第十七章 : 杂环化合物

1. 第十七章 第十七章: 杂环化合物 ——在环上含有杂原子（非碳原子）的有机物 称为杂环化合物。

2. 第十七章 • 脂杂环—— 没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂环。 三元杂环 (环氧乙烷) (氮杂环丙烷) 四元杂环 (β-丙内酯) (β-丙内酰胺) 五元杂环 (顺丁烯二酸酐) 七元杂环 (氧杂　) (1H-氮杂　)

3. 第十七章 • 芳杂环——具有芳香特征的杂环化合物称为芳杂环。 五元杂环 呋喃 噻吩 吡咯 噁唑 噻唑 咪唑 吡唑 六元杂环 吡啶 嘧啶 吡喃(无芳香性) 苯并杂环 吲哚 喹啉 异喹啉 杂环并杂环 嘌呤

4. 第十七章 17.1 杂环化合物的分类和命名 • 杂环化合物的分类： 1. 按照环的大小分类：五元杂环和六元杂环 2. 按照杂环中杂原子的数目分类：含有一个杂原子的杂环 和含有两个或两个以上杂原子的杂环 • 按照环的形式分类：单杂环和稠杂环 • 按照环上碳原子的电荷密度分类：多π芳杂环和缺π芳杂环

5. 第十七章 • 杂环化合物的命名（1）： 1. 多用习惯命名：采取音译法；用“口”字旁表示杂环化合物。 • 五元杂环体系 噻吩(thiophene) 吡咯(pyrrole) 呋喃(furan) 苯并呋喃 (benzofuran) 苯并噻吩 (benzothiophene) 苯并吡咯 吲哚 (indole)

6. 第十七章 • 六元杂环体系 吡啶(pyridine) α-吡喃酮 (α-pyrone) 吡喃(pyran) γ-吡喃酮 (γ-pyrone) 哒嗪(pyridazine) 嘧啶(pyrimidine) 吡嗪(pyrazine)

7. 第十七章 • 六元杂环苯并环系 苯并吡喃(benzopyran) 苯并--吡喃酮 (benzo--pyrone) 喹啉 (quinoline) 异喹啉 (isoquinoline) 杂环并杂环： 嘌呤(purine)

8. 第十七章 • 杂环化合物的命名（2）： 2、环上有取代基，命名时，以杂环为母体；将杂原子进行 编号；一般从杂原子开始，顺着环编号。 3、当杂环上有两个或两个以上的杂原子时，应使杂原子所 在的位次最小，按O、S、N顺序编号。 4、环上只有一个杂原子时，有时将靠近杂原子的位置叫做 α位，依次为 β、γ、δ等。 5、有时，根据碳环来命名，命名时将碳环名称前加上杂原 子的名称。

9. 第十七章: 杂环化合物 第十七章

10. 第十七章 17.2 芳杂环化合物的结构和芳香性 • 关于五元芳杂环： 1、碳和杂原子都是sp2杂化； 2、碳原子p轨道的一个电子和杂原子p轨道的两个电 子侧面交盖形成大π键：π56； 3、符合休克尔4n+2规则，具有芳香性（键长平 均化和高的离域能）。

11. 第十七章 • 五元芳杂环吡咯的结构： 共轭效应是给电子的;诱导效应是吸电子的。 孤电子对在p轨道上。 吡 咯 结构：吡咯N是sp2杂化，孤电子对参与共轭。 反应：碱性较弱，环易发生亲电取代反应，环上相当 有一个邻对位定位基。取代常发生在α位。 呋喃、噻吩的结构请同学自己分析。

12. 第十七章 17.2 芳杂环化合物的结构和芳香性 • 关于六元芳杂环 1、碳和杂原子都是sp2杂化； 2、碳原子p轨道的一个电子和杂原子p轨道的一个电子侧面 交盖形成大π键，其中孤电子对不参与共轭：π66； 3、也符合休克尔4n+2规则，具有芳香性

13. 第十七章 • 六元芳杂环吡啶的结构： 孤电子对在sp2杂化轨道上。 =2.20D =1.17D 共轭效应和诱导效应都是吸电子的 吡 啶 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（β位）。发生亲核取代反应时，环上 N起邻对位定位基的作用（α位）。

14. 第十七章 • 芳杂环的核磁共振谱 α- H = 7.42 7.30 6.68δ/ppm β- H = 6.37 7.10 6.22δ/ppm α- H = 8.50δ/ppm β- H = 6.98δ/ppm γ- H = 7.36 δ/ppm α- H的值大于β- H。 由以上数据也说明了它们具有芳香性。

