第16章杂环化合物
第十六章 杂环化合物
双烯合成。
O
OO
=
=
O+
O
△
O 90%
=
=
O 顺丁烯二酸酐
O
吡咯也可以与苯炔、丁炔二酸发生类似的反应
N-H
△
N-H +
C-COOH N-H +
△
C-COOH
N-H -COOH -COOH
噻吩芳香性强不发生反应
3. 吡咯的酸碱性
吡咯表面上 是个仲胺，但实 际上吡咯是一个 很弱的碱，碱性 比苯胺弱得多， 基本可以认为其 无碱性
S
+ (CH3CO)2O
H2PO4 或SnCl4
S
-COCH3 70%
2-乙酰基噻吩
呋喃、噻吩、吡咯进行烷基化反应很难得到一烷基取 代物。
呋喃、噻吩、吡咯亲电取代以α-位为主
2. 加成反应
呋喃、噻吩、吡咯分子中都有一个顺丁二烯型结构， 因此它们又具有不饱和性质：
稳定性增加
共振能
S
N
O
（KJ / mol）152 125.5 90.4 71.1 12.6
① 碱性和亲核性 碱性：叔胺 >> 吡啶 > 吡咯
叔胺
N
pKb: ~ 4
8.8
N
NH2
H
9.37
~ 14
碱性增强
+ HCl N
· Cl -
N+ H 吡啶盐酸盐
吡啶氮原子还可以作为亲核试剂与R-X、Br2等亲电 试剂反应形成吡啶盐
+ Br2 N
· Br N+ Br
② 亲电取代反应
亲电取代反应似硝基苯。
常见芳香性六元杂环化合物（单环、稠环）
第十六章杂环化合物
第十六章
20
呋喃在镍催化下，加氢可得四氢呋喃。四氢呋喃沸点65.5℃，
是良好的溶剂，也是有机合成的原料。从四氢呋喃可得到己二酸和
己二胺，它们是制造尼龙—66的原料。
第十六章
21
尽管呋喃在温和条件下容易发生亲电取代反应，但由于它的芳
香性较弱，呋喃及其衍生物可以容易地进行Diels—Alder反应和一般
合物。最常见的和最稳定的杂环化合物可分为五元杂环和六元杂环 两大类，在每一类中又根据杂原子种类、数目、单环或稠环等再分 类。
第十六章
4
第十六章
5
第十六章
6
杂环化合物的命名采用英文名称的音译，一般在同音汉字的左
边加一“口”旁。对于含一个杂原子的杂环也可把靠近杂原子的位
置叫做α位，其次为β位和γ位。
沸点162℃。糠醛在醋酸存在下遇苯胺呈亮红色，可用来定性检验 糠醛。糠醛可由农副产品如燕麦壳、玉米芯、棉子壳等原料来制取。 这些原料中含有戊醛糖的高聚物 (戊聚糖)。戊聚糖用盐酸处理后， 先解聚变为戊醛糖，然后再失水而成糠醛。
第十六章
19
糠醛是一个很好的溶剂，也是有机合成的原料。糠醛的化学性
质同苯甲醛类似，例如糠醛与约50％氢氧化钠水溶液作用可生成糠
第十六章
7
16.1.2 结构和芳香性
呋喃、噻吩和吡咯是含一个杂原子的五元杂环化合物，组成环
的五个原子位于同一平面上，彼此以 σ键相连接，每个碳原子还有
一个电子在p轨道上，杂原子的未共用电子对也在p轨道上，这五个 p轨道都垂直于环所在的平面。
第十六章
8
呋喃、吡咯和噻吩的离域能分别为67 kJ· mol-1、88 kJ· mol-1和
第十六章--杂环化合物
HOOC
N CO
CH3 CH3
S
CH NH C R O
R = CH2
为青霉素 G
R = CH2 O
为青霉素 V 常用青霉素
R = CH CH CH2 S CH3 为青霉素 O
青霉素具有强酸性(pKa≈2.7),在游离状 态下不稳定(青霉素O例外)，故常将它们变成 钠盐、钾盐或有机碱盐用于临床。
0
0
0
0
0
0
- 0.02
- 0.03
O
+ 0.1
- 0.04
- 0.06
S
+ 0.20
- 0.06
- 0.10
N H
+ 0.32
