电子教案：杂环化合物

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电子教案：杂环化合物

第二十章杂环化合物 (Heterocyclic compounds) 概述：

杂环化合物：

含有杂环的化合物，称为杂环化合物。

杂环：

由碳原子和至少一个其它原子，如氧、硫、氮等组成的环。

杂环化合物来源、用途：

有机化合物中约一半为杂环化合物。

许多杂环化合物存在于自然界中，并在生命体系中起着重要作用。

目前应用的药物中有很大一部分是杂环化合物。

此外，杂环化合物还用作杀虫剂、染料等。

杂环化合物分类：

第一类：

无芳香性的杂环化合物：

OOOONHNH四氢呋喃丁二酸酐四氢吡咯六氢吡啶例：

第二类：

具有一定程度的芳香性的杂环化合物：

ONHN呋喃吡咯吡啶例：

一分类和命名芳杂环的数目很多，可根据

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环大小、杂原子的多少以及单环和稠环来分类。

常见的杂环为五元、六元的单杂环及稠杂环。

稠杂环是由苯环及一个或多个单杂环绸合而成。

命名：

采用外文名的音译，用带口字旁的同音汉字表示。

1 五元杂环 O12345SNHfuran呋喃噻吩吡咯thiophenepyrrole 五元环中含两个或两个（至少有一个氮原子）以上的杂原子的体系

称唑。

44NHN12345imidazole咪唑NHN1235pyrazole吡唑

SN1235thiazole噻唑ON12345oxazole噁唑 2 六元杂环 Npyridine

吡啶NNpyrimidine嘧啶NNpyridazine哒嗪NNpyrazine吡嗪 3 稠

杂环

N15862347N15862347NH12345679NN3purineNH1245678quinoline喹啉isoquinoline异喹啉indole吲哚嘌呤二吡咯、呋喃和噻吩 1 结

构特点 O呋喃S噻吩NH吡咯平面结构环上的原子均为 sp2杂化

闭环共轭体系电子数符合 4m+2 具有芳香性 56体系属于亲

电取代反应活性：

吡咯、呋喃、噻吩大于苯。

五元环亲电取代反应的主要产物：

-取代：

XE+XEXEXEXEXE 芳香性：

苯＞噻吩＞吡咯＞呋喃 2 性质 1). 吡咯 NH a. 吡咯的弱酸性

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它的 pKa=16.5，比酚弱，比醇强，可与强碱（NaNH2， KNH2、 RMgX）

或金属作用。

NHKNH2NH3KNKNK吡咯钾H2+NH C2H5MgBrNMgBrC2H6+NH NK1. CO22. H3OCH3ICH3CClOCHCl3/KOHNHCOOH -吡咯甲酸NCH3N-甲

基吡咯△NHCH3NCOCH3N-乙酰基吡咯△NHCOCH3NHCHO -吡咯甲醛 b.

亲电取代反应主要产物为 -取代产物。

吡咯环的稳定性较差，遇酸容易聚合，因此进行亲电取

代反应要用较温和的试剂。

例：

磺化试剂：

N SO3硝化试剂：

CH3CONO2O NHNBSNHBr吡啶SO3NHNHSO3H2-吡咯磺酸HNO3乙酐

NHNHNO22-硝基吡咯 NHNHAc2ODMF,POCl3NHCHO2-吡咯甲醛NHCCH3O2-

乙酰基吡咯+NHC6H5N2 ClNHN N C6H5 c. 加成反应

+NHCH2CHCO2CH3BF3NHCH2CH2CO2CH3 2). 呋喃 a. 亲电取代反应

呋喃的稳定性较吡咯小，与亲电试剂往往得到加成产物，即使得到

取代产物，也是由加成产物转化来的。

OBr2,CS2_ 50 ℃HBrHBrHBrBrH+HBrOBr b. 加成反应呋

喃与亲双烯体迅速发生狄尔斯-阿德尔反应。

O++OOO25℃OOOOHHOHHOOOH2 , NiOOHCl140℃,

0.4MPaCl(CH2)4ClNaCNNC(CH2)4CNH2OHOOC(CH2)4COOHH2N(CH2)4NH2

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H2,NI 呋喃遇浓酸聚合，遇稀酸呋喃水解为二醛：

（H+先与双键发生亲电加成，形成碳正离子，水进攻碳正离子形成质子化的半缩醛，进一步反应形成丁二醛。

）OHOHH H2OOHHHOH2OOHH丁二醛OCH3CH3H2O,H2SO4,HOAcCH2CH2CCCH3CH3OO2, 5-己二酮 3). 噻吩a. 亲电取代反应 SNBSSBrHNO3, H2SO4SNO2S H2SO4(95%)SSO3H 应用：

