第十九章 杂环化合物 exit

本章提纲 第一节 杂环化合物的简解和命名 第二节 含一个杂原子的五元杂环体系 第三节 含两个杂原子的五元杂环体系 第一节 杂环化合物的简解和命名 第二节 含一个杂原子的五元杂环体系 第三节 含两个杂原子的五元杂环体系 第四节 含一个杂原子的六元杂环体系 第五节 含两个和三个氮原子的六元杂环体系 第六节 含一个杂原子的五元杂环苯并体系 第七节 含一个杂原子的六元杂环苯并环系 第八节 嘧啶和咪唑的并环体系--嘌呤环系

第一节 杂环化合物的简解和命名 一 杂环化合物简解 二 五元杂环化合物的命名 三 唑的命名 四 六元杂环化合物的命名

一 杂环化合物的简介 1 脂杂环 没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂环。 在环上含有杂原子（非碳原子）的有机物称为杂环化合物。 三元杂环 一 杂环化合物的简介 在环上含有杂原子（非碳原子）的有机物称为杂环化合物。 1 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　)

2 芳杂环 具有芳香特征的杂环化合物称为芳杂环 2 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

二 五元杂环化合物的命名 五元杂环 五元杂环苯并体系 噻吩(thiophene) 吡咯(pyrrole) 呋喃(furan) 苯并吡咯 二 五元杂环化合物的命名 五元杂环 噻吩(thiophene) 吡咯(pyrrole) 呋喃(furan) 五元杂环苯并体系 苯并吡咯 吲哚 (indole) 苯并呋喃 (benzofuran) 苯并噻吩 (benzothiophene)

三 唑的命名 含有两个杂原子的五元杂环，若至少有一个杂原子是氮，则该杂环化合物称为唑。 命名时的编号原则是： 1） 让杂原子的位号尽可能小； 三 唑的命名 含有两个杂原子的五元杂环，若至少有一个杂原子是氮，则该杂环化合物称为唑。 命名时的编号原则是： 1） 让杂原子的位号尽可能小； 2）当两个杂原子不相同时，编号的次序是：价数小的在前， 大的在后； 3）价数相等时，原子序数小的在前，大的在后。 O　　S　　 N O、S、N的次序如左： 2价 3价 原子序数小 原子序数大

1,2-唑 1,3-唑 异噁唑(isoxazole) 异噻唑(isothiazole) 吡唑(pyrazole) 噁唑(oxazole) 咪唑(inidazole)

四 六元杂环化合物的命名 六元杂环 吡啶(pyridine) α-吡喃酮 (α-pyrone) 吡喃(pyran) γ-吡喃酮 四 六元杂环化合物的命名 六元杂环 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)

六元杂环苯并环系 杂环并杂环 (quinoline) (benzo--pyrone) (isoquinoline) 嘌呤(purine) 喹啉 (quinoline) 异喹啉 (isoquinoline) 苯并吡喃(benzopyran) 苯并--吡喃酮 (benzo--pyrone) 杂环并杂环 嘌呤(purine)

第二节 含有一个杂原子的五元杂环体系 一 呋喃、噻吩、吡咯的结构 二 呋喃、噻吩、吡咯的制备 三 呋喃、噻吩、吡咯的反应

一 呋喃、噻吩、吡咯的结构 吡咯的结构 呋喃、噻吩的结构请同学自己分析。 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。 一 呋喃、噻吩、吡咯的结构 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。 呋喃、噻吩的结构请同学自己分析。

二 呋喃、噻吩、吡咯的制备 1. 工业制备（略） 2. 实验室制备 (1)帕尔-诺尔(Paal, C.-Knorr, L.)合成法

（2）诺尔合成法 氨基酮酸酯 三种化合物的相互转化(有氧化铝存在的情况下)

三 呋喃、噻吩、吡咯的反应 1. 呋喃、噻吩、吡咯的质子化反应 2. 呋喃、噻吩、吡咯的亲电取代反应 3. 呋喃、噻吩、吡咯的加成反应

（1）呋喃、噻吩、吡咯在酸的作用下可质子化； 1. 呋喃、噻吩、吡咯的质子化反应 分子接受一个质子的反应称为质子化反应. （1）呋喃、噻吩、吡咯在酸的作用下可质子化； （2） 质子化反应主要发生在C-2上； α-C质子化 β-C质子化 N-质子化

（3） 由于-C的质子化反应，吡咯在强酸作用 下会因聚合而被破坏； （4） 在稀的酸性水溶液中，呋喃的质子化在氧 上发生并导致水解开环。

2. 呋喃、噻吩、吡咯的亲电取代反应 （1）概述 *1 亲电取代反应的活性顺序为： 2. 呋喃、噻吩、吡咯的亲电取代反应 （1）概述 *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 吸电子诱导：O(3.5) > N(3.0) > S(2.6) 给电子共轭：N > O > S 综合：N贡献电子最多，O其次，S最少

