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1、第十五章：光学异构,有机化学,教学目的,教学重点,教学难点,教学安排,第十四章 杂环化合物,第一节 杂环化合物的分类和命名,按杂原子数目：含一个、两个或多个杂原子的杂环。 按环的形式：单杂环、稠杂环。 按环的大小：五元、六元杂环。 按环上电子云密度：多电子芳杂环、缺电子芳杂环。,一、分类,二、命名,音译命名法：按杂环的英文特定名称选用发音相同或相似的汉字，并在左边加“口”字旁作为其名称 。,（一）杂环母核的命名,从杂原子开始编号并兼顾取代基。,吡咯 呋喃 噻吩 吡啶 4H-吡喃,3-吡啶甲酸 -吡啶甲酸, ,1、含一个杂原子的单杂环,（二）杂环母核的编号, ,5-硝基-2-呋喃甲醛 -硝基-呋
2、喃甲醛,吡唑 咪唑 哒嗪 嘧啶 吡嗪,2、含二个相同杂原子的单杂环,使所有杂原子有最小编号，若其中一个杂原 子上连有H或取代基，则从此原子开始编号。,1-甲基咪唑,3、含不同杂原子的单杂环,按 O、S、NH、NR、N的顺序优先选择起编点。,噁唑 异噁唑 噻唑,4、有特定音译名称的稠杂环,（1）一般按相应芳环的编号方式编号,口丫啶 咔唑,吲哚 喹啉 异喹啉,（2）少数稠杂环有自己的习惯编号方式,嘌呤,（三）杂环母核命名的几点说明,1、指示氢(标氢)含有最多非累积双键条件下的饱和氢。,1H-吡咯,2H-吡咯,4H-吡喃,3H-吲哚,2、外加氢不含有最多非累积双键时多出的氢。,2，5-二氢吡咯,四氢
3、呋喃,3，4-二氢喹啉,3、含活泼氢的杂环可能存在互变异构，命名时要标明两种可能的位号。,7H-嘌呤,9H-嘌呤,3(5)-甲基吡唑,4、含两个以上杂原子的五元单杂环：至少含一个 N原子的通称为“某唑”。,含两个以上杂原子的六元单杂环：至少含 一个 N原子的通称为“某嗪”。,1，2，5-噻二唑,1，3，4-噁二唑,1，2，4-三嗪,（四）无特定音译名稠杂环化合物的命名,1、基本环的选择方法,（1）由杂环和芳环构成的稠杂环,优先选择杂环作基本环，如有选择时，优先 选择环数较多且有特定名称的杂环。,苯并噻唑,苯并异喹啉,（2）由杂环和杂环构成的稠杂环,大环优先于小环；环大小相同时，按 O、S、N
4、的顺序优先选择基本环。,呋喃并吡喃,噻吩并呋喃,（3）环中杂原子数目不同时，含杂原子数目多的优先；数目相同时则含杂原子种类多的优先。,吡啶并嘧啶,咪唑并噻唑,（4）环大小、杂原子数目、种类都相同时，优先选择稠合前杂原子编号较小的杂环。,吡嗪并哒嗪,（5）含有共用杂原子的稠杂环，应视为两环都含有该共用杂原子来进行选择基本环。,咪唑并噻唑,2、稠合边的表示方法,噻吩并2，3-b呋喃,咪唑并2，1-b噻唑,附加环,附加环,基本环,基本环,苯并h异喹啉,3、周边编号方法,（1）应尽可能使所有杂原子有最低位次，其次按O、S、NH、NR、N的顺序选择优先编号的杂原子。,而是,（2）共用碳不参与编号，但尽可
5、能使其有较低序号。,杂原子编号均为1，4，5，8； 但公用碳原子的序号4a 小于 8a,不是,（3）氢原子和指示氢的编号应尽可能低。,2，2，4，5 小于 2，2，5，6,5-苯基咪唑并2，1-b噻唑,不是,6H-吡唑并4,5-d噁唑,N-甲基-5-巯基咪唑,-吡啶甲酸,5-苯基噻唑,-吡啶甲酰胺,（烟酸、尼克酸）,（烟酰胺、尼克酰胺）,3-甲基吲哚,（1）C 和 N：SP2杂化。,（2）六个P轨道侧面重叠形成环状共轭大键。,电子数为6，符合4n+2规则具有芳香性。,（3）电负性N 大于C，电子云向N 发生偏移，使环碳上的电子云密度降低“缺”芳杂环。,1、结构及芳香性,第二节 六元杂环化合物,