把粗苯中的噻吩除去。

S Ac2O, SnCl4SCCH3ODMF,POCl3SCHOSS b. 加成反应++SOOO100℃高压SOOOHHH2 , NiSCH3CH2CH2CH3H2S 3 合成 a. 呋喃的工业制备 C5H8O4n聚戊糖H , H2OHO CHCHOHCCHHOH HOHCHO戊糖3H2OOCHOOCHOZnO-Cr2O3-MnO2OAl2O3, NH3Al2O3, H2OONHAl2O3, NH3Al2O3, H2SSAl2O3, H2SAl2O3, H2O400℃ b. 取代吡咯、呋喃、噻吩的合成吡咯环的合成：

①. Knorr（克诺耳）合成法：

+CH3COCH3CH2OOCCNH2HCOCH3CH2COOCH2CH3HNHCOOCH2CH3CH3CH3CH2O OCCH3 -氨基酮-二羰基化合物CH3COCH3CH2OOCCH2Na NO2HOAcCH3COCH3CH2OOCCHNOCH3COCH3CH2OOCCNOH Zn , HOAcCH3COCH3CH2OOCCH2NH ②. Paal-Knorr（帕尔-克诺耳）合成法：+CH2CH2CCCH3CH3OONH3△NHCH3CH32, 5-己二酮RNH2CH2CH2CCCH3CH3OO+△NRCH3CH3 ③. Hantzsch（汉栖）合成法：

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+CH3COCH2CO2EtRNH2+CH3C CHCO2EtNHRCHCEtO2CNHRH3CClCH2COCH3NRCH3CH3EtO2C 呋喃环和噻吩环的合成：

CH2CH2CCH2CO2HCC6H5OOC6H6 , P2O5OCH2CO2HC6H5CH2CH2CCCH3CH3OOP2S5 △SCH3CH3 4 吡咯、呋喃和噻吩的重要衍生物 1). 糠醛是一种无色液体，沸点162℃，在空气中易变黑。

是一种良好的溶剂。

它不含 -H，性质类似于苯甲醛。

OCHO++NaOHOCH2OHOCOONa KCNOCHO醇溶液OCHCOOHO +CH3COO2OCHOCH3COONaOCH CH COOH 2). 吲哚吲哚为白色结晶，熔点52.5℃。

具有极臭的气味，但纯粹的吲哚在极稀时有香味，可作香料。

可发生亲电取代反应，活性位置在第 3 位。

BrNHBr2OO0℃NH3-溴吲哚C6H5CONO2O0℃CH3CNNHNHNHCHONO23-硝基吲哚DMF, POCl320-30℃NHSO3H3-吲哚甲醛吡啶SO3NHNH3-吲哚磺酸含吲哚的生物碱广泛存在于植物中，如麦角碱、马钱子碱、利血平等。 NHCH2COOH -吲哚乙酸（植物生长调节剂）NHCH2CHCOOHNH2色氨酸（蛋白质组分）NHCH2CH2 NH2HO5-羟基色胺（哺乳动物及人脑中思维活动的重要物质）吲哚环的合成：

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Fischer（费歇尔）吲哚合成法：

将醛、酮、酮酸、酮酸酯或二酮的芳基取代腙在氯化锌、聚

磷酸、三氟化硼等路易斯酸存在下加热。

NHNCH3PPA100℃NH苯乙酮苯腙2-苯基吲哚 NHN环己酮苯腙

BF3,CH3CO2H65℃NH四氢咔唑机理：

相当于联苯胺重排。

3). 卟啉环系化合物卟啉环系是由四个吡咯和四个次甲基交

替相联组成的共轭体系。

卟啉环呈平面结构，环的中间空隙以共价键、配位键和不同

的金属结合。

NHNNN H231546789111013141512卟啉环NNNNCO2HCO2HFe血红

素NH HNNNH HO OCO2HCO2H胆红素Ⅸa NNNNCOOOCO2MeMg叶绿素 a 三含两个以上杂原子的五元杂环 NHNSNONNHN属吡咯系杂环咪唑

