第十六章杂环化合物

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1、第十六章第十六章 杂环化合物杂环化合物主讲人：王碧教授1、掌握杂环化合物的含义，分类和简单杂环化合物的命名；2、掌握呋喃、噻吩、吡咯、吡啶、喹啉（包括喹啉的合成法- Skraup法）的结构和性质；3、掌握糠醛的性质和用途；4、了解喹啉、噻唑及其衍生物，吡啶、嘧啶衍生物；吲哚、 嘌啉及其衍生物的结构、性质；5、了解生物碱的一般知识。重点：五员杂环和六员杂环的亲电取代反应和亲核取代反应 ，糠醛、喹啉的合成及性质用途。难点：对呋喃、噻吩、吡咯、吡啶的结构与芳香性和亲电取 代活性的影响等知识的理解。教学目的要求：16.1 杂环化合物的分类和命名在环上含有杂原子（非碳原子）的有机物称为杂环化合物。一 、

2、分类 脂杂环没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂环。 非芳香性杂环化合物具有与相应脂肪族化合物相类似的性质。 例如：通常，杂环化合物是指含有杂原子构成环的、有一定芳香 性的环状化合物。1、 脂杂环三元杂环四元杂环五元杂环七元杂环(氮杂环丙烷)(-丙内酯)(-丙内酰胺)(顺丁烯二酸酐)(氧杂 )(1H-氮杂 )(环氧乙烷)芳杂环：单杂环（五元杂环、六元杂环），稠杂环（苯并杂环、杂环并杂环等。2 、芳杂环 具有芳香特征的杂环化合物称为芳杂环苯并杂环杂环并杂环五元杂环六元杂环呋喃噻吩吡咯噁唑噻唑咪唑吡唑吡啶嘧啶吡喃(无芳香性)吲哚喹啉异喹啉嘌呤单 杂 环稠 杂 环稠杂环是由苯环与单杂环或有两个以上单杂环

3、稠并而成.命名：杂环的命名常用音译法，是按外文名称的音译，并加口字 旁，表示为环状化合物。如杂环上有取代基时，取代基的位次从 杂原子算起用1，2，3，4，5（或可将杂原子旁的碳原子依 次编为 , , ） 来编号 二 、杂环化合物的命名五元杂环五元杂环苯并体系呋喃(furan)噻吩(thiophene)吡咯(pyrrole)苯并呋喃 (benzofuran)苯并噻吩 (benzothiophene)苯并吡咯 吲哚 (indole)含有两个杂原子的五元杂环，若至少有一个杂原子是氮，则该杂环化合物称为唑。命名时的编号原则是：1） 让杂原子的位号尽可能小；2）当两个杂原子不相同时，编号的次序是：按O,

4、S,N顺序依 次编号 , 编号时杂原子的位次数字之和应最小。 异噻唑(isothiazole)吡唑(pyrazole)异噁唑(isoxazole)1,2-唑噁唑(oxazole)噻唑(thiazole)咪唑(inidazole)1,3-唑六元杂环吡啶(pyridine)吡喃(pyran)-吡喃酮 (-pyrone)-吡喃酮 (-pyrone)哒嗪(pyridazine)嘧啶(pyrimidine)吡嗪(pyrazine)杂环并杂环喹啉 (quinoline)异喹啉 (isoquinoline)苯并吡喃 (benzopyran)苯并-吡喃酮 (benzo-pyrone)嘌呤(purine)六元杂

5、环苯并环系16.2 含有一个杂原子的五元杂环体系一、 呋喃、噻吩、吡咯的结构三个化合物在结构上的共同点：构成环的碳原子和杂原子（ N、S、O）均以sp2杂化轨道互相连接成健，并且在一个平 面上，每个碳原子及杂原子上均有一个p轨道互相平行，在碳 原子的p轨道中有一个p电子，在杂原子的p轨道中有两个p电 子，形成一个环形的封闭的电子的共轭体系， 电子数为 4n+2 ，符合休克尔规则，因此这些杂环或多或少的具有与苯 类似的性质，故称之为芳香杂环化合物。孤电子对在p轨道上 。共轭效应是给电子的 。诱导效应是吸电子 的。56共轭体系富电子芳环同理：呋喃、噻吩：56共轭体系电子为6，符 合4n+2，具有

