杂环化合物

O2N
O
CHO
5－硝基－2－呋喃甲醛
S
SO3H
2－噻吩磺酸
（2） 含两个杂原子的五元环
4 5 3 N2 O1
4 5
3 N2 S1
4 5 N1 H
3 N2
异噁唑(isoxazole) 异噻唑(isothiazole)
吡唑(pyrazole)
编号从杂原子开始，选择杂原子的顺序为：
－O－ ＞ －S－ ＞ －NH－ ＞ －N=
PhN 2+ClEtOH, H 2O
N H
N N C 6H 5
（1）卤代反应 （2）硝化反应 （3）磺化反应 （4）傅克酰基化反应 （5）呋喃的特殊反应
呋喃的离域能较小，环的稳定性较低，其 芳香性是几个芳杂环中最差的，所以呋喃 具有明显的共轭二烯性质，可以发生双烯 加成类型的反应（Diels-Alder反应）。吡 咯也能发生类似的反应
芳香及饱和五元杂环的偶极矩方向及数值如下
O 2.33x 10-3 0 C.m O
N H -30 C .m 6.03x10 -3 0 C .m 1.70 x10 S
5.76 x10 -30 C.m
N H -30 . 6.33 x10 C m 5.25x10-30 C.m
S
三个五元杂环都能溶于有机溶剂，水溶解度 都小于六元杂环吡啶，这是由于杂原子与水 分子缔合的倾向减弱所致，它们的水溶解度 顺序为：
7 5 N 8
α 2
O
苯并--吡喃酮
7
吲哚 (indole)
N 4 N9 H 3 嘌呤(purine)
(benzo--pyrone)
SO3H
CH2COOH N H
I OH
N
2－吲哚乙酸
7－碘－8－羟基－5－喹啉磺酸
（6） 几点说明
*
有的环有两种或多种异构体，为了区别，还必须 标明环上一个或多个氢原子所在的位置，即在名 称前面加上标位的阿拉伯数字及斜体大写的“ H ”。 这种氢则称为“指示氢”或“标氢”
4
N3
4
N S1
3
4
5
2
O1
5
2
5
N3 2 N1 H
噁唑(oxazole)
噻唑(thiazole)
咪唑(inidazole)
N S C2H5
O2N N H
N
2－乙基噻唑
5－硝基咪唑
（3） 含一个杂原子的六元环
4γ 5 6 N 1 3β 2α 5 6 O 1
4γ 3β
2α
O
γ 4
4γ
5
6 O 1
3β
+
+ NO2 N H NH2
N H
1. 吡啶
2. 喹啉和异喹啉 3. 含两个N原子的六元杂环（二嗪类）
N N N N
嘧啶 pyridine
N N
吡嗪 pyrazine)
哒嗪 (pyridazine
OH N HO N HO N
NH2 N N HO
OH CH3 N
尿嘧啶 (RNA)
胞嘧啶 (RNA/DNA)
O
2,4－二羟基嘧啶 HO
2,4－嘧啶二酮
N H
一、分类和命名 二、六元杂环化合物
1. 吡啶 （1）电子结构和芳香性
氮的电负性较强，使环上电子云不是完全平均化； 靠近N周围电子云密度较大。芳香性比苯小。
0.87 1.01
0.84 N 1.43
N
1.00
1.00
（2）物理性质
吡啶具有较大的极性，吡啶氮原子上的未共用 电子对可以与水形成氢键 ，与水能以任意比例 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，是一个良好的有机溶剂
+ SO3 N
CH2Cl2
室温
N SO3
室温 O
+
N
SO3 CH Cl 2 2
HCl
O
SO-3
N
O 98%H2SO4
SO 3H
S
室温
S
SO3H
吡咯的性质与苯酚的性质很相似，如可以发生瑞 默尔－梯门反应（Reimer-Tiemann）和与重氮盐 偶合反应
CHCl3
N H
25%KOH
N H
CHO
N H
N
=2.20D
N H
=1.17D
（3）化学性质 a. 碱性与成盐
NH2
N
CH3NH2
pKb 3.36
NH3
4.75
8.8
9.3
通过氮原子上的未共用电子对，吡啶可以与酸及 其它亲电试剂发生反应。与许多质子酸生成结晶 的盐，可用作碱性溶剂和脱酸剂（缚酸剂）
+ HCl
N N H
Cl 或
N
HCl
+ SO3
H2O2/AcOH,65° C
N
HNO3,H2SO4
