第十六章 杂环化合物2
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）
杂环化合物2
�
亲电取代反应举例：
N N H SO3 N SO3 H N H COC H3 + S 主要产物 HNO3 O HOA c O NO2 H O N O2 S 少量 COCH3 SO3H
A c2O S A l Cl 3
二、含一个杂原子的六员杂环苯并体系
�
喹啉和异喹啉
5 6 7 8
4 3 6 7
5
4 3
1. （比吡啶）易发生亲电取代反应 （有亲核性）
NO2 HNO3 N O H2SO4 90oC N O PCl3 NO2 + N POCl3
∆
对比
H N O3 N H2SO 4 3 0 0 oC / 2 4 h
主要产物 • 反应活性不同
NO 2 N
• 取代位置不同
2. （比吡啶）易发生亲核加成 （有亲电性）
N
1
2
N2
8 1
喹啉
�
异喹啉
结构和性质分析
•杂环部分象吡啶
碱性和亲和性 亲电取代 亲核取代 氧化和还原反应 支链上的反应
•碳环部分象萘
亲电取代
氧化和还原反应
δδ+
δ+
1. 喹啉的性质
δδ+
�
喹啉的共振式分析：
δδ+ N
δ+
N
N
N
两个芳环
保留一个芳环
N
N
N
不存在芳环
(1) 喹啉的亲电取代反应
5 6 7 8 4 3
烯胺负离子 有亲核性
H H2 C B CH2 CH2
N
N
N
共轭烯胺负离子
(1) 与醛酮加成
O Ph C Ph OH N CH3 NaNH2 N CH2 C Ph Ph
第十六章 杂环化合物、生物碱
第十六章杂环化合物、生物碱第十六章杂环化合物、生物碱杂环化合物的定义：在环状有机化合物中，构成环的原子除了碳原子外还含有其他原子，这环状种化合物就叫做杂环化合物（heterocyclic compound）。
除碳以外的其他原子叫做杂原子。
常见的杂原子有：氮、氧、硫。
第一节杂环化合物的分类和命名一、分类按照环的大小和环的数目可分为：五元环单杂环OSN六元环H杂环N苯环与单杂环的稠合杂环(苯并杂环)稠杂环N两个或两个以上单杂环的稠合杂环NNNNH二、命名1、音译法：根据外文译音，选用同音汉字，加“口”字旁表示杂环。
ONS呋喃噻吩furanpyrrole吡咯HthiopheneN吡啶N咪N啶NHpyridinepyrimidineindole吲哚?取代杂环的命名：①杂环的编号从杂原子起依次1,2,3 ……（或：α,β,γ……）。
②如环上不止一个杂原子时，则从O、S、N的顺序依次编号。
③有两个相同杂原子的，应从连有H原子或取代基的开始编号。
④编号时注意杂原子或取代基的位次之和最小。
⑤稠杂环是特定的母体和固定的编号。
4CH354463CH3N3N512NH12C5N32H5S213-甲基吡啶4-甲基咪唑5-乙基噻唑2、根据结构命名：1即根据相应于杂环的碳环来命名，把杂环看作是相应的碳环中的碳原子被杂原子置换而形成的。
例如，吡啶可看作是苯环上一个碳原子被氮原子置换而成的，所以叫做氮杂苯。
NHO 茂(环戊二烯)氮茂S氧茂硫茂NNN苯氮苯1,3-二氮苯第二节一杂五元杂环化合物含有一个杂原子的典型五元杂环是呋喃、噻吩、吡咯。
OSNH一、呋喃、噻吩、吡咯的结构1、据现代物理方法证明：①呋喃、噻吩、吡咯都是一个平面的五元环结构，即成环的四个C原子和一个杂原子都是以SP2杂化轨道成键的。
②环上每个碳原子的P轨道有一个电子，杂原子P轨道上有两个电子。
③ P轨道垂直于五元环的平面，互相侧面重叠而形成一个与苯环相似的闭合共轭体系。
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
有机化学第十六章杂环
按照英文字母顺序排列取代基，并按照取代基的数目和位置进行编 号。
编号顺序
按照取代基的编号顺序进行编号，取代基的编号越小，优先级越高。
分类方法
1
根据杂环母核的环状结构分类：分为单环、双环 和多环杂环化合物。
2
根据杂环母核中杂原子的种类分类：分为含氧、 含氮、含硫和含磷等杂环化合物。