15. 第十七章 • 五元杂环的实验室制备通法 ——帕尔-诺尔(Paal, C.-Knorr, L.)合成法

16. 第十七章: 杂环化合物 第十七章 17.3 五元杂环化合物 （1）呋喃、噻吩、吡咯的亲电取代反应 *1 亲电取代反应的活性顺序为： ①电子密度②σ-络合物 八隅体结构最稳定 无最稳定结构

17. 第十七章 （1）呋喃、噻吩、吡咯的亲电取代反应 *2 取代反应主要发生在α-C上； *3吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感，选择试 剂时需要注意； *4噻吩、吡咯的芳香性较强，所以易取代而不易 加成；呋喃的芳香性较弱，虽然也能与大多数 亲电试剂发生亲电取代，但在强亲核试剂存在 下，能发生亲核加成。 离域能：噻吩：121.3 kJ·mol-1吡咯：87.8 kJ·mol -1 呋喃：67.9 kJ·mol -1

18. 第十七章 (2) 亲电取代反应定位效应的影响因素 A）杂原子的定位效应： ——第一取代基进入到杂原子的α-位。 B） 取代基的定位效应： ① 3位上有取代基时，呋喃、吡咯、噻吩的定位效 应一致。

19. 第十七章 (2) 亲电取代反应定位效应的影响因素 B） 取代基的定位效应： ② 2位上有取代基时，吡咯、噻吩的定位效应一致， 情况如下： ③2-取代呋喃在强亲电试剂的作用下易发生2,5-加成反应：

20. 第十七章: 杂环化合物 第十七章 (3)重要的五元杂环化合物： ① 呋喃 • 呋喃的制备： 1)工业制法 2) 实验室

21. 第十七章: 杂环化合物 第十七章 • 呋喃的化学性质： 1) 取代反应 须用较缓和的硝化、磺化试剂。 须用较缓和的路易斯催化剂

22. 第十七章: 杂环化合物 第十七章 • 呋喃的化学性质： 2) 加成反应——具有共轭双键的性质 四氢呋喃

23. 第十七章: 杂环化合物 第十七章 (3)重要的五元杂环化合物： ② 糠醛(α-呋喃甲醛） • 制法：戊糖水解环化得到。 • 性质和用途： 1）具有一般醛基的性质，可发生银镜反应等。 2）不含α 氢，其性质与苯甲醛或甲醛形似。 3）在醋酸存在下与苯胺作用呈红色，可用来检验糠醛。

24. 第十七章: 杂环化合物 第十七章 (3)重要的五元杂环化合物： ③ 噻吩 • 制法 1）工业制法 2) 实验室制法

25. 第十七章: 杂环化合物 第十七章 • 噻吩的化学性质 1）最稳定的五元杂环化合物，不易水解、聚合。 2）在浓硫酸存在下下，与靛红一起加热显蓝色 ——可用作检验噻吩。 3）不具有二烯的性质 ，不能氧化成亚砜和砜。 4）容易进行亲电取代反应，也发生在α位。

26. 第十七章: 杂环化合物 第十七章 • 噻吩的化学性质 ——可用于分离提纯噻吩 5）可发生催化加氢、加氯反应。氢化后，可氧化为环丁砜和亚砜。

27. 第十七章: 杂环化合物 第十七章 (3)重要的五元杂环化合物： ④ 吡咯 • 工业制法 1)可用氧化铝为催化剂，从呋喃和氨在气相中反应制得。 2)可用乙炔与氨通过红热的管子来合成。

28. 第十七章: 杂环化合物 第十七章 • 吡咯的性质 1)酸性：吡咯的性质与苯酚类似，都具有酸性，但吡 咯的酸性比苯酚小。吡咯与苯胺也有类似性质。 • 吡咯成盐后，使环上电荷密度增高，亲电取代反应更易进行。 • 吡咯能使浸有盐酸得松木片显红色。

29. 第十七章: 杂环化合物 第十七章 • 吡咯的性质 2）取代反应 • 吡咯在－10℃时，与乙酰基硝酸酯作用，主要得α－硝基吡咯，在SnCl4存在下，吡咯亦能发生酰化反应。 • 与苯酚相似，吡咯很易和芳香族重氮盐发生偶合作用，生成有色的偶氮化合物。

30. 第十七章: 杂环化合物 第十七章 • 吡咯的性质 3）加成反应 • 吡咯与还原剂作用或催化加氢时，可生成二氢吡咯或四氢吡咯。 • 二氢吡咯和四氢吡咯都不是共轭体系，故具有脂肪族仲胺的性质，都是较强的碱。

