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第十六章杂环化合物【本章重点】呋喃、吡咯、噻吩和吡啶的结构与化学性质。【要求掌握】1.典型杂环化合物的命名方法。2.呋喃、吡咯、噻吩和吡啶的结构与芳香性。3.呋喃、吡咯、噻吩和吡啶的化学性质2第一节杂环化合物的含义、分类、命名一、定义：成环原子除碳以外，还有其它如O、N、S、P等杂原子的环状化合物，统称为杂环化合物。杂环化合物非芳香性杂环化合物,如：芳香性杂环化合物ONH、、内酯、环状酸酐等。重点讨论环为平面型，环内π电子数符合4n+2规则，具有一定芳香性的芳杂环化合物。二、杂环化合物的分类：杂环化合物单杂环五元杂环,如ONHS六元杂环,如N稠杂环苯环与单杂环稠并,如NHN两个以上单杂环稠并二、杂环化合物的命名1.母核命名音译法：ONHSNfuranpyrrolethiophenepyridine呋喃吡咯噻吩吡啶NHNindolequinoline吲哚喹啉在同音汉字左边+口字。11111112NHOSCH3CHOCOOH2-甲基吡咯2-呋喃甲醛3-噻吩甲酸NCOOHCOOH2,3-吡啶二甲酸αβααβαβ-甲基吡咯α-呋喃甲醛-噻吩甲酸α,β-吡啶二甲酸2.杂环及环上取代基的编号：(1)母体杂环的编号：单杂环杂原子编号为“1”。同时使取代基编号尽量小。也可用α、β、γ…编号。（2）当环上有不同杂原子时，按O→S→N的次序编号。若环上连有多个相同杂原子，连指示氢或取代基的优先。132NNHNONSimidazoleoxazolethiazole咪唑噁唑噻唑332211NNpyrimidine123嘧啶132NNHNONS5-甲基咪唑4-硝基噁唑4-甲基-5-(2'-羟乙基)噻唑332211CH3O2NHOCH2CH25544CH3例如：第二节杂环化合物的结构与芳香性一、杂环化合物为什么具有芳香性？CCCNCHCCCOCNHO未参与共轭π56富电子体系杂原子的孤对电子对可参与形成4n+2平面环闭共轭体系二、芳香性杂环与苯环的异同点(1)苯分子中的键长完全平均化，而五元杂环化合物分子中的键长只有一定程度的平均化。因此，五元杂环化合物的芳香性比苯差。芳香性次序：SNHO离域能：150.51178867kj/mol1、五元杂环化合物(2)五元杂环化合物是富电子体系，故环上的电子云密度比苯高，其亲电取代反应活性比苯大，尤其易发生在α-位。进行亲电取代反应的活泼性顺序是：SNHO杂原子的存在相当于在环上引入了―NH2、―OH、―SH等活化基团，从而使环活化。综上所述，五元、六元杂环化合物虽然都具有芳香性，但其环上的电子云密度是不同的，其电子云密度由高到低的顺序是：SNHON第三节五元杂环化合物的化学性质一、亲电取代反应ZZ=(NH、O、S)X2/低温X2=Cl2、Br2ZXCH3COONO2-5~-30C。ZNO2N+SO3-ZSO3NH+HClZSO3H(Z=NH、O)噻吩可直接用H2SO4磺化。ClCH2CH2Cl(CH3CO)2OSnCl4ZCOCH3特点：1、使用较为温和的试剂或反应条件。2、亲电取代反应发生在α-位二、五元杂环化合物亲电取代反应的定位规律以噻吩为例：(1)α-位上有取代基SX=o、p-定位基Ym-定位基X(主)(次)SY(主)(次)=5354SX=o、p-定位基Ym-定位基X(主)(次)SY(主)=2555-位被占,则进入4-位,而不进入2-位(2)β-位上有取代基三、常见的五元杂环化合物1.呋喃和糠醛呋喃为无色液体，难溶于水而易溶于有机溶剂，b.p为32℃。尽管呋喃在较温和的条件下就可发生亲电取代反应，但因其芳香性较弱，呋喃及其衍生物容易进行Diles-Alder反应和一般的亲电加成反应。OO==OO+30℃O==OOHHO+Br2CH3COOKCH3OHOHHBrBrCH3OHOHHCH3OOCH3呋喃在Ni催化下，易于加氢生成四氢呋喃——良好的溶剂和重要的有机合成原料。呋喃甲醛又称糠醛，是呋喃的重要衍生物。糠醛的化学性质与苯甲醛类似，可发生Cannizzaro反应、与含α-H的醛或酮的交错缩合反应等。糠醛是良好的溶剂和重要的有机合成原料。2.吡咯和吲哚吡咯为无色油状液体，b.p131℃，微溶于水，易溶于有机溶剂。吡咯的酸碱性：NH由于氮上的未共用电子对参与了共轭体系，难以与H+结合，故基本不显碱性(pkb=13.6)。然而，由于氮原子的吸电子作用，使得吡咯会显示出一定的酸性，但其酸性较弱，需在强碱下方可成盐。