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1、杂 环 化 合 物,Heterocyclic Compounds,2018/11/23,杂环化合物,碳原子和其它非碳原子组成的环状有机化合物称为杂环化合物。 非碳原子叫做杂原子，常见的有氮、氧、硫。 杂环化合物数量几乎占已知有机化合物的三分之二，用途也很多。 叶绿素、血红素、核酸和药物。,2018/11/23,脂杂环：没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂环。,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),2018/11/23,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
2、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,2018/11/23,一、分类和命名,按杂环的骨架分为单杂环和稠杂环。 单杂环又按环的大小分为五元杂环和六元杂环。 稠杂环按其稠合环形式分为苯并单杂环、单杂环并单杂环。,分类,furan,pyrrole,thiophene,imidazole,呋喃,吡咯,噻吩,thiazole 噻唑,咪唑,pyran,pyridine,pyrimidine,indole,purine,吡喃,吡啶,嘧啶,吲哚,嘌呤,命名,2018/11/23,当杂环上连有-R，-X，-OH，-NH2等取代基时，以杂环
3、为母体，标明取代基位次；,取代基,当杂环连有-CHO 、 -COR 、 -SO3H、 -COOH、-CONH2、 -COOR等时，则把杂环作为取代基。,2018/11/23,编号,环上有不同杂原子时，则按氧、硫、氮为序编号。 另有特殊编号的，如异喹啉、嘌呤等，(见书p446) 有时也以希腊字母、及编号，邻近杂原子的碳原子为位，其次为位，再次为位。,3,2,4,5,1,1,3,一般从杂原子开始编号。 环上只有一个杂原子时，杂原子的编号为1。 环上有两个或两个以上相同杂原子时，应从连接有氢或取代基的杂原子开始编号，并使这些杂原子所在位次的数字之和为最小。,3,2,4,5,1,2,4-二甲基呋喃,3
4、-乙基吡咯,2-甲基-5-硝基噻吩,3-甲基吡啶,4-甲基嘧啶,3-甲基吲哚,5-甲基噻唑,2018/11/23,-甲基噻吩,-甲基呋喃,-甲基吡啶,-呋喃甲醛 3-呋喃甲醛,-吡啶甲酸 3-吡啶甲酸,-吡咯甲酰胺 2-吡咯甲酰胺,-吡啶甲酸 3-吡啶甲酸,2018/11/23,互变异构,2018/11/23,无特定名称的稠杂环母环的命名规则,例：,噻吩并2，3-b呋喃,a,b,基本环环边编号,附加环编号,1,2,3,噻吩并3,2-b吡咯,呋喃并3,2-b吡喃,吡唑并4,5-d恶唑,吡嗪并2,3-d哒嗪,基本环,附加环,2018/11/23,（一）吡啶：,第二节 六元杂环化合物,吡啶分子中的键
5、,吡啶分子中的共轭体系,吡啶分子中的p轨道,sp2杂化,N：2s22p3,2018/11/23,=2.20D,共轭效应和诱导效应都是吸电子的,1.43,0.84,1.01,0.87,吡啶键长平均化程度较高，有芳香性。 吡啶环亲电取代比苯难。 取代基进入间位，且收率偏低。,2018/11/23,吡啶与水能以任意比例混溶，同时又能溶解大多数极性及非极性有机化合物，它是一个良好的溶剂。 原因：吡啶具有极性；氮原子的未共用电子对未参与共轭体系，易与水形成氢键。,吡啶的弱碱性（pKa=5.19）,+ HCl,化学性质,碱性比较：a. 吡啶 b.苯胺 c. 氨 d. 脂肪胺 脂肪胺氨吡啶苯胺 原因：在于吡