3
根据杂环母核中碳原子和杂原子的成键情况分类： 分为碳-碳键和碳-杂原子键杂环化合物。
杂环化合物的特点
01
02
03
稳定性
杂环化合物通常比相应的 碳环化合物更加稳定，因 为杂原子可以提供额外的 电子，增加环的稳定性。
芳香性
有些杂环化合物具有芳香 性，其特点是具有特殊的 电子分布和化学性质。
反应性
杂环化合物的反应性取决 于其结构和取代基的性质， 有些杂环化合物容易进行 亲电或亲核反应。
THANKS
感谢观看
随着科学技术的发展，杂环化合物在 未来的应用将更加广泛和深入。
同时，随着人们对环境保护和可持续 发展的重视，开发环境友好型的杂环 化合物合成方法和技术也将成为未来 的重要研究方向。
未来发展的方向包括开发新的杂环化 合物合成方法、研究杂环化合物的生 物活性与作用机制、探索杂环化合物 在其他领域的应用等。
杂环化合物的取代反应机理通常涉及亲核和亲电取代反应。
详细描述
杂环化合物的取代反应机理通常涉及亲核和亲电取代反应。在亲核取代反应中，亲核试剂进攻杂环上 的碳原子，形成负离子中间体；在亲电取代反应中，亲电试剂进攻杂环上的碳原子，形成正离子中间 体。这些中间体可以进一步发生重排或水解，最终形成取代产物。
05
在材料科学中的应用
杂环化合物在材料科学中也有广泛的应用，如高分子材料、功能材料和复合材料等。
第十六章杂环化合物(第三版)
16.1.2 氮原子上的亲电加成
+ RCOX
N
N+ X-
RC O
N-酰基吡啶鎓盐
N+ X-
RC O
HNu
+ HX
N+
R C O-
O
R C Nu + N
Nu
N-酰基吡啶鎓盐是比酰氯和酸酐更好的酰化剂,因吡啶环是一
个良好的离去基团。
Xumiaoqing
Xumiaoqing
Organic Chemistry
144 ℃
C H 3
H 3 C N C H 3 N C H 3 N C H 3 N C H 3H 3 CN C H 3
2,6-二甲基吡啶 2,5-二甲基吡啶 2,4-二甲基吡啶
2,3-二甲基吡啶 2,4,6-三甲基吡啶
沸点: 177℃ 157 ℃ 157℃
163 ℃
170 ℃
Xumiaoqing
Organic Chemistry
(pKa=5.40)都 是 弱 碱 性 ,能 与 酸 生 成 盐 .
16.2.2 化 学 反 应
在强酸性溶液中喹啉和异喹啉的亲电取代都在碳环上进行 ,一 般 生 成 5-位 和 8-位 取 代 物 .例 如 :
16.2.2.1 碳 原 子 上 的 亲 电 取 代 :
Xumiaoqing
H N O 3,H 2S O 4
吡 啶 的 分 子 轨 道 模 型 :
π6 N
ππ
5 4
N
N
HN
2
Sp
π3
p
π2
N
N
π6 6
π1
N
(a)六个原子轨道组成分子轨道
( b) 能级
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
第十六章 杂环化合物、生物碱杂环化合物的定义：在环状有机化合物中，构成环的原子除了碳原子外还含有其他原子，这环状种化合物就叫做杂环化合物（heterocyclic compound ）。
除碳以外的其他原子叫做杂原子。
常见的杂原子有：氮、氧、硫。
第一节 杂环化合物的分类和命名 一、 分类按照环的大小和环的数目可分为：杂环单杂环五元环六元环苯环与单杂环的稠合杂环(苯并杂环)两个或两个以上单杂环的稠合杂环O SN H稠杂环NNNNN HN二、 命名1、音译法：根据外文译音，选用同音汉字，加―口‖字旁表示杂环。
O S N H 吡咯呋喃噻吩吡啶N pyrrolefuranthiophenepyridine N H 吲哚indole N N咪啶pyrimidine取代杂环的命名： ① 杂环的编号从杂原子起依次1,2,3 ……（或：α,β,γ……）。
② 如环上不止一个杂原子时，则从O 、S 、N 的顺序依次编号。
③ 有两个相同杂原子的，应从连有H 原子或取代基的开始编号。
④ 编号时注意杂原子或取代基的位次之和最小。