6、一、吡啶,孤电子对在sp2杂化轨道上。,2、物理性质,（2）水溶性,（1）偶极矩,与水以任意比互溶；环上有羟基时水溶性下降。,分子间氢键,吡啶的偶极矩比哌啶大。因吡啶是平面分子，诱导效应和共轭效应的方向一致；而哌啶分子中只有吸电性诱导效应。,（1）碱性和成盐反应, ,未共用电子对处于SP2杂化轨道，电子受核束缚强弱碱。,吡啶氮有未共用电子对处于SP2杂化轨道上，能与质子结合碱性。,3、化学性质,温和的非质子性磺化试剂,可与质子酸及路易斯酸作用成盐,（2）与卤代烷、酰卤和酸酐的反应,（3）亲电取代反应, 亲电取代反应活性与硝基苯相当。, 取代基主要进入 3()位(中间体稳定性解释)。, 酸性条件
7、下吡啶成盐后，亲电取代反应(硝化和磺化)更难进行。,由吡啶的共振式分析:,结论: 1. 环上带正电, 不利于亲电取代2. b 位的正电荷密相对较低,解释原因:,由取代反应的中间体稳定性分析,1. 取代在 a 位,2. 取代在 b 位,3. 取代在 g 位,中间体较为稳定,（4）亲核取代反应, 吡啶的2-位或4-位有良好的离去基团(如卤素)时，较弱的亲核试剂就能反应。, 使用强碱性亲核试剂，氢原子可经消除加成机理被取代(主要发生在-位)。,（5）氧化反应, 吡啶不易被氧化。, 吡啶与过氧酸作用，生成N-氧化吡啶。,吡啶N-氧化物易发生亲电取代和亲核取代反应， 且都发生在2或4位。,亲电取代,亲核
8、取代,（6）还原反应(比苯易),哌啶,常温常压,喹啉,异喹啉,苯并b吡啶,苯并c吡啶, 平面型分子，10个P轨道侧面重叠形成含10个电子的芳香大键。, 氮原子未共用电子对位于不等性SP2 杂化轨道。,（1）结构(似萘和吡啶),二、喹啉和异喹啉,1、结构与物理性质,（2）物理性质,碱性与吡啶相似：与强酸成盐；与碘甲烷成季铵盐。,水溶性明显比吡啶低，难溶于冷水，易溶于热水。,苯环的存在,（1）亲电取代反应,比吡啶容易，比萘难；取代基主要进入5-位和8-位。,浓 浓,2、化学性质,（2）亲核取代反应,比吡啶容易；取代反应主要发生在喹啉的2-位； 异喹啉的1-位。,液氨,二甲苯甲苯,（3）氧化和还原反
9、应,对一般氧化剂较稳定，强氧化剂使苯环开环。,吡啶环优先被还原，反应条件不同，产物不同。,（1）甘油脱水,（2）麦克尔加成,3、喹啉的合成斯克劳普(Z.H.Skraup)合成法,（3）醛在酸催化下质子化后环合和脱水得二氢喹啉,（4）二氢喹啉与硝基苯作用脱氢成为喹啉,（5）喹啉衍生物的合成, ，-不饱和醛酮代替甘油，与芳伯胺类反应。, 磷酸或其它酸代替硫酸。, 氧化剂要使用与芳伯胺类相对应的硝基化合物。,1、结构和物理性质,嘧啶,（2）物理性质：与水混溶(氢键；分子有一定极性)。,二、含二个杂原子的六元杂环,（1）结构：与吡啶相似，属“缺”芳杂环。,（1）碱性和亲核性,碱性比吡啶弱；一元碱。,：
10、,2、化学性质,（2）亲电取代反应(比吡啶难), 卤代反应中卤素进入5 -位, 硝化、磺化(酸性条件)很难进行，但当2、4、6-位有活化基团时也可发生。,（3）亲核取代反应(比吡啶易),（4）氧化反应,4H-吡喃 -吡喃,2H-吡喃 -吡喃,-吡喃酮,-吡喃酮,吡喃存在不饱和碳原子，无芳香性，具有不饱 和环醚的结构，是不稳定的化合物。自然界多 以吡喃酮的衍生物存在，但没有酮的一般性质。,四、含氧原子的六元杂环,（1）-吡喃酮是不饱和内酯;-吡喃酮为插烯内酯碱性条件下易水解开环。,（2）-吡喃酮与无机强酸作用，生成稳定的盐结构类似于苯酚，具有芳香性而稳定。, C、N、O、S：SP2杂化。,Z =
