下载文档原格式
第10章杂环化合物第10章杂环化合物§杂环化合物的分类和命名分类1、按照环的多少分类单杂环：常见的是五元杂环和六元杂环，环上的杂原⼦有⼀个或两个。
五元杂环：六元杂环：吡喃没有芳⾹性，⽣成盐后则具有芳⾹性。
稠杂环：由苯环与单杂环或两个以上单杂环稠合⽽成的。
命名常见的基础杂环多数是具有芳⾹性的，命名时作为杂环化合物的母核。
1、⾳译法中⽂名称采⽤⾳译法，⽤带⼝字旁的同⾳汉字表⽰。
对于⽆特定名称的杂环化合物，中国化学会1980年颁布的有机化学命名原则规定：采⽤“杂”字作介词，把杂环看作是相应的碳环母核中碳原⼦被杂原⼦置换后的衍⽣物来命名。
国外现在采⽤的Hantzsch-Widman系统，规范了10元以下⼀般杂环的词尾词⼲的书写格式。
为了正确表明取代基位置，需将杂环母核编号，编号规则主要有：（1）含⼀个杂环原⼦的单杂环，从杂原⼦开始编号。
有时也使⽤希腊字母，把靠近杂原⼦的位置叫做α位，其次是β位，再其次是γ位。
（2）含两个及以上相同杂环原⼦的单杂环，编号从连有氢原⼦的杂原⼦开始，并使另⼀杂原⼦所在位次保持最⼩。
（3）含两个及以上不同杂环原⼦的单杂环，编号从价数⼩杂原⼦开始，价数相同时则从原⼦序数⼩的开始。
因此，常见杂原⼦编号优先顺序为O、S、N。
⼀般常见的稠杂环有特定的编号，或是沿⽤习惯。
§五元杂环化合物结构和物理性质1、结构这三种杂环上的原⼦都是sp2杂化，为平⾯结构。
每个碳原⼦垂直于环平⾯的p轨道有⼀个电⼦，杂原⼦垂直于环平⾯的p轨道有⼆个电⼦。
三种杂环π电⼦数都是6个，符合休克尔规则，都具有⼀定的芳⾹性。
结构特点：杂原⼦sp2杂化，未成键电⼦对在2p轨道上，参与共轭。
从吡咯的共振式看出，杂原⼦氮上部分负电荷分布到了碳原⼦上。
杂原⼦共轭效应是推电⼦的，诱导效应是吸电⼦的。
由于6个π电⼦分布于5个原⼦上，整个环的π电⼦⼏率密度⽐苯⼤，是富电⼦芳环。
因⽽⽐苯环活泼，亲电取代反应⽐苯快得多。
１7．１ 杂环化合物的分类和命名 １7．１．１分类１7．１．２命名1．音译法 以口字傍为杂环标志。
2．系统命名法3．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。
１7．２ 五元杂环化合物 —— 吡咯、呋喃、噻吩１7．２．１结构 1．经典结构 2．分子结构据现代物理方法证明：① 呋喃、吡咯、噻吩是一个平面结构。
② 环上的C 原子和杂原子都是以SP 2杂化轨道成键的。
③ 五个没有杂化的P 轨道垂直于环平面，形成闭合共轭体系。
④ 属于富电子芳环。
⑤ 环形π电子分布于杂环平面的上、下两方。
⑥ 共轭能3．芳香性① 符合休克尔规则，π电子数为6。
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OSN H稠杂环NN NNN HN②芳香性比较（易取代、难加成、难氧化）：苯＞噻吩＞吡咯＞呋喃③解释环的稳定性：苯＞噻吩＞吡咯＞呋喃１7．２．2呋喃、噻吩、吡咯的制备帕尔-诺尔合成法：用1,4-二酮合成。
１7．２．3化学性质1．亲电取代反应①卤代②硝化乙酰硝酸酯是较为温和的砂化剂，用时临时制备。
③磺化噻吩在室温下可直接磺化，生成溶于水的α-噻吩磺酸。
这个反应常用来除去粗苯中的噻吩。
吡咯和呋喃对酸敏感，吡咯在酸性条件下易聚合；呋喃遇酸要开环，故需与吡啶三氧化硫为磺化剂。
④乙酰化⑤亲电取代反应小结a．亲电取代反应的活性吡咯＞呋喃＞噻吩＞＞苯181111B．亲电基团一般进入杂原子的邻位静态时，α-位上的电子云密度较其它位大。
2．加成反应呋喃加成反应的较容易。
