n第十二章杂环化合物改

O
+ C H 3 C O O N O 2-5 ℃ ~ -3 0 ℃ O
+ H A c N O 2
乙酰硝酸酯
吡咯在低温下进行：
+ C H 3 C O O N O 2 -1 0 ℃ N H
N N O 2+ H A c H
也可用HNO3硝化：
+H N O 3 (C H 3C O )2O N H

聚戊糖

H 3 O
Δ
C H O (C H O H )3
H 3 O Δ
C H 2 O H
戊糖
氧化
中 性 or碱 性 K M nO 4
C H O + 3 H 2 O O
糠醛
C O O H （糠酸）
O
CHO O
还原 H 2/C u, C rO 3, 100－ 200℃
O 2, 320－ 350℃ V 2O 5－ T iO 3－ SiO 2
另一种是离域模型：
O..
碳、杂原子都是SP2杂化，杂原子的P轨道上有
N
2个电子，所有的P轨道侧面重叠，形成Π 56大Π 键
H
.S.

..
O

..
N H

..
S
..
..
成环原子共平面， Π电子数＝4n＋2 ∴有芳香性。
由于环内电子云密度大于苯环，因此是富电子芳香杂环化合物。
音译法命名：
O
furan 呋喃
N H pyrrole
吡咯
S
thiophene 噻吩
N
pyridine 吡啶
N
quinoline 喹啉
如环上有取代基，以杂环为母体，环上原子进行编号，杂原子 编号最小。
' 4
3
2.5－二甲基呋喃
' H3C 5 O 2 CH3 （orα，α’一二甲基呋喃）
1
杂原子相同：杂原子编号和最小
2、嘧啶
4
3N
5
b.p 124 ℃， m.p 22.5 ℃， 有芳性。
2N 6

1，3－二嗪 pyrimidine
含有二个N原子的六员杂环，又叫二嗪（diazines）。所
有的原子在同一平面，b.p.124 ℃， m.p.22.5 ℃，是一弱碱
（比吡啶弱），有芳性，共轭能比苯小。由于N原子的影响，
个吡咯环和四个次甲基－CH=交替相连组成的大环（共轭体
系），称“口口
口 口
”环（卟吩）。
5、吲哚、噻唑、吡唑及其衍生物（自学）
三、六员杂环化合物
N
N
Pyridine 吡啶
O
Pyran 吡喃
N
Pyrimidine 嘧啶（1，3－二氮苯）
1、吡啶的结构：
吡啶存在于煤焦油、骨焦油中，衍生物广泛存在于自然界，
CH3
COOH
[O], V2O5
N
空气
4－吡啶甲酸（异烟酸，雷米封中间体）
N
用过酸氧化得氧化吡啶：
O ＋CH3C OOH N
氧化吡啶，无色结晶， N+ m.p.66 ℃， 溶于水
O－
吡啶比苯容易加氢，常温、常压下即可进行。
H2, Pt
N
HAc
六氢吡啶（哌啶） N H
吡啶和哌啶的衍生物在自然界和药物中广泛存在。
浓碱 C annizzaro反 应
O
C H 2 O H （糠醇）
O
O
O
+
O
C H 2O H
COONa O
醛的反应
糠醛是常用的优良溶剂，又是重要的有机合成原料，用来合 成树脂、防腐剂、增塑剂等。
（2）、吡咯衍生物
吡咯的衍生物在自然界分布很广（植物的叶绿素，动物血红
素等）。它们在动、植物生理上起着重要作用，基本结构是四
（2）、加成反应
呋喃、吡咯、噻酚都可以被催化加氢生成四氢衍生物。噻
酚、吡咯还可用化学还原法还原为二氢衍生物。呋喃表现出共 轭二烯的特性，可以和顺丁烯二酸酐发生Diels－Alder reaction。
催化还原：
O
Ni
+ 2H2 100℃, 5MPa
(THF) O
Ni
+ 2H2 ℃ N H
(THP) N H
O
o r ( C H 3 C O ) 2 O , B F 3
O OC C H 3 + H A c
吡咯、噻酚都可发生酰化反应：
N
+ (C H 3 C O )2 O
B F 3 0 ℃
H
O N C C H 3+ H A c H
+ (C H 3 C O )2 OS n C l4 S
O S C C H 3+ H A c
ex:
+- 液 氨
K N H 2
+ N H 3
N H
N
K吡咯钾
N H
干 醚 C 2H 5M gB r
C H 3C H 3 N M gB r
溴化吡咯镁
吡咯钾RX反应，生成N－烃基吡咯；与CO2反应生成羧酸：
N K
N K
RX
1. CO2 2.H+ 3O
N－烃基吡咯
N R
COOH 2－吡咯甲酸
O
+R C X
+ X-
CO R
N－酰基吡啶鎓盐
+ X-
CO R
+ HNu
HX + +
R C O-
Nu
O R C Nu+

