第十八章第十八章 杂环化合物杂环化合物 本章讨论的就是那些环为平面型，环内本章讨论的就是那些环为平面型，环内电子数符合电子数符合4n+24n+2规则规则，具有一定芳香性的芳杂环化合物。具有一定芳香性的芳杂环化合物。杂环化合物的涵义：杂环化合物的涵义：成环原子除碳以外，还有其它如成环原子除碳以外，还有其它如O O、N N、S S、P P等杂原子的环状化等杂原子的环状化合物，统称为杂环化合物。合物，统称为杂环化合物。一一 杂环化合物的分类：杂环化合物的分类：二、杂环化合物的命名：二、杂环化合物的命名： 1. 1. 音译法：音译法：在同音汉字左边在同音汉字左边 + 口字。口字。 2. 2. 杂环及环上取代基的编号：杂环及环上取代基的编号： (1) (1) 母体杂环的编号：母体杂环的编号：杂原子的编号为杂原子的编号为“1 1”。杂原子邻杂原子邻位的碳原子也可依次用位的碳原子也可依次用、编号。编号。 当环上有不同杂原子时，按当环上有不同杂原子时，按OSNOSN的次序编号。若环上连有不的次序编号。若环上连有不同的取代基，其编号按次序规则和最低系列。同的取代基，其编号按次序规则和最低系列。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：的位次保持最小：（一）结构与芳香性（一）结构与芳香性三三 五元杂环化合物五元杂环化合物五元杂环化合物具有芳香性的另一个标志就是环上的氢受离域电子环流的影响，五元杂环化合物具有芳香性的另一个标志就是环上的氢受离域电子环流的影响，其核磁共振信号都出现在低场区。其核磁共振信号都出现在低场区。- H 由于受杂原子吸电子诱导效应的影响，其由于受杂原子吸电子诱导效应的影响，其值较大。值较大。 1 1）五元杂环化合物）五元杂环化合物2 2、具有芳香性的杂环与苯环的异同点、具有芳香性的杂环与苯环的异同点 (1) (1) 由此可见，苯分子中的键长完全平均化，而五元杂环化由此可见，苯分子中的键长完全平均化，而五元杂环化合物分子中的键长只是有一定程度的平均化。因此，五元杂环合物分子中的键长只是有一定程度的平均化。因此，五元杂环化合物的芳香性比苯差。其芳香性次序是：化合物的芳香性比苯差。其芳香性次序是： 离域能：离域能： 150.5 117 88 67 kj / mol (2) (2) 五元杂环化合物是富电子体系，而苯环为等电子五元杂环化合物是富电子体系，而苯环为等电子体系，故环上的电子云密度比苯高，其亲电取代反应比苯体系，故环上的电子云密度比苯高，其亲电取代反应比苯容易，尤其易发生在容易，尤其易发生在- - 位。杂原子的存在相当于在环上位。杂原子的存在相当于在环上引入了引入了 NH NH2 2、OHOH、 SH SH 等活化基团而使环活化，等活化基团而使环活化，故进行亲电取代反应的活泼顺序是：故进行亲电取代反应的活泼顺序是： （二）化学性质（二）化学性质1 1 亲电取代反应亲电取代反应 五元杂环化合物进行亲电取代反应的特点是：使用较为温和的五元杂环化合物进行亲电取代反应的特点是：使用较为温和的试剂或反应条件。试剂或反应条件。 由此可见，进攻由此可见，进攻2 2 位所形成的共振杂化体比进攻位所形成的共振杂化体比进攻3 3 位所形成的共振杂化体稳定。位所形成的共振杂化体稳定。二、五元杂环化合物亲电取代反应的定位规律二、五元杂环化合物亲电取代反应的定位规律 以以噻吩为例：噻吩为例： (1) - (1) - 位上有取代基位上有取代基 五元杂环化合物亲电取代反应发生在五元杂环化合物亲电取代反应发生在- -位可用共振位可用共振论解释：论解释： (2) (2) - - 位上有取代基位上有取代基 这里值得注意的是：吡咯和呋喃也遵循上述规律，但这里值得注意的是：吡咯和呋喃也遵循上述规律，但当当- - 位上有位上有m m 定位基定位基( (如：如： CHOCHO、 COOH)COOH)时，新时，新引引入入基团进入的位置与反应试剂有关。