有机化学16---杂环化合物

H
H
CH2 CH2 烯醇化
CHO + NH 2 CH CH2
O
C
HO C H CH2 CH2 NH
NH
CH 浓H2SO4 H2O NH CH2 CH2 PhNO2 2H
N
16.3 六元杂环化合物
◇ 亲电取代反应主要发生在苯环的5或8-位， 而亲核取代反应则主要发生在吡啶环的2或4-位。
NO2 混酸 N 0℃ N NO2 N
N
吡啶-3-磺酸
主要发生在α-位
N C6H5
C6H5Li
α-苯基吡啶
16.3 六元杂环化合物
16.3.2 喹啉 ◇ Skraup 合成法 ◇ 历程:
CH2OH CHOH CH2OH 浓H2SO4 2H2O
NH2 + CH2OH CHOH CH2OH 浓H2SO4 PhNO2 ,Δ
N
CH2 CH CHO
2 O
O
CHO + H2
CuO Cr2O3 150 ℃ ,10MPa COOH
O
糠酸
CH2OH
糠醇
O
CHO
KMnO4 KOH
O
CHO + NaOH O
CH2OH +
O
COONa
16.2 五元杂环化合物
d. 合成原料
H2,Ni O
NaCN
O
HCl Cl(CH2) 4Cl 140 ℃ ,0.4MPa
H2O HOOC(CH2)4COOH H2NCH2(CH2)4CH2NH2
S
N H
O
电负性 共轭能
(kJ/mol)
2.55 152 苯 ﹥
2.58 117 噻吩 ﹥
3.04 88 吡咯 ﹥
3.50 67 呋喃
芳香性
注意：呋喃的氧原子周围电子云密度较高, 显示出环状共轭 二烯的性质。
16.1 杂环化合物的分类、命名和结构
(3) 波谱特点 环上的氢离域受电子环流的影响，核磁共振信号出现在较 低场—— 由于杂原子的诱导效应，α-H的δ值较大（环戊二烯正相反）
亲电取代： 亲核取代：
N
NaNH2 二甲苯,100℃ N
COOH N COOH
CO2
2-氨基喹啉
NH2
COOH N
氧化还原反应：
H2, Ni N H
KMnO4
N
1，2，3，4四氢喹啉
喹啉
2，3-吡啶 二甲酸
β-吡啶甲酸 （ 烟酸）
吡啶环对氧化剂更稳定，苯环对还原剂更稳定。
16.3 六元杂环化合物
*
内酰胺和环氧乙烷等一般不看作杂环化合物。
16.1 杂环化合物的分类、命名和结构
16.1.1 分类和命名
(1) 分类
五元杂环
呋喃
O
噻吩
吡咯
S
N H
单杂环 杂环化合物
六元杂环
吡啶
N
苯与单杂环稠合 稠杂环 两单杂环稠合
喹啉
N
嘌呤
N N
N N H
16.1 杂环化合物的分类、命名和结构
(2) 命名 采用英文名称的音译，编号一般从杂原子开始，含多个 杂原子时按O、S、N为序。 1) 含一个杂原子
N H
COC6H5
16.3 六元杂环化合物
16.3.1 吡啶 氮原子的电负性较碳强, 而氮上的未成对电子未参与芳环 大Π键体系,故吡啶亲电取代反应不如苯活泼, 类似于硝基苯。 且取代基主要进入β-位。 a. 碱性
N + HCl ( 缚酸剂 ) N + CH3 I N H Cl (
N
HCl )
N CH3 I 吡啶钅 翁盐
该反应可用于 合成阳离子表 面活性剂
N +பைடு நூலகம்SO3
N
SO3
温和的磺化试剂
16.3 六元杂环化合物
b. 亲电取代反应 卤化： 硝化：
N
Br2 N 230℃ N
主要发生在β-位
Br Br N Br
混酸,300℃ 1d
H2SO4, HgSO4 N 230℃ N
NO2 N
SO3H
3-硝基吡啶
磺化： c. 亲核取代反应
Br2 , 0℃ O 二氧六环
CH3COONO2
O
Br
NO2 S
66%
Ac2O-AcOH 0℃ NO2 S
10%
S
100℃ N H N SO3 90% N H SO3H
Friedel-Crafts 酰基化：
N H
(CH3CO)2O
150~200℃ 60% N H COCH3
16.2 五元杂环化合物
16.1 杂环化合物的分类、命名和结构
16.1.2 结构和芳香性 (1) 结构