五元杂环具有芳香性，但其芳香性不如 苯环，因环上旳π电子云密度比苯环大，且 分布不匀，它们在亲电取代反应中旳速率也 比要苯快得多。
亲电取代反应旳活性为：
吡咯 > 呋喃 > 噻吩 > 苯，主要进入α-位。
四、 呋喃、噻吩、吡咯旳制备
试验室制备 1、帕尔-诺尔(Paal, C.-Knorr, L.)合成法
t-Bu
Bu-t
OO
H2SO4-H2O, HAc TsOH, 甲苯, △
t-Bu
Bu-t
OH O
t-Bu
P2S5, 170℃
H
OH -H2O
t-Bu
O Bu-t
O
t-Bu
Bu-t (~40 %)
S
Bu-t
五元杂环 六元杂环
呋喃
O N
噁唑
杂环化合物
吡咯 —无色液体，b.p. 130～131℃，有弱的苯胺气味 —松木片反应：遇盐酸浸湿的松木片呈红色
二、吡啶的物理性质
▪ 吡啶为具有特殊臭味的无色液体, b.p. 115.5℃, 密度 0.982, 可与水、乙醇、乙醚任意混合
▪ 化学性质稳定 可作溶剂（碱性）
三、五员杂环化合物的化学性质
1.亲电取代反应 反应活性顺序：吡咯>呋喃>噻吩>苯
(1) 卤化 呋喃、噻吩在温和条件下(如溶剂稀释及低温)反应 可得一卤代产物；
Br2, 0℃
O Br O O
Cl2
O
-40℃
+ O Cl Cl O Cl
80%
吡咯卤化常得四卤化物，唯有2－氯吡咯可直接卤化制
得。
Br
Br
Br N Br H
Br2, 0℃
AcONO2
O
-5~-30℃
HNO3/(CH3CO)2O
N H
H O NO2
N NO2 H
AcOPyridine
S
H
H
AcO O NO2
O NO2 35%
混酸
S NO2
(3)磺化
呋喃、噻吩和吡咯常用较温和的磺化试剂－吡 啶与三氧化硫加合物进行反应
SO3, CH2Cl2
N
r. t.
综上所述，五元、六元杂环化合物虽然都具有芳香性，
但其环上的电子云的密度是不同的，其电子云密度由高到 低的顺序是：
S
N
O
N
H
§16-4 杂环化合物的性质
一、呋喃、噻吩、吡咯的物理性质
▪ 呋喃 ▪ —无色液体，b.p. 31.36℃，有氯仿气味 —松木片反应：遇盐酸浸湿松木片呈绿色
喹啉的结构特征PPT课件
N
300 ℃ / 重排
N
SO31H3
SO3H
13
❖ 2、亲核取代：发生在吡啶环，活性比吡啶高。喹啉 取代主要发生在C-2 位上，异喹啉取代主要发生在 C-1 位上。
NaNH2
N 二甲苯 / 100 ℃
KNH2 / -10 ℃
N 浓NH3 . H142O / 加压
N NH2
N NH2
14
❖3、 氧化还原反应
第二节 五元单杂环化合物 第三节 六元杂环化合物 第四节 苯稠杂环化合物 第五节 稠杂环化合物 第六节 生物碱 第七节 杂环化合物的应用
第四节 苯稠杂环化合物
一、吲哚 二、苯并吡喃 三、喹啉和异喹啉
重点、难点
❖重点： ❖ 1、喹啉的结构特征。 ❖ 2、喹啉的化学性质。 ❖难点： ❖ 1、苯并吡喃的结构特4征。 ❖ 2、喹啉及其衍生物的制备
Na _
N
NH3
Na+
CH3MgI
NH6
乙醚
N MgI
6
2、吲哚为多π芳杂环，亲电取代活性高于苯， 但低于吡咯，反应主要发生在吡咯3（β）位， 而不是在2（α）位。
N=NPh PhN2+Cl_ N H
C6H5COONO2
N7
CH3CN / 0 ℃
H
NO2 N H
7
二、苯并吡喃
❖ 1、香豆素：即苯并α-吡喃酮，具有吡喃环内酯结 构和性质，不稳定，遇到强酸能生成盐、遇碱水解 容易开环。
酮）、硫酸和硝基苯（相应于所用芳胺）等一起反
应，生成喹啉的反应称为斯克劳普反应(Skraup,