11、 O(呋喃) Z = S(噻吩), 5个P轨道侧面重叠形成环状共轭大键。,电子数为6，符合4n+2 规则具有芳香性。,第三节 五元杂环化合物,一、吡咯、呋喃和噻吩,1、结构和物理性质,：,（1）结构, 环的稳定性,（a）吡咯、呋喃，特别是呋喃对氧化剂不稳定；噻吩对氧化剂较稳定，但强氧化剂作用下也可开环。,（b）对酸不稳定，噻吩对酸较稳定。,电负性为ONS,苯噻吩吡咯呋喃(与芳香性一致), 电子离域使环碳原子上电子云密度升高“多”芳杂环。, 水溶性小于吡啶，且吡咯呋喃噻吩。,（2）物理性质, 偶极矩：与饱和五元杂环相比，呋喃和噻吩偶极矩数值变小，而在吡咯中，由于氮的给电子共轭效应大于吸电子诱导效
12、应，以致偶极矩的方向发生逆转,（1）酸碱性, 吡咯不显碱性；其氮上氢原子显示一定酸性。, 呋喃和噻吩是中性化合物。,pkb 13.6 9.38 2.89,咯吡 苯胺 四氢吡咯,吡咯氮上未共用电子对参与构成环状大键， 已完全离域化，降低了接受质子H+能力。, ,2、化学性质,（2）亲电取代反应,（b）活性：吡咯呋喃噻吩苯。,（a）属多芳杂环，容易发生亲电取代反应。,（c）取代反应主要在-位进行。,对取代位置的解释（对反应中间体的相对稳定性的分析）,取代在a位,取代在b位, 卤代反应, 硝化反应,不能用硝酸直接硝化，要采用温和非质子性硝化 剂硝酸乙酰酯(硝乙酐)，且反应要在低温下进行。,硝酸是强酸
13、、强氧化剂, 磺化反应,呋喃、吡咯对酸不稳定，不能直接用浓硫酸磺化； 噻吩对酸较稳定，可直接用硫酸作磺化剂。,室温,溶于浓硫酸,室温,粗苯中除 掉噻吩,过热水蒸气水解, 傅-克酰化反应, 吡咯的特殊亲电取代反应,瑞穆尔梯曼反应,偶合反应,（3）加成反应,呋喃最易发生加成反应，吡咯次之。,表现明显共轭二烯性质,1、酸碱性,碱性比吡咯弱；酸性比吡咯稍强。,2、亲电取代反应,（1）吲哚属多芳杂环，亲电取代反应活性比苯高，但比吡咯稍低。,（2）取代基主要进入杂环，而且主要在 3-位上发生。,二、吲哚,苯并 b 吡咯,进攻2 位,进攻3 位,3、吲哚的合成弗歇尔(Fisher)合成法,苯肼 苯腙,主要有
14、：吡唑、咪唑、噻唑、噁唑、异噁唑。,1、结构,唑类可看作是吡咯、呋喃、噻吩环上的2位或 3位的= CH-换成=N- 。这个氮原子的电子构型与 吡啶中的氮原子是相同的。,三、含二个杂原子的五元单杂环,2、物理性质,（1）溶解性,水溶解度比吡咯、呋喃、噻吩要大。,五个唑类化合物的沸点相差较大，其中 吡唑、咪唑的沸点较高(分子间氢键)。,新引入的氮原子能以SP2杂化轨道中的一对未共用电子与水分子形成氢键。,（2）沸点,3、化学性质,（1）碱性, 1，3-唑类1，2-唑类, 咪唑噻唑噁唑,唑类的碱性比吡咯强，比吡啶弱。,1，2-唑类中两杂原子相距较近，-I使碱性减弱,硫的电负性虽较氮小，但原子半经较 大，+C不如氮噻唑碱性小于咪唑。,氧的I 较强，而+C 较弱 噁唑类碱性最弱,（2）酸性,吡唑、咪唑的酸性也比吡咯强。,因失去质子后的负离子有较好的共振稳定化作用,（3）环的稳定性, 对酸稳定, 对氧化剂稳定,唑类环中增加了显示碱性的=N-，可与酸成盐，保护了环内大键不被酸破坏,第二个氮原子的引入，使整个芳杂环给电子的倾向减小。,（4）亲电取代反应,活性比吡咯、呋喃、噻吩低(分子中增加了一个 吸电子氮)，但高于缺芳杂环吡啶。,（1）咪唑吡唑噻唑。,（2）磺化反应以5-位取代物为主。,
