杂环化合物改

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1、第十二章第十二章 杂环化合物杂环化合物（Heterocyclic Compounds) 除除C原子外，至少有一个其它原子（原子外，至少有一个其它原子（ex:O、S、N等）组成的等）组成的环叫杂环，碳原子以外的原子叫杂原子（环叫杂环，碳原子以外的原子叫杂原子（Heteroatoms），含杂），含杂原子的化合物叫杂环化合物。原子的化合物叫杂环化合物。 分二类：分二类：无芳香性的：无芳香性的： 四氢呋喃四氢呋喃 二噁烷二噁烷 六氢吡啶六氢吡啶 奎宁环奎宁环 1、3、5一三噁烷一三噁烷 有芳香性的：有芳香性的： 呋喃呋喃 噻吩噻吩 喹啉喹啉 杂环化合物广泛地存在于自然界，在生命体系中起重要作用，杂环化

2、合物广泛地存在于自然界，在生命体系中起重要作用，例如植物的叶绿素，动物的血红素都含杂环结构。目前应用的药例如植物的叶绿素，动物的血红素都含杂环结构。目前应用的药物中有很大部分是杂环化合物，石油、染料、杀虫剂等都含杂环物中有很大部分是杂环化合物，石油、染料、杀虫剂等都含杂环化合物。化合物。 杂环化合物的合成要涉及许多有机反应。有杂原子的环又杂环化合物的合成要涉及许多有机反应。有杂原子的环又有一些新的性质，为有机化学提供了新的研究领域。有一些新的性质，为有机化学提供了新的研究领域。一、分类和命名一、分类和命名按环的大小分按环的大小分五员杂环五员杂环 六员杂环六员杂环 稠杂环稠杂环 按环的大小、按环

3、的大小、杂原子数目分杂原子数目分 含一个杂原子的五员杂环及稠杂环含一个杂原子的五员杂环及稠杂环 含一个杂原子的六员杂环及稠杂环含一个杂原子的六员杂环及稠杂环 含二个或多个杂原子的其它杂环含二个或多个杂原子的其它杂环 音译法命名：音译法命名： furan pyrrole thiophene pyridine quinoline 呋喃呋喃 吡咯吡咯 噻吩噻吩 吡啶吡啶 喹啉喹啉 杂环化合物的命名比较复杂，我国目前主要采用音译法，杂环化合物的命名比较复杂，我国目前主要采用音译法，即根据外文译音选用同音汉字，加上即根据外文译音选用同音汉字，加上“口口”旁命名，其优点是简旁命名，其优点是简便，缺点是不能

4、反应出结构。便，缺点是不能反应出结构。如环上有取代基，以杂环为母体，环上原子进行编号，杂原子编如环上有取代基，以杂环为母体，环上原子进行编号，杂原子编号最小。号最小。 2.5二甲基呋喃二甲基呋喃（or，一二甲基呋喃）一二甲基呋喃） 若环上同时含若环上同时含多个杂原子时多个杂原子时 杂原子相同：杂原子编号和最小杂原子相同：杂原子编号和最小 杂原子不同：按杂原子不同：按O 、S、 N次序编号次序编号 4甲基咪唑甲基咪唑 5乙基噻唑乙基噻唑 茂茂 氧氧(杂杂)茂茂 硫硫(杂杂)茂茂 氮氮(杂杂)茂茂 氮氮(杂杂)苯苯 1氮氮(杂杂)萘萘 有时根据相应的碳环来命名。把杂环看成相应碳环中碳原有时根据相应

5、的碳环来命名。把杂环看成相应碳环中碳原子被杂原子取代而形成的化合物，命名时在相应碳环名前加上子被杂原子取代而形成的化合物，命名时在相应碳环名前加上杂原子的名称。杂原子的名称。二、五员杂环化合物二、五员杂环化合物 1、呋喃、噻吩、吡咯的结构、呋喃、噻吩、吡咯的结构 三种分子的键长数据如下：单位：三种分子的键长数据如下：单位：pm 三种分子的结构有两种模型，一种是三种分子的结构有两种模型，一种是定域模型定域模型，即把共轭双，即把共轭双键的两端用一个杂原子连接起来。从键长数据看，环内键的两端用一个杂原子连接起来。从键长数据看，环内CC键并键并未完全平均化，未完全平均化，C2C3较短，较短，C3C4较

