1.4 六元杂环化合物
六元杂环化合物
Q有机化学精品课件第十五章杂环化合物第一节杂环化合物的分类和命名一、 分类二、 命名杂环的命名常用音译法，是按外文名词音译成带 字旁的同音汉字。
(pyrimidine) (quinoline) (furan) 咲喃 (thiophene) (pyridine)(indole)卩弭朵 (purine) 卩票吟(pyrrole)毗咯 NN卩塞吩卩密噪卩奎卩林II第二节五元杂环化合物in咲喃「噬吩、毗咯杂环的结构咲喃、卩塞吩、毗咯在结构上具有共同点,即构成环的五个原子都为Sp2杂化，故成环的五个原子处在同一平面, 杂原子上的孤对电子参与共辘形成共辘体系，其兀符合休克尔规则（兀电子数二4n+2）,为口2共轨体系71电子=6 符合4n + 2 具有芳性富电子芳环电子数所以，它们都具B 二、咲喃、I®吩、毗咯的性质 ・'（一）存在与物理性质（二） 光谱性质（三） 化学性质1.亲电取代反应从结构上分析，五元杂环为口56共辘体系 苯大，如以苯环上碳原子的电荷密度为标准 则五元杂环化合物的有效电荷分布为：o oo o O +0.20 -0.04 -0.06 ■J ----- ji -0.06 匸丿-0.10 壯 +0.32 H &AV-V MX ,电荷密度比 （作为0）,亲电取代反应的活性为: 要毗咯〉咲喃 > 囈吩〉苯，主還j进入位。
说明：毗咯、咲喃、卩塞吩的亲电取代反应，对试剂及反应条件必须有所选择和控制。
卤代反应不需要催化剂，要在较低温度和进行。
硝化反应不能用混酸硝化，一般是用乙酰基硝酸酯|【(CH3COONOJ作硝化试剂，在低温下进行。
磺化反应咲喃、毗咯不能用浓硫酸磺化，要用特殊的磺化试剂——毗噪三氧化硫的络合物，嗟吩可直接用浓硫酸磺化。
2・加氢反应四氢咲喃（THF）四氢毗咯不能用Pd催化因卩塞吩能Pd使中毒W 3.咲喃、毗咯的特性反应(1)咲喃易起D・A反应&AV-V MX内式(90%)o2II ⑵毗咯的弱酸性和弱碱性毗咯虽然是一个仲胺，但碱性很弱。
24、六元杂环化合物 (崔家玉)
六 元 杂 环 化 合 物
崔家玉 2010052302
2011年12月28日
【指导老师】陈河如 唐金山
1
主要内容
1 2
吡 啶
含有两个杂原子的六元杂环化合物
2
六元杂环化合物
γ γ 4 4 5 5 6 6 N N 1 1 3 3β β 2 2α α 5 6
γ 4 3β O 1 2α
5 6
六元杂环化合物
1.3
吡啶的化学性质（重点掌握）
吡啶易与酸和活泼的卤代物成盐。
+ HCl N + SO3 CH2Cl2 室温 N HCl NH3 N 此反应常用于 在反应中吸收 生成的气态酸
N
N SO3 (90%) 吡啶三氧化硫络合物 是常用的缓和磺化剂
R RI N N RI 300 ℃ N I R + N I OH N R N 制取烷基吡啶的一种方法
R
OH
六元杂环化合物
1.3
吡啶的化学性质（重点掌握）
【亲电取代反应】 吡啶环上氮原子为吸电子基，故吡啶环属于缺电子的芳杂环，和硝基 苯相似。其亲电取代反应很不活泼，反应条件要求很高，不起傅-克烷 基化和酰基化反应。亲电取代 反应主要在β-位上。
Cl2, AlCl 3 100 ℃ Br2, 浮石催化 300 ℃ 气相
N
【制备】 吡啶的工业制法可由糠醇与氨共热（500℃）制 得，也可从乙炔制备。
CH2OH
NH3, 500 C
O
N
5
六元杂环化合物
1.2
吡啶的结构与芳香性
N
N H
【结构与芳香性】
N
C_ sp2 N_ spபைடு நூலகம் 成环原子 共平面
杂环化合物
N
N
Br2 300 oC
Br N
β-溴吡啶 溴吡啶 β-吡啶磺酸 吡啶磺酸
H2SO4, SO3 230 oC, 24 h
KNO3 + H2SO4 Fe, 300 oC
SO3H N
NO2 β-硝基吡啶 硝基吡啶 N
N
亲电取代反应为什么主要发生在β 位上? 亲电取代反应为什么主要发生在β-位上?