如：基团进入的位置与反应试剂有关。如：三、常见的五元杂环化合物三、常见的五元杂环化合物 1. 1. 呋喃和糠醛呋喃和糠醛 呋喃为无色液体，难溶于水而易溶于有机溶剂，呋喃为无色液体，难溶于水而易溶于有机溶剂，b.pb.p为为3232。呋喃除在较温和的条件下可发生亲电取代反应外，它还容呋喃除在较温和的条件下可发生亲电取代反应外，它还容易进行易进行DilesDiles-Alder-Alder反应和一般的亲电加成反应。如：反应和一般的亲电加成反应。如： 呋喃在呋喃在NiNi催化下，易于加氢生成四氢呋喃催化下，易于加氢生成四氢呋喃( (THFTHF) )良好的良好的溶剂和重要的有机合成原料。溶剂和重要的有机合成原料。 学名学名: -呋喃甲醛呋喃甲醛。制造糠醛树脂等。制造糠醛树脂等。（1）糠醛的制法）糠醛的制法（麦杆、花生壳、甘蔗渣等含多缩戊糖的物质）（麦杆、花生壳、甘蔗渣等含多缩戊糖的物质）：糠醛糠醛糠醛在醋酸存在下与苯胺作用显红色糠醛在醋酸存在下与苯胺作用显红色检验糠醛检验糠醛；糠醛可发生银镜反应；糠醛可发生银镜反应；糠醛具有一般醛基的性质：糠醛具有一般醛基的性质：（2）性质和用途）性质和用途 2. 2. 吡咯和吲哚吡咯和吲哚吡咯为无色油状液体，吡咯为无色油状液体，b.p131b.p131，微溶于水，易溶于有机溶剂。微溶于水，易溶于有机溶剂。 吡咯的酸碱性：吡咯的酸碱性： 由于氮由于氮上的上的未共用电子对参与了共未共用电子对参与了共轭体系，难以与轭体系，难以与H H+ +结合，故基本不显碱性结合，故基本不显碱性( (pkpkb b=13.6)=13.6)。然而，由于氮原子的吸电子作用，使得吡咯会显示出一定的酸性，然而，由于氮原子的吸电子作用，使得吡咯会显示出一定的酸性，但其酸性较弱，需在强碱下方可成盐。但其酸性较弱，需在强碱下方可成盐。 吡咯环不如苯环稳定，易被氧化。吡咯环不如苯环稳定，易被氧化。 吡咯容易发生亲电取代反应，其反应活性与苯胺类似。如：吡咯容易发生亲电取代反应，其反应活性与苯胺类似。如： 吲哚系由苯环和吡咯环稠并而成，故又称苯并吡咯。吲哚系由苯环和吡咯环稠并而成，故又称苯并吡咯。吲哚是白色结晶，熔点吲哚是白色结晶，熔点52.5。极稀溶液有香味，可用作香料，。极稀溶液有香味，可用作香料，浓的吲哚溶液有粪臭味。素馨花、柑桔花中含有吲哚。吲哚环浓的吲哚溶液有粪臭味。素馨花、柑桔花中含有吲哚。吲哚环的衍生物广泛存在于动植物体内，与人类的生命、生活有密切的衍生物广泛存在于动植物体内，与人类的生命、生活有密切的关系。的关系。吲哚仍具有芳香性，其亲电取代反应的活性比苯高，但比吡咯低。吲哚仍具有芳香性，其亲电取代反应的活性比苯高，但比吡咯低。 吲哚亲电取代反应发生在什么位置？吲哚亲电取代反应发生在什么位置？吲哚吲哚吲哚的性质与吡咯相似，也可发生亲电取代反应，取代基吲哚的性质与吡咯相似，也可发生亲电取代反应，取代基进入进入-位。位。常见吲哚衍生物常见吲哚衍生物3 噻吩、噻唑和咪唑噻吩、噻唑和咪唑 （自学）（自学）4 呋喃、噻吩和吡咯的制备呋喃、噻吩和吡咯的制备四四 六元杂环化合物六元杂环化合物（一）吡啶的结构与芳香性（一）吡啶的结构与芳香性吡啶环的键长也发生了较大程度的平均化，吡啶环的键长也发生了较大程度的平均化，C CC C键虽与苯相似，但键虽与苯相似，但C NC N键变化很大，键变化很大，因此，其芳香性因此，其芳香性也比苯差。也比苯差。 吡啶和苯虽然都属等电子体系，但因吡啶和苯虽然都属等电子体系，但因氮原子的电负性较大，从而使环上的电子氮原子的电负性较大，从而使环上的电子云密度降低云密度降低 ，故其亲电取代反应性能不但，故其亲电取代反应性能不但比苯差，且亲电取代反应发生在电子云密度较高的比苯差，且亲电取代反应发生在电子云密度较高的- -位。位。这一特性很类似于硝基苯。这一特性很类似于硝基苯。