6、长，在一定程度上与定域较长，在一定程度上与定域模型相似。模型相似。另一种是另一种是离域模型离域模型：成环原子共平面，成环原子共平面， 电子数电子数4n2 有芳香性。有芳香性。 苯苯 噻吩噻吩 吡咯吡咯 呋喃呋喃 （KJ/mol） 150 117 88 67*所以芳香性大小：苯所以芳香性大小：苯 噻吩噻吩 吡咯吡咯 呋喃呋喃 因为：因为：离域能离域能 由于环内电子云密度大于苯环，因此是富电子芳香杂环化合物。由于环内电子云密度大于苯环，因此是富电子芳香杂环化合物。2、物理性质与制法（自学）、物理性质与制法（自学）3、化学性质、化学性质 （1）取代反应（易亲电取代，一般发生在）取代反应（易亲电取代，

7、一般发生在位）位）a、卤代、卤代呋喃在低温可发生卤代反应：呋喃在低温可发生卤代反应：吡咯遇酸容易聚合，故一般不用酸性试剂进行卤代：吡咯遇酸容易聚合，故一般不用酸性试剂进行卤代：*亲电取代活性：呋喃、吡咯亲电取代活性：呋喃、吡咯 噻吩噻吩 苯苯 也可用也可用NBS溴代：溴代：噻酚在室温即可卤代：噻酚在室温即可卤代：b.硝化硝化 乙酰硝酸酯乙酰硝酸酯 呋喃在无机酸存在时，环容易破裂呋喃在无机酸存在时，环容易破裂or树脂化，因此不能用混树脂化，因此不能用混酸硝化，一般用温和的硝化剂酸硝化，一般用温和的硝化剂乙酰基硝酸酯硝化（无色发烟乙酰基硝酸酯硝化（无色发烟液体，易爆炸，用时配）。液体，易爆炸，用时

8、配）。吡咯在低温下进行：吡咯在低温下进行：（主）（主） （次）（次）也可用也可用HNO3硝化：硝化：噻酚可以用混酸硝化：噻酚可以用混酸硝化：主产物是主产物是位取代位取代c、磺化、磺化呋喃要用缓和的磺化试剂磺化：呋喃要用缓和的磺化试剂磺化：吡咯也可磺化：吡咯也可磺化：噻酚可用浓噻酚可用浓H2SO4进行磺化：进行磺化：d、酰化、酰化呋喃的付一克酰化反应要用缓和的呋喃的付一克酰化反应要用缓和的Lewis acid催化剂：催化剂：吡咯、噻酚都可发生酰化反应：吡咯、噻酚都可发生酰化反应：（2）、加成反应）、加成反应催化还原：催化还原： 呋喃、吡咯、噻酚都可以被催化加氢生成四氢衍生物。噻呋喃、吡咯、噻酚都

9、可以被催化加氢生成四氢衍生物。噻酚、吡咯还可用化学还原法还原为二氢衍生物。呋喃表现出共酚、吡咯还可用化学还原法还原为二氢衍生物。呋喃表现出共轭二烯的特性，可以和顺丁烯二酸酐发生轭二烯的特性，可以和顺丁烯二酸酐发生DielsAlder reaction。化学还原：化学还原：1，4加成加成 1，2加成加成DA反应：反应：双烯组分双烯组分 亲双烯组分亲双烯组分 （内型接近和外型接近两种产物）（内型接近和外型接近两种产物）（3）、吡咯的酸碱性）、吡咯的酸碱性 PKa16.5 从结构上看，吡咯是环状仲胺，但由于从结构上看，吡咯是环状仲胺，但由于N上的未用电子对上的未用电子对参与了茂环共轭，参与了茂环共轭