Z.H.)N。H2
CH2OH
HO
+ CHOH +
第十六章 杂环化合物2009级新
N
H
H2, Pt, AcOH, 40℃
H +
N
N H H
N H H
反十氢喹啉
顺十氢喹啉
杂环的合成
1. 吡咯环的合成 ——Knorr(L)合成法 2. 呋喃环和噻吩环的合成 ——Paal-Knorr合成法 汪秋安编， 重要有机化学反应 及机理速查手册， 中国纺织出版社
3. 吡啶环的合成
——Hantzsch(A)合成法 4. 喹啉和异喹啉环的合成
（2） 亲核取代反应
N
N
（3） 氧化反应
喹啉和异喹啉与绝大多数氧化剂不发生反应；与高锰酸钾能 发生反应：
KMnO4 水溶液
HOOC HOOC N
N
100℃
喹啉与异喹啉在过酸的作用下均可形成N-氧化物。
RC O3H
N
N O
RC O3H
N
N
O
（4） 还原反应
H2 / Ni
N
N H
Hg(OAc)2, 130℃ or I2
第十六章
·
N
· ·
· ·
五 中 心 六 电 子
·
· ·
N—H 体系中π 电子数： 4+2=6
吡咯
· ·
·
·
· ·
O 呋喃
· ·
O · ·
· ·
S 噻吩
富 电 子 环
）
（
· · ·
·
S ·
· ·
符合休克 尔4n+2 规则，故 三个杂环 均具有芳 香性
吡咯、呋喃、噻吩小结
具体反应式：P.427/435/436 化学性质：
糠醛的化学性质——无α-H的芳醛。
① 催化加氢 -CHO O ② 氧化 -CHO O
有机化学：16 杂环化合物
S
H2 MoS2
S
29
3. 酸碱性
噻吩、呋喃——中性 吡咯——碱性极弱，呈弱酸性
KOH N H N + K
N H
pKa17.5
+ H2O
CH3MgI N H
乙醚
+ CH4 N MgI
30
N + K
+ CH3I
N CH3
四氢吡咯——与脂肪2°胺碱性相当
其共轭酸的pKa 11.3
N H
31
衍生物
糠醛
O CHO
糖脱水可生成糠醛衍生物，如在浓硫酸或盐酸 中，糠醛可与一些酚或芳胺衍生物产生颜色反应， 可以作为糖类的鉴别反应使用。
32
第四节 六元杂环化合物
一、吡喃
O
O
α-吡喃（2H-吡喃）
γ-吡喃（4H-吡喃）
O
O
O
O
α-吡喃酮
γ-吡喃酮
33
二、吡啶
1．结构 N吸电子能力较强， 为缺π 芳杂环，故比苯难 亲电取代和氧化反应，和硝基苯相似 6 6 sp2杂化轨道
N
34
2．性质
（1）溶解性
与水、乙醇、乙醚、石油醚等混溶
能与水分子形成氢键
其羟基或氨基衍生物因相互形成氢键，不能与水形 成氢键，水溶性下降 作为溶剂，能溶解极性或非极性有机化合物，也可 溶解某些无机盐，许多有机反应都采用吡啶作溶剂
35
2．性质
（2）碱性：
> (CH3)2NH > CH3NH2 > (CH3)3N > NH3 N H > N > NH2 > N H
44
杂环化合物和生物碱-有机化学
溶解1份吡咯、呋喃及噻吩，分别需要17、 35、700份的水。 当五元杂环上连有羟基时，溶解度增大。
如： O
H3C O OH
S
S
OH
(1:35)
(1:20)
(1:700)
(1:16)
3. 杂环化合物的化学性质 (1)、亲电取代反 应
N H O S
HNO3
I2 NaOH
吡咯、呋喃、噻吩 α位取代
I
第四节 稠杂环化合物
稠杂环化合物是指苯环与杂环稠合或杂环与杂环稠合在一起的化 合物。常见的有喹啉、吲哚和嘌呤。
泳衣品牌
3 2 d ★ c
N
a b
N
1
N
★ b 2 a 3
N1
S
N
吡啶并[2,3-d]嘧啶
咪唑并[2,1-b] 噻唑