3．特征反应①呋喃的双烯特征②吡咯的弱酸性和弱碱性弱酸性吡咯N原子上的H原子都有微弱的酸性酸性比较：苯酚＞吡咯＞乙醇Ka： 1.3*10-10 10-1510-18弱碱性苯胺＞吡咯K b3.8*10-10 2.5*10-144．鉴别反应①呋喃使盐酸浸过的松木片显绿色。
１7．１ 杂环化合物的分类和命名 １7．１．１分类１7．１．２命名1．音译法 以口字傍为杂环标志。
2．系统命名法3．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。
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O S N H 稠杂环NNN N NH N O S N H 吡咯呋喃噻吩吡啶N pyrrole furam thiophene pyridine N SNH 2H 3C512432-氨基-4-甲基噻唑N HN 12345N N 12345CH 3吡唑1-甲基咪唑O SN HN茂(环戊二烯)氮茂氧茂硫茂NN苯氮苯1,3-二氮苯１7．２ 五元杂环化合物 —— 吡咯、呋喃、噻吩１7．２．１结构 1．经典结构2．分子结构据现代物理方法证明：① 呋喃、吡咯、噻吩是一个平面结构。
② 环上的C 原子和杂原子都是以SP 2杂化轨道成键的。
③ 五个没有杂化的P 轨道垂直于环平面，形成闭合共轭体系。
④ 属于富电子芳环。
⑤ 环形π电子分布于杂环平面的上、下两方。
⑥3．芳香性① 符合休克尔规则，π电子数为6。
O SNH O呋喃O ：1S 2 2S 2 2P4噻吩sS: 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 4N H吡咯N: 1S 2 2S 2 2P 3② 芳香性比较（易取代、难加成、难氧化）：苯＞噻吩＞ 吡咯＞呋喃③ 解释环的稳定性：苯 ＞ 噻吩 ＞ 吡咯 ＞ 呋喃 １7．２．2呋喃、噻吩、吡咯的制备帕尔-诺尔合成法：用1,4-二酮合成。
１7．２．3化学性质OSN0.1383nm0.1371nm0.1431nm0.1423nm0.1371nm0.1714nm0.1429nm0.1370nm0.1383nmOSNSN1.73D1.90D1.58D1.81D0.51D0.70D非芳香性的杂环化合物只有诱导效应。
芳香体系的杂环化合物有诱导效应和共轭效应。
O280℃Ni 催化脱羰基O650℃C H 3C H 2C H 2C H 3+SSCH 3CH=CHCH 3CH 3CH 2CH=CH2+SO 2SO+NH 3Al 2O 3NHO ORRO R SRN HRR1．亲电取代反应 ① 卤代② 硝化乙酰硝酸酯是较为温和的砂化剂，用时临时制备。
OOOOCl BrCl+呋喃与卤素反应激烈，卤素稍过量，常得到多卤化物。
Cl80%SClCl SCl ClCl Cl+78%36%14%加成产物13%O CH 3CO 2NO 2O O H NO 2H CH 3COO NO 2吡啶35%加成物S+322SNO 2SNO 270%5%N H83%11%HONO 2+N H NO 2N H NO 2N H从偶极矩来看，N 的供电性强，使吡咯上C 原子电子云密度增加的多。
极易取代 。
H80%S95% H 2SO 4SSO 3H 噻吩-2-磺酸③ 磺化噻吩在室温下可直接磺化，生成溶于水的α-噻吩磺酸。
这个反应常用来除去粗苯中的噻吩。
吡咯和呋喃对酸敏感，吡咯在酸性条件下易聚合；呋喃遇酸要开环，故需与吡啶三氧化硫为磺化剂。
