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1、第十四章 杂 环 杂环：构成环系的原子除碳 以外还有其它原子 杂环：构成环系的原子除碳 以外还有其它原子 O N N H O 普通 杂环 普通 杂环 芳香 杂环 芳香 杂环 一、分类 一、分类 14.1 杂环的分类和命名杂环的分类和命名 杂 环 杂 环 单杂环单杂环 稠杂环稠杂环 五元杂环五元杂环 六元杂环六元杂环 N N N N H O S 吡咯（氮杂茂）吡咯（氮杂茂） 呋喃（氧杂茂）呋喃（氧杂茂） 噻吩（硫杂茂）噻吩（硫杂茂） 茂茂 N N N O S N 咪唑（咪唑（1,3-二氮杂茂）二氮杂茂） 噁唑（噁唑（1,3-氧氮杂茂）氧氮杂茂） 噻唑（噻唑（1,3-硫氮杂茂）硫氮杂茂） 二、命名
2、二、命名 N N H N N 吡啶吡啶 吲哚吲哚 喹啉喹啉 异喹啉异喹啉 N H N N N O N N N CH3 H3C N O 2 嘌呤嘌呤 3甲基吡咯甲基吡咯 5甲基咪唑甲基咪唑 2硝基噁唑硝基噁唑 1 2 3 4 5 S N O2NSO2NH N N CH3 磺胺（磺胺（ST） 烟碱烟碱 N ROCHN S O COOH R：CH2Ph 青霉素青霉素G (CH2)6CH3 青霉素青霉素K Cl Cl CHOCH3 可口服可口服 N H O S 14.2 一杂五元杂环的结构 一、芳香性 一杂五元杂环的结构 一、芳香性 sp2杂化杂化 N HO 芳香性苯芳香性苯 噻吩噻吩 吡咯吡咯 呋喃
3、 离域能 呋喃 离域能150.6 121.3 87.8 66.9 (KJ/mol) 原因： 苯：电子云均匀分布 五元杂环：电负性 原因： 苯：电子云均匀分布 五元杂环：电负性ONS，电 子云向杂原子偏移 ，电 子云向杂原子偏移 二、键长二、键长 N H 0.1383nm 0.1371nm 0.1429nm O 0.1362nm 0.1361nm 0.1431nm S 0.1714nm 0.1370nm 0.1423nm 键长未彻底平均化键长未彻底平均化 N H OS N H OS 0.70D -I+C 1.73D -I 1.90D -I 0.51D -I+C 1.81D +C-I 1.58D
4、-I 三、偶极矩三、偶极矩 14.3 五元杂环的化学性质五元杂环的化学性质 Z 芳香性：亲电取代反应芳香性：亲电取代反应 Z的共轭效应使亲电活性高 不饱和键：加成反应 的共轭效应使亲电活性高 不饱和键：加成反应 一、亲电取代反应一、亲电取代反应 Z + (CF3CO)2O ClCH2CH2Cl 75。 。C Z COCF3 + CF3COOH Z O S NH 相对速率相对速率 1.4102 1 5.5107 亲电取代反应活性： 吡咯 亲电取代反应活性： 吡咯呋喃呋喃噻吩噻吩苯苯 亲电试剂主要进攻位亲电试剂主要进攻位 Z + E 2 34 5 1 2 Z H EE H Z E H Z Z H
5、E 原因：原因： 位 E H Z 3 1 5 43 2 + E Z Z H E Z H E 位 N H -0.06 -0.10 +0.32 量子力学计算：量子力学计算： 五员杂环活性高，直接硝化易发 生氧化反应 硝化试剂：硝酸乙酰酯 五员杂环活性高，直接硝化易发 生氧化反应 硝化试剂：硝酸乙酰酯 (CH3CO)2O + HNO3 CH3COONO2+ CH3COOH 反应条件：低温反应条件：低温 1. 硝化反应硝化反应 N H CH3COONO2 Ac2O, -10。 。C N H NO2 N H NO2 51 13 O CH3COONO2 -5 -30。 。C O + NO2 H AcO-
6、O NO2 H H AcO 吡啶吡啶 O NO2 由于呋喃芳香性小，具有共轭双烯的性质由于呋喃芳香性小，具有共轭双烯的性质 S CH3COONO2 Ac2O, -10。 。C S NO2 S NO2 705 2. 磺化反应 磺化试剂 磺化反应 磺化试剂N CH2Cl2 SO3,室温 N+SO- O O O ClCH2CH2Cl, 室温室温 N+S O- O O O SO3- N + H+ O SO3H 41% 应用：除去苯中少量噻吩应用：除去苯中少量噻吩 N H 100。 。C N+S O- O O N H SO3- N + H+ N H SO3H 90 S 25。 。CS SO3H 浓浓H2
7、SO4 6976% 3. 卤代反应卤代反应 N H + Br2 C2H5OH 0。 。C N H BrBr BrBr N H + SOCl2 (C2H5)2O 0。 。C N H Cl 80% O + Br2 二氧六环二氧六环 0。 。C O Br 80% S + Br2 S Br 78% CH3COOH 4. 付氏酰基化反应付氏酰基化反应 N H + (CH3CO)2O N H COCH3 60% 150200。 。C O + (CH3CO)2O O COCH3 7592% BF3 S + (CH3CO)2O S COCH3 SnCl4 5. Reimer-Tiemann反应反应 N H C
8、HCl3 25%KOH N H CHO 6. 氯甲基化反应氯甲基化反应 S + HCHO + HCl 0。 。C S CH2Cl ZnCl2 7. 偶联反应偶联反应 N H N2+Cl- CH3COONa N H NN 8. 取代五元杂环的亲电取代反应取代五元杂环的亲电取代反应 A. 取代取代 Z Y + E+ Y：I类定位基 Z Y E Y：II类定位基 Z Y E Z=O, S, NH O CH3 CH3COONO2 O CH3 NO2 O NO2 稀稀HNO3 O NO2 O2N B. 取代取代 O Y + E+ O YE Y：I类定位基 II类定位基 O CH3 O CH3O2N CH
9、3COONO2 稀稀HNO3 O NO2 O NO2O2N Z + E+ Y：I类定位基 Z Y Y：II类定位基 Z Z=S, NH Y E Y E S COOCH3H3C HCHO, HCl ZnCl2 S COOCH3H3C ClH2C S CH3 S CH3O2N 稀稀HNO3 二、加成反应二、加成反应 O + H2 Pd O N H + H2 Pd N H S + H2 MoS2 S 1. 催化氢化催化氢化 2. Diels-Alder反应反应 O O O 25。 。C O O O O H H O 90% 环的稳定性：苯噻吩吡咯呋喃环的稳定性：苯噻吩吡咯呋喃 O 强酸 树脂化 3.
