第十八章杂环化合物学习要求：1、掌握杂环化合物的分类和命名：2、掌握五元杂环化合物的结构和化学性质，了解它们的制法；3、掌握糠醛的性质，了解一些含五元杂环化合物的用途：4、掌握吡啶的结构和化学性质，了解一些含六元杂环化合物的用途：5、了解生物碱的一般性质和提取方法。杂环化合物是指组成环的原子中含有除碳以外的原子（杂原子一一常见的是N、O、S等）的环状化合物。非芳香杂环如NH杂环化合物二二芳杂环（符合休克尔规则的杂环）女如NN杂环化合物不包括极易开环的含杂原子的环状化合物，例如：CNH0O0O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。· 197
·197 · 第十八章 杂环化合物 学习要求： 1、掌握杂环化合物的分类和命名； 2、掌握五元杂环化合物的结构和化学性质，了解它们的制法； 3、掌握糠醛的性质，了解一些含五元杂环化合物的用途； 4、掌握吡啶的结构和化学性质，了解一些含六元杂环化合物的用途； 5、了解生物碱的一般性质和提取方法。 杂环化合物是指组成环的原子中含有除碳以外的原子(杂原子——常见的 是 N、O、S 等)的环状化合物。 杂环化合物不包括极易开环的含杂原子的环状化合物，例如： 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。 , O , , NH O O O O O O 杂环化合物 非芳香杂环 芳杂环（符合休克尔规则的杂环）如 如 O O NH N N H O , . . ,
s18-1杂环化合物的分类和命名分类五元环单杂环六元环杂环苯环与单杂环的稠合杂环（苯并杂环稠杂环两个或两个以上单杂环的稠合杂环二、命名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。NHOSN(pyrrole)(furan)(thiophene)(pyridine)噻吩吡咯呋喃吡啶NNZ之工(pyrimidine)(indole)(purine)(quinoline)啶喹啉吲哚嘌呤当环上有取代基时，取代基的位次从杂原子算起依次用1,2,3，…（或a，β，Y..)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。H3C4-N3NH2SCH3吡唑2-氨基-4-甲基噻唑1-甲基咪唑·198 ·
·198· §18-1 杂环化合物的分类和命名 一、 分类 二、命名 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。 N H O S N N N (pyrrole) (furan) (thiophene) (pyridine) (pyrimidine) N N N N H N N H (quinoline) (indole) (purine) 吡咯 呋喃 噻吩 吡啶 嘧啶 喹啉 吲哚 嘌呤 杂环 单杂环 五元环 六元环 苯环与单杂环的稠合杂环(苯并杂环) 两个或两个以上单杂环的稠合杂环 O S N H 稠杂环 N N N N N H N N S NH2 H3C 5 1 2 4 3 2-氨基-4-甲基噻唑 N H N 1 2 4 3 5 N N1 2 4 3 5 CH3 吡唑 1-甲基咪唑
s18-2五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。本节重点讨论呋喃、噻吩和吡咯，简单介绍一下噻唑、咪唑和吡唑。一、呋喃、噻吩、吡咯杂环的结构呋喃、噻、吡咯在结构上具有共同点，即构成环的五个原子都为Sp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8为IⅡI共轭体系元电子=6?符合4n+2SO具有芳性富电子芳环0?ZHH0二、呋喃、噻盼、吡咯的性质（一）存在与物理性质（二）光谱性质（三）化学性质1.亲电取代反应从结构上分析，五元杂环为Ⅱ，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：· 199
·199 · §18-2 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。本节重点讨论呋喃、噻吩和吡咯，简单介绍一下噻唑、咪 唑和吡唑。 一、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 sp 2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。 二、呋喃、噻吩、吡咯的性质 （一）存在与物理性质 （二）光谱性质 （三）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： O S N H S O N H Π 5 6 π 为 共轭体系 电子 = 6 符合 4n + 2 具有芳性 富电子芳环
0.040.020.060.100.030.06OS+ 0.32-+0.1+0.20五元杂环有芳香性，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》噻吩》苯，主要进入α-位。五元杂环吡咯、呋喃、噻吩的反应实例见P55556说明：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。卤代反应不需要催化剂，要在较低温度和进行。硝化反应不能用混酸硝化，一般是用乙酰基硝酸酯（CH3COONO2)作硝化试剂，在低温下进行。磺化反应呋喃、吡咯不能用浓硫酸磺化，要用特殊的磺化试剂一一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H2, Ni or Pd四氢呋喃（THF）H2, Ni or Pd四氢吡咯H2, Ni不能用Pd催化因噻盼能Pd使中毒3.呋喃、吡咯的特性反应()呋喃易起D-A反应O内式(90%)外式·200·
·200· 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。 五元杂环吡咯、呋喃、噻吩的反应实例见 P555~556 说明：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。 卤代反应 不需要催化剂，要在较低温度和进行。 硝化反应 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。 磺化反应 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 （1） 呋喃易起 D-A 反应 O S N H 0 0 0 0 0 0 + 0.1 - 0.03 - 0.02 + 0.20 - 0.06 - 0.04 + 0.32 - 0.10 - 0.06 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 O O O O + 30℃ O O O O O O O O + 内式 (90%) 外式
此略、噻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：门口N上的未共用电子对ZHNH参与了环的共轭体系，Kb3.8× 10-102.5× 10-142× 10-4减弱了与H的结合力。吡咯具有弱酸性，（其酸性介与乙醇和苯酚之间。OHCH,CH,OHN1× 10-18K, = 1.3× 10-101× 10-15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。热KOH+ H0NHN固体K千乙醚RMgXH,OZHNMgX吡咯钾盐和吡咯卤化镁都可用来合成吡咯衍生物。RCOCI1ACORNNHKOH（固体）CORNHNK*热RIRN-RZH· 201
·201 · 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，（其酸性介与乙醇和苯酚之间。 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。 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 N H KOH N K （固体） 热 RCOCl RI N COR N R N H COR N H R