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、0、S等)的环状化合物 非芳香杂环如 杂环化合物 芳杂环(符合休克尔规则的杂环)如, 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
·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 , …… …… ,
§18-1杂环化合物的分类和命名 分类 五元环 杂环 元环〕 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心 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。 (pyrrole)(furan)(thiophene) (pyridine) 吡咯 呋喃 噻吩 吡啶 C心少 (pyrimidine)(quinoline (indole) 嘧啶 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α,B γ…)编号。 如杂环上不止一个杂原子时,则从0、S、N顺序依次编号。编号时杂原子的 位次数字之和应最小。 H3CN CH3 2-氨基4甲基噻唑吡唑1-甲基咪唑
·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
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。 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。 QQ 为∏5共轭体系 8g2 π电子 符合4n+2 具有芳性 富电子芳环 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∏。°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· §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
003 0.10 +0.20 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Ps 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( CH3 COONO2)作硝化 试剂,在低温下进 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 H Ni or Pd 四氢呋喃(THF) H2, Ni or Pd 四氢吡咯 H2, Ni 不能用Pd催化 因噻吩能Pd使中毒 3.呋喃、吡咯的特性反应 (1)呋喃易起D-A反应 ℃ 内式(90%) 外式
·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
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。 N上的未共用电子对 参与了环的共轭体系, 38×10 2.5×10 142×10 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 CH3CH2OH 1.3×10 1×10 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R而生成吡 咯卤化镁。 +KOH热。 +hO +RMX王乙酰门+o 吡咯钾盐和吡咯卤化镁都可用来合成吡咯衍生物 RCOCI KOH(固体) COR R 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