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第17章杂环化合物17.1杂环化合物的分类和命名17.2杂环化合物的结构和芳香性17.3五元杂环化合物(呋喃、噻吩、吡咯、吲哚的结构及其化学性质)17.4六元杂环化合物(吡啶、喹啉、异喹啉的结构及其化学性质)17.5嘧啶、嘌呤及其衍生物在环上含有杂原子(非碳原子)的有机物称为杂环化合物。杂环化合物的简介1.脂杂环—没有芳香特征的杂环化合物OOOHNHNHNOOOHNOOOO(环氧乙烷)(氮杂环丙烷)OONHO(β-丙内酯)(β-丙内酰胺)四氢吡咯四氢呋喃OO哌啶四氢吡喃1,4-二氧六环(5-戊内酯)马莱酸酐丁二酰亚胺2.芳杂环—具有芳香特征的杂环化合物称为芳杂环NOSNHNNNHON呋喃噻吩吡咯吡啶O噁唑异噁唑NS噻唑NNH咪唑NHN吡唑NNNNNN哒嗪嘧啶吡嗪吲哚喹啉本章介绍的是具有不同芳香性的杂环化合物(简称芳杂化合物)•连续共轭•共平面•4n＋2电子•亲电取代•不易加成17.1杂环化合物的分类和命名按骨架分类：五元杂环、六元杂环；单杂环和稠杂环。SNHNNNH呋喃噻吩吡咯吡啶ONS噻唑NN嘧啶吲哚喹啉furanthiophenepyrrolepyridinethiazolepyrimidineindolequinoline1.音译名（同音汉字加“口”字旁）SNHN呋喃噻吩吡咯吡啶O(氧杂茂)(硫杂茂)(氮杂茂)(氮杂苯)苯N萘喹啉(氮杂萘)2.当作碳环芳香化合物的衍生，如：茂3.环上原子的编号顺序①从杂原子开始1,2,3,4…或用α,β,γ,δ…编号;OCH3CH32,5-二甲基呋喃α,α'-二甲基呋喃SCH33-甲基噻吩β-甲基噻吩2-呋喃甲醛α-呋喃甲醛2-乙酰基吡咯α-乙酰基吡咯3-吡啶甲酸β-吡啶甲酸NHCOCH32-乙酰基吲哚α-乙酰基吲哚OCHO12345αβαβ1NCOOH23456αβγNHCCH3O1234567αβ②不止一个杂原子，按O，S，N顺序编号；使杂原子位次之和最小NS45123H3C5-甲基噻唑NNH2345OCH313-甲基-1-苯基-5-吡唑酮NNH23451H3C4-甲基咪唑③含有两个或以上的相同杂原子的单杂环衍生物，编号从连有取代基(或氢原子)的那个杂原子开始，顺序定位，使另一个杂原子的位次保持最小：NHNN123451,2,3-三氮唑NNHN123451,2,5-三氮唑17.2杂环化合物的结构与芳香性ONHS吡咯X=O,S(1)五元杂环：闭合共平面的、连续共轭、五中心六电子饱和化合物C－C：0.154nm；C＝C：0.133nm；C－O：0.143nm；C－N：0.147nm；C－S：0.182nm；OSNH0.144nm0.135nm0.137nm0.142nm0.137nm0.171nm0.143nm0.137nm0.138nmδ:7.42δ:6.37δ:7.10δ:7.30δ:6.22δ:6.80离域能呋喃：67kJ/mol；吡咯：88kJ/mol；噻吩：117kJ/mol。键长、离域能、1HNMR总结：ONHS1.呋喃、噻吩、吡咯分子中所有的原子共平面；2.体系中含有6个π电子，符合休克尔4n+2规则，所以它们都具有一定的芳香性,可以发生亲电取代反应；3.由于环上的5个原子共享6个π电子，电子云密度比苯环大，发生亲电取代反应的速度也比苯快得多。呋喃、噻吩、吡咯的亲电取代反应*1取代反应主要发生在α-C上；+C效应为主，环上电子密度比苯大，称为多π芳杂环；亲电取代反应活性比苯高；亲电取代多发生在α-位。