第十五章 杂环化合物 主要内容 杂环化合物的分类和命名 五元杂环化合物的亲电取代（活性比较，反应取向，已有取代基对 亲电取代取向的影响） 五元芳杂环的还原反应和Diels-Alder反应 呋喃的酸性开环，呋喃的加成反应及其应用 吡咯的酸性聚合，吡咯钾盐的反应 吡啶N的碱性和亲核性 吡啶环上的亲电取代（亲电取代活性和取向） 吡啶的亲核取代 喹啉和异喹啉的性质 喹啉的Skraup合成法及机理

目 标 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亲电取代反应 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亲电取代反应 3. 掌握五元芳杂环的还原反应和Diels-Alder反应 4. 掌握呋喃的酸性开环，呋喃的加成反应及其应用 5. 掌握吡咯的酸性聚合，吡咯钾盐的反应 6. 掌握吡啶N的碱性和亲核性 7. 掌握吡啶环上的亲电取代 8. 掌握吡啶的亲核取代 9. 掌握喹啉和异喹啉的性质 10.了解喹啉的Skraup合成法及机理

一、杂环化合物的分类和命名 杂环化合物（ 含杂原子的环状化合物）的类型： 芳香族杂环 （本章重点） 普通杂环

杂环芳香族化合物的芳香性 符合Hückel规则（i. 环状, ii. 共平面, iii. 垂直平面的p轨道, iv. 4n+2 p电子） 共振能：16~29 千卡/mol 均能发生芳香族化合物的典型反应——亲电取代反应 1H NMR在 d=6~9ppm处有芳香族化合物的特征吸收 杂原子: sp2杂化 问题：分析各杂原子未共用电子对的状况

(1) 含 一 个杂原子的五元芳杂环 五元芳杂环衍生物 吡咯 pyrrole 呋喃 furan 噻酚 thiophene 3-乙基吡咯 (1) 含 一 个杂原子的五元芳杂环 吡咯 pyrrole 呋喃 furan 噻酚 thiophene 3-乙基吡咯 （b-乙基吡咯） 五元芳杂环衍生物 四氢呋喃(THF) tetrahedrofuran 吡咯烷 pyrrolidine 2, 5-二氢吡咯 2, 3-二氢吡咯

杂环的种类和名称 分类的几种方式: i. 杂原子的类型和数目 ii. 环的大小 （五元环或六元环） iii. 环的个数 例：

（2）含 2 个以上杂原子的五元环 （3）含 1 个杂原子的六元环 吡唑 Pyrazole 1, 2- 唑 咪唑 Imidazole 1, 3- 唑 噁唑 Oxazole 1, 3- 唑 异噁唑 Isoxazole 1, 2- 唑 1, 2, 4-三唑 （3）含 1 个杂原子的六元环 吡啶 pyridine 2-甲基吡啶 （a-甲基吡啶） 六氢吡啶（哌啶） piperidine

（4）含 2 个以上杂原子的六元环 哒嗪 pyridazine 嘧啶 pyrimidine 吡嗪 pyrazine 1, 3, 5-三嗪 2-嘧啶酮 尿嘧啶 胸腺嘧啶 胞嘧啶

（5） 多环杂环 吲哚 indole 苯并呋喃 benzofuran 苯并噻酚 benzothiophene 苯并咪唑 benzoimidazole 喹啉 quinoline 异喹啉 isoquinoline 嘌啉 purine

二、含一个杂原子的五元芳杂化合物的性质 芳香性 共轭二烯性质 不饱和性 杂原子的性质 杂原子对环的影响

（一）五元芳杂化合物的亲电取代反应 取代位置 a-取代 b-取代 主要产物 亲电取代反应相对活性 3×1018 6×1011 5×109 1

对取代位置的解释（分析反应中间体的相对稳定性） i. 取代在a位 哪个共振式贡献最大？ 中间体有三个主要共振式，较稳定 ii. 取代在b位 中间体有二个主要共振式，较不稳定

对亲电取代反应活性的解释 i. 由五元杂环的结构分析 环上的电荷密度比苯环大 ii. 由反应中间体的稳定性分析 满足八隅体 对比：苯环亲电取代中间体的稳定性

亲电取代反应举例 提示：五元杂环较活泼，遇酸不稳定 氧化 聚合 分解 反应剧烈 解决办法：用温和试剂替代 HNO3/H2SO4（硝化） 强酸 反应剧烈 A = NH,O,S 解决办法：用温和试剂替代

