第十八章 杂环化合物

CH3COONO2
N H
(CH3CO)2O,－10℃
N H
NO2
噻吩对酸不那么敏感，可以用混酸硝化。
NO2
HNO3,H2SO4
S
S
+
S
NO2
呋喃比较特殊，先生成稳定的或不稳定的2,5-加成产物， 然后加热或用吡啶除去乙酸，得到硝化产物。
CH3COONO2 CH3COO－
O
－30~－5℃
O +
H NO2
了解生物碱；了解毒品的种类与危害。
呋喃、吡咯、噻吩的结构和性质； 吡啶、喹啉的结构和性质。
杂环化合物：环状化合物中构成环的原子除碳原子外，
还有其他原子的化合物。 常见的杂原子是O、N、S。 非芳香杂环：
O
芳香杂环：
O
O
S
习惯上把具有芳香结构的杂环，作为杂环化合物的母核， 而把各种氢化的杂环，看作杂环化合物的衍生物。
杂环化合物的内容非常丰富，无论在理论研究或实际应
用方面都很重要，本章只限于几类常见的杂环化合物。
1 杂环化合物的分类
按照环的多少可以分为单杂环和稠杂环两大类。 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：
N
O
呋喃 furan
N N H
S
噻吩 thiophene
H2SO4
S
25℃
S
SO3H
常用这个反应除去苯中的噻吩，苯和噻吩的沸点接近， 不能用蒸馏的方法分离。
酰化：呋喃、噻吩的酰化反应在α-C上发生，呋喃要用较 温和的催化剂SnCl4、BF3等。
(CH3CO)2O BF3,－10℃
O
O
COCH3
噻吩的酰化反应可以用酸催化。
(CH3CO)2O
S
H3PO4
三种杂环都具有共轭二烯烃结构，芳香性最弱的呋喃
可以顺利地进行双烯合成反应。
2 呋喃、吡咯、噻吩的性质
(1) 物理性质和光谱性质 呋喃：无色液体，难溶于水，有氯仿的气味。与盐酸浸
过的松木片反应，显绿色。
吡咯：无色液体，有苯胺的气味，难溶于水。与盐酸浸
过的松木片反应，显红色。
噻吩：无色液体，不溶于水。在硫酸存在下和吲哚醌作
CH3
O CHO
CH2COOH N H
3-吲哚乙酸 β-吲哚乙酸 indol-3-ylacetic acid
N
4-甲基吡啶 γ-甲基吡啶 4-methylpyridine
2-呋喃甲醛 α-呋喃甲醛 furan-2-carbaldehyde
五元杂环
4 5
O 1
3β 2α
4 5
S 1
3β 2α
4 5 1N H
Br S
(78 %)
S
I2, HgO C6H6, 0℃
I S
碘不活泼，要用催化剂才能发生一元取代
Br Br N H
Br Br
Br2, 0℃ EtO H SOCl2 (1 mol)
N H
Et2O, 0℃
Cl N H
(80 %)
由于呋喃的芳香性较弱，反应为加成-消除。
硝化：由于环的稳定性差，在强酸或强氧化剂的作用下 环被破坏，不能用混酸硝化。 应在较低的温度下，使用温和的硝化剂乙酰硝酸酯。
sp2杂化轨道
p轨道
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：杂原子是sp2杂化，未成键电子对在2p轨道上， 参与共轭。 从吡咯的共振式可看出，杂原子氮上部分负电荷分布到 了碳原子上。
－ －
· ·
－
N H
N H
+
N H
+
－
N H
+
N H
+
杂原子共轭效应是供电子的，诱导效应是吸电子的。
教材：李景宁主编《有机化学》下册 参考书： 胡宏纹主编《有机化学》 邢其毅等《基础有机化学》
王积涛主编《高等有机化学》
任课教师：周文俊 Email：zhouwj@ Tel：158 8480 9433(96433)
杂环化合物的分类和命名； 五元、六元杂环化合物的结构和性质； 稠杂环化合物，喹啉的制法；
NH2 N N
4-氨基嘧啶 pyrimidin-4-amine(嘧啶-4-胺)
含两个及以上不同环原子的单杂环，编号从价数小的杂
原子开始，价数相同时则从原子序数小的开始。 常见杂原子编号优先顺序为O、S、N。
N S
5 6 7 8
CH3
4-甲基-5-乙基噻唑
CH2CH3
5-ethyl-4-methylthiazole
也比苯快得多。
由于呋喃、吡咯、噻吩环上的π电子云分布不匀，亲电 取代反应主要发生在α-位上。