6、啶环上未参与共轭体系的这一对未共用电子对处于sp2杂化轨道上，其s成分较sp3杂化轨道多，受原子核束缚强，因而较难与H+结合。,(1)氮原子上的反应,NO2+BF4+,CH3I,RCOCl,H+,SO3,Br2/CCl4,石油醚,乙醚 室温,吡啶盐的十分重要的用途：,温和的磺化、硝化、卤化、烷基化、酰基化的试剂,(2)亲电取代反应,2018/11/23,+Br2,浮石催化,300,+Br2,FeBr3,50,2018/11/23,+ HNO3,+ HNO3,H2SO4,300,50-60,H2SO4,+ H2SO4,+ H2SO4,-吡啶磺酸,350,70-80,结论: 1. 吡啶比苯难发生亲
7、电取代反应。 2. 吡啶的一元取代总是发生在间位。,反 应 特 点,*1 发生傅克烷基化、酰基化反应? 不能 *2 硝化、磺化、卤化必须在强烈条件下才能发生； *3 吡啶环上有给电子基团时，反应活性? 增高 *4 吡啶N可以看作是一个间位定位基；,在温和条件下，亲电试剂主要与N反应； 在强烈条件下，C取代为主。,取代反应位置的控制：,（3）吡啶的亲核取代反应,置换氢的亲核取代反应,一般机制：,*1 负氢不易离去，一般需要强碱性的亲核试剂（如RLi）；,*2 亲核取代优先在位上发生，如果位上有取代基，则 反应在位上发生。,1.43,0.84,1.01,0.87,烷基化、芳基化反应,齐齐巴宾(Ch
8、ichibabin, A.E.)反应氨化,吡啶与氨基钠作用生成2-氨基吡啶的反应,H2O,+ NaNH2,100oC,C6H5N(CH3)2,+H2,2018/11/23,考研题,吡啶与NaNH2/NH3反应生成2-氨基吡啶的机理属于( ) A. 吡啶负离子历程 B. 吡啶炔历程 C. 吡啶正离子历程 D. 自由基历程,A,置换易离去基团的亲核取代反应,如在,位有好的离去基团，如Cl、-NO2、Br，可以与氨（或胺）、烷氧化物、水等较弱的亲核试剂发生亲核取代反应（在亲核取代反应中，吡啶N对邻、对位活化）。,(4)吡啶的氧化还原反应,吡啶环本身不易被氧化，但它的侧链很容易被氧化成醛或羧酸。,吡啶
9、可生成吡啶-N-氧化物。,吡啶N-氧化物的反应与吡啶不同： 1、亲电取代比吡啶容易，也能进行亲核取代， 2、取代都发生在或位。,*1 需要时，氧能提供电子，使整个环上的电荷密度增高； *2 不需要时，氧不提供电子，整个环系相当于吡啶盐；,从动态的角度看，与氮相连的氧可以看作是一个电子储存库。,2018/11/23,eg.,2018/11/23,加氢反应,由于电子云密度较低，比苯容易。,吡啶侧链-H的反应,2,4,6-位烷基的 -H与羰基 -H相似,醇醛缩合型,2018/11/23,2、电子数为10，有芳香性,1、碱性弱,都存在于煤焦油和骨油中，是同分异构体。 喹啉是无色油状液体；异喹啉是低熔点
10、固体。 难溶于水，易溶于有机溶剂。,（二）喹啉及异喹啉,2018/11/23,（1）亲电取代反应,化学性质,喹啉及异喹啉的亲电取代反应比吡啶容易进行。 取代主要在苯环上：喹啉（C-5和C-8位）、异喹啉（C-5位）发生。,2018/11/23,（2）亲核取代反应,负氢比较难以取代。Cl, NO2等基团较易取代。,2,1,4,（3）氧化反应,*1 . 喹啉和异喹啉与绝大多数氧化剂不发生反应；,*2. 与高锰酸钾能发生反应：,（4）还原反应,反十氢喹啉,顺十氢喹啉,氨基钠存在下易于苯甲醛加成的是 ( ),C,2018/11/23,3.喹啉和异喹啉的合成,斯克劳普(Skraup, Z.H.)反应,2
11、018/11/23,该反应分成三步：,2018/11/23,练：p480,练：1、苯胺+丁烯-2-酮,2、苯胺+乙醛,浓H2SO4,2018/11/23,嘧啶为无色液体或晶体，有刺激性气味，m.p=22.5 ，b.p=124 。 可溶于水、乙醇、乙醚 ，主要用于合成药物。,（三）含两个氮原子的六元杂环,嘧啶（间嗪）,吡嗪,哒嗪,2018/11/23,胞嘧啶（C） Cytosine,尿嘧啶（U） Uracil,胸腺嘧啶（T） Thymine,胞嘧啶、尿嘧啶和胸腺嘧啶都存在酮式和烯醇式互变异构。,2018/11/23,亲电取代反应（发生在5位）,当2、4、6位有强活化基团，亲电容易进行。,2018