6、芳香性。富电子芳环芳香性大小,试验结果表明: 离域能：150.5 121.3 87.8 66.9（kJ/mol）二、呋喃、噻吩、吡咯的性质（一）存在与物理性质 见教材p554 （二）光谱性质1. IR c-H = 30773003cm-1,N-H = 35003200 cm-1 (在非极性溶剂 的稀溶液中，在3495 cm-1，有一尖峰。在浓溶液中则于3400 cm-1,有一尖峰。在浓和淡的中间浓度时，两种谱带都有),杂环 CC伸缩振动:16001300 cm-1 （有二至四个谱带）。这些杂环化合物形成封闭的芳香封闭体系，与苯环类似，在核 磁共振谱上，由于外磁场的作用而诱导出一个绕环转的环电流

7、 ，此环电流可产生一个和外界磁场方向相反的感应磁场，在环 外的质子，处在感应磁场回来的磁力线上，和外界磁场方向一 致，在去屏蔽区域，故环上氢吸收峰移向低场。化学位移一般 在7ppm左右。2. NMR呋喃：H =7.42ppm H =6.37ppm 噻吩：H =7.30ppm H =7.10ppm 吡咯：H =6.68ppm H =6.22ppm（三）呋喃，噻吩，吡咯的化学性质1.亲电取代反应2.吡咯的弱碱性和弱酸性 3.加成反应 1.亲电取代反应：三 类 反 应（1）呋喃，噻吩，吡咯亲电取代活泼顺序 呋喃，噻吩，吡咯亲电取代反应很容易进行。这是由于环上 五个原子共有六个电子，故 电子出现的几率

8、密度比苯环大 。换句话说，环上的杂原子有给电子的共轭效应，能使杂环 活化。所以，在亲电取代反应中的速度比苯环快的多。从结构上分析，五元杂环为56共轭体系，电荷密度比苯大 ，如以苯环上碳原子的电荷密度为标准（作为0），则五元杂 环化合物的有效电荷分布为：杂原子给电子共轭效应愈强，环上电子云密度愈大，亲电取 代愈易进行。 N 电负性3.0, O 电负性 3.5, S 电负性 2.4,N、O与碳在同一周 期，S在第三周期，其p轨道与碳的p轨道重叠较小。 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。电子密度 -络合物亲电取代反应活

9、泼顺序为： （2） 亲电基团容易进入杂环的2，5 位（即, 位），若杂环 的2，5位已有基团存在，则进入3位。 位比较活泼的原因是因为在反应中形成的中间体正离子有3个 共振式参与共振。如果在位发生反应，形成的中间体正离子 只有2个共振式参与共振，参与共振的共阵式愈多，杂化体愈 稳定，故在位发生反应的中间体正离子比较稳定，稳定的中 间体正离子的过渡态能量低，反应速度快。因此亲电取代反应 容易在位发生。 （3）吡咯、呋喃、噻吩的亲电取代反应，对试剂及反应条件必 须有所选择和控制，进行取代反应须在较温和的条件下进行。 尤其是吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感，选择试剂时需要注意 ；呋喃，噻吩，吡咯，遇强

10、酸及氧化剂很容易使环破坏，因此噻吩、吡咯的芳香性较强，所以易取代而不易加成；呋 喃的芳香性较弱，虽然也能与大多数亲电试剂发生亲电取代 ，但在强亲核试剂存在下，能发生亲核加成。（4）亲电取代反应A.硝化呋喃，噻吩，吡咯很容易被氧化，甚至也能被空气氧化。 因此一般不用硝酸直接氧化。通常用比较温和的非质子的硝化 试剂硝酸乙酰酯(CH3COONO2)进行硝化，反应还须在低温 进行。乙酐 乙酰基硝酸酯（硝酸乙酰酯） 杂环亲电取代反应的活泼性越强，反应温度控制的越低。 呋喃比较特殊，在此反应中首先生成稳定的或不稳定的2，5 加成产物，然后加热或用吡啶除去乙酸，得硝化产物.呋喃易生成2，5加成物，与反应物的

11、离域能大小有关。离域能 大，反应活化能小，容易发生亲电取代反应。呋喃的离域能较小 （呋喃66.9kJ/mol，噻吩121.3 kJ/mol，吡咯87.8 kJ/mol），因此 易与乙酰氧基负离子发生亲核加成反应，而吡咯具有较高的芳香 性，因此，易于失去质子发生亲电取代反应。但必须注意到呋喃 与大多数亲电试剂发生亲电取代反应，只有在强的亲核试剂存在 时，才发生亲核加成反应。B、 呋喃、噻吩、吡咯的磺化反应吡咯、呋喃不太稳定，所以须用温和的磺化试剂磺化。常用的温和的非质子的磺化试剂有：吡啶与三氧化硫的加合化合物。(固体，含量90 %)S+ NSO3ClCH2CH2Clr. t.SSO3-Ba(OH

