1,第十三章 杂环化合物,2,本章讲授提要,第一节 杂环化合物的定义、分类、和命名,第二节 单杂环化合物的结构和芳香性,第三节 五元杂环化合物,第四节 六元杂环化合物,3,概 述,杂环化合物广泛地存在于自然界，是有机化合物中数目最庞大的一类。邢其毅先生在给花文廷杂环化合物一书的序言中写到：杂环化合物占有机化合物总数的65%，论文占有机化学的13.。,生物体内具有重要生理功能的两大色素：血红素和叶绿素具有杂环；,对生物的生长、繁殖、遗传、变异起决定性作用的核酸具有杂环；,4,此外，天然和人工合成的大多数色素、酶、染料、某些助剂，一些特殊的高分子材料以及人类赖以生存所必须的、大量的医药、农药也含有杂环。因而杂环化合物在发达国家受到了化学家们的普遍重视。,第一节 杂环化合物的 定义、分类、和命名,一、定义,从广义上来讲，组成环状化合物的原子除碳外，还有其它的原子时，这样的化合物就叫杂环化合物。但习惯上不是如此。如：,5,环氧乙烷,-丁酸内酯,-丁内酰胺,马来酸酐,这些化合物中虽然含有杂原子，但不稳定易开环，性质类似于开链化合物（脂杂环）。习惯上认为的杂环化合物是：,定义：含有杂原子，具有芳香性或一定程度稳 定性的环状化合物叫杂环化合物（芳杂 环）。,具有相应醚、酯、酰胺、酐的性质,6,二、分类,1.按分子内所含环的数目分：,单杂环,稠杂环,CHO,呋喃甲醛,咪唑,喹啉,吲哚,7,2.按杂环的大小分,五元杂环：,CHO,六元杂环：,呋喃甲醛,噻吩,吡啶,哒嗪,8,含一个杂原子,呋喃 吡咯 噻吩,含多个杂原子,噁唑 咪唑 噻唑,异噁唑 吡唑 异噻唑,3.按杂原子数目多少分,9,4.按杂原子的不同分,氧杂环：,硫杂环：,氮杂环：,COOH,H3C,CH3,呋喃,呋喃甲酸,，二甲基呋喃,噻吩,吡咯,吡啶,10,三、命名,杂环化合物的命名现在普遍采用的方法是：,英文名称的音译 + 口字，表示环状化合物。,2）对于只含一个杂原子的化合物，编号除用阿拉伯,数字外也可以使用希腊字母；,3）对于含有两个或两个以上杂原子的化合物，为了避免,引起混乱只能用阿拉伯数字编号，而不能用希腊字母。,4）当含有的杂原子不同时编号的顺序是,命名时的编号原则是：,1） 使杂原子的位次尽可能小；,11,唑的命名,原子是氮时，则该杂环化合物称为唑。,含有两个杂原子的五元杂环，若至少有一个杂,呋喃(furan),吡咯(pyrrole),噻吩(thiophene),含一个杂原子的五元杂环,吡唑 (pyrazole),咪唑 (inidazole),噻唑 (thiazole),噁唑 (oxazole),12,六元杂环化合物,吡啶 (pyridine),哒嗪 (pyridazine),嘧啶 (pyrimidine),吡嗪 (pyrazine),吡喃 (pyran),-吡喃酮 (-pyrone),-吡喃酮 (-pyrone),13,5甲基咪唑,4溴噻唑,例：,14,稠杂环化合物,喹啉 (quinoline),异喹啉 (isoquinoline),嘌呤 (purine),吲哚 (Indole),15,16,第二节单杂环化合物的结构和芳香性,一、五元单杂环,物理方法证明：呋喃、噻吩、吡咯都是平面结构，环上所有原子都是SP2 杂化，各原子均以SP2 杂化轨道重叠形成键。,碳未杂化的 P 轨道中有一个电子，杂原子的 P 轨道中有一对电子，P 轨道互相平行重叠，形成闭合的共轭体系。,17,符合休克尔 4 n + 2 规则，故三个杂环均具有芳香性,体系中 电子数： 4 + 2 = 6,18,1. 键长 分子中键长平均化，但不如苯完全平均，芳香性较苯差，有一定的不饱和性及环不稳定性。,2. 杂原子 有一对电子共轭，有给电子性能，其作用相当环上连有-OH，-SH，-NH2等给电子基，易在-位发生亲电取代反应。,3. 