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1、第十八章杂环化合物第一节杂环化合物的分类与命名一、杂环化合物的分类1. 定义杂环化合物是指环中除碳原子以外还含有其它原子（除碳以外的原子称为杂原子，常见的 是O、S、N）的环状化合物，通常包括芳香杂环化合物和非芳香杂环化合物（或称为脂杂环化 合物，如四氢呋喃和六氢毗啶等）。非芳香杂环化合物的性质与开链化合物相似，芳香杂环化合 物则具有一定程度的芳香性，因此只讨论芳香杂环化合物。2. 杂环化合物的分类芳香杂环化合物所含杂原子的种类和数目可以不同，根据环的大小，可以分为五元杂环、 六元杂环和稠杂环化合物，也可以采用这样的分类法：环的P轨道数和n电子数都是4n+2的 毗啶型和环的P轨道数是4n+1而
2、n电子数是4n+2的呋喃型。二、杂环化合物的命名杂环化合物的母体命名采用英文名称的译音，在同音汉字的左边加一“口”字旁。例如， 下面三个杂环分别命名为呋喃、毗咯和噻吩。ONHS对于有取代基的杂环化合物，取代基的位置用编号表示，编号从杂原子开始，当杂原子种 类不同时，按O、S和N的次序编号并使杂原子的编号位次最小，当杂原子种类相同时，从连 有取代基或氢的杂原子开始，除此之外芳杂环化合物的命名与苯衍生物相同。对于含有一个杂 原子的杂环也可把与杂原子相邻的位置叫a位，其它依次叫8位和Y位。例如aaZZ = O,S,NHOCHOO2ONHCOCH3上述三个化合物可以分别命名为a-呋喃甲醛、8-硝基呋喃
3、和a-乙酰基毗咯。第二节 五元杂环化合物一、五元杂环化合物的结构对毗咯、呋喃和噻吩而言，环上五个原子位于同一平面彼此通过SP2杂化轨道以b键相连， 每个原子各有一个垂直于环平面的P轨道相互侧面重叠形成闭合的大兀键。在这个大兀键中碳原子各提供一个P电子，杂原子提供一对P电子组成6，符合休克尔4n+2规则，因此它们都具有芳香性，其芳香性强弱次序为：苯噻吩毗咯呋喃。由于环上五个原子共享六个电子，故电子云密度比苯环大，其亲电取代反应的活性次序为： 毗咯呋喃噻吩苯。噻吩在亲电取代反应中的活性虽然小于毗咯和呋喃，但仍比苯大得多， 其相对反应速度约为苯的103-105倍。二、五元杂环化合物的化学性质1. 亲
4、电取代反应对毗咯、呋喃和噻吩而言，一方面它们是富电子芳环容易进行亲电取代反应，另一方面由 于强酸能破坏呋喃和毗咯环因此它们的硝化和磺化必须采用温和的硝化试剂一乙酰硝酸酯和温 和的磺化试剂一三氧化硫的毗啶加合物。亲电取代反应的位置主要在a位。a. 硝化ECH3COONO2Ac2OEno2b. 磺化EPy / SO3HCl -ESO3H5C5NH+ 一ESO3H+ H5C5NH+Cl-噻吩对酸较稳定可用浓硫酸直接磺化。在实验室常利用这一反应除去苯中的噻吩，方法 是：将含噻吩苯用浓硫酸洗涤，噻吩转化成可溶于硫酸的a-噻吩磺酸而苯不溶达到分离纯化目 的。c. 卤化(E=O,S)(E=O,S)(E=NH
5、)d. Friedel-Crafts 酰基化E+ (RCO)2OacidECORE=O,Sacid = BF3,SnCl4,H3PO4E=NH不需催化剂e. 一取代五元杂环的亲电取代规律ER （邻对位基）ER （间位基）其中箭头指明亲电试剂进攻的位置。f. 毗咯的特殊反应毗咯是一个特殊的胺，氮的“孤电子”参与形成离域键因此没有普通胺的碱性，但毗咯氮 上的氢与普通胺氮氢一样具有一定的酸性能与强碱进行酸碱反应，毗咯容易进行亲电取代反应HN CH 3N COR2. 加成反应a. Diels-Alder 反应呋喃的共轭二烯烃性质显著，可以与顺丁烯二酸酐发生Diels-Alder反应。b.还原三、五元杂
