第十四章 杂环化合物

(CH3CO)2O + HONO2
酸酐
CH3COONO2 + CH3COOH
乙酰基硝酸酯 Ac2O 5℃
+ CH3COONO2 N H
+ CH3COONO2
N H 83%
Ac2O
-NO2 +
-NO2
N H 17%
O
+ CH3COONO2
-30 ℃~-5 ℃
O
-NO2
35%
Ac2O -10 ℃
S
S
-NO2 +
三、化学性质
1. 亲电取代反应
吡咯、呋喃、噻吩能像苯一样发生一系列芳香族化合物的 特征反应，由于它们是富电子杂环，所以比苯更容易发生亲电 取代反应。 反应活性相对次序是
吡咯
溴化反应 3×1018 相对速率
＞
呋喃
6×10 11
＞
噻吩
5×10 9
＞＞
苯
1
H
α- 位
H X Y X
H Y X
H Y 正电荷分布在四个原子上 稳定
二、制备方法
呋喃、吡咯、噻吩分别存在于木焦油、骨焦油和煤焦油中， 但含量不多。 工业上常用糠醛（α- 呋喃甲醛）脱羰基制备呋喃。 -CHO + H2O
ZnO-Cr2O3-MnO2 400 ℃ ~415℃
+ CO2
O O 呋喃遇到盐酸浸湿的松木片呈绿色，称为松木片反应 噻吩可用丁烷与硫、丁稀与二氧化硫在高温下反应制得 CH2—CH2 + 4S CH3 CH3 CH2=CH-CH2CH3 CH3-CH=CH-CH3
呋喃与 Br2 反应也很激烈，在 0 ℃与 Br2在二氧六环存在 下反应得一溴代产物，与 Cl2 在 – 40℃ 下反应得混合产物。
2-氯呋喃
2,5-二氯呋喃
噻吩溴化可在室温下进行，得一溴代产物: + Br2 S ② 硝化反应
AcOH 室温
S
-Br
78%
2-溴噻吩
五元杂环化合物与硝酸（强氧化剂）反应，得不到预期 产物，而是芳环被破坏。呋喃、吡咯和噻吩易被氧化, 一般 不用硝酸直接硝化。通常用比较温和的非质子硝化试剂，如 乙酰基硝酸酯，反应在低温下进行。
600 ℃ ~650℃
S
+ 3 H2S
+ SO2
高温
S
噻吩在硫酸的作用下发生蓝色的反应
呋喃和氨在高温下反应制得吡咯：
+ NH3 O
Al2O3 430 ℃
+ H2 O N H
吡咯的蒸气遇到盐酸浸湿的松木片呈红色，可 以用来检验吡咯及其低级同系物。 呋喃遇到盐酸浸湿的松木片呈绿色，称为松木 片反应。 噻吩在硫酸的作用下发生蓝色的反应。
利用磺化反应可分离苯和噻吩：
(
ß b.p81 C)
¨± ß ßßß
¨ Å H2SO4 Ò Î Ê Â Ö Ò · º ô Á Õ ó
Þ à Î ç · Ô ± ½
S ß ( b.p84 C) .
S
SO3H ¨ ßß á ßß
④ 傅克酰基化反应 五元杂环化合物酰化时，需要在较温和催化剂甚至不 用催化剂即可反应。
吡咯不用催化剂可以直接酰化：
+ (CH3CO)2O
150 ℃~160 ℃
N N H H 2-乙酰基吡咯 呋喃与酸酐或酰氯在催化剂作用下发生酰基化反应。 + (CH3CO)2O
BF3
-COCH3 60%
O
（或CH3COCl）
H2PO4
或SnCl4
O 2-乙酰基呋喃
-COCH3 75%~92%
噻吩酰化反应要用磷酸或氯化锡作催化剂。
5 6 4
OH
8-羟基喹啉
4
N1 2-氨基嘧啶
N -NH 2 2
3
CH3-
N3
2
N1 CH3 4-甲基咪唑 N-甲基吡咯 或1-甲基吡咯 4 β 3 -CH2COOH 5
N
2
5
1
S1 5-甲基噻唑
5
6
3-吲哚乙酸
7
N1
2α
或β-吲哚乙酸
第二节 五元杂环化合物
典型的五元杂环是呋喃、吡咯、噻吩。它们是最重要的含 一个杂原子的五元环化合物。它们的衍生物不单种类繁多，而 且有些是重要的工业原料，有些具有重要的生理作用。 呋喃（Furan）是最简单的含氧五元杂环化合物。它存在
· ·· O · · ·
体系中π 电子数： 4+2=6
噻吩的分子结构
吡咯的结构:
共轭效应是给电子的。 诱导效应是吸电子的。
N
孤电子对在p轨道上。
吡
咯
结构：吡咯N是sp2杂化，孤电子对参与共轭。 反应：碱性较弱，环易发生亲电取代反应，环上相当于
有一个邻对位定位基。
呋喃、噻吩的结构请同学自己分析。
三种杂环具有一定程度的芳香性，杂原子电负性大小：
＞ N 15 H
△
10 + KOH
NK + 吡咯钾盐
+