10、，N上电子云密度上电子云密度 , 因此具弱酸性因此具弱酸性（PKa16.5），相当于低级醇，），相当于低级醇，N上的上的H容易被金属取代。容易被金属取代。双烯组分双烯组分 亲双烯组分亲双烯组分它们都表现出共轭二烯的性质，但呋喃更明显。它们都表现出共轭二烯的性质，但呋喃更明显。噻酚与顺丁烯二酸酐在噻酚与顺丁烯二酸酐在100也可发生也可发生DA反应：反应：吡咯钾吡咯钾溴化吡咯镁溴化吡咯镁N烃基吡咯烃基吡咯 2吡咯甲酸吡咯甲酸 ex: 吡咯钾吡咯钾RX反应，生成反应，生成N烃基吡咯；与烃基吡咯；与CO2反应生成羧酸：反应生成羧酸：与酰氯反应先生成与酰氯反应先生成N酰基吡咯，再加热重排为酰基吡咯，再加

11、热重排为2酰基吡咯：酰基吡咯：吡咯镁与吡咯镁与RX反应生成反应生成2和和3烃基吡咯：烃基吡咯：（4）、特殊反应（用于鉴别）、特殊反应（用于鉴别）靛红：靛红： 吲哚瞒二酮吲哚瞒二酮 4、呋喃、吡咯的重要衍生物、呋喃、吡咯的重要衍生物（1）、糠醛）、糠醛 （ ）是呋喃衍生物中最重要的一个。糠醛是一种工业产品，由含聚是呋喃衍生物中最重要的一个。糠醛是一种工业产品，由含聚戊糖的植物原料，如玉米芯、糠、花生壳等用稀硫酸水解后，戊糖的植物原料，如玉米芯、糠、花生壳等用稀硫酸水解后，进行水蒸气蒸馏得到，为无色液体，进行水蒸气蒸馏得到，为无色液体，b.p 162，在空气中变色，在空气中变色，性质和苯甲醛相似。

12、性质和苯甲醛相似。聚戊糖聚戊糖 戊糖戊糖 糠醛糠醛 （糠酸）（糠酸）（糠醇）（糠醇）（2）、吡咯衍生物）、吡咯衍生物 吡咯的衍生物在自然界分布很广（植物的叶绿素，动物血红吡咯的衍生物在自然界分布很广（植物的叶绿素，动物血红素等）。它们在动、植物生理上起着重要作用，基本结构是四素等）。它们在动、植物生理上起着重要作用，基本结构是四个吡咯环和四个次甲基个吡咯环和四个次甲基CH=交替相连组成的大环（共轭体系）交替相连组成的大环（共轭体系），称，称“ ”环（卟吩）。环（卟吩）。5、吲哚、噻唑、吡唑及其衍生物（自学）、吲哚、噻唑、吡唑及其衍生物（自学） 糠醛是常用的优良溶剂，又是重要的有机合成原料，用来

13、合成糠醛是常用的优良溶剂，又是重要的有机合成原料，用来合成树脂、防腐剂、增塑剂等。树脂、防腐剂、增塑剂等。三、六员杂环化合物三、六员杂环化合物 Pyridine Pyran Pyrimidine 吡啶吡啶 吡喃吡喃 嘧啶（嘧啶（1，3二氮苯）二氮苯） 1、吡啶的结构：、吡啶的结构： C、N都是都是SP2杂化，杂化，6个原子共平面，个原子共平面，形成了形成了 共轭体系（共轭体系（N上的未用电子上的未用电子对在对在SP2杂化轨道上，未参加共轭），杂化轨道上，未参加共轭），符合符合4n2规则，有芳香性。但与苯有规则，有芳香性。但与苯有差别，由于差别，由于N的电负性较大，环上的电的电负性较大，环上的电

14、子云密度比苯小，所以是缺电子芳环，子云密度比苯小，所以是缺电子芳环，性质类似硝基苯。性质类似硝基苯。 吡啶存在于煤焦油、骨焦油中，衍生物广泛存在于自然界，吡啶存在于煤焦油、骨焦油中，衍生物广泛存在于自然界，是具有特殊臭味的无色液体，是具有特殊臭味的无色液体， b.p 115。2、吡啶的性质、吡啶的性质 （1）、碱性和亲核性）、碱性和亲核性 吡啶是弱碱，吡啶是弱碱，碱性大小：脂肪胺，氨碱性大小：脂肪胺，氨 吡啶吡啶 苯胺。苯胺。碱性是碱性是未参与杂化的一对电子引起的，吡啶能和酸作用。未参与杂化的一对电子引起的，吡啶能和酸作用。 吡啶盐酸盐吡啶盐酸盐 碘化碘化N甲基吡啶甲基吡啶 吡啶是良好的亲核试