第二节
五元杂环化合物
五元杂环化合物包括含有1个杂原子的五元杂 环和含2个杂原子的五元杂环。 一、含1个杂原子的五元杂环化合物 1.结构
4 5 1N 3 2
4 5 3 2 4 5 3 2
OH
2．亲电取代反应
Cl2, AlCl 3 100 ℃ Br2, 浮石催化 300 ℃ 气相
Cl
3 氯吡啶
N
Br
3 溴吡啶
N
NO2
N
浓 H2SO4 HgSO4 催化， ℃ 220 混酸 300 ℃
3 硝基吡啶
N
SO3H
吡啶 3 磺酸
N
3．氧化还原反应
（1）氧化反应
COOH N β 吡啶甲酸（烟酸） HNO 3 N COOH N α 吡啶甲酸
由于吡啶环的N上在环外有一孤对电子，故吡啶环上的电荷分布不均。
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---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------第16章杂环化合物第 16 章杂环化合物辽宁中医药大学杏林学院讲稿课程名称：有机化学第十六章杂环化合物教学目的：1. 掌握杂环化合物的分类和命名。
2．理解杂环化合物的结构与芳香性。
3. 掌握五元杂环化合物的化学性质。
教学重点：杂环化合物命名；结构与芳香性；五元杂环化合物的化学性质教学难点：杂环化合物结构与芳香性；化学性质教学方法采用模型、多媒体课件和板书相结合的课堂讲授方法。
引言杂环化合物是指组成环的原子中含有除碳以外的原子(杂原子常见的是 N、O、S 等)的环状化合物。
非芳香杂环如杂环化合物 O,,NH, 芳杂环（符合休克尔规则的杂环）如杂环化合物不包括极易开环的含杂原子的环状化合物，例如：,O,O ,本章我们只讨论芳香族杂环化合物。
杂环化合物是一大类有机物，占已知有机物的三分之一。
年月日x0404-08 辽宁中医药大学杏林学院讲稿课程名称：1 / 14有机化学环化合物在自然界分布很广、功用很多。
例如，中草药的有效成分生物碱大多是杂环化合物；动植物体内起重要生理作用的血红素、叶绿素、核酸的碱基都是含氮杂环；部分维生素，抗菌素；一些植物色素、植物染料、合成染料都含有杂环。
16.1 杂环化合物的分类杂环大体可分为：单杂环和稠杂环两类。
稠杂环是由苯环与单杂环或有两个以上单杂环稠并而成。
16.2 杂环化合物的命名杂环的命名常用音译法，是按外文名称的音译，并加口字旁，表示为环状化合物。
如杂环上有取代基时，取代基的位次从杂原子算起用 1，2，3，4，5 年月日x0404-08 辽宁中医药大学杏林学院讲稿课程名称：有机化学（或可将杂原子旁的碳原子依次编为 ,, , ）来编号。
如杂环上不止一个杂原子时，则从 O,S,N 顺序依次编号，编号时杂原子的位次数字之和应最小：五元杂环中含有两个杂原子的体系叫唑（azole）当环上有取代基时，取代基的位次从杂原子算起依次用 1，2，3， (或，，)编号。
如杂环上不止一个杂原子时，则从 O、S、N 顺序依次编号。
编号时杂原子的位次数字之和应最小。
16.3 五元杂环化合物一、呋喃、噻吩、吡咯含---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 一个杂原子的典型五元杂环化合物是呋喃、噻吩和吡咯。
含两个杂原子的有噻唑、咪唑和吡唑。
本节重点讨论呋喃、噻吩和吡咯，简单介绍一下噻唑、咪唑和吡唑。