杂原子给电子能力： S N O (电负性顺序相反),三种杂环具有一定程度的芳香性，杂原子电负性大小：,所以：芳香性与稳定性:,O (3.5) N (3.0) S (2.5),电子密度： 杂环 苯环 稳 定 性 ： 杂环 苯环 芳 香 性： 杂环 苯环 反 应 活 性： 杂环 苯环,芳香性最差的呋喃表现出一定共轭二烯性质，能发生双烯加成反应（比如和顺丁烯二酸酐加成）。,20,二、六元单杂环吡啶,共轭效应和诱导效应都是吸电子的,孤电子对在sp2杂化轨道上。,结构：吡啶N是sp2杂化，孤电子对不参与共轭。 反应：碱性较强。环不易发生亲电取代反应但易发生亲核 取代反应。发生亲电取代反应时，环上N起间位定 位基的作用。发生亲核取代反应时，环上N起邻对 位定位基的作用。,=2.20D =1.17D,21,氮上未成键电子对未参与共轭，因此具有碱性。,吡啶环上的N 以SP2 杂化成键。一个P 电子参与共轭， 形成具有6个P 电子的闭合的共轭体系，具有芳香性。,这是由于杂环上氮原子作用不同，吡啶环上的N 是吸 电子作用。（电负性 N C ），在发生亲电取代反应时比苯难。（相当于环上有一个吸电子基）,吡咯环上的N 把电子转移给环，亲电取代反应时比苯容易（相当于环上有一个供电子基）,22,第三节 五元杂环化合物,一、化学性质,23,2、呋喃、吡咯、噻吩在酸性条件下都可 发生质子化。吡咯在强酸作用下会发生聚 合生成吡咯红；呋喃在稀酸水溶液中质子 化发生在氧上，会导致开环反应发生。相 对来说噻吩对于酸比较稳定。,1、呋喃、吡咯、噻吩对氧化剂都敏感， 遇到氧化剂时环都很容易被破坏。,五元杂环的反应有两点需要注意：,24,1. 亲电取代反应,亲电试剂进攻发生在- 位和- 位，而- 位更容易些。,呋喃、噻吩、吡咯能像苯一样发生一系列芳香族化合物的特征反应，由于它们是富电子杂环，所以比苯更容易发生亲电取代反应。,25, 卤代反应,像苯酚和苯胺一样，吡咯、呋喃、噻吩很容易发生卤代反应。 氯代、溴代不但不需催化剂，而且为避免多取代物，往往采用温和条件，如用溶剂稀释和采用低温。,吡咯反应活性最大，在低温下进行，一般得多卤产物。,呋喃与 Br2 反应也很激烈，在 0 与 Br2在二氧六环存在下反应得一溴代产物，与 Cl2 在 40 下反应得混合产物。,26,噻吩溴化可在室温下进行，得一溴代产物。, 硝化反应,五元杂环化合物与硝酸（强氧化剂）反应，得不到预期产物，而是芳环被破坏。因此它们硝化反应必须在温和条件下，采用弱硝化剂乙酰硝酸酯。,27,呋喃, 噻吩和吡咯易氧化, 一般不用硝酸直接硝化; 通常用比较温和的非质子硝化试剂，如：硝酸乙酰酯，反应在低温下进行。,28, 磺化反应,吡咯、呋喃不能直接用硫酸磺化，因为它们在浓硫酸中不稳定，会发生聚合，通常用一种温和的磺化剂 吡啶三氧化硫进行磺化。,29,从煤焦油中提取的苯（b.p.80）含有少量（0.5%）噻吩（ b.p.84 ）很难用分馏的方法将它们分开，由于噻吩比苯活泼，故可在常温下用浓硫酸一起振摇，噻吩比苯容易磺化，生成的噻吩-2-磺酸溶于硫酸中，然后分离除去。,噻吩比较稳定，既可以用硫酸在室温下直接磺化（产率稍低），也可以用温和的磺化试剂磺化。,30, 傅克酰基化反应,五元杂环化合物酰化时，需要在较温和催化剂甚至不用催化剂即可反应。,吡咯不用催化剂可以直接酰化。,呋喃与酸酐或酰氯在催化剂作用下发生酰基化反应。,噻吩酰化反应要用磷酸或氯化锡作催化剂。,31,呋喃、噻吩、吡咯进行烷基化反应很难得到一烷基取代物，往往生成混合的多烷基取代物，甚至不可避免地产生树脂状物质，因此用途不大。,2. 加成反应,呋喃、噻吩、吡咯分子中都有一个顺丁二烯型结构， 因此它们又具有不饱和性质，用共振能值来衡量。它们的稳定性和不饱和性有如下顺序：,32,加成反应是标志化合物不饱和性的最典型反应，它们能像环戊二烯分子一样催化加氢生成相应的饱和化合物。,33,呋喃由于芳香性最小，环的稳定性也较低，能发生双烯合成。