OSNHαβαβαβZZ=O,S,NH+EZEHZHEZEHZEHZEHZHEZHE√XEX=O,S,NH*3吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感，选择试剂要注意；*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，但在强亲核试剂存在下，能发生亲核加成。①电子密度②σ-络合物吸电子诱导：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*2亲电取代反应的活性顺序为：ONHS离域能呋喃：67kJ/mol；吡咯：88kJ/mol；噻吩：117kJ/molSNNNCH3CH3NONH3CCH3NHNNNHNNN下列化合物哪些具有芳香性？17.3五元杂环化合物17.3.1呋喃Oαβ存在于松木焦油中，为无色液体，难溶于水，易溶于有机溶剂。呋喃蒸气+盐酸浸泡过的松木松木反应，用于鉴定呋喃的存在。显绿色(1)呋喃的制备OCHOOCOOH+H2OZnO-Cr2O3-MnO2400~415oCO+CO2+H2Cu,喹啉△O+CO2α-呋喃甲醛的催化脱羰；α-呋喃甲酸的催化脱羧。(2)呋喃的化学性质O二噁烷,0oCBr2OBrBr2OBrBrCH3CONO2O-5~-30oCONO2C5H5N·SO3OSO3HNHClOSO3H(CH3)2C＝CH2ZnCl2,170oCOC(CH3)3(CH3CO)2OSnCl4或Et2O·BF3OCOCH3亲电取代加成反应O+OOOOOOODiels-Alder反应，[4+2]O+H2Ni100oC,5MPaO催化加氢17.3.2糠醛OHHOHOOHCHOHH(C5H8O4)nH2O12345OCHOH2SO4OCHO+H2NHOAc显红色可用来检验糠醛；糠醛可发生银镜反应。制法：浓NaOHOCO2NaOCH2OH+H2/Cu,铬铁矿100~200oCOCH2OHH2/Ni170~180oC7~10MPaOCH2OHO2/NaOHCu2O-HgO,55oC2O2,V2O5-TiO2-SiO2320~350oCOCO2NaOOO(CH3CO)2OCH3CO2KOCHCHCOOHOCHO17.3.3噻吩噻吩的制法：CH3H3C+4S600~650oCSHCCH2+SHCCH2+H2S180oCCO2NaNaO2CP2S3△CHOOHCP2S3S+靓红浓H2SO4△显蓝色用于噻吩的检验S噻吩的性质：不能发生[4+2]反应；不能氧化成砜和亚砜。SBr2SBrCH3CONO2OSNO2SSO3HCH3COClSCOCH3HOAcH2SO4,室温SnCl42H2,MoS2200oC,20MPaS浓HNO3SOO17.3.4吡咯吡咯的制法：NHAl2O3450oCO+NH3+NH3HCCH2高温吡咯蒸气(或乙醇溶液)+盐酸浸泡过的松木用于检验吡咯及其低级同系物的存在显红色吡咯的性质：(A)弱酸性NH+KOHNK+H2ONNNNN(B)取代反应NHI2NHICH3CONO2ONHNO2NaOHIII－10oCC5H5N·SO3HClNHSO3HN2ClNHNNNaOAc150~200oCNHCOCH3(60%)(CH3CO)2ONNa或NaOH(浓)PhCOClNCOPh(70%)NHNHNN卟吩NNNNH3CCH3CH2CH3CH3H3CHOCCH2CH2CH2CH2COHFeOONNNNH3CCH3CH2CH3CH3H3CC20H39OCCH2CH2MgOHOOCO血红素叶绿素A补充：五元杂环上取代基的定位效应α-位上有取代基时，吡咯、噻吩的定位效应一致，情况如下：α-取代呋喃在强亲电试剂的作用下易发生2,5-加成反应：ZG(邻,对)(主)(次)ZG(间)(主)(次)OG(邻,间,对)Z=NH,Sβ-位上有取代基时，呋喃、吡咯、噻吩的定位效应一致。