MgIBr
吡咯卤化镁
四、呋喃衍生物——糠醛（α- 呋喃甲醛）
O -CHO 糠醛是呋喃衍生物中最重要的一个， 最初从米糠制得而得名。
1. 制备
由米糠、甘蔗渣、高粱杆、玉米芯、花生壳等与 酸共热、蒸馏制取。
农业副产品 含戊多糖
打碎
稀H2SO4 △
水解为 戊糖
使血液成红色的血红素
具有遗传作用的核酸
它们都具有重要的生理作用。
许多中草药的有效成分大都含有含氮杂环化合物，部 分维生素和抗菌素以及一些植物色素和植物染料都含有杂 环，不少合成药物和合成染料也含杂环。
S Thiophene
O Furan
N H Pyrrole
呋喃
吡咯
噻吩
第一节 杂环化合物的分类和命名
含两个杂原子：
N
N
N Pyrimidine
Pyridazine
哒嗪
嘧啶
√
吡嗪
N N Quinoline N Isoquinoline N
N N N
喹啉 稠杂环
√
N H Indole
异喹啉
√
N N N N H Purine
喋啶
吖啶
N H Carbazole
吲哚
√
嘌啉
√
咔唑
2.环上有取代基时，应以杂环为母体，将杂环母核编号 ① 杂原子编号最小（即从杂原子开始编号）；
噻吩侵入途径为吸入、食入、经皮吸收，具有引起兴奋 和痉挛的作用，其蒸气刺激呼吸道粘膜，对造血系统亦有毒 性作用(刺激骨髓中白细胞的生命)。急救方法： 皮肤接触：脱去污染的衣服，立即用流动清水彻底冲洗。 眼睛接触：立即提起眼睑，立即用流动清水彻底冲洗。 吸入：迅速脱离现场至空气新鲜处。呼吸困难时给输氧， 呼吸停止时，立即进行人工呼吸，就医。 食入：误服者给饮大量温水，催吐，就医。
70%
-NO2 S
5%
③ 磺化反应 呋喃、吡咯不能直接用硫酸磺化，因为它们在浓硫酸中不 稳定，会发生聚合，通常用一种温和的磺化剂—— 吡啶三 氧化硫进行磺化。
ßà ¤ßßßß ò ßßßßßßßßß
Ç » » ¯
C5H5N SO3
O
C5H5N SO3
O
SO3H » Ä ² Ü Ó Ã Ç ¿ á Ë £ ¡ SO3H
一、 呋喃、吡咯、噻吩的结构与芳香性
物理方法证明：呋喃、吡咯、噻吩都是平面结构，环上所 有原子都是SP2 杂化，各原子均以SP2 杂化轨道重叠形成σ键。 碳原子未杂化的 P 轨道中有一个电子，杂原子的 P 轨道 中有一对电子，P 轨道互相平行重叠，形成闭合的共轭体系。
N H
· ·
五 中 心 六 电 子 （ 富 电 子 环 ）
N H
N H
噻吩比较稳定，既可以用硫酸在室温下直接磺化（产 率稍低），也可以用温和的磺化试剂磺化。
¨ H2SO4 Å
S
Ò Î Ê Â
S
SO3H
¨± £ ½ Ô Ú Ê Ò Î Â Ï Â » ² Ä Ü » Ç ¯ » ¡ £ £ ©
说明：① 噻吩环芳香性比呋喃环和吡咯环强，较稳定；
② 噻吩环上电子云密度比苯环大，更容易磺化。
S
+ (CH3CO)2O
S 2-乙酰基噻吩
-COCH3 70%
2. 加成反应
加成反应是标志化合物不饱和性的最典型反应，它们 能像环戊二烯分子一样催化加氢生成相应的饱和化合物。 + 2 H2
O + 2 H2
Ni Ni
O
四氢呋喃（THF）
N H
+ 2 H2
Ni
N H
四氢吡咯
S
S
四氢噻吩
3. 吡咯的弱碱性、弱酸性
杂环化合物是指一类环状有机化合物，构成环的原子 除碳外还有其它原子（杂原子）。
通常杂原子有：O 、N 、S 等 这种环状化合物具有芳香结构（闭合共轭体系）和一定 程度的稳定性。 O O CH2—CH2 O NH O O O O 内酯 内酰胺 环状酸酐 环氧化合物 从形式上看，它们都是含杂原子的环状化合物，但其性 质与相应的开链化合物相似，不属于杂环化合物讨论的范畴。
吡咯表面上 是个仲胺，但实 际上吡咯是一个 很弱的碱，碱性 比苯胺弱得多， 它只能慢慢地溶 解在冷的稀酸溶 液中。 氮上电子云 少，H 易离 解，显一定 的酸性。 酸性： pka： N H
CH3 I
N MgBr N CH3
.. N H -OH
氮上孤电子 对参与环内 共轭，减弱 了对H+吸引 能力。 ＞ R-OH 18 + H 2O
于松木焦油中，为无色液体，沸点为32℃，具有类似氯仿的