如果取代在 a 位
4 5
CH3
1-甲基吡唑 甲基吡唑
S
1
CH3 6
CH3 4 5 N3 N 2
1
4-甲基咪唑 甲基咪唑
5-甲基噻唑 甲基噻唑
4-甲基嘧啶 甲基嘧啶
3. 具有特定名称的稠杂环的编号一般和稠环芳烃相同, 具有特定名称的稠杂环的编号一般和稠环芳烃相同 但少数有例外(比如 嘌呤) 但少数有例外 比如 嘌呤
5 6 7 8 4 8 3 2 7 6 5 9 1 2 3 4
N H H
反 发 无 应 生
浓 H2SO4 / HgSO4 N 220oC Br2 / 浮 石 300oC N N
SO3H
Br
环上有给电子基时反应相对较易进行
4 芳环上的亲核取代反应
亲核取代比苯容易，主要发生在 位上 位上。 亲核取代比苯容易，主要发生在α位上。 比苯容易
PhLi N O2 or PhNO2, 化 (氧 ) N Ph
(3)周边编号的方法 (3)周边编号的方法 为表明取代基的位置，还需要对稠杂环的周边给与编号， 为表明取代基的位置，还需要对稠杂环的周边给与编号， 编号原则是基本环用英文字母编号，附加环要用数字编号。 编号原则是基本环用英文字母编号，附加环要用数字编号。
然后对稠杂环进行整体编号，共用碳原子不参与编号， 然后对稠杂环进行整体编号，共用碳原子不参与编号， 共用杂原子参与编号。 共用杂原子参与编号。
杂环化合物的分类和命名
O2,NaOH Cu2O－HgO，55℃ －COOH
O2,320~350℃ V2O5－TiO2－SiO2
O H－C－C ＝ O H－C－C O
15
2
O
－CHO
O
－CH2OH
O
－COOH
O
－CHO
+(CH3CO)2O
O
－CH=CH－COOH
16
三、噻吩： 噻吩： 制法： １.制法： 制法 ⑴工业上： 工业上：
－CH3 KMnO ，OH4 △ N －COOH N
还原： 还原：
H2，Pt 或C2H5OH+Na N
N
28
二、喹啉和异喹啉： 喹啉和异喹啉：
存在： 存在：存在于煤焦油或骨焦油中 制备——斯克洛浦合成法： 斯克洛浦合成法： １.制备 制备 斯克洛浦合成法
－ － － CH2－CH－CH2 OH OH OH H2SO4 －3H2O CH2=CH－CHO － H O=C
+H2SO4+靛蓝 △
兰色
反应灵敏
20
四、吡咯
１、制备： 制备： 为催化剂， ⑴工业上用Al2O3为催化剂，呋喃和氨气相反应 工业上用
+NH3 Al2O3 450℃ + H 2O
O
N
⑵工业上还可用乙炔与NH3通过红热的管子 工业上还可用乙炔与 通过红热的管子
2CH －CH － +NH3 △ + H2
N
N
吡啶
喹啉
4
当环上有取代基时： ２.当环上有取代基时： 当环上有取代基时 ⑴以杂环为母体，编号时从杂原子开始，将杂原子编为１号， 以杂环为母体，编号时从杂原子开始，将杂原子编为１ 依次１ 依次１，２，３······，或与杂原子相邻的碳原子遍为 ，依 ，或与杂原子相邻的碳原子遍为α， 次为α， ， 次为 ，β，γ······
杂环化合物
C H3 HO C HC H2 2
4 5
N3 S
1 2
O 4 - 硝基噁唑
4 - 甲基 - 5 - ( 2' -羟乙基 ) 噻唑
C. 稠杂环有特定的母体和固定的编号
嘌呤 (purine)
D.如果接有 —SO3H、—COOH、—NH2、 —CHO等基团时，杂环为取代基。
COOH CHO N
3-吡 啶甲 酸
等电子体系
N
未参与共轭
N
吡啶电子结构与吡咯不同：
N H
N
2.物理性质
氮原子的电负性较大,使吡啶有较大极性,其偶极距数值较大.
=2.20D
=1.17D
吡啶能与水以任意比例混溶,又能溶解大多数极 性或非极性有机化合物,甚至许多无机盐类,是一个 良好的溶剂。
3.化学性质
γ
δ δ δ δ δ
β α
O
HO CHO O
NaOH
O C O
KCN
CH O
CHO O
O
CH2OH
+
COOH O
HOOCCH2CH2 N H
CH2COOH CH2NH2
卟吩胆色素原:通过生物体内特定酶的作用可转变成 卟啉、叶绿素和维生素B12等重要生物活性物质.
