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第十四章杂环化合物主要内容第一节杂环化合物的分类和命名第二节六元杂环化合物第三节五元杂环化合物第一节杂环化合物的分类和命名1、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)(β-丙内酯)(β-丙内酰胺)(顺丁烯二酸酐)(氧杂)(1H-氮杂)OHN(环氧乙烷)OONHOOOOONH（一）分类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OSNHNONSNNHNNHNNNONHNNNNNHN(二)命名命名原则:杂环的命名常用音译法，是按外文名词音译成带“口”字旁的同音汉字。当环上有取代基时，取代基的位次从杂原子算起依次用1,2,3,…(或α,β,γ…)编号。如杂环上不止一个杂原子时，则从O、S、N顺序依次编号。编号时杂原子的位次数字之和应最小。五元杂环五元杂环苯并体系O1234567S1234567NH1234567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)O1234αβ5S1234αβ55NH1234αβ实例:Nαβ123456γOαβ123456γ123456OO123456OONN123456123456NN123456NN六元杂环吡啶(pyridine)吡喃(pyran)γ-吡喃酮(γ-pyrone)α-吡喃酮(α-pyrone)哒嗪(pyridazine)嘧啶(pyrimidine)吡嗪(pyrazine)N12345678N1234567812345678OOONNNHN123456789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)六元杂环苯并环系(一)吡啶共轭效应和诱导效应都是吸电子的孤电子对在sp2杂化轨道上。结构：吡啶N是sp2杂化，孤电子对不参与共轭。反应：碱性较强。环不易发生亲电取代反应但易发生亲核取代反应。发生亲电取代反应时，环上N起间位定位基的作用。发生亲核取代反应时，环上N起邻对位定位基的作用。1电子结构第二节六元杂环化合物2物理性质氮原子的电负性较大,使吡啶有较大极性,其偶极距数值较大.NNH=2.20D=1.17D吡啶能与水以任意比例混溶,又能溶解大多数极性或非极性有机化合物,甚至许多无机盐类,是一个良好的溶剂。3碱性吡啶N是sp2杂化，孤电子对不参与共轭，可以与质子结合或给出电子，显弱碱性。利用它的碱性，可从混合物中分离吡啶类化合物，在化学反应中还可用作催化剂和除酸剂。4化学反应(1)氮原子上的反应N+HClNHClNNH3N+SO3CH2Cl2NSO3(90%)此反应常用于在反应中吸收生成的气态酸室温吡啶三氧化硫络合物是常用的缓和磺化剂NNNRIRI300℃INI+RROHNNRROH制取烷基吡啶的一种方法(2)亲电取代反应吡啶环上氮原子为吸电子基，故吡啶环属于缺电子的芳杂环，和硝基苯相似。其亲电取代反应很不活泼，反应条件要求很高，不起傅-克烷基化和酰基化反应。亲电取代反应主要在β-位上。NNClNBrNNO2NSO3H℃Cl2,AlCl3Br2,H2SO4HgSO4100300℃浮石催化气相浓220℃混酸300℃催化，氯吡啶溴吡啶硝基吡啶吡啶磺酸3333•由吡啶的共振式分析:NNNNNN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NEa位NENENEHHH-H+NE正电荷在电负性大的原子上,不稳定2.取代在b位3.