15、剂，能与吡啶是良好的亲核试剂，能与RX作用生成作用生成N吡啶鎓盐，例如：吡啶鎓盐，例如：N酰基吡啶鎓盐酰基吡啶鎓盐 吡啶与酰氯或酸酐生成吡啶与酰氯或酸酐生成N酰基吡啶鎓盐，反应是可逆的。酰基吡啶鎓盐，反应是可逆的。N酰基吡啶鎓盐是比酰氯和酸酐更好的酰化剂，因为吡啶是一酰基吡啶鎓盐是比酰氯和酸酐更好的酰化剂，因为吡啶是一良好的离去基团。良好的离去基团。N磺酸吡啶磺酸吡啶 N硝基吡啶氟硼酸盐硝基吡啶氟硼酸盐 吡啶能与许多吡啶能与许多Lewis acid 形成络合物，例如：形成络合物，例如： 它们是温和的磺化剂，硝化剂，常用于对酸敏感的化合物（如它们是温和的磺化剂，硝化剂，常用于对酸敏感的化合物（如

16、呋喃、吡咯）的磺化、硝化。呋喃、吡咯）的磺化、硝化。（2）、亲电取代）、亲电取代（3氯吡啶）氯吡啶）（3硝基吡啶）硝基吡啶）（3吡啶磺酸）吡啶磺酸）亲电取代活性比苯差，一般发生在亲电取代活性比苯差，一般发生在位。位。 吡啶的亲电取代反应活性约为苯的百万分之一，相当于硝基苯，吡啶的亲电取代反应活性约为苯的百万分之一，相当于硝基苯，一般发生在一般发生在位。位。当环上有供电基，有利亲电取代，但活性仍低于相应的苯系化合物：当环上有供电基，有利亲电取代，但活性仍低于相应的苯系化合物： 5溴溴2氨基吡啶氨基吡啶 （3）、亲核取代）、亲核取代 把吡啶和氨基钠在把吡啶和氨基钠在N，N二甲基苯胺溶液中加热到二甲

17、基苯胺溶液中加热到110 ，吡啶环上，吡啶环上2位的氢负离子被氨基负离子取代，同时放出氢气，位的氢负离子被氨基负离子取代，同时放出氢气，叫叫Chichibabin reaction（齐齐巴宾反应）（齐齐巴宾反应） 和硝基氯苯相似，氯代吡啶也能发生亲核取代发应：和硝基氯苯相似，氯代吡啶也能发生亲核取代发应：（4）、氧化与还原）、氧化与还原4吡啶甲酸（异烟酸，雷米封中间体）吡啶甲酸（异烟酸，雷米封中间体）氧化吡啶，无色结晶，氧化吡啶，无色结晶，m.p.66 ， 溶于水溶于水吡啶环稳定，不易被氧化，吡啶同系物氧化发生在侧链。吡啶环稳定，不易被氧化，吡啶同系物氧化发生在侧链。用过酸氧化得氧化吡啶：用过

18、酸氧化得氧化吡啶：六氢吡啶（哌啶）六氢吡啶（哌啶） 2、嘧啶、嘧啶1，3二嗪二嗪 pyrimidine b.p 124 ， m.p 22.5 ， 有芳性。有芳性。吡啶和哌啶的衍生物在自然界和药物中广泛存在。吡啶和哌啶的衍生物在自然界和药物中广泛存在。吡啶比苯容易加氢，常温、常压下即可进行。吡啶比苯容易加氢，常温、常压下即可进行。 含有二个含有二个N原子的六员杂环，又叫二嗪（原子的六员杂环，又叫二嗪（diazines）。所）。所有的原子在同一平面，有的原子在同一平面，b.p.124 ， m.p.22.5 ，是一弱碱，是一弱碱（比吡啶弱），有芳性，共轭能比苯小。由于（比吡啶弱），有芳性，共轭能比苯