CH2COOH N H
3-吲哚乙酸(植物生长促进剂)
OH N C2H5 N H H3COOC H3CO H N C2H5 N R HO OCOCH3 COOCH3
O
2-呋 喃甲 醛
二、五元杂环化合物
1. 结构与芳香性
（1）呋喃、吡咯和噻吩的结构
C C N C H
C C C O C
杂原子均以sp2 杂化（未杂化 的P上有2个电 子参加成环）
杂环化合物的命名
杂环化合物（hetero cyclic compounds）属于环状有机化合物的一种，是指由碳原子和非碳原子共同介入组成环的环状化合物。
这种介入成环的非碳原子称为杂原子。
杂原子大都属于周期表中Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ三族的主族元素，最罕见的是氮、氧、硫，其中以氮原子最为多见。
依照这个定义，在前面一些章节中曾讨论过的内酯、交酯、环状酸酐和内酰胺等，也应属于杂环化合物。
但这些化合物通常容易开环成原来的链状化合物，其性质又与相应的链状化合物相同，因此一般不把它们列入杂环化合物的范围。
有机化学中所要讨论的杂环化合物，一般都比较稳定，不容易开环，有些杂环化合物的性质与苯、萘等相似，具有分歧程度的芳香性。
杂环化合物的种类繁多，数目庞大。
据统计，在已发现的几百万种有机化合物中，杂环化合物约占总数65％以上。
这说明杂环化合物在有机化学的各个研究领域中都占有相当重要的地位。
杂环化合物广泛地存在于自然界中，动植物体内所含的生物碱、苷类、色素等往往都含有杂环结构。
许多药物，包含天然药物和人工合成药物，例如头孢菌素（抗生素）、羟基树碱（抗肿瘤药）、小檗碱（抗菌药）等也都含有杂环。
与人类生命活动及各种代谢关系非常密切的物质──核酸，其碱基部分也含有杂环。
近几十年来，在杂环化合物的理论和应用方面的研究不竭取得重大进展，许多天然杂环化合物，包含维生素B那样结构极其复杂的杂环分子，已经能够用人工方法进行全合成；同时，人类也合成了许多自然界不存在的杂环化合物。
这些化合物作为药物，作为超导资料，作为工程资料，也都具有很重要的意义。
杂环化合物的分类杂环化合物的种类繁多，其罕见的分类方法按所依据的原则分歧，可分为按分子所含环系的多少及其连接方式分类和按分子中所含π电子的状态和数量多少分类两种。
按分子所含环系的多少及其连接方式分类根据这种方法可将杂环化合物分为以下几类：按分子中所含π电子的状态和数量多少分类依照这种方法可将杂环化合物大致分为四类，即：（1）多π-（π-excessive）杂环。
大学化学--杂环化合物的命名规则
基本环各边用英文 字母表示。1，2原 子之间为a，2，3原 子之间为b …
3e d
aN
N
2
cb
N
1
吡啶并[2,3-d] 嘧啶
35
附加环 附加环
4
3
c b
d
5
2ae
SO
1
噻吩并[2,3-b]呋喃
3 a NH
b
O2 c
1 呋喃并 [3,2-b]吡咯
36
基本环
基本环
数字走向与基 本环一致
1N H
4 3cN
(pyridazine)
4
5
N3
6
2
N
1
嘧啶
(pyrimidine)
4 5N 3
6
2
N
1
吡嗪
(pyrazine)
（三）、常见的杂环母核
稠杂环化合物 1. 吲哚
吲哚是白色结晶，熔点52.5℃。极稀溶液有香味， 可用作香料，浓的吲哚溶液有粪臭味。素馨花、柑桔 花中含有吲哚。吲哚环的衍生物广泛存在于动植物体 内，与人类的生命、生活有密切的关系。
d 5e
b
N2aN1N
HH
4c
d 5e
b NaN
H
咪唑并[4,5-d]吡唑
5 4
1
5
N 2b Na
c S
d e4
1
N 2b
c
d
N aSeLeabharlann 33咪唑并[2,1-b]噻唑
37
3.环周边编号方法 为了标示稠杂环上的取代基、官能团或氢原子的
位置，需要对整个稠杂环的环系进行编号，称为周边 编号或大环编号。 （1）尽可能使所含的杂原子编号最低，在保证编号 最低的前提下，再考虑按O、S、NH、N的顺序编号。
六元杂环.
