《有机化学》第十二章 杂环化合物

第十二章杂环化合物杂环化合物指分子结构中含有除碳原子外，其他原子共同组成的环状化合物。

杂环中除碳原子外的其他原子称为杂原子，常见的杂原子有N、O、S等。

杂环化合物广泛存在于自然界中，数量庞大，大多具有一定的生理活性，是许多生物体的重要组成部分。

如植物体中的叶绿素、动物体中的血红素、核苷酸中的碱基等都含有杂环化合物。

杂环化合物对生物体的生长、发育、繁殖和衰亡等过程都起着非常重要的作用。

杂环化合物的应用范围非常广泛，在生物材料、分子器件、医药、染料及农药等领域均十分常见。

杂环一般包括脂环和芳环，其中，脂环易开环，其性质与开链化合物类似，因此，一般不把它们放在杂环化合物中讨论，本章主要讨论的是性质稳定也具有一定芳香性的杂环化合物。

一、杂环化合物的分类根据杂环母环的结构中所含环的数目，可将杂环化合物分为单杂环和稠杂环化合物两大类。

最常见的单杂环化合物中，根据原子的数目不同，可分为五元环和六元环。

根据杂原子的种类和数目，可分为1个、2个或以上杂原子的杂环化合物。

另外，稠杂环按稠合环的形式分为苯杂环化合物和杂环稠环杂环化合物。

常见杂环化合物的结构和名称见表12-1。

表12-1 一些常见杂环化合物的母环和分类二、杂环化合物的命名杂环化合物的命名比较复杂，目前在我国主要有两种方法：一种是音译法；另一种是系统命名法。

在命名时，杂环化合物的名称包括杂环母核及环上的取代基，其中，对杂环母核的命名一般采用音译法，对取代基的命名与前述章节基本一致。

音译法是按照1979年规定的IUPAC 命名原则所推荐的通用名，按外文发音来汉化命名，名称带“口”字旁。

例如：吡啶（pyridine ）吲哚 （indole ）N N HO S 呋喃（furan ）噻吩（thiophene ）当杂环上有取代基时，以杂环为母体，需先将杂环母环编号，以注明取代基的位次。

编号一般从杂原子开始，若含有2个或2个以上相同杂原子构成单杂环进行编号时，从连接有氢原子的杂原子开始编号，例如：4-甲基嘧啶2345O N N 16 25 341H 3C H 3C 4,5-二甲基呋喃CH 3当只有1个杂原子时，从杂原子开始用阿拉伯数字编号，也可用希腊字母编号，以靠近杂原子的第一个的碳原子为α-位，其次用β、γ等编号。

例如：O 4 35 21 1N (γ)(β) ( β)(α) ( α)6 25 34(β) ( β)(α) ( α)N H(β)(α)2345671CHOCH 3CH 3α-呋喃甲醛γ-甲基吡啶β-甲基吲哚稠杂环的编号一般和稠环芳烃相似，但有少数的稠杂环有特殊的编号顺序。

例如：吲哚N N N H N N N H异喹啉9H-嘌呤N N N H N 2,6,8-三羟基嘌呤HO OH OH 1234567912345678923456781234567一、杂环化合物的结构（一）吡咯、呋喃、噻吩五元杂环化合物中最常见的是吡咯、呋喃和噻吩，从结构上看，这三个化合物结构中均具有两个碳碳双键，类似于共轭二烯烃，似乎应该具有共轭二烯烃的性质，但实验表明，这些杂环化合物难以发生加成反应，却易发生取代反应，说明杂环内的双键并不是单纯的两个碳碳双键。

NH OS吡咯呋喃噻吩········近代物理分析方法证明：组成吡咯、呋喃和噻吩的4个碳原子及1个杂原子都在同一个平面上，均为sp 2杂化，5个原子彼此间以sp 2杂化“头碰头”方式重叠形成σ键，并构成平面五元环；4个碳原子和1个杂原子的未杂化p 轨道也都垂直于σ键所在的五元环平面，其中这些未杂化p 轨道彼此之间互相平行， “肩并肩”侧面重叠形成6π电子的环状闭合共轭体系（图12–1），符合休克尔规则，因此，吡咯、呋喃和噻吩是类似苯环结构，具有芳香性的化合物。