吡啶能与许多Lewis acid 形成络合物，例如：
+-
SO 3 N－磺酸吡啶
+
-
BF4
NO2
N－硝基吡啶氟硼酸盐
它们是温和的磺化剂，硝化剂，常用于对酸敏感的化合物（如 呋喃、吡咯）的磺化、硝化。
+ 2H2
MoS2 200℃, 20MPa
(THT)
S
S
化学还原：
N a+E tO H

S
S
S
D－A反应：
1，4－加成 1，2－加成
O
O
OO
+ O
O
25℃ D－ A反 应
O
H H O+
OO
HO HO
双烯组分 亲双烯组分 （内型接近和外型接近两种产物）
噻酚与顺丁烯二酸酐在100℃也可发生D－A反应：
O
S
O
+ S
双烯组分
O 100℃
高压
O
亲双烯组分
HO HO
它们都表现出共轭二烯的性质，但呋喃更明显。
（3）、吡咯的酸碱性
.. N
H
PKa＝16.5
从结构上看，吡咯是环状仲胺，但由于N上的未用电子对 参与了茂环共轭，N上电子云密度 , 因此具弱酸性 （PKa＝16.5），相当于低级醇，N上的H容易被金属取代。
第十二章 杂环化合物
（Heterocyclic Compounds)
除C原子外，至少有一个其它原子（ex:O、S、N等）组成 的环叫杂环，碳原子以外的原子叫杂原子（Heteroatoms），含 杂原子的化合物叫杂环化合物。
分二类：
无芳香性的：
O
O
O
O
四氢呋喃 二噁烷 有芳香性的：
N H
六氢吡啶
N
OO
HCl
O SO3H
N H
N S O 3
N H
S O 3 吡 啶
H+
噻酚可用浓H2SO4进行磺化：
N H
SO3H
+ H 2 S O 4(9 5 % ) S
S S O 3 H
d、酰化
呋喃的付一克酰化反应要用缓和的Lewis acid催化剂：
+ ( C H 3 C O ) 2 O S n C l4
若环上同时含
多个杂原子时
杂原子不同：按O 、S、 N次序编号
H3C 4
N3
5N 2 H1
4－甲基咪唑
3N
4
2 S 5 C2H5
1
5－乙基噻唑
有时根据相应的碳环来命名。把杂环看成相应碳环中碳原 子被杂原子取代而形成的化合物，命名时在相应碳环名前加 上杂原子的名称。
O
S
N H
N
N
茂 氧(杂)茂
硫(杂)茂 氮(杂)茂 氮(杂)苯 1－氮(杂)萘
是具有特殊臭味的无色液体， b.p 115℃。

N
..
..
C、N都是SP2杂化，6个原子共平面，
形成了
Π
6 6
共轭体系（N上的未用电子
对在SP2杂化轨道上，未参加共轭），
符合4n＋2规则，有芳香性。但与苯有
差别，由于N的电负性较大，环上的电
子云密度比苯小，所以是缺电子芳环，
性质类似硝基苯。
N N O 2+ N
： H (14
H 1)
主产物是α－位取代
噻酚可以用混酸硝化：
+ H N O 3 H 2 S O 4 S
S + S
（主）
（次）
c、磺化 呋喃要用缓和的磺化试剂磺化：
O
N S O 3C lC H 2 C H 2 C l
O S O 3 吡 啶
吡咯也可磺化：
因为：离域能 （KJ/mol）
苯 噻吩 吡咯 150 117 88
呋喃 67
*所以芳香性大小：苯 > 噻吩 > 吡咯 > 呋喃
2、物理性质与制法（自学） 3、化学性质 （1）取代反应（易亲电取代，一般发生在α－位）
a、卤代
呋喃在低温可发生卤代反应：
O
+ B r2
C S 2 － 5 0 ℃
+ H B r B r O
一、分类和命名
按环的大小分
五员杂环 六员杂环 稠杂环
按环的大小、 Fra Baidu bibliotek原子数目分
含一个杂原子的五员杂环及稠杂环 含一个杂原子的六员杂环及稠杂环 含二个或多个杂原子的其它杂环
杂环化合物的命名比较复杂，我国目前主要采用音译法， 即根据外文译音选用同音汉字，加上“口”旁命名，其优点 是简便，缺点是不能反应出结构。
N H
与酰氯反应先生成N－酰基吡咯，再加热重排为2－酰基吡咯：
O RCCl
N K
Δ
N CO R
O CR N H
吡咯镁与RX反应生成2－和3－烃基吡咯：
R X N M g B r
N H
R +
N H
R
（4）、特殊反应（用于鉴别）
呋喃＋HCl松木片 绿色 吡咯＋HCl松木片 红色 （ 靛红： 噻吩＋靛红 红色
吡咯遇酸容易聚合，故一般不用酸性试剂进行卤代：
+ 4 I2+ 4 N a O H N H
I
I
I
I+ 4 N a I+ 4 H 2 O
N
H
也可用NBS溴代：
+NBS N H 噻酚在室温即可卤代：
N H
Br
HAc
S
+Br2 室 T
S Br
*亲电取代活性：呋喃、吡咯 > 噻吩 > 苯
b.硝化 呋喃在无机酸存在时，环容易破裂or树脂化，因此不能用混 酸硝化，一般用温和的硝化剂——乙酰基硝酸酯硝化（无色发烟 液体，易爆炸，用时配）。
（2）、亲电取代
吡啶的亲电取代反应活性约为苯的百万分之一，相当于硝基
苯，一般发生在β－位。
Cl （3－氯吡啶）
Cl2, AlCl3(2mol)
Δ