④ 乙酰化⑤ 亲电取代反应小结 a ．亲电取代反应的活性吡咯 ＞ 呋喃 ＞ 噻吩 ＞＞ 苯溴化相对速度： 3*1018 6*1011 5*1011 1O22ON +SO 3-呋喃-2-磺酸吡啶盐3H41%N HN HN H+SO 3-H3H吡咯-2-磺酸吡啶盐90%O 0℃3OC OC H 3N H乙酐N HCOCH 3N HCOCH 3CH 3CO+60%S 34SCOCH 370%乙酐SS+B ．亲电基团一般进入杂原子的邻位静态时，α-位上的电子云密度较其它位大。
2．加成反应邻位的电子云密度丰富所以取代发生在α位。
OO3CH 2CH 2CH 2OHN HHO+Br OBr HBrH OOC H 3HH 3C OH CH 3OH-50℃N H-0.06-0.10+0.32O -0.02-0.03+0.10S -0.04-0.06+0.20呋喃加成反应的较容易。
3．特征反应 ① 呋喃的双烯特征② 吡咯的弱酸性和弱碱性弱酸性 吡咯N 原子上的H 原子都有微弱的酸性酸性比较： 苯酚 ＞ 吡咯 ＞ 乙醇Ka ： 1.3*10-10 10-15 10-18弱碱性苯胺 ＞ 吡咯K b 3.8*10-10 2.5*10-144．鉴别反应① 呋喃使盐酸浸过的松木片显绿色。
② 噻吩和吲哚醌在硫酸作用下发生兰色反应。
噻吩在浓硫酸的作用下与松木片能呈现兰色反应。
③ 浸盐酸的松木片遇吡咯蒸气显红色。
１7．２．4糠醛（α—呋喃甲醛） 1．制备O30℃+外型（主）内型N H- K +gXC 6H 5COCl CH 3I甲苯6H 5N-CH3N H吡咯红树脂化△2．化性 ① 催化加氢② 氧化顺丁烯二酸酐③ 歧化④ 安息香缩合⑤ 合成四氢呋喃作为溶剂(C 5H 8O 4)n 稀酸2水解戊糖OCHOCCH 稀酸△-3H 2OC H O+H 2CuO,Cr O 150℃OC H 2H 2OHOC H OOC OOH4中性或碱性氧化OCHO O O+320℃2O2253O O C H O+ 浓NaOH H 2OHOC OOH+OOCH OC OH OKCN 溶液ONi 催化脱羰基OHClNaCN3．糠醛遇苯胺醋酸盐溶液显深红色。
4．用途：①糠醛是良好的溶剂；②广泛用于油漆及树脂工业； ③合成苯酚糠醛塑料。
１7．２．５噻唑和咪唑1．噻唑：是稳定的环，在空气中不会自动氧化。
青霉素G 中四元环内酰胺很不稳定，对酸、碱都很敏感，特别容易被酸水解。
口服后在胃中水解，β内酰胺的四元环打开而失效，现口服青霉素就是将其中-CH 2C 6H 5换为2．咪唑① 碱性比噻唑强。
可与强酸生成稳定的盐。
② 有微弱的酸性。
H 2C CH 2CH 2CNCH 2已二醇还原Ns12345NNC NsNH 3 Cl CH 3C H 2CH 3CH 2CH 2OH嘧啶环噻唑环维生素B 1+-+Cl -N sHOOCCOCH-NH-CO-CH2C 6H 5氢化噻唑环青霉素GCH 3CH 3N N H12345HClN N HN H N H+-N H N HCl -+N S 12345 噻 唑 或1,3-硫氮茂③ 易发生亲电取代反应。
④ 互变异构现象１7．２．６吲哚 1．结构靛蓝为蓝色固体，熔点391℃，不溶于水，是我国古代使用得很广泛的一种蓝色染料。
医药上可用作清热解毒剂，治疗腮腺炎。
由于靛蓝不溶于水，因此染色时应先用保险粉(Na 2S 2O 4)将它还原为靛白，靛白能溶于碱溶液，对纤维有很强的亲和力，可以附着于织物上。
将浸过靛白溶液的织物，取出晾干，靛白在空气中很容易被氧化成靛蓝，并牢固地附着在织物纤维上。
靛蓝现已由苯胺为原料合成。
2．性质 与吡咯相似 ① 弱碱性② 也有松木片反应呈红色。
③ 在空气中颜色变深，渐渐变成树脂状。
④ 亲电取代反应（β位）β位的电子云密度较α位大，故进β位 吡咯亲电取代是进入α位。