芳香性对亲电取代的影响： 噻吩、吡咯的芳香性较强，所以易取代而不易加成。
呋喃的芳香性较弱，更像二烯醚，亲电取代往往是通过
加成-消除的方式进行的。 环的稳定性对亲电取代的影响：
吡咯、呋喃在酸性溶液中发生质子化，容易聚合或开环，
环上碳原子上的H为多重峰，氮原子上的H为一宽峰。
2 呋喃、吡咯、噻吩的化学性质
（1）质子化反应：分子接受一个质子的反应称为质子化反应。
吡咯在酸的作用下质子化，反应主要发生在α-C上。
H H N H H
H+ H+
H N H
N H
H+
α-C质子化
N H
β-C质子化
H
N-质子化
呋喃在稀酸水溶液中，质子化发生在氧上，并导致水解
氯化吡喃 pyranium chloride
稠杂环：由苯环与单杂环或两个以上单杂环稠合而成的。
N
N
喹啉 quinoline 异喹啉 isoquinoline
N N N
N
O +
苯并吡喃盐 chromenium
喋啶 pteridine
N
N
吖啶 acridi
purine
γ 4 5 6 N 1 3β 2α 5 6 O 1 γ 4 3β 2α
5 6 O 1 O 4 3 2
5 6 O 1 4 3 2 O
吡啶(pyridine)
4 5 6 N 1 3 N2
吡喃(pyran)
4 5 6 N 1
γ-吡喃酮 (γ-pyrone)
5 6 4 N N 1
α-吡喃酮 (α-pyrone)
N H
吡咯 pyrrole
S
噻唑 thiazole
N H
N
吡唑 咪唑 imidazole pyrazole
六元杂环：
N
N
吡啶 pyridine
N
N
哒嗪 pyridazine
N
嘧啶 pyrimidine
N
N
吡嗪 pyrazine
O
吡喃 pyran
吡喃没有芳香性，生成盐后则具有芳香性。
+
－
O Cl
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。
芳香性顺序：苯 > 噻吩 > 吡咯 > 呋喃，这与杂原子电负
性顺序相反，从离域能数据也得出这一结论。
电负性：S 2.6，N 3.0，O 3.5。
离域能/ kJmol–1 苯 150.3 噻吩 125.5 吡咯 90.4 呋喃 71.1
N H
N H
N
咔唑
carbazole
2 杂环化合物命名
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。 按IUPAC推荐的俗名或半俗名，作为它们的特定名称。 中文名称采用音译法，用带口字旁的同音汉字表示。
N
O
呋喃 furan
S
噻吩 thiophene
N H
吡咯 pyrrole
O
N H
N
环状酸酐、内酯、内酰胺等，由于它们的环容易打开，
性质和开链化合物相似，习惯上不看作杂环化合物。
杂环化合物是一大类有机物，占已知有机物的三分之一
以上，广泛存在于自然界中。
植物中的叶绿素和动物中的血红素，都含有杂环结构。 石油、煤焦油中，有含硫、含氮及含氧的杂环化合物。 生物的遗传，是核酸链上的嘌呤和嘧啶碱基在起作用。 许多杂环化合物用作医药、农药、染料等。
3 2
N3 2
哒嗪(pyridazine)
嘧啶(pyrimidine)
吡嗪(pyrazine)
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。
CH3 N N H
4-甲基咪唑 4-methylimidazole
CH3 N H N
3-甲基吡唑 3-methylpyrazole
一般常见的稠杂环有特定的编号，或是沿用习惯。
4 3
7 6 5 8 9 1 2
6 1N 2 5
N
8
7
N2
1
N
10
3 4
N
3
4
N9 H
异喹啉
吖啶
嘌呤
1 呋喃、噻吩、吡咯的结构
N H
O
S
呋喃
噻吩
吡咯
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。
MgBr
N H
COO NH4
-
+
N H
CHO
N COR
RCOCl
CHCl3 25%NaOH
HCON(CH3)2 POCl3
(NH4)2CO3 130oC C6H5N2+X-