31. HCON(CH3)2 POCl3 CHCl3 25%NaOH RCOCl (NH4)2CO3 130oC RX C6H5N2+X- C2H5OH-H2O AcONa CO2 加热 加压 RMgX 1 CO2 2 H2O

32. 第十七章: 杂环化合物 第十七章 ⑤吲哚：由苯环和吡咯环稠合而成，又叫苯并吡咯。 • 制法 • 性质: 1）吲哚几乎无碱性；2）亲电取代反应发生在β 位； 3）加成和取代都发生在吡咯环上。吲哚也能使浸有盐酸 的松木片显红色。

33. 第十七章: 杂环化合物 第十七章 ⑥噻唑、吡唑及其衍生物 特点：1）两个杂原子的五元环；2）具有碱性； 3）具有芳香性。 • 噻唑： 1）碱性很弱，但能与酸生成稳定的盐，与卤烷作用生成噻唑鎓盐。 2）噻唑环上的电子云密度低，不容易发生亲电取代反应。在一般情况下， 不与硝酸作用，不起卤化反应，磺化反应必须在硫酸汞存在。

34. 第十七章: 杂环化合物 第十七章 ⑥噻唑、吡唑及其衍生物 • 吡唑： 1）具有弱碱性 2）芳香性明显，能发生硝化、卤化、磺化反应。得到 4-位取代产物。

35. 第十七章 17.4 六元杂环化合物 ①吡啶 • 存在和制取： 吡啶存在于煤焦油及页岩油中。工业上吡啶多从煤焦油中提 取，将煤焦油分馏出的轻油部分用硫酸处理，则吡啶生成硫酸 盐而溶解，再用碱中和，吡啶即游离出来，然后再蒸馏精制。 • 性质：吡啶是无色而具有特殊臭味的液体，沸点115℃，熔点－42℃，相对密度0.982，可与水、乙醇、乙醚等混溶，还能溶解大部分有机化合物和许多无机盐类.

36. 第十七章: 杂环化合物 第十七章 ①吡啶 • 吡啶的化学性质 （1）碱性 • 吡啶环上的氮原子有一对未共用电子对处于sp2杂化轨道上， 它并不参与环上的共轭体系，故能与质子结合，具有弱碱性。 • 吡啶的碱性（pKa＝5.2）比苯胺强（pKa＝4.7） ，但比 脂肪胺及氨弱得多。

37. 第十七章 （2）吡啶的亲电取代反应 (A) 亲电试剂与吡啶N的反应 CH3I RCOCl H+ 石油醚 NO2+BF4- 乙醚 室温 Br2 CCl4 SO3

38. 第十七章 （2）吡啶的亲电取代反应 (B) 环上C发生的亲电取代反应

39. 第十七章 （2）吡啶的亲电取代反应 (B) 环上C发生的亲电取代反应 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。

40. 第十七章 （2）吡啶的亲电取代反应 （C） 取代反应位置的控制 在温和条件下，亲电试剂主要与N反应； 在强烈条件下，C取代为主。 浓度低 浓度高

41. 第十七章 • 吡啶的化学性质 （3）吡啶的亲核取代反应 （A） 置换氢的亲核取代反应 一般机制： *1.负氢不易离去，一般需要一个氧化剂作为负氢的接受体；

42. 第十七章: 杂环化合物 第十七章 齐齐巴宾(Chichibabin, A.E.)反应——氨化 定义：吡啶与氨基钠作用生成2-氨基吡啶的反应称为 齐齐巴宾反应。 100oC + NaNH2 C6H5N(CH3)2 H2O

43. 第十七章 • 吡啶的化学性质 （3）吡啶的亲核取代反应 （B） 置换卤原子的亲核取代反应

44. 第十七章 • 吡啶的化学性质 （4） 吡啶的氧化还原反应 (吡啶氧化物) 还原反应 六氢吡啶（哌啶）

45. 第十七章 17.4 六元杂环化合物 ②喹啉和异喹啉 合成:斯克洛普(Skraup, Z.H.)反应，苯胺、甘油、硫酸和硝基苯等氧化剂一起作用，生成喹啉的反应。

46. 第十七章: 杂环化合物 第十七章 eg 1 eg 2 eg 3 eg 4

47. 第十七章 17.4 六元杂环化合物 ③嘧啶、嘌呤及其衍生物 9H-嘌呤 7H-嘌呤 嘌呤是一对互变异构体的平衡体系 尿嘧啶(U) 胞嘧啶(C) 胸腺嘧啶(T)

48. 第十七章: 杂环化合物 第十七章 嘌呤的两个重要衍生物 腺嘌呤(A) 鸟嘌呤(G) (6-氨基嘌呤) (2-氨基-6-羟基嘌呤)

49. 第十七章: 杂环化合物 第十七章 作 业 1，3，5,11 END