H2SO4 heat
H H2C C CHO
NH2 +
H H2C C CHO
Michael addition
H
N
H+
OHC
H N
H+ , - H2O
OH
H N OHC H N
H N
+
NO2
N
NH2
+
以 α,β-不饱和醛或酮代替甘油、酸也可用磷酸或其他酸
NH2 +
H2C
HO C CCH3
FeCl3, ZnCl 2 PhNO2, heat
环上的亲核取代
环上有好的离去基团 ( 如 NO2 , Cl ) 可被取代
Cl
NH3
NH2
N
100 - 200 ℃ N
NaOMe N Cl MeOH, heat
N OMe
N Br
NaOH H2O, heat
Cl PhNH2
N
heat
N OH NHPh N
强碱亲核试剂－－－－ 消除－加成机理
PhLi N
N
+
N
浓 H2SO4
N
22 ℃
SO3H N
N NO2
Br Br2, 浓 H2SO4
N
Ag2SO4, heat
N
+
N
Br
亲核取代反应
NaNH2, Xylene 100 ℃
N
n-BuLi Toluene N
N
NH2
N
Bu-n
喹啉和异喹啉 氧化和还原均比苯容易
氧化：苯环优先 还原：吡啶环优先
KM nO4
嘧啶环上有活化基团 ( 如 OH、NH2 等 ) 时，可硝化、磺化
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(2) 亲核取代反应 反应发生在喹啉环的2或4位上。
NaNH2
N
浓NH3
N
NH2
2-氨基喹啉
二、喹啉
2．氧化还原反应
54
6
3
7
N2
81
喹啉
54
6
3
7
N2
81
异喹啉
KMnO4,100℃ N
COOH CO2
N COOH
△
2,3-吡啶二甲酸
COOH
N β -吡啶甲酸
C2H5OH,Na
H2 ,Ni
N
N
N
四氢喹啉
十氢喹啉
单元三 六元杂环化合物
一、吡啶
(一)吡啶的结构
N
...
. .
.
..
吡啶具有芳香性,吡啶的芳香性比苯弱。
（二）、吡啶的性质
1.碱性
吡啶存在于煤焦油及页岩油中。是一种弱碱。
吡啶氮原子上有一对孤对电子（sp2杂化电子） 没有参与共轭，可与质子结合，因此具有碱性。
不同化合物的碱性大小顺序为：
N H
> NH3 > N
(二)吡啶的性质
2.取代反应
主要发生在β位，反应比苯困难。 吡啶不发生傅－克反应。
Br2 , 300℃
N
__ Br __溴吡啶 N
N
KNO3 , H2SO4 300℃
__NO2 __ 硝基吡啶 N
N
浓H2SO4 , HgSO4 230℃
N __ SO3H __ 吡啶磺酸
(二)吡啶的性质 3．氧化与还原
>
四氢吡咯 氨 吡啶
__NH2 > N H
苯胺
吡咯
例如
吡啶氮原子上有一对孤对电子没有参与共轭，可与质子 结合，因此具有碱性。
+ H2SO4 N
+HSO4- 2NaOH
+ Na2SO4 + 2H2O
N
N
H
吡啶硫酸盐
利用此反应可分离、提纯吡啶，也可用吡啶吸收反应 中所生成的酸。
吡啶可用来吸收反应中所生成的酸，工业上称为缚酸剂。
喹啉是合成药物的中间体。 异喹啉为无色油状液体。它们微溶于水，易溶于有机 溶剂。 异喹啉（pKa=5.42）的碱性比吡啶强。
二、喹啉
1．取代反应
54
6
3
7
N2
81
喹啉
54
6
3
7
N2
81
异喹啉
(1) 亲电取代反应 反应发生在喹啉环的5、8位上.
Br
Br2
N
浓H2SO4,Ag2SO4
+
N
N
5-溴喹啉
Br 8-溴喹啉
__ CH3 KMnO4 , OHN
__COOH N
β -吡啶甲酸（烟酸）
N
+
H2
Pt CH3COOH
N
H
二、喹啉
喹啉存在于煤焦油和骨焦油中，要用稀硫酸提取，也 可用合成方法制得。
喹啉是无色油状液体，有特殊臭味，沸点238℃，相对 密度1.095,难溶于水，易溶于有机溶剂。它是一种有用的高 沸点溶剂。喹啉具有弱碱性（pKa=4.9），与酸可以成盐。 最重要的合成方法是斯克洛普合成法。加热苯胺、甘油、 浓硫酸和硝基苯的混合物可制得喹啉。