,二、重要的五元杂环化合物,1. 呋喃和糠醛,34,糠醛（- 呋喃甲醛）,（1）制备,由米糠、甘蔗渣、高粱杆、玉米芯、花生壳等与酸共热、蒸馏制取。,35,（2） 性质及用途,糠醛是无色透明液体，沸点161.7,在空气中逐渐变为黄棕色，能溶于醇、醚及其它有机溶剂中，糠醛本身是一个良好的溶剂，在工业上有广泛的用途，常用于精炼石油、精制松香、溶解硝酸纤维等，在有机合成工业上也很重要，是油漆、树脂工业的重要原料。,糠醛与苯甲醛具有类似结构，表现出无-H的醛的性质。,36, 歧化反应（康尼扎罗）,失羰成呋喃,37,吡咯的弱碱性、弱酸性,吡咯表面上是个仲胺，但实际上吡咯是一个很弱的碱，碱性比苯胺弱得多，它只能慢慢地溶解在冷的稀酸溶液中。,2. 吡咯和吲哚,38,吡咯的弱酸性：,苯酚 吡咯 乙醇 氨,Ka 1.310-10 10-15 10-18 10-35,吡咯可将格氏试剂分解，说明分子中有酸性氢。,39,吡咯成盐后使环上电荷密度增高，亲电取代反应更易进行。,2甲基吡咯（Williamson法）,2乙酰基吡咯 （成酯反应）,吡咯甲酸 （柯尔伯施密特）,吡咯甲醛 （瑞穆尔悌曼）,吡咯偶氮苯,40,吲哚,吲哚存在于煤焦油中，为无色片状结晶，熔点52.5，具有极臭的气味，与-甲基吲哚共存于粪便中。但纯吲哚 的极稀溶液有愉快香气，可制香精。,吲哚由吡咯与苯环稠合而成，可以看成是吡咯的烃基衍生物，化学性质与吡咯相似，但比吡咯稳定。：1）具有弱碱性；2）松木片反应呈红色；3）N原子上的H能被活泼金属取代；4）吲哚环也能起亲电取代反应，所不同的是取代基进入-位，而吡咯则优先进入-位。,41,3溴吲哚,3硝基吲哚,吲哚3磺酸,吲哚是苯并吡咯其性质与吡咯类似，但其碱性比吡咯弱；亲电取代反应活性比吡咯略低，但比苯高。吲哚的亲电取代反应主要发生在位。,42,吲哚主要衍生物：,43,第四节 六元杂环化合物,吡啶的性质,吡啶是一个无色有恶臭的液体，沸点115.5 ，与水及 许多有机溶剂如乙醇、乙醚等混溶，它是良好的溶剂。,吡啶的化学性质体现在芳环的取代反应（包括亲核、亲电）及氮上未成键电子对的碱性及亲核性上。, 碱性和亲核性,吡啶分子中氮原子的SP2杂化轨道上有一对未共用电子，这对电子不参与环的共轭，它像叔胺一样这对电子可以接受质子，具有碱性。但碱性弱于叔胺，强于吡咯。,一、吡啶,44,碱性：叔胺 吡啶 吡咯,吡啶氮原子还可以作为亲核试剂与R-X、Br2等亲核 试剂反应形成吡啶盐,45, 亲电取代反应,吡啶是缺电子芳杂环，由于氮原子的吸电子作用，降低环上碳原子密度，它的亲电取代反应似硝酸苯。,与富电子芳杂环的呋喃、吡咯和噻吩相反，吡啶在亲电取代反应中很不活泼，比苯的取代反应难得多，一般反应必需在激烈的条件下才能硝化、卤代和磺化，不能进行傅克反应。,46,反 应 特 点,*1 不能发生傅氏烷基化、酰基化反应。 *2 硝化、磺化、卤化必须在强烈条件下才能发生； *3 吡啶环上有给电子基团时，反应活性增高； *4 吡啶N可以看作是一个间位定位基。,47,反应主要发生在位 （电子云密度 ）,48,如果吡啶环上有供电子基团，则能增加反应活性。 提高产率。, 亲核取代,由于环上电子云密度降低，吡啶易与亲核试剂（如 芳基锂、烷基锂等）作用，主要生成-位取代产物若-位被占据，则生成-位取代产物。,49,当 a 或 g 位有其它离去基团时，反应易发生,50, 吡啶环对氧化剂的稳定性,吡啶比苯稳定，难于氧化,因吡啶为叔胺，很容易被H2O2、过氧化酸氧化成 N-氧化物。,51,吡啶N-氧化物是有机合成的重要中间体，由于O 上孤电子对与吡啶环发生动态共轭的结果，它使吡啶环活化，使之容易在和位发生亲电取代反应，且产率较高,吡啶N 氧化物用三氯化磷处理，可恢复为吡啶环。,52, 还原反应,吡啶还原反应比苯更容易进行，还原生成六氢吡啶,吡啶侧链-H的反应,吡啶，-位烷基上的 -H与羰基 -