6、环化合物的合成 取代毗咯、ES第三节六元杂环化合物、六元杂环化合物的结构56321毗啶5632嘧啶 哒嗪 毗嗪以毗啶为例，毗啶是一个平面分子，构成环的五个碳和一个氮原子处于同一平面内彼此通 过SP2杂化轨道以b键相连，每个原子各有一个垂直于环平面的P轨道这些P轨道相互侧面重叠形成闭合的大兀键，在这个大兀键中每个原子各提供一个P电子组成6，符合休克尔4n+2 6规则，因此毗啶具有芳香性可以发生亲电取代反应但由于氮原子的电负性较大电子密度分布不 均使环上碳原子的电子密度降低从而进行亲电取代反应活性比苯低，正是由于毗啶环上电子云 密度比苯低，毗啶可以发生亲核取代反应。从形式上看毗啶是一种叔胺但氮原子
7、的孤对电子占 据SP2杂化轨道因此毗啶具有弱于普通叔胺的碱性和亲核性。二、六元杂环化合物的化学性质1.碱性和亲核性前已述及，毗啶环上的氮原子有一占据SP2杂化轨道的孤对电子因此毗啶具有碱性和亲核 性其碱性(K2.3X10-9)和亲核性比脂肪胺(K10-4)弱得多但比毗咯(K2.5X10-14)强。 毗啶与强酸生成盐，与卤代烃进行亲核取代反应。R X-毗啶常作为缚酸剂用于吸收一些反应中产生的酸。例如，当酚用酰氯酰化时可用毗啶吸收 反应中产生的酸(HCl)。2.亲电取代反应毗啶作为一个缺电子的芳环进行亲电取代反应活性比苯低得多，其亲电取代反应活性仅与 硝基苯相当，反应主要发生在8位但并不能进行Fr
8、iedel-Crafts酰基化。另一方面，由于毗啶具 有碱性能与质子和Lewis酸结合使芳环更加钝化因此毗啶在亲电取代反应中不用催化剂但必须 在高温条件下进行。3. 亲核取代反应亲核取代发生在a位和y位但主要在a位。NNaOMe/HCH3n?MeV N4. 侧链a-H的反应当毗啶a位和Y位的烷基侧链上带有活泼a-H时，这种取代毗啶在酸或碱存在下能进行 缩合和亲核取代反应。+3HCOPiZnCl2N CH=CHfh+N ch3NaOMe/HOCH.HCO2Me32cho5. 氧化与还原毗啶环的抗氧化性比苯环强，但易于还原。毗啶氧化生成的毗啶-N-氧化物易于在Y位进 行亲电取代反应，毗啶-N-氧化
9、物易于与PC13反应脱除氧，利用这一反应序列可以合成一些难 于通过直接亲电取代反应得到的化合物。m：O2HN CQHI.NaNH.2a2.CH3IN异喳琳吲哚5% PCllA希-opc/nIO-chchCH；3第四节稠杂环化合物、吲哚、喹琳和异喹琳的结构吲哚由毗咯环与苯环稠合而成，喹琳和异喹琳则由毗啶环与苯环稠合而合成因此它们都是 平面型具有芳香性的分子。二、吲哚、喹琳和异喹琳的化学性质1. 碱性喹琳和异喹琳是叔胺，但喹琳的碱性比毗啶弱，而异喹琳的碱性比毗啶稍强，它们能与酸 反应生成盐。2. 亲电取代反应吲哚亲电取代反应的活性比未稠合的毗咯环低但比苯高，取代主要发生在3位。漠代直接 用Br2，
10、硝化用硝酸酰基酯，磺化用毗啶三氧化硫加合物，此外还能进行甲酰化和氯甲基化反 应。喹琳或异喹琳分子中的苯环电子云密度比毗啶环中的要高，亲电取代主要发生苯环上即在 5和8位，硝化用混酸。3.亲核取代反应与毗啶相似，喹琳、异喹琳的毗啶环还可以发生亲核取代反应，喹琳主要在2位，异喹琳 在1位。4.侧链a氢的反应喹琳和异喹琳类似与毗啶，喹琳2位与4位侧链及异喹琳1位侧链上有活泼a-H时，在酸 或碱存在下能进行缩合和亲核取代反应。+ HCHOZnNCH 2CH 2O H+MeO2CCO2MeCH 一OCCONaOMe / HOCH 32Me5.氧化与还原喹琳和异喹琳被强氧化剂氧化时都是苯环破裂而毗啶环保持
11、不变，还原时毗啶环被氢化而苯环保持不变。* / j nnor Na / ROHN，顼I。, *O,HNCO 2H三、吲哚、喹琳和异喹琳的合成1. Fischer吲哚合成法RCH2CORNHN此步产生多取代的烯胺RR吒1.3,3迁移2. -NH3N=NR2.喹琳合成法a.Friedlander喹琳合成法用邻氨基苯甲醛与酮缩合。NaOH.EtOHb. Skraup喹琳合成法，zNH2氧化剂=ArNO2/ As2O5 / Fe3+喹琳合成时用甘油在浓硫酸存在下现场产生丙烯醛。3. Bischler-Napieralski 异喹琳合成法POCL3NHCOR此反应可用于合成1-位上有取代基的异喹琳衍生物。