五元、六元杂环化合物电子云密度由高到低的顺序是：五元、六元杂环化合物电子云密度由高到低的顺序是：（二）吡啶的化学性质（二）吡啶的化学性质 1. 1. 碱性与成盐：碱性与成盐： 吡啶环上有供电子基时将使碱性增强。如：吡啶环上有供电子基时将使碱性增强。如： pka 5.17 5.79 5.68 6.02 吡啶既然是一个碱，遇酸便形成稳定的盐。吡啶既然是一个碱，遇酸便形成稳定的盐。 如果用非质子的硝化试剂、磺化试剂，或用卤素、卤如果用非质子的硝化试剂、磺化试剂，或用卤素、卤代烷、酰氯与吡啶环进行反应，也将形成相应的吡啶盐：代烷、酰氯与吡啶环进行反应，也将形成相应的吡啶盐： 如前如前所述，吡啶的亲电取代反应比恁困难，需在较强所述，吡啶的亲电取代反应比恁困难，需在较强的条件下方可发生，且发生在的条件下方可发生，且发生在- -位。位。 显然，当吡啶环上连有供电子基团时，将有利于亲电显然，当吡啶环上连有供电子基团时，将有利于亲电取代反应的发生；反之，就更加难以进行亲电取代反应。取代反应的发生；反之，就更加难以进行亲电取代反应。 2. 2. 吡啶环上的亲电取代反应吡啶环上的亲电取代反应 吡啶环也象硝基苯一样，不能发生吡啶环也象硝基苯一样，不能发生FCFC烷基化和酰基化反应。烷基化和酰基化反应。吡啶的亲电取代反应所以发生在吡啶的亲电取代反应所以发生在- -位，除用电子理论解释位，除用电子理论解释外，还可以用中间体的稳定性加以说明：外，还可以用中间体的稳定性加以说明： 3. 3. 吡啶环上的亲核取代反应吡啶环上的亲核取代反应吡啶环的亲核取代反应主要发生在吡啶环的亲核取代反应主要发生在- -位和位和- -位，被位，被取代的可以是氢原子，也可以是易于离去的基团。如：取代的可以是氢原子，也可以是易于离去的基团。如： 4. 氧化与还原氧化与还原吡啶比苯稳定，不易被氧化剂氧化。吡啶的同系物被氧化时总吡啶比苯稳定，不易被氧化剂氧化。吡啶的同系物被氧化时总是侧链先氧化而芳杂环不破坏，生成相应的吡啶甲酸：是侧链先氧化而芳杂环不破坏，生成相应的吡啶甲酸：吡啶用过氧羧酸氧化（或吡啶用过氧羧酸氧化（或30%的的H2O2和和CH3COOH作用）时，作用）时，生成生成吡啶吡啶N-氧化物氧化物或称或称氧化吡啶氧化吡啶：吡啶经催化氢化或用乙醇和钠还原，可得六氢吡啶：吡啶经催化氢化或用乙醇和钠还原，可得六氢吡啶：湿AgOH, ？（三）喹啉（三）喹啉 喹啉存在于煤焦油中，为无色油状液体，放置时逐渐变喹啉存在于煤焦油中，为无色油状液体，放置时逐渐变成黄色，沸点成黄色，沸点238.05238.05，有恶臭味，难溶于水。能与大多数，有恶臭味，难溶于水。能与大多数有机溶剂混溶，是一种高沸点溶剂。有机溶剂混溶，是一种高沸点溶剂。 1 1 喹啉的性质喹啉的性质（1 1）取代反应）取代反应 喹啉是有吡啶稠合而成的，由于吡啶喹啉是有吡啶稠合而成的，由于吡啶环的电子云密度低于与之并联的苯环，环的电子云密度低于与之并联的苯环，所以喹啉的亲电取代反应发生在电子所以喹啉的亲电取代反应发生在电子云密度较大的苯环上，取代基主要进云密度较大的苯环上，取代基主要进入入5 5或或8 8位。而亲核取代则主要发生在位。而亲核取代则主要发生在吡啶环的吡啶环的2 2或或4 4位。位。 （2 2）氧化还原反应）氧化还原反应喹啉用高锰酸钾氧化时，苯环发生破裂，用钠和乙醇还原是喹啉用高锰酸钾氧化时，苯环发生破裂，用钠和乙醇还原是其吡啶环被还原，这说明在喹啉分子中吡啶环比苯环难氧化，其吡啶环被还原，这说明在喹啉分子中吡啶环比苯环难氧化，易还原。易还原。 2 喹啉制备喹啉制备斯克劳普法斯克劳普法比西勒比西勒-纳皮斯基纳皮斯基法法异喹啉异喹啉2 2 喹啉的衍生物喹啉的衍生物 喹啉的衍生物在自然界存在很多，如奎宁、氯喹、罂粟碱、吗啡等。喹啉的衍生物在自然界存在很多，如奎宁、氯喹、罂粟碱、吗啡等。 罂粟花罂粟花（四）嘧啶和嘌呤（自学）（四）嘧啶和嘌呤（自学）