杂环化合物

齐齐巴宾反应：
Heterocyclic Chemistry
5. 吡啶作为亲核试剂的反应
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6、氧化与还原反应
与苯环类似，吡啶本身很难被氧化，但烷基吡啶可被 氧化成羧酸。例如：
吡啶与过氧酸作用时，能生成——吡啶N-氧化物：
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吡啶N-氧化物是一个在合成上很用的中间体，它既易发 生亲电取代，同时也易发生亲核取代，而且取代反应都 发生在2、4位。例如：
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吡啶N-氧化物用三氯化磷或其他方法处理又可得到吡啶。
NO2 NO2 PCl3 N N O NH2 H2/Ni or Fe/H+ N
这五个唑类化合物的沸点有较大差别，其中吡唑和咪唑 沸点较高，这是因为它们可以形成分子内氢键：
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2、酸碱性 五个唑类化合物的碱性都比吡咯强，这是由于它们的 结构上多了一个有未共用电子对的氮的缘故，但比一 般的胺的碱性弱。它们的碱性的强弱又与另一杂原子 的电负性及两杂原子的相对位置有关。例如： 碱性强弱顺序为：胺 > 咪唑 > 吡唑 > 吡咯。 一般来说1，3-唑类的碱性比相应的1，2-唑类的碱性强 在这五个唑类化合物中噁唑类的碱性最弱 噻唑的碱性比咪唑弱
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N S O
第二十章 杂环化合物
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一
1 脂杂环
三元杂环
杂环化合物的简介
没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂环。
O
O
在环上含有杂原子（非碳原子）的有机物称为杂环化合物。
(环氧乙烷) (β-丙内酯)
H N
O NH
(氮杂环丙烷) (β-丙内酰胺)
G (o, p) or G (m) (o, p) (o, p)
(m) (m)
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NO2
+ （3）其他反应 NO2 N N N -梯门 吡咯环很活泼与苯酚类似，还可以发生如瑞默尔 H H H 反应及与重氮盐偶合：
51% 13% 1. POCl3 2. Na2CO3, H2O NMe2 H N H O Me Ac2O, AlCl3 N SO2Ph rt N SO2Ph NaOH (aq) N H 82% O 59% O Me
吡啶的还原反应比苯容易。还原产物为哌啶。
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7. 吡啶侧链上α-H 的反应
Reaction of side chainα-H 侧链α位和γ位烷基碳上的H具有一定的酸性
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8.侧链的氧化反应
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呋喃、噻吩的结构与吡咯类似 ：
S
O
偶极矩：
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2、酸碱性
N H
+ KOH
N K
+ H2O
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3、化学性质
（1）稳定性 杂原子对环上电子的贡献为：N最多，O其次，S最少。 吡咯和呋喃遇强酸时，杂原子能质子化，使芳香大π 键破坏，从而呈现出共轭二烯的性质，能发生水解、 聚合等反应，表现出环的不稳定性。噻吩比较稳定。
普通酸性条件下的硝化会导致聚合或开环反应的发生！！！
硝酸乙酰酯：硝化活泼芳香化合物
硝乙酐具有爆炸性，需用时现制。
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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
O
－30~－5℃
O +
H NO2
AcONO2, AcOH/ -10 C
+
N H H
O
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吡咯的钾盐和吡咯卤化镁，都可以用来合成吡咯的衍生物。
N
+ CH3I
Δ N CH3 N H CH3
MgBr
N+ K
－
+ C6H5COCl
甲苯
Δ N COC6H5
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3、亲核取代反应 亲核取代反应也吡啶容易，主要发生在吡啶环上的2位。 例如：
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4、氧化还原反应 氧化或还原反应都比苯容易些。氧化一般发生在苯环 上，而还原则一般发生在吡啶环上。例如：
KMnO4 N H2O 100℃
四元杂环
O
O
五元杂环
O
O
(顺丁烯二酸酐)
七元杂环
O
(氧杂 )
N H
(1H-氮杂 )
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2 芳杂环
五元杂环
具有芳香特征的杂环化合物称为芳杂环
O
呋喃
N
S
噻吩
N
N H
吡咯
N
O
噁唑
S
N N
噻唑
N H
咪唑
N H
N
吡唑
六元杂环
N
吡啶
嘧啶
O
吡喃(无芳香性)
苯并杂环
N N
N H
环的稳定性为：苯 > 噻吩 > 吡咯 > 呋喃。
（2）亲电取代反应 三个杂环中环上的电子云密度都比苯大，因而易发生 亲电取代反应。 反应位置: 亲电取代主要发生在α(2)-位 亲电取代活性顺序： 吡咯>呋喃>噻酚>苯
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(1)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 + H H H+ + N N N H H H H α-C 质子化
γ
物理性质: 恶臭 碱性顺序: 化学性质: 亲电取代反应
β
α
亲电取代反应主要发生在β位 亲核取代反应 亲核取代反应主要发 生在α位或立刻γ位
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2、碱性与亲核性
吡啶的碱性比氨、脂肪氨弱得多，但比苯胺强，为什么？ 吡啶环上的取代基对其碱性是有影响的。其规律与取代 基对苯胺的碱性的影响类似。 吡啶也可以与路易斯酸作用成盐。例如：
1H
NMR:
H H
H 7.5 H 7.1 N pyridine H 8.5
氮原子的作用类似于苯环上的硝基，使环上的电子云密度 降低了。这类杂环又叫“缺π”芳杂环。 表现在性质上，亲电取代变难，亲核取代变易，氧化变 难，还原变易；另外，由于氮的未共用电子对暴露在外， 从而具有一定的碱性。
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PhSH, NEt3 N Cl N 93%
Br Br N NH 3 (aq) N 65% NH 2 Br
SPh
吡啶亲核取代反应 一般发生在 2- 或则 4-位
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当用强碱性的亲核试剂时，则氢原子也能被取代，取代 主要发生在α位：
CH3COO－
H CH3COO
O
H 吡啶 NO2
O
NO2
(3)磺化反应
N
+
SO3
－
N H
100℃
N H
－
SO3 HN +
－
H+
N H
吡咯－2-磺酸
SO3H
N
+
SO3
O
H2SO4
O
SO3 HN +
－
HCl
O
SO3H
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。
（三）含氧六元杂环
吡喃本身不具有芳香性，是不稳定的化合物。但吡喃 酮则可以稳定存在。α-吡喃酮是一不饱和内酯，而 γ-吡喃酮可看作插烯内酯，因此，它们不具有羰基 的典型性质，如不能反应成肟等。
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吡喃酮可以在碱性条件下发生酯的水解而开环。 例如：
O (1)OH /H2O O (2)H3O
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（二）含两个杂原子的五元杂环
N N H
氮上的孤对电子可通过氢键与水分子缔 合，所以五个唑类水溶度都增大；也可 与质子成盐，故碱性增强；还因该氮原 子的吸电诱导和吸电共轭，使环上电子 云密度降低，所以，亲电取代比苯难。
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吲哚
N N H
N
喹啉
N
异喹啉
杂环并杂环
嘌呤
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二、六元杂环化合物
（一）吡啶 1、结构及物理性质 （1）结构
N
pyridine
N H
piperidine
氮的三个sp2轨道中，有一个是被未共用电子对占据。
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吡啶环上各处的电子云密度是不一样的。
H2/Pt H2O N H2/Pt HOAc 40℃ N H N H
COOH N COOH
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5、喹啉的合成 斯克劳普（Z.H.Skraup）合成法: 将苯胺与无水甘油、硝基苯、硫酸等共热，即可得喹啉：