五元杂环的硝化反应 硝化试剂 硝基乙酰酯 吡咯和噻酚发生正常亲电取代反应

呋喃发生加成反应（呋喃的特殊性：共轭烯烃性质） 消除 机理

五元杂环的磺化反应 磺化试剂： 吡啶-SO3加合物

噻吩还可直接用硫酸磺化（活性大，较稳定） 应用：除去苯或甲苯中的噻吩 （少量） 反应快 溶解于硫酸中

其它亲电取代 卤代反应 Friedel－Crafts反应 较弱的Lewis酸 与重氮盐偶联

环上已有取代基对亲电取代取向的影响 四种单取代情况 (吸电子基) (给电子基) a 位有取代基 (给电子基) (吸电子基) b 位有取代基

反应举例 a 位给电子基 a 位吸电子基 例外： 呋喃的特殊性 a 位吸电子基 主要产物

b 位给电子基 主要产物 b 位吸电子基 主要产物

从中间体稳定性分析取代基对反应取向的影响 (i) a 位有给电子基 二个共振式 推电子基使 稳定 较稳定 二个共振式 推电子基未 起作用 不稳定 三个共振式 推电子基使 稳定 最稳定

(ii) a 位有吸电子基 二个共振式 吸电子基使 不稳定 不稳定 二个共振式 吸电子基未 起作用 最稳定 三个共振式 推电子基使 不稳定 较稳定

(iii) b 位有给电子基 三个共振式 推电子基使 稳定 最稳定 二个共振式 推电子基未 起作用 不稳定 三个共振式 推电子基未 起作用 较稳定

(iv) b 位有吸电子基 三个共振式 吸电子基使 不稳定 不稳定 二个共振式 吸电子基未 起作用 较稳定 三个共振式 吸电子基未 起作用 最稳定

（二）五元芳杂环的其它反应 还原成饱和杂环化合物 THF（常用溶剂） 吡咯烷 使用特殊催化剂 噻吩能使常用氢化催化剂中毒 C-S键易还原脱硫

用Raney Ni催化氢化使噻酚还原脱硫 其它脱硫的例子 一种还原羰基至亚甲基的方法

Diels-Alder反应（共轭二烯性质）

呋喃的几个特殊反应 共振能对比 (kcal/mol) 2, 5-二取代呋喃的酸性开环 1, 4-二酮 合成上进一步应用 芳香性最小 (kcal/mol) 36 29 21~22 16 2, 5-二取代呋喃的酸性开环 1, 4-二酮 合成上进一步应用 —— 制备环戊烯酮衍生物

呋喃酸性开环机理

呋喃的加成反应（呋喃的共轭二烯性质） 例：与AcONO2的反应（前面已介绍）： 对比： 例： 加成 消除 亲电取代 2, 5-二甲氧基-2, 5-二氢呋喃

2, 5-二甲氧基二氢呋喃的形成机理：

合成上的应用举例 琥珀醛 1, 4-丁二醛 缩酮结构

？ 呋喃 a-H 的弱酸性及其相关反应和应用 例 a-烷基取代呋喃 思考题2：写出此步反应的产物。 思考题1：写出此步转变的机理 参考：教材p880,习题19-4, xiv 思考题1：写出此步转变的机理 ？

吡咯的一些特殊性质 吡咯N的碱性很弱 Kb ~10-14 ~10-4 吡咯的质子化发生在环上（主要是a位），不在N上 正电荷分散在多个原子上

吡咯在酸性条件下发生聚合 聚合机理:

吡咯N-H的弱酸性 pKa ~ 35 ~17.5 ~17 ~10 吡咯钾盐的生成

吡咯钾盐的性质 吡咯负离子的结构特点 对比 吡咯负离子的共振式 烯胺负离子片断 环上每个位置的负电荷密度均增大

吡咯负离子的一些典型反应 这三个反应与哪些反应相似？ 酚类化合物： Kolbe-Schmitt反应 Reimer-Tiemann反应 Fries重排

三、吡啶（六元芳杂化合物）的性质 吡啶的结构 共振能：23卡/mol sp2轨道有未共用电子对 与苯相似 有芳香性 可亲电取代 不饱和性 可加氢还原 象叔胺 有亲核性和碱性 N可被氧化 有亚胺片断 有亲电性 与亲核试剂反应 共振能：23卡/mol

（一）吡啶的碱性和亲核性 吡啶的碱性 合成上作为有机碱 Knoevenagel反应（p711）

其它应用——制备吡啶盐试剂 如磺化试剂 例

吡啶的亲核性 吡啶的烷基化 N-甲基吡啶盐 N-甲基吡啶盐的重排

吡啶的酰基化及其应用 酰基化试剂 酰基化机理 吡啶充当一个好的离去基团

（二）吡啶环上的亲电取代 取代位置和反应活性（例：吡啶的硝化） 钝化 b取代 起强吸电子基作用 对比：

其它亲电取代反应 钝化 b取代 给电子基使亲电取代反应较易进行

对反应取向及钝化现象的解释 (i) 由吡啶的共振式分析: 环上带正电, 不利于亲电取代 b 位的正电荷密相对较低，相对较为活泼

(ii) 反应中间体的稳定性分析 贡献最小，为什么？ 取代在 a 位（取代在 g 位类似） 中间体有两个主要共振式 取代在 b 位 中间体有三个主要共振式，较稳定

