2 ,0oC N H C2H5OH
S
Br Br
Br
78%
Br
Cl
N H
Br
16
（4）傅-克酰基化 （烷基化的合成意义不大）
呋喃、噻吩的酰化反应在-C上发生，而吡咯的酰化反应（不用催化剂）既
能在 -C上发生，又能在N上发生。在 -C上发生比在N上发生容易。（思
考：如何解释？）
33
二、吡啶的化学性质
0.87 1.01
N
1.43
具有一定芳香性；环上电子云分布不如苯均匀； 吡啶环上的碳原子电子云密度较苯低，氮原子附 0.84 近电子云密度较大，可以结合质子，具有碱性。
吡啶的亲电取代反应比苯困难且取代基主要进入 -位。
易亲核取代，在 、 位，以 位为主；难氧化，易还原。
Br2,HOAc N NH2 20oC
浓H2SO4
Br N NH2
NO2
90%
H3C N CH3 KNO ,100oC H C N CH 3 3 3
66%
37
2、亲核取代反应
吡啶的2,4,6位上的卤素容易被亲核试剂取代: ( 原因? )
N Br
Cl
+ H2O
NaOH 回流
NH2
N
+ NaBr OH
第二十章 杂环化合物
20. 1 杂环化合物的分类和命名
20. 2 五元环单杂环化合物
20.3 唑
20.4 吡啶
20.5 喹啉和异喹啉
20.6 嘌呤和嘧啶 20.7 杂环化合物的合成 20.8 生物碱
1
N
定义：环状有机物中，成环原子除碳原子外还有其它
原子，且这种环具有芳香结构，称杂环化合物。
定义 （包含两点）
O CH3CONO2 + CH3COOH
硝酸乙酰酯（硝乙酐）
O
CH3COONO2 -5~-30oC
O
NO2
35%
15
（3）卤代反应
80％ Br2 ,0oC O Br
O O
O
Cl2 -40oC
O
Cl
+
Cl
O
Cl
70% S
80% N H
I
I2,HgO C6H6,0oC
SOCl2(1mol) C2H5OH,0oC
N H
1
2 4 3 + 5 6 7 + 1
进攻3位
3 2
E H
其他贡献较小的共振式
N H
1
2
N H
特别稳定
Ag(NH3)2+ CH3COONa O CHO (CH3CO)2O NaOH(浓) O COOH + O CH2OH
28
O O
COOH CH CHCOOH
20.3 唑
至少含一个氮的两个或以上杂原子的分子，称为唑：
35
亲电反应不易进行的原因：
1、环上N的吸电子诱导效应与共轭效应，使环上的电子云密 度下降；
2、由于反应在强的亲电性的介质如Br 、NO2 中进行，易与
+ +
吡啶形成吡啶盐。

结论: 1. 环上带正电, 不利于亲电取代

N

2. 位的正电荷密相对较低
36
吡啶环上有活化基团时，亲电取代反应容易进行