课程名称：《有机化学B》第19周，第15讲次摘要第十七章杂环化合物17.1五元杂环化合物授课题目（章、节）17.2六元杂环化合物本讲目的要求及重点难点：【目的要求】1.掌握重要五元和六元杂环化合物的命名、结构2．掌握五元和六元杂环化合物的化学性质3.理解吡咯、吡啶的酸碱性。【重点】呋喃、噻吩、吡咯、吡啶及其衍生物的命名、结构、化学性质【难点】呋哺、噻吩、吡咯、吡啶及其衍生物的结构及芳香性内 容【本讲课程的引入】卧啉族化合物广泛分布与自然界。血红素，叶绿素都是含咯环的卧啉族化合物。在血红素中咯环络合的是Fe，叶绿素中卧咯环络合的是Mg。血红素的功能是运载输送氧气，叶绿素是植物光合作用的能源。1964年，Woodward用55步合成了叶绿素。1965年接着合成VB12，用11年时间完成了全合成。Woodward一生人工合成了20多种结构复杂的有机化合物，是当之无愧的有机合成大师。Woodward20岁获博士学位，30岁当教授，48岁时（1965年）获诺贝尔化学奖。本章学习此类化合物，及杂环化合物【本讲课程的内容】第十七章杂环化合物杂环化合物是指组成环的原子中含有除碳以外的原子(常见的是N、O、S等)的环状化合物。非芳香性杂环化合物，如：内酯、环状酸酐等。8Z杂环化合物芳香性杂环化合物
1 课程名称：《有机化学 B》 第 19 周，第 15 讲次 摘 要 授课题目（章、节） 第十七章 杂环化合物 17.1 五元杂环化合物 17.2 六元杂环化合物 本讲目的要求及重点难点： 【目的要求】 1． 掌握重要五元和六元杂环化合物的命名、结构 2． 掌握五元和六元杂环化合物的化学性质 3． 理解吡咯、吡啶的酸碱性。 【重 点】呋喃、噻吩、吡咯、吡啶及其衍生物的命名、结构、化学性质 【难 点】呋喃、噻吩、吡咯、吡啶及其衍生物的结构及芳香性 内 容 【本讲课程的引入】 卟啉族化合物广泛分布与自然界。血红素，叶绿素都是含卟咯环的卟啉族化合物。 在血红素中卟咯环络合的是 Fe，叶绿素中卟咯环络合的是 Mg。血红素的功能是运载 输送氧气，叶绿素是植物光合作用的能源。1964 年，Woodward 用 55 步合成了叶绿 素。1965 年接着合成 VB12，用 11 年时间完成了全合成。Woodward 一生人工合成了 20 多种结构复杂的有机化合物，是当之无愧的有机合成大师。Woodward 20 岁获博 士学位，30 岁当教授，48 岁时（1965 年）获诺贝尔化学奖。 本章学习此类化合物，及杂环化合物 【本讲课程的内容】 第十七章 杂环化合物 杂环化合物是指组成环的原子中含有除碳以外的原子(常见的是 N、O、S 等)的 环状化合物。 α δ β 1 2 3 4 5 7 6 8 γ NH N N HN 杂环化合物 非芳香性杂环化合物, 如： 芳香性杂环化合物 O N H 、 、 内酯、环状酸酐等
五元杂环，如TNH单杂环六元杂环，如N杂环化合物苯环与单杂环稠并，如NH稠杂环两个以上单杂环稠并本章我们只讨论芳香族杂环化合物。杂环化合物是一大类有机物，占已知有机物的三分之一。杂环化合物在自然界分布很广、功用很多。例如，中草药的有效成分生物碱大多是杂环化合物：动植物体内起重要生理作用的血红素、叶绿素、核酸的碱基都是含氮杂环：部分维生素，抗菌素；一些植物色素、植物染料、合成染料都含有杂环。17.1五元杂环化合物含一个杂原子的典型五元杂环化合物是呋喃、噻盼和吡咯。含两个杂原子的有噻唑、咪唑和吡唑。17.1.1、喃、噻吩、吡咯杂环的结构呋喃、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，其元电子数符合休克尔规则（元电子数=4n+2），所以，它们都具有芳香性。福C3C呋喃0.13610.136(0.143)0.1430吡咯0.13830.14170.1370(0.147)Z=O、NH、S噻吩0.14230.1714(0.182)0.1370C=CC-C0.1340.1542