环上已有给电子基的定位作用 归纳一下，有什么规律？

（三）吡啶环上的亲核取代反应 吡啶的亲电性 亚胺结构 吡啶的亲核取代通式 亲核加成 负氢消除 通过氧化去氢 或其它途径

NaNH2与吡啶的亲核取代 —— Chichibabin 反应 机理: 另一解释

PhLi 与吡啶的亲核取代 机理

a 或 g 卤代吡啶的亲核取代 例： 反应易进行 a-吡啶酮 （仍有芳香性） 机理： 好离去基 制备a-吡啶酮的其它方法

其它取代例子 取代机理

（四）吡啶的还原和氧化 吡啶的还原 喹啉 1, 2, 3, 4-四氢喹啉 十氢喹啉 吡啶环比苯环易被还原

吡啶的氧化 氧化在侧链上 尼古丁(烟碱) 烟酸 氧化在 N 上 对比：叔胺的H2O2氧化 胺氧化合物 N-氧化吡啶

（五）N-氧化吡啶的性质 （比吡啶）易发生亲电取代反应（有亲核性） 主要产物 对比 反应活性不同 取代位置不同

（比吡啶）易发生亲核加成（有亲电性） 反应较快 对比：

为什么N-氧化吡啶既有亲电性又有亲核性？ (a) 有相似性 邻对位负电荷密度较大

(b) 有相似性 保留吡啶的特点 邻对位负电荷密度较大

(2) 反应的中间体较稳定 (a) 亲电取代机理 八隅体，较稳定

(b) 亲核加成及进一步消除 亲电性较强 中间体比较稳定 消除较易进行

（六）吡啶 a 和 g 位侧链上的反应 吡啶 a 和 g 位氢有弱酸性 性质类似烯醇负离子 烯胺负离子 有亲核性 共轭烯胺负离子

(1) 与醛酮加成 机理： 类似于醛酮的什么反应？

(2) Michael加成 (3) 烷基化

(4) Lewis 酸作用下的加成反应 机理： Lewis 酸加强了a氢的酸性

四、含一个杂原子的苯并五元杂环体系 三种苯并五元杂环体系 吲哚 苯并呋喃 苯并噻吩 亲电取代反应： 亲电取代在杂环上，为什么？

亲电取代中间体分析： 苄基型正碳离子 较稳定 有两个主要共振式 较稳定 两种中间体均有一定的稳定性

亲电取代反应举例：

五、含一个杂原子的六元杂环苯并体系 喹啉和异喹啉 杂环部分象吡啶 碳环部分象萘 喹啉 异喹啉 结构和性质分析 亲电取代 碱性和亲和性 亲核取代 氧化和还原反应 支链上的反应 亲电取代 氧化和还原反应

喹啉的性质 喹啉的共振式分析： 两个芳环 保留一个芳环 不存在芳环

(1) 喹啉的亲电取代反应 例 从结构特点解释： 通常 5 位与 8 位活性相当，为什么？ 问题：5位带有dd+，为何 苯环比吡啶环活泼 结构类似萘环（萘的a位易取代） 问题：5位带有dd+，为何 与8位活性相当？ 机理分析

亲电取代反应举例

两个反应中间体稳定性差别不大，故5和8位活性相当。 由反应中间体的稳定性解释反应取向

反常的取代现象及解释（了解） 可能机理（非亲电取代机理）:

(2) 喹啉的亲核取代反应 Chichibabin反应 反应与吡啶类似

取代卤素

(3) 喹啉的氧化和还原 氧化：在负电荷密度大的环上 还原： 在较不稳定的环上 (4) 侧链的反应 请写出反应的机理

异喹啉的性质 异喹啉的共振式分析

(1) 异喹啉的亲电取代反应

反常的取代取向（了解） 机理

(2) 异喹啉的亲核取代反应 取代卤素 试解释： 为什么不取代3 位的Cl？

(3) 侧链的反应 对比 3 位上侧链不活泼，为什么?

3. 喹啉的合成 —— Skraup喹啉合成法 反应机理 (i) 甘油脱水成丙烯醛 丙烯醛

(ii) 环合和氧化芳构化 Michael加成 Friedel-Crafts 反应 PhNO2：溶剂和弱氧化剂 可进一步参与反应

用Skraup法制备喹啉衍生物 8-羟基喹啉 （氧化剂） 5, 6-苯并喹啉 （1-氮杂菲）

通过a, b-不饱和醛制备喹啉衍生物

思考题： 完成下列反应 如何用Skraup喹啉合成法制备以下化合物？

作 业 P232页1，2，5，7，9，10 题