⑤ 稠杂环是特定的母体和固定的编号。
N S 512435-乙基噻唑N N H23454-甲基咪唑CH 3C 2H 5N CH 31234563-甲基吡啶2、根据结构命名：即根据相应于杂环的碳环来命名，把杂环看作是相应的碳环中的碳原子被杂原子置换而形成的。
例如，吡啶可看作是苯环上一个碳原子被氮原子置换而成的，所以叫做氮杂苯。
OSN HN茂(环戊二烯)氮茂氧茂硫茂NN苯氮苯1,3-二氮苯第二节 一杂五元杂环化合物含有一个杂原子的典型五元杂环是呋喃、噻吩、吡咯。
O SN H一、 呋喃、噻吩、吡咯的结构1、据现代物理方法证明：① 呋喃、噻吩、吡咯都是一个平面的五元环结构，即成环的四个C 原子和一个杂原子都是以SP 2杂化轨道成键的。
②环上每个碳原子的P 轨道有一个电子，杂原子P 轨道上有两个电子。
③ P 轨道垂直于五元环的平面，互相侧面重叠而形成一个与苯环相似的闭合共轭体系。
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环具有芳香性
N原子
吡啶的偶极矩与吡咯方向相反：
N
μ= 0 D μ= 2.26 D
N H μ= 1.81 D
N H
=1.17D
吡啶环上N的共轭效应和诱导效应都是吸电子的
碱性与亲核性——N的孤对电子在SP2杂化轨道上；
亲电取代反应：吡啶为缺电子芳杂环，性质与硝基苯相似；
Chichibabin胺化反应——吡啶（或其衍生物）等含氮
杂环碱类化合物与碱金属的氨基化合物共热时发生胺
化，生成相应氨基衍生物。
反应通过加成-消除方式进行；-NH2易进攻吡啶环
电子云密度较低的α-位，主要生成α-位取代产物；若α位被占据，则生成γ-位取代产物。 是杂环上直接导入氨基的简便有效方法，广泛适 用于各种氮杂芳环（如苯并咪唑、异喹啉、吖啶和菲
浓H2SO4
N
-NO2 N
3-硝基吡啶 6%
N
300℃，一天
N
+ 发烟H2SO4
220℃
-SO3H N
70% 吡啶-3-磺酸
H3C-
N
-CH3 + 浓HNO3
浓H2SO4
H3C-
N
-NO2 -CH3 66%
N · ·
· + Br2 · -NH2
AcOH
20℃
BrN -NH2 90%
3.亲核取代——吡啶环的特性反应(P.419)
啶类）及其衍生物的胺化。
N
+ NaNH2
- H2
N
-NHNa
H2 O
α-氨基吡啶
N
-NH2 + NaOH
NaNH2 + N NH3 或 PhNMe2 N NH2 H2
Chichibabin 反应
似Chichibabin反应——吡啶（或其衍生物）等含氮
杂环碱类化合物与碱金属的烃基化合物（如芳基锂、
吡啶N-氧化物
吡啶为叔胺，易被H2O2、过氧化酸氧化成 N-氧化物。
吡啶N-氧化物是有机合成的重要中间体，由于O 上孤 电子对与吡啶环发生动态共轭，使吡啶环活化，容易
在α和γ位发生亲电取代反应，且产率较高 N-氧化吡啶的性质：
烷基锂等）以及Grignard试剂等亲核试剂作用，主要
生成α-位取代产物；若α-位被占据，则生成γ-位取代
产物。
PhLi N O2 or PhNO2, (氧化) N Ph
当 a 或 g 位有其它离去基团时，反应易发生 （似硝基苯）
NaOH N Cl N OH
异构化
N H O N H O
a-吡啶酮
机理：
（1）不能发生傅氏烷基化、酰基化反应； （2）硝化、磺化、卤化必须在强烈条件下才能发生；
（3）吡啶环上有给电子基团时，反应活性增高；
（4）吡啶N可以看作是一个间位定位基。 反应主要发生在β位 （电子云密度 β > α） (P.418)
+ Br2
300℃ 气相
-Br N
3-溴吡啶 39%
· ·
+ 浓HNO3
N SO3
r. t. 3 days N H
-
O3S
O
SO3-
N H
100 oC
HCl N H SO3- N H N H SO3H
N H
+
N SO3
噻吩比较稳定，既可以直接磺化（产率稍低），也可以用温
和的磺化试剂磺化。
ClCH2CH2Cl Ba(OH)2
S
+
N SO3
r. t.