-N N HNH NaNH2N N-Na +N N Na +-N N H12345NH N12345CH 3CH 34-甲基咪唑5-甲基咪唑N HH NON HCH 3N HON HCH 2COOHβ甲基吲哚β-吲哚乙酸靛蓝（反式）N H-0.065-0.041+0.28１7．３ 六元杂环化合物１7．３．１吡啶1．吡啶的来源和制取吡啶存在于煤焦油、页岩油、骨焦油中。
吡啶的衍生物广泛存在于自然界。
例维生素PP 、维生素B 6。
辅酶Ⅰ及辅酶Ⅱ也含有吡啶环。
工业上从煤焦油提取吡啶和甲基吡啶。
工业上大量的合成：重要的实验室合成法：（汉茨施Hantzsch 合成法）N H3H 2O O70%H97%3KMnO 4O 2OH NH 3N NH 3NC H ≡C H +C H 2OH OC H 3+2322．结构吡啶的键合情况和苯相似。
它们的碳原子和氮原子都认为是sp 2杂化的，吡啶环中五个碳原子和一个氮原子各供一个p 电子，它们的p 轨道与环的平面垂直，互相重叠而成闭合共轭体系。
3．性质① 碱性及其成盐吡啶 ＞ 吡咯 三甲胺 ＞ 吡啶 ＞ 苯胺 PK b 4.2 8.8 9.4苯胺分子中的氮原子上的未共用的电子对和苯环产生p-π，使N 原子上的电子云密度减小，而吡啶分子中N 原子上的未共用的电子对，不参与环上的共轭体系，所以吡啶的碱性比苯胺强。
由于吡啶分子中氮原子的未共用的电子对处于sp 2杂化轨道上，而脂肪胺分子中氮原子的未共用的电子对处于sp 3杂化轨道上。
sp 2杂化轨道s 成份大于sp 3杂化轨道s 成份，离核近，电子更靠近核，不容易与质子结合，所以吡啶的碱性比脂肪胺弱。
② 亲电取代 ·比苯难··进入吡啶环的β位···H +介质对亲电取代不利NN1.17D2.22DC C H ROOC CH 3OHNH HH C O HH C H COORCH 3HO 乙酸乙酯甲醛氨乙酸乙酯N HCOOR CH 3ROOC C H 324HNO 3NCOOR CH 3R OOC CH 3N +CH 3N +CH 3I 290~300℃N CH 3+I -+N +I -CH 3③亲核取代 ·比苯容易 ··进入α位④ 氧化 吡啶环对氧化剂稳定⑤ 还原 较苯容易吡啶和吡咯性质比较：N1.430.841.010.87—δ 1.010.84NNBr NNO 2NSO 3H 39% 3-溴吡啶3-硝基吡啶3-吡啶磺酸N+NaNH 2C 6H 5NMe 22回流N NHNaNNH 2N C H 3KMnO 4β-吡啶甲酸（烟酸）N C OOH-N N C OOH C OOHHNO 3△N H 2/Pt 乙酸N１7．３．２嘧啶 1．结构２．性质① 无色结晶，熔点22℃，易溶于水。
② 碱性比吡啶弱得多。
③ 亲电取代反应比吡啶困难。
④ 亲核取代反应比吡啶容易。
１7．４喹啉 1．结构２．制备——Skraup 合成法３．化性① 碱性比吡啶稍弱，可与酸成盐（pKa=9.1） ② 亲电取代NN 123456N NHONNHOOHNH 2NNHOOHCH 3尿嘧啶胞嘧啶胸腺嘧啶N1234567NBr +NNNO 23+浓H 2SO 4NH 2CHOH C H 2O HCH 2OH +N84~91%③ 亲核取代④ 还原⑤ 氧化１7．５嘌呤及其衍生物1． 尿酸2． 黄嘌呤 3． 咖啡碱、茶碱和可可碱N2NHKMnO 4NNH +HOOCN N HN N 1234567899-H 嘌呤7-H 嘌呤NHN N N 123456789NH N HHN N H尿酸N N H N NO OOOHHOOHN N HHN N H 黄嘌呤NN H N NOOOHHO4． 腺嘌呤、鸟嘌呤N NN N O OCH 3CH 3CH 3咖啡碱N N HN N OOCH 3CH 3茶碱N NHN N OOCH 3CH 3可可碱NHN N N腺嘌呤NH 2NN HHN NO H 2N鸟嘌呤。