取代在位E位NNEHNEHNEH正电荷在电负性大的原子上,不稳定中间体较为稳定实验事实：钝化和b取代N发烟H2SO4发烟HNO3/无反应发生发烟H2SO4发烟HNO3/NNO2取代在b位N(CH3)3发烟H2SO4发烟HNO3/N(CH3)3NO2起吸电子基作用300oC/24h其它反应现象NNSO3HNBr浓H2SO4/HgSO4220oC300oCBr2/浮石无反应发生Friedel-Crafts反应环上有给电子基时反应相对较易进行(3)亲核取代反应NNNH2+NaNH2H2NH3或PhNMe2NPhLiNPhO2orPhNO2,(氧化)取代主要发生在a位当a或位有其它离去基团时，反应易发生NClNOHNaOHNHOa-吡啶酮异构化NClNOHCl-ClNOHOHNHO（仍有芳香性）NNH2(1)NaNO2,HCl(2)H2O,NOHNHO异构化NNaNH2机理：其他制备a-吡啶酮的方法(4)氧化和还原反应•氧化在侧链上•氧化在N上复习：叔胺的氧化吡啶的类似反应•N-氧化吡啶的性质：比吡啶易与亲电试剂或亲核试剂反应NO发烟HNO3发烟H2SO490oCNONO2主要产物NNO2POCl3+PCl3(a)与亲电试剂的亲电取代(b)与亲核试剂的亲核加成为什么N-氧化吡啶既有亲电性又有亲核性(a)由共振结构分析（有两种形式的共振式）NONONONOO有苯氧基负离子特点，环上的2,4,6三个位置负电荷密度较大保留吡啶的特点，氧负离子使环上的正电荷密度增大(b)由反应过程分析（中间体的稳定性分析）亲电取代及进一步的反应过程NONOHNO2NOHNO2满足八隅体NONO2-H+NONO2PCl3NNO2+OPCl3NO2PCl3对比：吡啶的直接亲电取代不稳定(二）喹啉和异喹啉喹啉和异喹啉：N喹啉12345678N12345678异喹啉1结构与物理性质：结构：*杂环部分性质象吡啶(碱性和亲和性、亲电取代、亲核取代、氧化反应、还原反应、支链上的反应)*碳环部分性质象萘(亲电取代及其取代定位作用)碱性强弱：喹啉＜吡啶＜异喹啉喹啉在常温时是无色油状液体，有类似吡啶的恶臭，沸点238℃，异喹啉为低熔点的固体，气温类似于苯甲醛，熔点26℃，沸点243℃。物理性质：（1）亲电取代反应:反应产物受介质的影响。若反应在酸性介质中进行，取代主要在苯环上发生。喹啉主要发生在C-5与C-8位，而异喹啉以C-5产物为主。NHO3S(54%)N浓H2SO4,220℃烟H2SO4,90℃或发NSO3H浓H2SO4300℃ 重排若反应在有机溶剂中进行，取代在杂环上发生。2化学反应NEE5-位8-位NENE*两个主要的共振式*保留一个芳香环NENENE两中间体稳定性相差不大从反应中间体的稳定性解释反应结果：（2）亲核取代反应亲核取代反应主要在吡啶环上发生，喹啉的反应位置在2位和4位(2位为主)，异喹啉在1位；NN实例：（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：NCH2[O]?100℃NKMnO4水溶液HOOCHOOCNNHKMnO4水溶液OONHOOCHOOCNCOOHCOOH+KMnO4,OH-*3喹啉与异喹啉在过酸的作用下均可形成N-氧化物。NRCO3HNORCO3HNNO（4）还原反应H2/NiNNHorI2Hg(OAc)2,130℃NNH2,Pt,AcOH,40℃NHNH+HHHH反十氢喹啉顺十氢喹啉3喹啉及其衍生物的合成1斯克劳普(Skraup,Z.H.)反应：苯胺、甘油、硫酸和基苯等氧化剂一起作用，生成喹啉的反应称为斯克劳普反应。实例(73%)NH2+CH2=CHCCH3OZnCl2FeCl3NCH3100℃浓H2SO4NH2+2CH3CHONCH3(32%)eg2eg1eg4eg3H+,氧化剂NH2(主)H3CO+CHOHCH2OHCH2OHNH3CO甘油NH2NO2H3CONH3CONO2NHH3CONO2氧化剂2弗里德伦德(Friedlander)反应：180℃哌啶(80%)NH2CCH3O+OPhHHNCH3Ph100~110℃(90%)NH2CCH3OHClOHH+NCH3eg1eg2芳香族邻氨基羰基化合物发生缩合反应，得到喹啉或它的衍生物，这称为弗里德伦德反应。