NH+KOH(NaNH2)NK(Na)+H2O(NH3)吡咯环不如苯环稳定，易被氧化。吡咯容易发生亲电取代反应，其反应活性与苯胺类似。如：NHI2+NaOHN2+ClNHIIIINHNN=(卤代)(偶合)吲哚系由苯环和吡咯环稠并而成，故又称苯并吡咯。吲哚仍具有芳香性，其亲电取代反应的活性比苯高，但比吡咯低。吲哚亲电取代反应发生在什么位置？吡咯环ß-位。NH苯环吡咯环1234567E+NHE+23+NH进攻C2进攻C3HE+NHHE+NHHE+3只有一个带有完整苯环的共振杂化体。有两个带有完整苯环的共振杂化体。14§16―4六元杂环化合物N2340.1390.1400.1340.1470.128单双吡啶环的键长虽也发生了较大程度的平均化，但C―N键变化很大，因此，其芳香性也比苯差。吡啶和苯虽然都属等电子体系，但因氮原子的电负性较大，从而使环上的电子云密度降低，故其亲电取代反应活性不但比苯差，且亲电取代反应发生在电子云密度较高的β-位。其特性类似于硝基苯。NδδδδδδαβγNHCH2COOHβ-吲哚乙酸一种植物生长促进剂一、吡啶的化学性质Nδδδαβγ碱性与成盐亲电试剂进攻部位亲核试剂进攻部位1.碱性与成盐：CH3NH2NH3NNH2pkb3.364.758.89.3NNHCH3≡CNNNHCH3≡CNsp3sp2sp吡啶环上有供电子基时将使碱性增强。如：NNHNHNHNHCH3CH3CH3a.b.c.d.++++酸性：a＞c＞b＞dpka5.175.795.686.02碱性：d＞b＞c＞a吡啶既然是一个碱，遇酸便形成稳定的盐。如果用非质子的硝化试剂、磺化试剂，或用卤素、卤代烷、酰氯与吡啶环进行反应，也将形成相应的吡啶盐：NNNO2+BF4Et2OHClSO3CH2Cl2Br2/CCl4CH3IPhCOCl石油醚NN+HNN+NO2NN+SO3NN+BrNN+CH3NN+PhCOClBF4Br+ICl2.吡啶环上的亲电取代反应如前所述，吡啶的亲电取代反应比苯困难，需在较强的条件下方可发生，且发生在β-位。NHNO3,H2SO4300℃NNO2NBrBr2300℃220℃NSO3HH2SO4,HgSO4显然，当吡啶环上连有供电子基团时，将有利于亲电取代反应的发生；反之，就更加难以进行亲电取代反应。NNO2CH3CH3HNO3,H2SO4100℃NCH3CH3吡啶的亲电取代反应所以发生在β-位，除用电子理论解释外，还可以用中间体的稳定性加以说明：NHE+NHE+NHE+N+E+NN+NHE+HE+HE特不稳定NNN+HE+HEHE特不稳定β位γ位进攻进攻进攻α位3.吡啶环上的亲核取代反应吡啶环的亲核取代反应主要发生在α-位和γ-位，被取代的可以是氢原子，也可以是易于离去的基团。如：NLiNNaNH2(-H2)NNHNaH2ONNH2NClCH3ONaNaOH,NOCH3NH3,ZnCl2220℃NNH2NBrBrNH3,H2O160℃NNH2Br二、常见的六元杂环化合物1.甲基吡啶α-甲基吡啶和γ-甲基吡啶吡啶同系物中以甲基吡啶最为重要，它有三个异构体：NNNCH3CH3CH3甲基吡啶的侧链甲基的活泼性与硝基甲苯中的甲基相似，具有一定的酸性。因此，在强碱的催化下可进行缩合反应，且主要发生在α-位和γ-位。如：NCH3CH2CH3NaNH2NCH2Na+CH2CH3CH3I(1mol)NCH2CH3CH2CH3NCH3C=O+NaNH2NCH2COH2.喹啉喹啉在常温下为无色油状液体，b.p238℃。与吡啶相似，具有弱碱性(pkb=9.15)。喹啉的许多衍生物在医药上具有重要意义，特别是抗疟类药物。喹啉及其衍生物通常用Skraup合成法来合成。CH2CHCH2OHOHOHH2SO4(-H2O)CHOCHCH2OH=H2NNHC=OHNHCHOHH2SO4NHC6H5NO2N若用邻羟基苯胺代替苯胺，则可制备8-羟基喹啉。OHNH2+CH2=CHCHOH2SO4邻硝基苯酚NOHN活化环有利于亲电取代反应的发生,且主要发生在5,8-位。钝化环有利于亲核取代反应的发生,且主要发生在2-位。(1)亲电取代反应NHNO3H2SO4NNNO2NO2+H2SO4220℃NSO3HNBr2,H2SO4AgSO4,NN+BrBrBr2,CCl4NBr在酸性条件下,杂环氮可接受质子,使环更加钝化。(2)亲核取代反应NNaNH2NNHNaH2ONNH2NPhNaNH2H2ONPhNH2(3)氧化反应NKMnO4NCOOHCOOHNCOOH