KNO3, H2SO4(SO3)
NO2 （3－硝基吡啶）

℃

H2SO4(SO3), HgCl2
265℃

SO3H （3－吡啶磺酸）
亲电取代活性比苯差，一般发生在β－位。
奎宁环 1、3、5一三噁烷
O 呋喃
S 噻吩
N
喹啉
杂环化合物广泛地存在于自然界，在生命体系中起重要作用， 例如植物的叶绿素，动物的血红素都含杂环结构。目前应用的药 物中有很大部分是杂环化合物，石油、染料、杀虫剂等都含杂环 化合物。
杂环化合物的合成要涉及许多有机反应。有杂原子的环又 有一些新的性质，为有机化学提供了新的研究领域。
二、五员杂环化合物 1、呋喃、噻吩、吡咯的结构 三种分子的键长数据如下：单位：pm
41 4 4 3 1 3 5
5 O 1 3 7 2
1
41 4 2 3 1 3 7
5 S 1 7 1 2
1
41 4 3 3
1 3 7
5 N H 1 3 8 2
1
三种分子的结构有两种模型，一种是定域模型，即把共轭双 键的两端用一个杂原子连接起来。从键长数据看，环内C－C键 并未完全平均化，C2－C3较短，C3＝C4较长，在一定程度上与定 域模型相似。
2、吡啶的性质 （1）、碱性和亲核性
吡啶是弱碱，碱性大小：脂肪胺，氨 > 吡啶> 苯胺。碱性是 未参与杂化的一对电子引起的，吡啶能和酸作用。
+H C l
+H C l- 吡啶盐酸盐
吡啶是良好的亲核试剂，能与RX作用生成N－吡啶鎓盐，例如：
+ CH3I
N+ I- 碘化N－甲基吡啶
CH3
吡啶与酰氯或酸酐生成N－酰基吡啶鎓盐，反应是可逆的。 N－酰基吡啶鎓盐是比酰氯和酸酐更好的酰化剂，因为吡啶是 一良好的离去基团。
只有在环上有羟基、氨基等活化基团时才能发生亲电取代。
O
O H
O
N H
H 3C
N H
O
H 3C
H N O 3,H O A cO 2N
25℃
N O H
H 3C
NO H
嘧啶的衍生物广泛存在于自然界，例如遗传物质核酸的组成
O H+ K C l
把吡啶和氨基钠在N，N－二甲基苯胺溶液中加热到110 ℃， 吡啶环上2－位的氢负离子被氨基负离子取代，同时放出氢气， 叫Chichibabin reaction（齐齐巴宾反应）
+ NaNH2
N -H+ Na+H2
H2O NH2＋NaOH
（4）、氧化与还原
吡啶环稳定，不易被氧化，吡啶同系物氧化发生在侧链。
O
吲哚瞒二酮 ）
NO H
4、呋喃、吡咯的重要衍生物
（1）、糠醛
CHOα－ 呋 喃 甲 醛 O
是呋喃衍生物中最重要的一个。糠醛是一种工业产品，由含聚 戊糖的植物原料，如玉米芯、糠、花生壳等用稀硫酸水解后， 进行水蒸气蒸馏得到，为无色液体，b.p 162℃，在空气中变 色，性质和苯甲醛相似。
(C 5 H 8 O 4 )n
当环上有供电基，有利亲电取代，但活性仍低于相应的苯系化合物
B r
B r2, H O A c
N H 2 20℃
N H 2 5－溴－2－氨基吡啶
（3）、亲核取代 和硝基氯苯相似，氯代吡啶也能发生亲核取代发应：
C l+ C H 3 O N a
O C H 3+ N a C l
C l + K O H