(三）含二个氮原子的六元杂环含有两个氮原子的六元杂环体系称作二嗪类，因氮原子在环中的相对位置不同，二嗪类有三种异构体：哒嗪、嘧啶、吡嗪。NN123456123456NN哒嗪(pyridazine)嘧啶(pyrimidine)吡嗪(pyrazine)123456NN1结构与物理性质•二嗪类环上的两个氮原子，其电子构形与吡啶中的氮原子相同，各有一对未共用电子对，位于sp2杂化轨道上，能与水经氢键缔合。哒嗪与嘧啶因结构的不对称性，分子有一定的极性，可与水混溶，吡嗪因分子极性小而水溶性略小。•二嗪类化合物都是一元碱,而且碱性都比吡啶弱.2化学反应（1）.亲电取代反应NHNCl-+Br2160oCNNBr66%NNCH3Cl2，CCl440oCNNClCH367%NNNH2Br280oC41%NNNH2BrNNNH2NH2NNNH2NNClN2+ClH2ONNOHH3COHHNO3,HOAc20oCNHNHOOH3CNHNHOOH3CO2N85%反应最易在2位发生，其次是4,6位NNCH3NaNH2130-160℃NNCH3NNCH3NH2H2N+取代卤素要比取代负氢更容易NNClClNH3100℃NNNH2NNClCl+NH2NH3160℃NNNH2NH2（2）.亲核取代反应利用亲核取代反应可制取烃基取代的二嗪。NNKMnO4NLiNHC4H9-n+CH3CH2CH2CH2Li乙醚丙酮NNC4H9-n二嗪不易被氧化。若用过酸氧化，得嘧啶单N-氧化物NNNNOH2O2AcOH（3）氧化（4）侧链α-H反应NNCH3H3CCH3NNCH3H3CCH=CHPhPhCHOZnCl2NNCH=CHPhPhCH=CHCH=CHPh2PhCHOZnCl2羟醛缩合型NNCH2CH3H3CCH3CH3I烷基化反应PhLiNNCH2LiH3CCH3NNCH3H3CCH3吡喃环系H+OOOOH吡喃及其衍生物无芳香特性吡喃酮的钅羊盐是芳香体系。(四)含氧原子的六元杂环(一)呋喃、噻吩、吡咯的结构(二)吲哚(三)含两个杂原子的五元杂环第三节五元杂环化合物吡咯的结构孤电子对在p轨道上。吡咯结构：吡咯N是sp2杂化，孤电子对参与共轭。反应：碱性较弱，环易发生亲电取代反应，环上相当有一个邻对位定位基。NNH共轭效应是给电子的。诱导效应是吸电子的。(一)呋喃、噻吩、吡咯的结构呋喃、噻吩的结构请同学自己分析。1电子结构及芳香性呋喃、噻吩、吡咯在结构上具有共同点，即构成环的五个原子都为sp2杂化，故成环的五个原子处在同一平面，杂原子上的孤对电子参与共轭形成共轭体系，其π电子数符合休克尔规则（π电子数=4n+2），所以，它们都具有芳香性。2物理性质都能溶于有机溶剂,水溶解度都小于六元杂环吡啶溶解度顺序为：吡咯﹥呋喃﹥噻吩吡咯几乎不显碱性,相反具有弱酸性3呋喃、噻吩、吡咯化学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）质子化反应主要发生在C-2上；NHHHNHNHHHNHHH+H+H+α-C质子化β-C质子化N-质子化•质子化反应（3）由于α-C的质子化反应，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。OOHHOOHOH2OHOHOOH2SO4-H2OHOAc,△90%H2O-H+呋喃、噻吩、吡咯的亲电取代反应*1亲电取代反应的活性顺序为：吸电子诱导：O(3.5)N(3.0)S(2.6)给电子共轭：NOS综合：N贡献电子最多，O其次，S最少ONHSNHEHNHEHNHEHEHEHEH①电子密度②σ-络合物八隅体结构最稳定无最稳定结构（1）概述*2取代反应主要发生在α-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；*4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