19、小。由于N原子的影响，原子的影响，只有在环上有羟基、氨基等活化基团时才能发生亲电取代。只有在环上有羟基、氨基等活化基团时才能发生亲电取代。四、稠杂环化合物四、稠杂环化合物 单杂环与苯环共用两个碳原子稠并，或两个单杂环共用单杂环与苯环共用两个碳原子稠并，或两个单杂环共用两个两个C原子稠并都成为稠杂环，重要的有：原子稠并都成为稠杂环，重要的有：尿嘧啶尿嘧啶 胸腺嘧啶胸腺嘧啶 胞嘧啶胞嘧啶 5氟尿嘧啶氟尿嘧啶 Uracil Thymine Cytosine 嘧啶的衍生物广泛存在于自然界，例如遗传物质核酸的组成嘧啶的衍生物广泛存在于自然界，例如遗传物质核酸的组成部分：尿嘧啶、胸腺嘧啶、胞嘧啶。部分：尿

20、嘧啶、胸腺嘧啶、胞嘧啶。5氟尿嘧啶可以干扰核酸氟尿嘧啶可以干扰核酸的功能和合成，用作抗癌药，的功能和合成，用作抗癌药，VB1含嘧啶环。含嘧啶环。喹啉喹啉 嘌呤嘌呤 吲哚吲哚 1、喹啉、喹啉 喹啉是液体，喹啉是液体，b.P 238 ，难溶于，难溶于H2O，易溶于有机溶剂，易溶于有机溶剂，是弱碱（碱性比吡啶弱），电子云密度：苯环是弱碱（碱性比吡啶弱），电子云密度：苯环吡啶环，吡啶环， 亲亲电取代在苯环电取代在苯环5、8位，亲核取代在吡啶位，亲核取代在吡啶2，4位。位。 （因为（因为SO3H体积大，体积大，和和4H干扰）干扰）3吡啶甲酸吡啶甲酸 2、嘌呤、嘌呤 喹啉氧化时生成喹啉氧化时生成3吡啶甲酸

21、：吡啶甲酸： 嘌呤由一个嘧啶环和一个咪唑环稠合而成，是水溶性固体，嘌呤由一个嘧啶环和一个咪唑环稠合而成，是水溶性固体， m.p 216 ，它既是一个弱碱（，它既是一个弱碱（PKa2.30），又是一个弱酸），又是一个弱酸（PKa8.97），其衍生物广泛存在于动、植物体内。），其衍生物广泛存在于动、植物体内。（1）尿酸）尿酸 存在于鸟类及爬虫类的排泄物中，人尿中也有少量，是二存在于鸟类及爬虫类的排泄物中，人尿中也有少量，是二元酸，但是酸性弱。元酸，但是酸性弱。（2）黄嘌呤）黄嘌呤存在于茶叶及动植物组织与人尿中：存在于茶叶及动植物组织与人尿中：（3）咖啡碱、茶碱、可可碱）咖啡碱、茶碱、可可碱 咖啡因咖啡因 茶碱茶碱 可可碱可可碱 都是黄嘌呤的甲基衍生物，存在于茶叶、咖啡、可可中，都是黄嘌呤的甲基衍生物，存在于茶叶、咖啡、可可中，有兴奋中枢神经的作用。有兴奋中枢神经的作用。（4）、腺嘌呤，鸟嘌呤。）、腺嘌呤，鸟嘌呤。 腺嘌呤腺嘌呤 鸟嘌呤鸟嘌呤3、吲哚、吲哚 m.p. 523吲哚甲醛吲哚甲醛 广泛存在于生物的核蛋白质中。广泛存在于生物的核蛋白质中。 吲哚环存在于包括一千多种吲哚生物碱的天然产物中，有许多吲哚环存在于包括一千多种吲哚生物碱的天然产物中，有许多重要生理活性。是无色晶体，重要生理活性。是无色晶体，m.p. 52，碱性极弱，亲电取代发，碱性极弱，亲电取代发生在生在3位。位。