气味，难溶于水，易溶于有机溶剂，常用作溶剂。它有麻醉 和弱刺激作用，极度易燃。吸入后可引起头痛、头晕、恶心、 呼吸衰竭。呋喃具有毒性且致癌。呋喃环具有芳环性质，可 发生卤化、硝化、磺化等亲电取代反应，常作为合成其他复
杂有机物的起始原料。
吡咯（Pyrrole）是最简单的含氮五元杂环化合物，主要存 在于骨焦油中，煤焦油中存在的量很少。 健康危害：吡咯属低毒类，虽然急性口服毒性不强，但有 积蓄性毒性，注射于哺乳动物能使尿变色。对中枢神经系统有 抑制麻醉作用，吸入蒸气可致麻醉，并可引起体温持续增高。 吡咯在空气中加热能产生毒性强的气体，使用时需加注意。 燃爆危险：易燃，其蒸气与空气可形成爆炸性混合物，遇 明火、高热能引起燃烧爆炸。其蒸气比空气重，能在较低处扩 散到相当远的地方，遇火源会着火回燃。 噻吩(Thiophene)是最简单的含硫五元杂环化合物，存在于 煤焦油和页岩油中。无色流动性、有难闻的臭味的液体，熔点38.2℃，沸点84.2℃ ，易燃、有毒，经皮肤吸收或吸入蒸气会 引起中毒。其蒸气与空气形成爆炸性混合物，遇明火、高热能 引起燃烧爆炸。与氧化剂能发生强烈反应。其蒸气比空气重， 能在较低处扩散到相当远的地方，遇火源会着火回燃。
有 机 化 学
第十四章
杂环化合物
ORGANIC CHEMISTRY
学习内容
1.基本掌握杂环化合物的命名规则
2.掌握五元杂环化合物的物理和化学性质
3.掌握六元杂环化合物的物理和化学性质 4.了解部分稠杂环化合物和生物碱的性质
ORGANIC CHEMISTRY
在自然界中杂环化合物分布很广 如：使植物中成绿色的叶绿素
一 、杂环化合物的分类和命名
1. 音译Fra Baidu bibliotek （同音汉字加“口”字旁） 含一个杂原子 单环： √ √
O Furan N H Pyrrole
S
√
Thiophene
五元环
呋喃
吡咯
噻吩
含两个杂原子
咪唑
噻唑
吡唑
异噻唑
含一个杂原子：
N Pyridine
O Pyran
吡啶
√
吡喃
六元环
N N N Pyrazine
O (3.5) ＞ N (3.0) ＞ S (2.5)
若电负性 , 则对外层电子吸引力 , 孤电子离域性
, 故芳香性
。
芳香性与稳定性: ＞ S ＞ ＞
N H
O
由于呋喃、噻吩、吡咯都是五中心六电子，属于富电子环
π电子密度： 反 应 活 性： 稳 芳 定 性： 香 性： 杂环 ＞ 苯环 杂环 ＞ 苯环 杂环 ＜ 苯环 杂环 ＜ 苯环
进一步脱水
糠醛
(C5H8O4)n + n H2O
戊多糖
3%~5% H2SO4 △，水解
n C5H10O5
戊糖
HO-CH—CH-OH H-CH CH-CHO 戊糖 OH OH
-3H2O
△
O
-CHO
糠醛
2. 性质及用途
糠醛是无色透明液体，沸点161.7℃,在空气中逐渐变 为黄棕色，能溶于醇、醚及其它有机溶剂中，糠醛本身是 一个良好的溶剂，在工业上有广泛的用途，常用于精炼石 油、精制松香、溶解硝酸纤维等，在有机合成工业上也很 重要，是油漆、树脂工业的重要原料。
X
Y
H
H Y Y X X
H Y
正电荷分布在俩个原子上
β- 位
X
亲电试剂进攻发生在α- 位和β- 位，但α- 位更容易些。
① 卤代反应 像苯酚和苯胺一样，吡咯、呋喃、噻吩很容易发生卤 代反应。 氯代、溴代不但不需催化剂，而且为避免多取代物， 往往采用温和条件，如用溶剂稀释和采用低温。
吡咯反应活性最大，在低温下进行，一般得多卤产物。 Br-Br C2H5OH + Br2 Br-Br 0℃ N N H H 四溴吡咯
编号原则 ② 环上含两个以上相同杂原子时，应使杂原子的 编号最小（一般从连有取代基的杂原子开始）； ③ 环上有不同杂原子时，按O、S、N的顺序编号； ④ 尽可能使连有取代基的碳原子编号最小。
4 5 6 β 3 -CH 5 4 3
3
6 7
CH34 5
N3
4
3 2
N1
2α
8
N
1
2
3-甲基吡啶 或β-甲基吡啶
·
· ·
·
N—H
· ·
sp2杂化轨道
· ·· N · ·
P 轨道
吡咯
吡咯的分子结构
N原子杂化轨道
· ·
·
·
O 呋喃
· ·
· ·
O · ·
呋喃的分子结构
· · ·
·
· ·
S 噻吩
S ·
· ·
符合休克 O原子杂化轨道 尔 4 n + 2 规则，故 三个杂环 · ·· 均具有芳 S · · 香性 ·
S原子杂化轨道