吡咯呋喃噻吩图12-1 吡咯、呋喃和噻吩的结构以上共轭体系符合休克尔规则，吡咯、呋喃和噻吩具有类似苯环的大π键结构，具有芳香性。

其中，由于存在杂原子的未共用电子对，使得共轭体系中碳原子的电子云密度增加，因此，杂环中碳原子的电子云密度相对大于苯环中碳原子的电子云密度；又由于杂原子N 、O 、S 的电负性大于C ，使杂环中电子云密度分布不均匀，因此，杂环化合物的芳香性比苯差，常见芳香性由大到小排序为：苯＞噻吩＞吡咯＞呋喃。

（二）吡唑和咪唑吡唑和咪唑与吡咯具有相似的结构，在杂环结构中，氮原子和碳原子均以sp 2杂化，“头碰头”方式重叠形成σ键，每个原子未杂化的p 轨道中垂直于σ键所构成的平面五元环，且同时相互平行，相邻之间重以“肩并肩”重叠形成6个π电子的环状闭合的共轭体系。

吡唑和咪唑的结构如图12-2所示。

吡唑咪唑图12-2 吡唑和咪唑的结构由上述结构可知：吡唑和咪唑环内1个氮原子的未参与杂化p轨道中的1对孤对电子不参与形成共轭体系，由于氮的电负性大于碳原子，所以这类杂环化合物分子中氮产生的电子效应（诱导效应和共轭效应）表现为吸电子性，氮原子的电子云密度明显增高。

（三）吡啶六元杂环化合物中最重要的是吡啶，吡啶分子的结构与苯十分相似，可以看作是苯分子中的一个碳原子被氮原子取代的化合物。

根据杂化轨道理论，吡啶分子中每个原子都是经过sp2杂化而成键，sp2杂化轨道相互间“头碰头”重叠形成σ键，分子中所有原子都在同一个平面，并构成平面六元环结构；杂环上N原子的1个未参与杂化p轨道垂直于σ键所在的平面，而且相邻间平行重叠形成闭合的6π电子共轭体系。

吡啶的结构如图12-3所示。

由上述结构可知，其中氮原子的1对孤对电子未参与形成共轭体系，又由于氮的电负性大于碳原子的电负性，使杂环上碳原子的电子云密度降低，因此吡啶同样比苯难进行亲电取代反应，所以，此类杂环又习惯上被称为缺π电子的芳杂环，β-位的电子云密度比α-、γ-降低得小，故吡啶的亲电取代反应主要发生在β-位。

多电子共轭体系与缺电子共轭体系在化学性质上又明显差异。

二、杂环化合物的性质杂环化合物的性质与其结构密切相关，由于杂原子参与共轭体系，对其性质起到决定性的影响。

（一）酸碱性含氮杂环化合物的酸碱性取决于氮原子上的未共用电子对与H +的结合能力。

在吡咯环分子结构中，氮原子的孤对电子参与环系共轭，使其电子云密度降低，结合质子的能力降低，表现出极弱的碱性。

同时，由于共轭效应及N 原子相对与H 的吸电子性，使得N-H 键容易断裂，从而显示出一定的弱酸性，在无水条件下可与强碱氢氧化钾或氢氧化钠共热反应成盐。

例如：N H+ NaOH + H 2ONa +N △吡咯钠盐而吡啶环中氮的吸电子的诱导效应和共轭效应，使氮原子电子云密度增高，更容易接受质子而显碱性，其碱性比苯胺略强，但比脂肪族胺和氨的碱性弱得多，能与强酸反应生成盐。

例如：N+ HCl+ClN盐酸吡啶呋喃分子中的氧原子因其未公用电子对参与了大π键的形成，而失去了醚的弱碱性，不易与无机强酸反应。

噻吩分子中硫原子不能与质子结合，也无碱性。

（二）氧化反应吡咯和呋喃对酸及氧化剂比较敏感，可以被空气中的氧气氧化，在选择试剂时要注意。

吡啶环属于缺π电子共轭体系，对氧化剂相当稳定，尤其在酸性条件下，吡啶更加稳定，比苯还难以氧化。

吡啶的羟基衍生物在强氧化剂作用下容易被氧化成吡啶羧酸。

例如：NNCOOH KMnO 4C 6H 5β-苯基吡啶 β-吡啶甲酸KMnO 4N CH 3NCOOHγ-甲基吡啶 γ-吡啶甲酸NKMnO 4COOH NCOOHα，β-吡啶二甲酸（三）取代反应多π电子芳杂环体系和缺π电子的芳杂环体系均可以发生亲电取代反应，其中，多π电子芳杂环体系的亲电取代反应主要发生α-位（如吡咯、呋喃、噻吩、吡唑和咪唑等）；缺π电子的芳杂环，比苯难于进行亲电取代反应，反应主要得到β-取代物，但反应速率慢，产率相对较低（如吡啶）。