噻唑噁唑吡唑1 结构和性质 1). 弱碱性 NHN新增

加的一个氮原子上的孤电子对在环平面上, 与环内的电子不共轭，

提供了接受质子的位置，因此吡咯系杂环的碱性都比吡咯强。

吡咯系杂环中除咪唑是中等强度的碱外，其它为弱碱，因为：

NHNH+HNHNHHNHNH NHN的酸性大于NH为什么？咪唑分子间可

形成氢键：

NN HNN HNN H 吡唑通过氢键可缔合成二聚体：

NHNNNH 2). 亲电取代反应吡咯系杂环的亲电

取代反应活性小于吡咯、呋喃和噻吩。

---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ NHNSNON 吡唑异噻唑异噁唑 3). 环的生成（自学） NHNSNON 咪唑噻唑噁唑四吡啶 1 结构和物理性质氮上有一对电子未参与共轭，易接受质子，具有碱性。

碱性：

脂肪胺＞吡啶＞芳香胺吡啶是一个无色有恶臭的液体，与水及许多有机溶剂，如乙醇、乙醚等混溶，是良好的溶剂。

NN：

sp2杂化 2 化学性质芳环亲电取代亲核取代氮上未成键电子对碱性亲核性 1). 吡啶环上氮的碱性及亲核性 NHCl+NHCl 应用：

OHCH3CClO+NOCCH3O 2). 吡啶环上亲电取代反应与苯环比较吡啶环是缺电子的芳香杂环，性质类似于硝基苯，它不能进行傅氏烷基化和酰基化反应。

亲电取代位置在 3-或 5-位进行，为什么？NBr2 , H2SO4(SO3)130℃NBr3-溴吡啶265℃H2SO4(SO3) , HgCl2NNNSO3H3-吡啶磺酸NNO2300℃KNO3 , H2SO4(SO3)3-硝基吡啶NNH220℃Br2 , HOAcNNH2Br 3). 吡啶环上亲核取代反应吡啶环 2, 4, 6 位上的卤素容易被亲核试剂取代。

NCl220℃NH3 , ZnCl2NNH2NBrBrNH3 , H2O160℃NBrNH2NClNaOMe CH3OHNOMe 除吡啶环 2, 4, 6 位上的卤素容易被亲核试剂取代外，吡啶环 2 位上的负氢离子也能被取代。

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NHNaNH2NNHNaH2++ NNHNa+ H2ONNH2NaOH+ 吡啶环上 2 位的负

氢离子被亲核性极强的氨基负离子取代，同时有氢气放出，称齐齐

巴宾（Chichibabin）反应。

NH+ C6H5LINC6H5+LIH 4). 侧链 -H 的反应吡啶环 2, 4, 6 位烷基的 -H 具有一定的酸性，其酸性与甲基酮的 -H 相同。

NCH2CH3CH3+NaNH2NCH2CH3CH2CH3INCH2CH3CH2CH3NCH3HHO ZnCl2NCH2CH2OH ZnCl2的作用：

N ZnCl2 吡啶成盐后，使吡啶环 2, 4, 6 位烷基的 -H 酸性进

一步增强，可以发生羟醛缩合和迈克尔反应：

+NCH3CH3INCH3ICH3 +NCH3ICH3CHONH25℃NCH3ICH2CHOHNCH3CH3I3CH2CHCN+(C2H5)3NC2H5 OH 25℃NCH3C(CH2CH2CN)3I5). 吡啶的氧化和还原 a. 氧化吡啶环

电子云密度小，不容易被氧化。

NCrO3NCOOHCOOH NNCH3HNO3NCOOHNH3NCNH2O尼古丁（烟碱）

尼古丁酸（烟酸）尼古丁酰胺（烟酰胺）NCH330%H2O270℃, 24h.CH3COOHNOCH3NCH3COOHONO 注意：

NO发烟HNO3, H2SO490℃NONO2PCl3NNO2 应用：

NNNO2 b. 还原电子云密度大的环容易被氧化，电子云密度小

的环容易被还原。

H2 / Ni25℃, 3 atm.NNH六氢吡啶（哌啶）NSn , HCl或Na ,EtOHNH 3 吡啶环合成 Hantzsch（汉栖）合成法：

原料：

---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ -酮酸酯、醛和氨缩合。

第一步：

-酮酸酯和醛发生羟醛缩合CCO2EtCOCH3CH2Et2NH+H2CCO2EtCOCH3H2C O 第二步：

发生迈克加成CCO2EtCOCH3CH2H2CCO2EtCOCH3+Et2NHCO2EtEtO2CCH3H3COO 第三步：关环，生成二氢吡啶环CO2EtEtO2CCH3H3COONH3, EtOHCO2EtEtO2CCH3H3CNH 第四步：