ZG(邻,对)ZG(间)17.3.5吲哚NHNH12345671234567吲哚异吲哚NHNH2+RCR'CH2OHOAcNHR'R△NHNR'RHNHNHR'RNHNHHRR'NHR'RNH2HHNHR'R-NH4NH2NH2R'HRH3,3-σ迁移NHR'RNH3H费歇尔(Fischer)合成法醛、酮、酮酸、酮酸酯与芳肼在路易斯酸催化下加热。250oCNHNH2H3COCOOH+NHCOOHNH-CO2HOAc△NHNHG(o,p)NHG(o,p)NHG(m)NHG(m)吡咯环上有间位定位基时，亲电试剂进入苯环吲哚亲电取代反应定位规律17.3.5噻唑、吡唑及其衍生物NS噻唑弱碱性；电子密度比噻吩低，不易发生亲电取代NHN吡唑弱碱性；电子密度比吡咯低，还可以发生亲电取代17.4六元杂环化合物N0.140nm0.139nm0.134nmδ:8.50δ:6.98δ:7.36饱和化合物C－C：0.154nm；C＝C：0.134nm；C－N：0.147nm；C＝N：0.128nm；电子云密度比苯环小，发生亲电取代反应的速度也比苯慢。吡啶N+ENEHNEHNEHNEHNEHNEHNEHNEHNEHNEHNEHNEH不稳定不稳定√-I效应，环上电子密度比苯小，称为缺π芳杂环；亲电取代反应活性比苯低；亲电取代多发生在β-位；容易在α-位发生亲核取代反应。Nαβγ(A)碱性N+HClNHCl吡啶盐酸盐NNICH3300oC封管NHICH3NHICH3+CH3INSOOO(C5H5N·SO3,温和的磺化试剂)RCOClNCORCl(良好的酰化试剂)SO3(B)取代反应浮石(产率39%)Br2,300oCNNBrBr2,66％发烟H2SO4300oC,产率86％H2SO4350oC浓H2SO4,HgSO422oC(产率70％)NSO3H浓HNO3,H2SO4300oC,24h(产率86％)NNO2吡啶不能发生Friedel-Crafts反应。亲电取代亲核取代亲核取代反应使α,γ-活化。N+KOHClNOHN+NH3ClNNH2220oCαβγZnCl2N+NaNH2NNH2齐齐巴宾(Chichibabin)反应(C)氧化与还原NCH3KMnO4,OH△NCOOHNCH3+CH3COOHONO(氧化吡啶)NH2/Pt或Na/EtOHNH哌啶(六氢吡啶)NHOH3CCH2OHCH2OHNNCH3NHCH2CH2CH3维生素B6烟碱(尼古丁)毒芹碱NH3COCOCHPhCH2OH颠茄碱(阿脱品)17.4.2喹啉和异喹啉NN喹啉异喹啉H2CHCOHH2COHOH浓H2SO4-2H2OCCHCH2C6H5NH2NHCOHOHNHOHNHNHCOHH浓H2SO4H[O]N-H机理：+H2CHCOHH2COHOHN浓H2SO4PhNO2或As2O5△斯克洛浦(Skraup)合成法喹啉亲电取代，进入苯环的5，8-位（异环）Br2,H2SO40oCNNBrNBr+浓HNO3,浓H2SO4NNO2NNO2+浓H2SO4220oCNSO3HNaNH2,二甲苯H2O,100oCKMnO4H2,Pt,H2O,0.2MPa220oC100oCNNH2NCOOHCOOHNHH2,Pt,HOAc40oCNH12345678Ag2SO417.5嘧啶、嘌呤及其衍生物NNNNNHN嘧啶嘌呤DNARNA(A)(G)(C)(U)(T)RNA,DNA都含有杂环碱嘌呤嘧啶腺嘌呤鸟嘌呤胞嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶NNHNNHONNNNHNH2NH2NHNONH2NHNHOONHNHOOH3C