10、环的稳定性环的稳定性 O H3C CH3 H3O CH3COCH2CH2COCH3 O H H3C CH3 H2O HCCH CH3C OH C OH2 H3C H HCCH CH3C OH C OH H3C O H3C CH3 H3O CH3COCH2CH2COCH3 N H H N H H H N H H H N H N H H H N H H N H N H H H N H H N H H H H H S H 不树脂化 N H KOH（固）（固） N K 三、吡咯的特殊性质三、吡咯的特殊性质 1. 弱酸性弱酸性 pKa15 2. 吡咯盐的反应吡咯盐的反应 N K + CH3I N CH3
11、 N K + PhCOCl N COPh 70% 甲苯甲苯 110。 。C N H H N MgX CO2 H2O N H COOH RMgX CH3CH2CH2CH3 S 600。 。C S HCCH 2HCHO CH2Cl2 HOH2CCCCH2OH NH3 加压加压 H N 14.4 五元杂环的制备五元杂环的制备 一、工业法一、工业法 玉米芯 或稻壳 玉米芯 或稻壳 H3O CHOCH2CH(OH)CH(OH)CH2OH ZnO or Cr2O3 400。 。C O CHOO 糠醛糠醛 -H2O O H2CCH2 COCH3H3COC H3C CH3 P2S5 S H3C CH3 (NH
12、4)2CO3 N H H3C CH3 P2O5 二、闭环法二、闭环法 例：由甲苯、小于等于例：由甲苯、小于等于2C原料合成原料合成 O PhPh PhCH3 KMnO4 H+ PhCOOHPhCOOC2H5 CH3COOH C2H5OH H+ CH3COOC2H5 CH3COOC2H5PhCOOC2H5+ EtONa PhCOCH2COOC2H5 EtONa I2 PhCCHCHCPh COOC2H5 O O H5C2OOC 稀稀OH-H3+O PhCCH2CH2CPh OO P2O5 T.M. C2H5OH H+ 14.5 吡啶的结构吡啶的结构 N sp2杂化杂化 N N 2.22D -I,
13、 -C N H 1.17D -I N 0.140nm 0.139nm 0.134nm 键长未彻底平均化键长未彻底平均化 14.6 吡啶的化学性质吡啶的化学性质 一、碱性及成盐反应一、碱性及成盐反应 N(CH3)3NNH2NH pKb 4.2 8.8 9.4 13.6 孤对电子未 参与共轭 孤对电子 参与共轭 孤对电子未 参与共轭 孤对电子 参与共轭 N + HClN+H Cl- N + SO3N+SO3- N + CH3IN+CH3 I- N + PhCOClN+ 石油醚 石油醚 20。 。C COPh Cl- 二、亲电取代反应二、亲电取代反应 N 浓浓H2SO4 浓浓HNO3 300。 。C
14、 N NO2 浓浓H2SO4 200。 。C N SO3H Br2, 浮石浮石 300。 。C N Br (CH3CO)2O AlCl3 不反应不反应 6 70 39 亲电取代反应活性低：亲电取代反应活性低： N的电负性大 强亲电试剂易与吡啶成盐 的电负性大 强亲电试剂易与吡啶成盐 NNH2 Br2, CH3COOH 20。 。C NNH2 Br 90 反应特点：反应特点： N Y N H Y N H Y N H Y 位 位 位 位 位 位 N Y N Y H N Y H N Y H N Y N YH N YH N YH 亲电试剂进攻位亲电试剂进攻位 三、亲核取代反应三、亲核取代反应 N +
15、PhLi 甲苯 NPh + LiH N + NaNH2 N(CH3)2 NN-HNa+ H2O NNH2 + NaOH 位 位 位 位 位 位 N Nu N H Nu N H Nu N H Nu NN Nu H N Nu H N Nu H Nu N Nu N NuH N NuH N NuH 亲核试剂进攻，位亲核试剂进攻，位 N N N Cl OCH3 N CH3ONa Br Br NH3, H2O 160。 。C NH2 Br 四、氧化反应四、氧化反应 1. 侧链氧化侧链氧化 NCH3 KMnO4 NCOOH SeO2 NCHO 2. H2O2氧化氧化 N H2O2（30） N O CH3COOH 65。 。C PCl3，CHCl3 N + POCl3 A. N氧化吡啶的亲电取代反应氧化吡啶的亲电取代反应 N O 发烟发烟HNO3 发烟发烟H2SO4 N O NO2 PCl3,