年月日x0404-08 辽宁中医药大学杏林学院讲稿课程名称：有机化学 1 杂环化合物的结构与芳香性呋喃、噻吩、吡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轭形成共轭体系，其电子数符合休克尔规则（电子数 = 4n+2），所以，它们都具有芳香性。
NHS 为65 共轭体系电子= 6 符合 4n + 2 具有芳性富电子芳环吡啶的结构 HN 上的孤电子对在 2sp 轨道上，在环外 C_ sp2N_ sp2 成环原子共平面 66 体系 N 上的孤电子对在 P 轨道上，参与环内共轭，为富电子芳环。
未参与环内共轭。
由于吡啶环的N上在环外有一孤对电子，故吡啶环上的电荷分布不均。
年月日 x0404-08 辽宁中医药大学杏林学院讲稿课程名称：有机化学 0.871.010.84 1.43 电荷分布 N gt;gt;gt;3 / 14亲电取代位亲核取代，位 2 物理性质光谱性质呋喃，噻分，吡咯的电子结构和光谱性质。
电子结构：这三个杂环化合物中，碳原子和杂原子均以 sp2 杂化轨道互相连接成健，并且在一个平面上，每个碳原子及杂原子上均有一个 p 轨道互相平行，在碳原子的 p 轨道中有一个 p 电子，在杂原子的 p 轨道中有两个 p 电子，形成一个环形的封闭的电子的共轭体系。
这与休克尔的 4n+2 规则相符，因此这些杂环或多或少的具有与苯类似的性质，故称之为芳香杂环化合物。
芳香性大小,试验结果表明: 光谱性质：IR: c-H = 3077~3003cm-1,N-H = 3500~3200 cm-1 (在非极性溶剂的稀溶液中，在 3495 cm-1，有一尖峰。
在浓溶液中则于 3400 cm-1,有一尖峰。
在浓和淡的中间浓度时，两种谱带都有),杂环 C＝C 伸缩振动:1600~1300 cm-1 （有二至四个谱带）。
年月日 x0404-08 辽宁中医药大学杏林学院讲稿课程名称：有机化学 NMR：这些杂环化合物形成封闭的芳香封闭体系，与苯环类似，在核磁共振谱上，由于外磁场的作用而诱导出一个绕环转的环电流，此环电流可产生一个和外界磁场方向相反的感应磁场，在环外的质子，处在感应磁场回来的磁力线上，和外界磁场方向一致，在去屏蔽区域，故---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------环上氢吸收峰移向低场。
化学位移一般在 7ppm 左右。
呋喃：－H =7.42ppm －H =6.37ppm 噻吩：－H =7.30ppm －H =7.10ppm 吡咯：－H =6.68ppm －H =6.22ppm 3 化学性质（1）．亲电取代反应从结构上分析，五元杂环为56 共轭体系，电荷密度比苯大，如以苯环上碳原子的电荷密度为标准（作为 0），则五元杂环化合物的有效电荷分布为：00 000- 0.02- 0.03- 0.04- 0.06O + 0.1S+ 0.20-0.06NH- 0.10+ 0.32 五元杂环有芳香性，但其芳香性不如苯环，因环上的电子云密度比苯环大，且分布不匀，它们在亲电取代反应中的速率也比要苯快得多。
亲电取代反应的活性为：吡咯 gt; 呋喃 gt; 噻吩 gt; 苯，主要进入-位。
年月日x0404-08 辽宁中医药大学杏林学院讲稿课程名称：有机化学五元杂环吡咯、呋喃、噻吩的反应实例见 P555~556 说明：吡咯、呋喃、噻吩的亲电取代反应，对试剂及反应条件必须有所选择和控制。
5 / 14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(CH3COONO2)作硝化试剂，在低温下进行。
磺化反应呋喃、吡咯不能用浓硫酸磺化，要用特殊的磺化试剂吡啶三氧化硫的络合物，噻吩可直接用浓硫酸磺化。