二氢吡啶环脱氢，生成吡啶衍生物 CO2EtEtO2CCH3H3CNHHNO3, H2SO4CO2EtEtO2CCH3H3CN 五喹啉、异喹啉N15862347N15862347quinoline喹啉异喹啉isoquinoline 喹啉、异喹啉的性质与吡啶相似，具有弱碱性。

1 喹啉及其衍生物的合成 Skraup（斯克洛浦）合成法：

将芳香族伯胺与甘油同硫酸和一种氧化剂（如：

硝基苯、五氧化二砷、氧化铁等）一起加热，即可得喹啉及其衍生物。

+NH2CH2 CH CH2OHOH OH浓H2SO4As2O5N 反应过程：

①.甘油在浓硫酸（或磷酸）作用下脱水生成丙烯醛，也可直接用，-不饱和醛或酮CHCHCH2OHOHCH2CHCH2OHOHOHH2SO4HCCHCH2OH2SO4HCCH2CH2OOH ②.苯胺与丙烯醛发生迈克加成+NH2NHCH2CH2HCOCH2CHCHO ③.质子

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化的醛对苯环进行亲电取代反应

NHCH2CH2HCOHNHCH2CH2HCOHNHCH2CH2HCOHNHCH2CH2COHHHHNHCH2CH2C

OHHH2ONH ④.1, 2-二氢喹啉氧化+NHNO2NNH2 NH2Cl甘油,

H2SO4NO2ClNCl（85-88%）例：

NH2CH2 CH C CH3O+FeCl3 , ZnCl2或 H2SO4NO2NCH3（73%）

CH2CH2NH2 Ac2OCH2CH2NHCCH3OP2O5205℃CH2CH2NCCH3190℃PdNCH3

（83%） 2 反应 1). 亲电取代反应亲电取代反应主要发生在碳环的

5 位和 8 位。

NHNO3 , H2SO40℃NNO2NNO2+8-硝基喹啉（48%） 5-硝基

喹啉（52%）+NNNO2HNO3 , H2SO40℃NNO210% 90% 2). 亲核取代反应亲核取代反应主要发生在吡啶环上。

喹啉环上 2 位和 4 位，异喹啉环上 1 位的氯原子容

易被亲核试剂取代。

NClCl C6H5CH2CN,NaNH2NCHCNClC6H5

NClCl140℃CH2(CO2C2H5)2 , NaHNCH(CO2C2H5)2Cl NNaNH2NNH2

NC2H5Mg150℃NC2H5 NClCH3ONaCH3OHNOCH3 3). 侧链 -H 的反应喹

啉和异喹啉类似于吡啶，在喹啉 2 与 4 位侧链及异喹啉 1 位侧链

上有活泼的 -H，可进行缩合和亲核取代反应。

NCH3COOEtCOOEtEtONa , EtOH室温12h.NCH2CCOOEtO90%

NCH3CH3CHO+ZnCl2100℃NCHCH3CH 与吡啶类似，它们形成季铵盐后，

侧链 -H 活性提高。

NCH3CH3CH2INCH2CH3CH3IOHNEtCH2NCH2CH3INCH2CH3CH2IN

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C2H5 4). 氧化及还原 NCrO3NCOOHCOOH吡啶-2, 3-二甲酸 Sn , HCl 或Na , ROHNNHH2 / NiNH 5). 含氧的六元杂环及含两个以上氮杂原子的六元杂环 (自学) 基本要求：

熟悉杂环化合物的分类和命名，掌握呋喃、吡咯和噻吩的结构、反应。

吡咯的酸性，取代反应，了解呋喃、吡咯和噻吩的物理性质，熟悉其合成法。

熟悉吲哚的合成和反应。

掌握吡啶的结构和反应:碱性，取代反应、还原反应，熟悉吡啶的合成法，了解其物理性质。

掌握喹啉和异喹啉的反应及合成。

了解嘧啶和嘌呤、生物碱。

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