1．卤代反应吡咯、呋喃和噻吩都容易发生亲电卤代反应，而且反应主要发生α-位。

在低温（0℃）及极稀浓度的试剂条件下，卤代反应得到一卤代物，否则常得到四卤代物。

例如：NH+ 4I 2 + 4HI KI0 ℃NH I I I I2,3,4,5-四碘吡咯OO OO Br + Br 2 + HBrα-溴呋喃SS Br HAc+ Br 2 + HBrα-溴噻吩吡唑和咪唑都属于多π电子芳杂环体系，吡唑和咪唑等唑类化合物都与吡咯相似，可以发生亲电取代反应，电子效应导致吡唑和咪唑碳原子上的电子云降低，故反应活性与吡咯、呋喃和噻吩比较都要弱。

吡啶属于缺π电子的芳杂环，比苯难于进行亲电取代反应，反应主要得到β-取代物，但反应速率慢，产率相对较低。

+ Br 2 + HBrNNBr 浓H 2SO 4β-溴吡啶2．硝化反应吡咯和呋喃中的杂原子易被质子化使芳杂环受到破坏，甚至开环发生聚合反应。

它们不宜在强酸环境中进行硝化反应，常选用温和的非质子性试剂—硝酸乙酰酯（CH 3COONO 2）作为硝化剂，硝化反应在低温下进行，硝基主要进入α-位。

NH+ CH 3COONO 2 + CH 3COOHNH NO 232α-硝基吡咯OO NO 2+ CH 3COONO 2+ CH 3COOHα-硝基呋喃吡啶对酸比苯和五元杂环都要稳定，与苯的硝化反应相似，可以直接用硝酸作为硝化剂进行消化反应，硝基主要进入β-位。

例如：3 24NNNO 2HNO 3+H 2O+β-硝基吡啶3．磺化反应吡咯和呋喃对酸很敏感，强酸能使它们开环聚合，因此常用温和的非质子磺化试剂，如以吡啶三氧化硫作为磺化剂进行反应。

NHN HSO 3Hα-吡咯磺酸OOSO 3Hα-呋喃磺酸噻吩在室温时可直接与硫酸进行磺化反应，生成可溶于水的α-噻吩磺酸，此反应常用于分离、提纯噻吩和苯。

例如：S SSO 3H浓H 2SO 4α-噻吩磺酸吡啶与苯的磺化反应相似，可以直接用硫酸作为磺化剂。

例如：2SO4℃N NSO3Hβ-吡啶磺酸4．傅-克酰基化反应傅-克酰基化反应常采用较位温和的催化剂，如BF3、SnCl4等。

吡咯、呋喃和噻吩都可以发生傅-克酰基化反应，在BF3或AlCl3催化下，它们与酰氯或酸酐选择性的发生傅-克酰基化反应，生成α-乙酰基取代物。

吡啶一般不进行傅-克酰基化反应。

例如：BF3+ (CH3CO)2O + CH3COOHO OCOCH3α-乙酰基呋喃其中吡咯活性较大，可不用催化剂，在200℃条件下直接与乙酸酐发生反应。

如下：200℃+ (CH3CO)2O + CH3COOHN HNHCOCH3α-乙酰基吡咯（四）还原反应吡咯、呋喃和噻吩均可催化加氢，发生还原反应，产物为饱和的脂肪杂环化合物。

吡咯、呋喃可用一般催化剂还原，而噻吩由于分子中含有硫原子，容易导致催化剂中毒，需要使用特殊催化剂。

例如：+ 2H2N HNHPd四氢吡咯+ 2 H2O ONi四氢呋喃+ 2H2S SMoS2四氢噻吩还原反应破坏了五元杂环原有的共轭体系，因此，加氢产物无芳香性。