C C
平面结构，碳、杂原子sp²杂化，
6 环上∏电子数为6 ，构成 Π 5 富
O O C C
呋喃
电子共轭体系。
噻吩结构与此类似。
sp² 杂化
吡咯
C
C
C
O N C
H
有N-H键形成，氮原子上未共用 电子对参与共轭。其碱性较弱。 6 亦为 Π5 富电子芳环。
(Ⅲ) (Ⅲ)
(Ⅳ) (Ⅳ)
(Ⅴ)； (Ⅴ)。
本章重点和难点
重点： 杂环化合物的命名、结构、碱性和芳香性。一 个杂原子的五元杂环化合物较易进行亲电取代反应 （α位）和六元杂环化合物较难进行亲电取代反应 （主要发生在 β位 ）更容易发生亲核取代反应（氮 原子的邻、对位）。 难点： 杂环化合物的结构、碱性和芳香性。杂环化合 物亲电取代反应的难易及定位规律。
16.1 杂环化合物的分类、命名和结构
吡啶
N
sp²杂化
6 形成Π 6
闭环共轭体系，
因氮原子上有一未共电 子对，其碱性强于吡咯。
N
N
N
N
N
氮原子上过多的负电荷表现在吡啶的偶极矩上：
δ 7.55
δ 7.16
N
μ=
7.4×10-30
C.m
N
δ 8.52
16.1 杂环化合物的分类、命名和结构
(2) 芳香性 化合物
NC(CH2)4CN
H2, Ni
合成尼龙-66的原料
e. 合成四氢呋喃
H2, Ni O 10MPa,125 ℃ O
THF ，b.p 65.5℃ 良好有机溶剂
16.2 五元杂环化合物
(2) 噻吩 存在于煤焦油中。不溶于水，溶于有机溶剂。 亲电取代反应比苯容易，室温与浓硫酸即可磺化：
25℃ S SO3H
4
β'
β
γ
5
β
6
7
4
3
α'
5
α
β'
3
O
1
2
S
N H
N H
α'
N
α
8
N
1
2
N
furan
thiophene pyrrole
indole
pyridine
quinoline
isoquinoline
呋喃
噻吩
吡咯
吲哚
COOH
吡啶
喹啉
异喹啉
CH2COOH
O
CHO
N
H3C
O
CH3
糠醛 2-呋喃甲醛
N H
3-吡啶甲酸
S
H2SO4
生成的α-噻吩磺酸，溶于浓硫酸，利用此反应，除 去粗苯中的噻吩。
16.2 五元杂环化合物
(3) 吡咯 a. 弱碱性：
CH 3 化合物 （ 3） N NH3 N NH2 pKb 4.2 4.76 8.8 9.4 N H 13.6 N H 2.7
b. 弱酸性：
+ KOH (S) Δ N K C6H5COC l N + KCl
δ 6.24 δ 6.99 δ 7.18 δ 6.22 δ 6.43 δ 6.28
O
δ 7.29
S
N H
δ 6.68
16.2 五元杂环化合物
16.2.1 化学性质 杂原子使环上碳原子的电子云密度升高并使环活化，其亲 电取代反应速率较苯大，且取代基优先进入杂原子的α-位。 取代反应在较温和的条件下进行。 a. 亲电取代 卤化： 硝化： 磺化：
S
CH3 NO2
HNO3
H2SO4 CH3O
S
CH3
CH3O
CH3O
Br2 AcOH
NO2
Br
S
S
S
16.2 五元杂环化合物
b. 加成反应 ◇ 呋喃在温和条件下易发生亲电取代反应，但由于其芳香 性较弱，呋喃及其衍生物还可进行Diels-Alder反应和一般 的亲电加成反应。 ◇ 吡咯只能和极活泼的亲双烯发生Diels-Alder反应，而噻 吩难于发生Diels-Alder反应和一般的亲电加成反应。
2,5-二甲基呋喃
3-吲哚乙酸
16.1 杂环化合物的分类、命名和结构
2) 含两个杂原子
4
5
N O
1 2
5
3
4
N S
1
3
4
N N1 H
2
3
4
5
6
N3 N
2
1N
2
5
N
8
7
2
5
6
口
恶唑
H3C N H N
噻唑
咪唑 4-甲基咪唑
嘧啶
N H3C S
1
N 3
4
N9 H
嘌呤 5-甲基噻唑
例:
3) 含三个杂原子
Cl O CH3 三唑酮 O CH C C CH 3 CH3 N 3，3-二甲基-1-（1H-1，2，4-三唑-1 N -基）- 1-（4 - 氯苯氧基）- 2-丁酮 N