or CH3CO3H
N O
PCl3
NO2
90° C
NO2
N O
N O
N
OC2H5
NaOC2H5 HOC2H5
PCl3
OC2H5
N O
N
Ｎ-氧化物常用来活化吡啶和起定位作用，
为合成某些取代吡啶提供了一条可行的途径
吡啶缺电子，加氢还原比苯容易，既可被催化加氢 还原，还可被化学试剂还原
H2,Pt
N
25 ° C,0.3MPa
N H
pKa： 8.8
11.2
1. 吡啶
2. 喹啉和异喹啉 （1）结构与物理性质
喹啉和异喹啉可看成是萘的含氮类似物。 二者分子中氮 原子上的未共用电子对均位于sp2杂化轨道，碱性与吡啶 相近。喹啉的pKa为4.9，异喹啉的pKa为5.4。
（1）结构与物理性质 （2）亲电取代反应
OH N N NH2 N N OH
6
2
2－氨基嘧啶
2,4－二氨基嘧啶
（5） 稠杂环命名
5 6 7 8
喹啉
4 3 N 1 2 6 7
5
4 3 6 N2 7
5
4 3 2
8
异喹啉
1
8
O 1
苯并吡喃
(quinoline)
(isoquinoline)
(benzopyran)
O
4 5 6
β 3
N H1
6 1N 2
Chapter 15
杂环化合物
Heterocyclic compounds
主讲：唐伟方
概
述
杂环化合物 (Heterocyclic Compounds) 是 指构成环的原子除了碳原子之外还有其它原 子的环状化合物。杂环中除碳原子以外的原 子都叫做杂原子。最常见的杂原子是氮、氧 和硫
本章讨论比较稳定、具有一定程度芳香性 （π键电子数：4n＋2）的杂环化合物，这 类化合物具有芳香性，通称为芳（香）杂环 化合物（aromatic heterocycles）
胸腺嘧啶 (DNA)
1. 吡啶 2. 喹啉和异喹啉 3. 含两个N原子的六元杂环（二嗪类） 4. 含O原子的六元杂环
O
O
O
O
O
O
4H－吡喃
2H－吡喃 α－吡喃酮 β－吡喃酮
O CH3I O
OCH3
I
O
OCH3
O
CH3I H3C O CH3 H3C
I
O CH3
O
O
O
O
香豆素
O
色酮
黄酮
O
三、含一个杂原子的五元环
吡咯 ＞ 呋喃 ＞ 噻吩
1. 酸碱性 吡咯虽具有仲胺结构，但几乎不具有碱性，相反， 吡咯氮上的氢却因此变得较活泼，显示出弱酸性， 其 pKa=17.5。 吡咯能与强碱如金属钾及固体氢氧化钾共热成盐：
N H
+ KOH
O NH O
KOH
N K+
O
+ H2O
NK O
pKa=7.4
1. 酸碱性 2. 亲电取代反应 这三个化合物是5原子6电子的富电子芳香体系， 其亲电取代反应活性较强。吸电子诱导： O(3.5) > N(3.0) > S(2.6) 给电子共轭： N>O>S 综合：N贡献电子最多，O其次，S最少。亲电取 代活性：
β 4 α 5
O 1
3β 2α
β 4 α 5 S 1
3β 2α
β 4 α5
3β
2α
N 1H
呋喃(furan) 噻吩(thiophene) 吡咯(pyrrole) 当环上有取代基时，对环上的原子编号， 从杂原子开始，使取代基位号尽可能小。
由于环上原子电负性不同，键长不是完全平均化， 其芳香性不如苯环；杂原子共轭效应是给电子的。 诱导效应是吸电子的。
命名时需要记住母环名称，编号时不同的母环 有不同的编号方法
（1） 含一个杂原子的五元环
β 4 α S 1
3β 2α
β 4 α5
3β
2α
N 1H
呋喃(furan) 噻吩(thiophene) 吡咯(pyrrole) 当环上有取代基时，对环上的原子编号， 从杂原子开始，使取代基位号尽可能小。
N
»ò
N
SO3 N
SO3
+ CH 3I
N
I
N CH 3
a. 碱性与成盐 b. 亲电取代反应
浓HNO3,浓H2SO4 300ºC，24h
NO2 N SO3H 70% N Br N 39% 20%
发烟H2SO4, HgSO4
N
220ºC
Br2, 沸石 300ºC
a. 碱性与成盐 b. 亲电取代反应 c. 亲核取代反应 亲核取代优先在α位上发生，如果α位上有取代 基，则 反应在γ位上发生。常需用强碱性的 亲核试剂（如NaNH2, RLi等）