2 本章我们只讨论芳香族杂环化合物。 杂环化合物是一大类有机物，占已知有机物的三分之一。杂环化合物在自然界分布很广、功 用很多。例如，中草药的有效成分生物碱大多是杂环化合物；动植物体内起重要生理作用的血红 素、叶绿素、核酸的碱基都是含氮杂环；部分维生素，抗菌素；一些植物色素、植物染料、合成 染料都含有杂环。 17.1 五元杂环化合物 含一个杂原子的典型五元杂环化合物是呋喃、噻吩和吡咯。含两个杂原子的有噻 唑、咪唑和吡唑。 17.1.1、呋喃、噻吩、吡咯杂环的结构 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。 杂环化合物 单杂环 五元杂环, 如 O N H S 六元杂环, 如 N 稠杂环 苯环与单杂环稠并, 如 N H N 两个以上单杂环稠并 C C C N C H C C C O C Z Z = O、NH、S 呋喃 吡咯 噻吩 Z C 0.136(0.143) 0.1361 0.1430 2 4 3 C2 C3 C3 C4 0.1370(0.147) 0.1383 0.1417 0.1714(0.182) 0.1370 0.1423 C=C C C 0.134 0.154
17.1.2、呋喃、噻吩、吡咯的化学性质1、亲电取代反应从结构上分析，五元杂环为I156共轭体系，电荷密度比苯大，如以苯环上碳原子的电荷密度为标准（作为0），则五元杂环化合物的有效电荷分布为：56.9986.2266.246.6887.1887.29ONH五元杂环有芳香性，但其芳香性不如苯环，因环上的元电子云密度比苯环大，且分布不匀，它们在亲电取代反应中的速率也比要苯快得多。亲电取代反应的活性为：吡咯>呋喃>噻盼>苯，主要进入α-位。吡咯、呋喃、噻吩的亲电取代反应，对试剂及反应条件必须有所选择和控制：（1）卤代。不需要催化剂，要在较低温度和进行；（2）硝化。不能用混酸硝化，一般是用乙酰基硝酸酯(CH3COONO2)作硝化试剂，在低温下进行；吡啶三氧（3）磺化。呋喃、吡咯不能用浓硫酸磺化，要用特殊的磺化试剂化硫的络合物，噻盼可直接用浓硫酸磺化。X/低温X2=Cl2Br2CH;COONO25~-30℃NO2HN-SO3HCN=(NH、O、S)SO3SO.HCICH2CH2CI(Z=NH、O)噻吩可直接用H2SO4磺化。(CH3CO)20SnCl4COCH32、加氢反应H2, Ni or Pd四氢呋喃（THF）H2,NiorPd四氢吡咯H2, Ni不能用Pd催化S因噻盼能Pd使中毒3、呋喃、吡咯的特性反应3
3 17.1.2、呋喃、噻吩、吡咯的化学性质 1、亲电取代反应 从结构上分析，五元杂环为 Π5 6 共轭体系，电荷密度比苯大，如以苯环上碳原子 的电荷密度为标准（作为 0），则五元杂环化合物的有效电荷分布为： 五元杂环有芳香性，但其芳香性不如苯环，因环上的 π 电子云密度比苯环大，且 分布不匀，它们在亲电取代反应中的速率也比要苯快得多。亲电取代反应的活性为： 吡咯 > 呋喃 > 噻吩 > 苯，主要进入 α-位。吡咯、呋喃、噻吩的亲电取代反应，对 试剂及反应条件必须有所选择和控制： （1）卤代。不需要催化剂，要在较低温度和进行； （2）硝化。不能用混酸硝化，一般是用乙酰基硝酸酯(CH3COONO2)作硝化试剂， 在低温下进行； （3）磺化。 呋喃、吡咯不能用浓硫酸磺化，要用特殊的磺化试剂——吡啶三氧 化硫的络合物，噻吩可直接用浓硫酸磺化。 2、加氢反应 3、呋喃、吡咯的特性反应 O N H S H2 , Ni or Pd H2 , Ni or Pd H2 , Ni O N H S 四氢呋喃 四氢吡咯 ( THF ) 不能用 催化 因噻吩能 使中毒 Pd Pd S N H O δ δ 6.99 δ 6.22 δ 6.24 7.18 δ 6.68 δ 7.29 Z Z= ( NH、O、S ) X2 / 低温 X2=Cl2、Br2 Z X CH3COONO2 -5 ~ -30 C 。 Z NO2 N + SO3 - Z SO3 N H + HCl Z SO3H ( Z = NH、O ) 噻吩可直接用 H2SO4 磺化。 ClCH2CH2Cl (CH3CO)2O SnCl4 Z COCH3