12、/11/23,反应最易在2位发生，其次是4,6位,取代卤素要比取代负氢更容易,亲核取代反应,氧化反应,二嗪不易被氧化。若用过酸氧化，得嘧啶单N-氧化物（性质同吡啶N-氧化物）。,2018/11/23,侧链 -H反应,羟醛缩合型,烷基化反应,由-二羰基化合物（或类似物）与1,1-二胺类化合物合成,常用的1,1-二胺类化合物：,尿素,硫脲,胍,脒,甲脒,乙脒,嘧啶的合成,2018/11/23,（四）吡喃环系,吡喃及其衍生物无芳香特性, -吡喃酮的徉盐是芳香体系。,-吡喃 -吡喃酮 -吡喃 -吡喃酮 香豆素 色酮,三、五元杂环化合物,吡咯分子中的键,吡咯分子中的p轨道,吡咯分子中的共轭体系,（一）吡
13、咯、呋喃、噻吩,吡咯,56共轭体系 有芳香性,N：2s22p3,sp2杂化,吡咯N上孤对电子参与共轭，环上的电子云密度增加，亲电取代比苯容易。 共轭的结果，使NH键的极性增加，有一定的酸性,结构与性质,吡咯、呋喃和噻吩具有一定的芳香性，环比较稳定 芳香性强弱顺序：苯噻吩吡咯呋喃? 稳定性大小顺序：苯噻吩吡咯呋喃,呋喃,噻吩,2018/11/23,1、比苯容易发生亲电取代。 2、亲电取代反应一般发生位，如果位已取代，则发生在位。,五元杂环分子中的键长有一定的平均化，电子云分布不平均，因此芳香性较苯环差，有某种程度的不饱和化合物的性质和环的不稳定性。,它们的芳香性由强到弱的顺序为：,离域能：噻吩：
14、121.3 kJmol-1 吡咯：87.8 kJmol -1 呋喃：66.9 kJmol -1,+ KOH,+ H2O,+ H2O,+ KOH,化学性质,1、吡咯的弱酸性：,题,下列化合物碱性从强到弱的次序是 ( ) A. NH3 B. 吡啶 C. 喹啉 D. 吡咯,ABCD,2018/11/23,呋喃、噻吩、吡咯的质子化反应,分子接受一个质子的反应称为质子化反应.,（1）呋喃、噻吩、吡咯在酸的作用下可质子化；,（2） 如：,N-质子化,2018/11/23,（3）由于质子化反应，吡咯在强酸作用下会因 聚合而被破坏；,（4）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。,2018
15、/11/23,2、亲电取代反应,* 1、亲电取代反应的活性顺序为：,吸电子诱导（-I）：O(3.5) N(3.0) S(2.6) 给电子共轭（+C）：N O S 综合：N贡献电子最多，O其次，S最少,下列化合物亲电取代反应的活性顺序为： A. 呋喃 B. 吡咯 C. 噻吩 D. 苯,BACD,2018/11/23,练习:,1.下列化合物发生亲电取代的活性顺序为:,DACB,2.吡咯比吡啶的碱性弱是因为吡咯N上的孤对电子参与了 环的共轭体系,而吡啶N没有.( ),2018/11/23,*2 取代反应主要发生在-C上；,*3 吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感，选择试剂时需要注意。,八隅体结构最稳定,
16、2018/11/23,（2） 呋喃、噻吩、吡咯的卤化反应,容易得多卤取代物。为了得一卤代(Cl, Br)产物，要采用低温、溶剂稀释等温和条件。,+ I2,四碘吡咯,KI,2018/11/23,2018/11/23,（3）呋喃、噻吩、吡咯的硝化反应,通常用比较温和的非质子硝化试剂；反应在低温下进行。,2018/11/23,（4）呋喃、噻吩、吡咯的磺化反应,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。,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。,2018/11/23,2018/11/23,（5） 呋喃、噻吩、吡咯的傅克酰基化反应,2018/11/23,3、加氢反应,可用催化加氢,（6） 呋喃、噻吩、吡咯的傅克烷基化