12、)22Ba2+ 常温反应首 先得到 吡啶的 磺酸盐 ，再用 无机酸 转为游 离的磺 酸噻吩比较稳定，既可以直接磺化（产率稍低），也可以用 温和的磺化试剂磺化,也可直接用浓硫酸磺化 。从煤焦油中得到的苯通常含有少量的噻吩。可在室温下反复 用硫酸提取，由于噻吩比苯容易磺化，磺化的噻吩溶于浓硫酸 内，可以与苯分离。然后水解，将磺酸基去掉，可得到噻吩：噻吩2磺酸 6976%（溶于浓H2SO4）C、 呋喃、噻吩、吡咯的卤化反应呋喃，噻吩在室温与氯或溴反应很强烈，反应强烈，易得多 卤取代物。为了得一卤代(Cl, Br)产物，要采用低温、溶剂稀 释等温和条件。不活泼的碘则须在催化剂作用下进行：碘不活泼，要用

13、催化剂才能发生一元取代唯一能直接卤化制得的2卤吡咯D、 呋喃、噻吩、吡咯的傅氏酰基化反应sp2杂化sp3杂化碳上酰化，正电荷处在 离域范围内，较稳定。氮上酰化，正电荷 不处在离域范围内 。呋喃、噻吩的酰化反应在-C上发生，而吡咯的酰化反应（ 不用催化剂）既能在 -C上发生，又能在N上发生。在 -C上 发生比在N上发生容易。呋喃，吡咯，噻吩亲电取代反应小结：呋喃，吡咯遇强酸容 易开环或产生聚合物。故所使用的亲电试剂一般比较温和。噻吩很稳定，与酸不发生上述反应。噻吩傅氏酰基化反应非常有用，但需要小心控制反应条件，如 用无水三氯化铝，氯化锡等催化剂易与噻吩产生树脂状物质。 必须将三氯化铝等先与酰化试

14、剂反应生成活泼的亲电试剂，然 后在与噻吩反应。 E、 呋喃、噻吩、吡咯的傅氏烷基化反应呋喃，噻吩，吡咯进行烷基化反应很难得到一烷基取代的产 物。常得到混合的多烷基取代物。甚至不可避免的产生树脂 状物质，因此总体看，在合成上无实用价值。总结：五员杂环化合物亲电取代第一取代基进入到杂原子的-位。*F、 含取代基的五员杂环化合物定位效应3 位上有取代基时，呋喃、吡咯、噻吩的定位效应一致。2位上有取代基时，吡咯、噻吩的定位效应一致，情况如下：2-取代呋喃在强亲电试剂的作用下易发生2,5-加成反应 ：2.呋喃、噻吩、吡咯的质子化反应和吡咯的弱碱 性和弱酸性 （1）质子化反应 分子接受一个质子的反应称为呋

15、喃、噻吩、吡 咯的 质子化反应.-C质子化-C质子化N-质子化B、 质子化反应主要发生在C-2上；A、呋喃、噻吩、吡咯在酸的作用下可质子化；C、 由于-C的质子化反应，吡咯在强酸作用下会因聚合而被破坏；D、 在稀的酸性水溶液中，呋喃的质子化在氧上发生并导致水解开环。（2）吡咯的弱碱性和弱酸性吡咯虽然是一个仲胺，但碱性很弱。吡咯具有弱酸性，其酸性介与乙醇和苯酚之间。吡咯成盐后，使环上电荷密度增高，亲电取代反应更易进行。吡咯也能与格氏试剂作用放出烃（RH）而成吡咯卤化镁： 吡咯卤化镁 吡咯钾盐及吡咯卤化镁都可以用来合成吡咯衍生物。N苯甲酰基吡咯 70% 3. 吡咯的其它反应吡咯的性质与酚很类似，可发生下列反应： 2吡咯甲醛（瑞穆尔梯曼反应）2吡咯甲酸铵盐（柯尔柏反应） 4. 呋喃、吡咯、噻吩的加成反应（1） 加氢反应呋喃最易发生Diels-Alder反应（2） Diels-Alder反应噻吩基本上不发生双烯加成，即使在个别情况下生成也 是一个不稳定的中间体，直接失硫转化为别的产物。三呋喃，噻吩，吡咯的制备1、呋喃的制备玉米心，稻糠，花生壳，大麦壳，高粱秆等用稀硫酸处理得戊 糖，戊糖失水得糠醛，再在400下加热，同时在催化剂 ZnO,Cr2O3存在下，失去一氧化碳而得呋喃。2.噻吩的制备工业上制备噻吩是用丁烷，丁烯或丁二烯与硫磺混合，在