（2）．加氢反应 NHH, NiSH, Ni or PdH, Ni or PdNHS四氢吡咯Pd催化不能用 Pd 使中毒因噻吩能 O 四氢呋喃( THF ) （3）．呋喃、吡咯的特性反应 A、呋喃易起D-A 反应 +O 外式+内式(90%)吡咯、噻吩要在特定条件下才能发生 D-A 反应。
年月日 x0404-08 辽宁中医药大学杏林学院讲稿课程名称：有机化学 B、吡咯的弱酸性和弱碱性吡咯虽然是一个仲胺，但碱性很弱。
Kb 3.8 10 NH2 N H -10 NH -14 原因：N 上的未共用电子对 -4 2.5 102 10 参与了环的共轭体系，的结合力。
减弱了与吡咯具有弱酸性，（其酸性介与乙醇和苯酚之间。
OH N H -10 Ka =1.3 10 -15 1 10 CH3CH2OH -18 1 10 故吡咯能与固体氢氧化钾加热成为钾盐，与格式试剂作用放出 RH 而生成吡咯卤化---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------镁。
N H + RMgX+ H2O NH + KOH 固体NK + H2O 吡咯钾盐和吡咯卤化镁都可用来合成吡咯衍生物。
NH 热 N K COR R NHNH COR R NH 干乙醚 COR NHNCOR R 年月日 x0404-08 辽宁中医药大学杏林学院讲稿课程名称：有机化学 4 重要的五元杂环衍生物糠醛（- 呋喃甲醛）（1）．制备由农副产品如甘蔗杂渣、花生壳、高粱杆、棉子壳用稀酸加热蒸煮制取。
(C5H8O4)n 水蒸气 HOOH OHOH 2CHO 戊糖 CHO 呋喃甲醛多聚戊糖（2）．糠醛的性质同有-H 的醛的一般性质。
A、氧化还原反应B、歧化反应 O CHO COOH + CH2OH CHO 2, 320℃, CH2OHCOOH + CO2 + H2OC、羟醛缩合反应 CHO+CH3 CHO O CH=CHCHOD、安息香缩合反应 O CHO OH 年月日 x0404-08 辽宁中医药大学杏林学院讲稿课程名称：有机化学（3）．糠醛的用途糠醛是良好的溶剂，常用7 / 14作精练石油的溶剂，以溶解含硫物质及环烷烃等。
可用于精制松香，脱出色素，溶解硝酸纤维素等。
糠醛广泛用于油漆及树脂工业。
5 吡咯的重要衍生物最重要的吡咯衍生物是含有四个吡咯环和四个次甲基(-CH= )交替相连组成的大环化合物。
其取代物称为卟啉族化合物。
4 8756 卟啉族化合物广泛分布与自然界。
血红素，叶绿素都是含环的卟啉族化合物。
在血红素中环络合的是 Fe，叶绿素环络合的是 Mg。
血红素的功能是运载输送氧气（P564）叶绿素是植物光合作用的能源。
1964 年，Woodward 用 55 步合成了叶绿素。
1965 年接着合成 VB12，用 11 年时间完成了全合成。
Woodward 一生人工合成了 20 多种结构复杂的有机化合物，是当之无愧的有机合成大师。
年月日 x0404-08 辽宁中医药大学杏林学院讲稿课程名称：有机化学 16.4 六元杂环化合物六元杂环化合物中最重要的有吡啶、嘧啶和吡喃等。
N 吡啶 N 嘧啶 O 吡喃吡啶是重要的有机碱试剂，嘧啶是组成核糖核酸的重要生物碱母体。
一、吡啶 1 来源、制法和应用吡啶存在于煤焦油---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 页岩油和骨焦油中，吡啶衍生物广泛存在于自然界，例如，植物所含的生物碱不少都具有吡啶环结构，维生素 PP、维生素 B6、辅酶Ⅰ及辅酶Ⅱ也含有吡啶环。