S
SO3-
Ba2+
2
§16-1
2
AcONO2 O oC
N H
Ac2O/AcOH
N H 51 %
呋喃、噻吩、吡咯的磺化反应
吡咯、呋喃不太稳定，对酸敏感，须用温和磺化试剂磺化，常 用的非质子磺化试剂：吡啶与三氧化硫的加合物。
C H2C l2 室温
+ SO3 N
N SO3
(固体，含量90 %)
O
ClCH2CH2Cl
SO3-
N H
O
+
OH N Cl OH N Cl
（仍有芳香性）
-Cl N OH
其他制备a-吡啶酮的方法
NaNH2 N N NH2 (1)NaNO2, HCl (2)H2O, N
异构化
OH N H O
4. 氧化和还原反应
氧化在侧链上
吡啶比苯更难氧化，但比苯更易还原
氧化在 N 上（似叔胺）：
N
O + CH3-C-O-OH N+ O-
第十六章
呋喃、噻吩吡咯的硝化反应
呋喃, 噻吩和吡咯易氧化, 一般不用硝酸直接硝化; 需用较温和的非质子硝化试剂，如：硝酸乙酰酯在低温下进行。
O O CH3COCCH3 + HNO3
AcONO2 O oC
O CH3CONO2 + CH3COOH NO2
S
Ac2O/AcOH
S 60 %
NO2 + S 10 % NO NO2 + N H 13 %
（而吡咯为富电子芳杂环,与苯胺相似） 良溶剂——吡啶极性较大，能与水以任意比混溶,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
1. 碱性与亲核性
碱性：叔胺 >> 吡啶 > 苯胺
> 吡咯
在化学反应中可用作催化剂和除酸剂。 亲核性：与R-X、Br2等亲电试剂反应形成吡啶盐
(P.417)。
五元杂环化合物
由于呋喃、噻吩、吡咯都是五中心六电子，
属于富电子环
（相当于环上有一个邻对位基团） 反应活性（ 亲电取代和加成反应 ） 五元杂环 ＞＞ 苯
（富电子环）
吡咯、呋喃、噻吩的化学性质
具体反应式：P.427/435/436
1、芳香性（环的稳定性）：苯>噻吩>吡咯>呋喃 2、亲电取代反应：主要发生在α-C上
活性（富电子芳杂环）：吡咯>呋喃>噻吩>苯
吡咯和呋喃环不稳定，需使用温和的磺化剂和硝化剂
3、不饱和性：呋喃>吡咯>噻吩>苯（呋喃易发生D-A反应）
4、吡咯的特性：弱碱性（比苯胺弱得多）
N-H弱酸性（成盐后N上可烃化、酰化）
吡咯特殊性：弱碱性、弱酸性
氮上电子云少， H 易离解，显一 定的酸性，能被 金属取代。 .. N H
氮上孤电子对 参与环内共轭， 不能再与酸结 合。
酸性：
-OH
＞ N H
＞
R-OH
pka：
10
15
18
+ KOH N H + RMgX N H
△
+ H 2O NK + 吡咯钾盐 + RH
N MgX
成盐后，可实现N上的烃化和酰化（P.427)
§16-2 六元杂环化合物
N N 吡啶 N 嘧啶
一、 吡啶
+ 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
P.417
R RI N N RI
烷基吡啶盐
300 ℃ N I R + N I OH N R N 制取烷基吡啶的一种方法 R
OH
2. 亲电取代反应(似硝基苯)