（1)、呋喃易起D-A反应OO内式(90%)外式吡咯、噻盼要在特定条件下才能发生D-A反应。（2)、吡咯的弱酸性和弱碱性吡咯虽然是一个仲胺，但碱性很弱。-NH2原因：1N上的未共用电子对ZHZH参与了环的共轭体系，Kb3.8x10-102.5×10-142×10-4减弱了与H的结合力。吡咯具有弱酸性，其酸性介于乙醇和苯酚之间。OHCH3CH2OHZH1x10-151×10-18K = 1.3× 10-10故吡咯能与固体氢氧化钾加热成为钾盐，与格式试剂作用放出RH而生成吡略卤化镁。热KOH-+ H20NN固体一KRMgX千乙醚H,0NMgX吡咯钾盐和吡咯卤化镁都可用来合成吡咯衍生物
4 （1）、呋喃易起 D-A 反应 吡咯、噻吩要在特定条件下才能发生 D-A 反应。 （2）、吡咯的弱酸性和弱碱性 吡咯虽然是一个仲胺，但碱性很弱。 吡咯具有弱酸性，其酸性介于乙醇和苯酚之间。 故吡咯能与固体氢氧化钾加热成为钾盐，与格式试剂作用放出 RH 而生成吡咯卤 化镁。 吡咯钾盐和吡咯卤化镁都可用来合成吡咯衍生物。 O O O O + 30℃ O O O O O O O O + 内式 (90%) 外式 N H N H NH2 Kb 3.8×10 -10 2 10 -4 2.5 10 -14 × × 原因： 上的未共用电子对 参与了环的共轭体系， 减弱了与 的结合力。 N H N H OH Ka = 1.3×10 -10 1 10 -18 1 10 -15 × × CH3CH2OH N H + KOH N K + H2O 固体 热 N H + RMgX N + H2O MgX 干乙醚
RCOCI△1CORNZHKOH（固体）CORN之个x热RI-NNHRRCOCICORZZHRMgXCORNN千乙醚MgXRIN-RZI17.1.3、重要的五元杂环衍生物17.1.3.1、糠醛（α-呋喃甲醛）1、制备由农副产品如甘蔗杂渣、花生壳、高梁杆、棉子壳....用稀酸加热蒸煮制取。HO-CH-CH-OH3~5%H,SO4稀H,SO4(C,Hg04)nCH2 CH-CHOCHO△水蒸气OHOH戊糖多聚戊糖呋喃甲醛2、性质（1）、氧化还原反应Cu0,Cr203-CH2OH150℃,10MPa?KMnO4弱碱性CHOCOOHV205-Mo0+ CO2+H2OO2.320℃（2）、歧化反应浓碱CH,OH-CHOCOOHO（3）、羟醛缩合反应4
5 17.1.3、重要的五元杂环衍生物 17.1.3.1、糠醛（α- 呋喃甲醛） 1、制备 由农副产品如甘蔗杂渣、花生壳、高粱杆、棉子壳.用稀酸加热蒸煮制取。 2、性质 （1）、氧化还原反应 （2）、歧化反应 （3）、羟醛缩合反应 N H KOH N K （固体） 热 RCOCl RI N COR N R N H COR N H R N H RMgX N MgX 干乙醚 RCOCl RI N COR N R N H COR N H R (C5H8O4 )n 3~5%H2SO4 HO CH CH OH CH2 OH CH CHO OH 稀 H2SO4 CHO 多聚戊糖 戊糖 呋喃甲醛 水蒸气 O CHO KMnO4 弱碱性 CuO, Cr2O3 150 ℃,10MPa V2O5 - MoO O2, 320 ℃, O CH2OH O COOH O O O + CO2 + H2O O CHO O CH2OH O COOH 浓碱 +