*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：66.9 kJ·mol -1

*5 杂原子和取代基的定位效应 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： *5 杂原子和取代基的定位效应 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： 3位上有取代基时，呋喃、吡咯、噻吩的定位效应一致。

2位上有取代基时，吡咯、噻吩的定位效应一致，情况如下： 2-取代呋喃在强亲电试剂的作用下易发生2,5-加成反应：

（2） 呋喃、噻吩、吡咯的硝化反应 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。 （2） 呋喃、噻吩、吡咯的硝化反应 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。

呋喃比较特殊,先生成稳定的或不稳定的2,5加成产物, 然后加热或用吡啶除去乙酸,得到硝化产物。

（3） 呋喃、噻吩、吡咯的磺化反应 吡咯、呋喃不太稳定，所以须用温和的磺化试剂磺化。常用的温和的非质子的磺化试剂有：吡啶与三氧化硫的加合化合物。 (固体，含量90 %) 噻吩比较稳定，既可以直接磺化（产率稍低），也可以用温和的磺化试剂磺化。

S + N O 3 C l H 2 r . t - B a ( )

（4） 呋喃、噻吩、吡咯的卤化反应 反应强烈，易得多卤取代物。为了得一卤代(Cl, Br)产物，要采用低温、溶剂稀释等温和条件。 （4） 呋喃、噻吩、吡咯的卤化反应 反应强烈，易得多卤取代物。为了得一卤代(Cl, Br)产物，要采用低温、溶剂稀释等温和条件。 碘不活泼，要用催化剂才能发生一元取代

（5） 呋喃、噻吩、吡咯的傅氏酰基化反应 Eg 1 Eg 2 Eg 3 Eg 4

呋喃、噻吩的酰化反应在-C上发生，而吡咯的酰化反应（不用催化剂）既能在 -C上发生，又能在N上发生。在 -C上发生比在N上发生容易。 sp2杂化 sp3杂化 氮上酰化，正电荷不处在离域范围内。 碳上酰化，正电荷处在离域范围内，较稳定。

（6） 呋喃、噻吩、吡咯的傅氏烷基化反应 总体看，在合成上无实用价值。 *1 *2

（7） 吡咯的特殊反应 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。 （7） 吡咯的特殊反应 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。

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

3. 呋喃、吡咯、噻吩的加成反应 （1） 加氢反应 （2） Diels-Alder反应 呋喃最易发生Diels-Alder反应 3 3 3. 呋喃、吡咯、噻吩的加成反应 （1） 加氢反应 （2） Diels-Alder反应 呋喃最易发生Diels-Alder反应 A l C 3 N H O CH3 3 3

噻吩基本上不发生双烯加成，即使在个别情况下生成也是一个不稳定的中间体，直接失硫转化为别的产物。

第三节 含有两个杂原子的五元杂环体系 一 唑的结构 二 唑的合成 三 唑的反应

4(5)-甲基咪唑(因为4-甲基咪唑和5-甲基咪唑不可分离) 一 唑的结构 （1）互变异构 N-N(单键) N=N(双键) 4-甲基咪唑 5-甲基咪唑 4(5)-甲基咪唑(因为4-甲基咪唑和5-甲基咪唑不可分离)

（2）结构 碱性： 吡啶N(孤电子对不参与共轭，所以碱性较强) 吡咯N(孤电子对参与共轭，所以碱性较弱) N 的孤电子对处于sp2杂化轨道 吡咯N的孤电子对处于p轨道

（3）碱性 1. 1,2-唑与1,3-唑都有吡啶N，所以都有碱性。 2. 1,3-唑的碱性比1,2-唑强。 因为两个杂原子互相影响大。 2. 1,3-唑的碱性比1,2-唑强。 因为两个杂原子互相影响大。 3. 咪唑的碱性＞噻唑的碱性＞噁唑的碱性 由综合电子效应决定。

二 唑的合成 1 1,2-唑的合成(只介绍吡唑与异噁唑的合成) (1)用1,3-二羰基化合物合成吡唑和异噁唑 二 唑的合成 1 1,2-唑的合成(只介绍吡唑与异噁唑的合成) (1)用1,3-二羰基化合物合成吡唑和异噁唑 (2)用1,3-偶极环加成反应制吡唑和异噁唑 实例：用腈类氧化物制异噁唑 氧化苯甲腈 氧化苯甲腈 苯甲醛肟

2 1,3-唑的合成 (噁唑类) (噻唑类) (咪唑类)

三 唑的反应 主要讨论亲电取代反应 1 反应性 　　唑的反应性比呋喃、噻吩、吡咯差，这是因为分子中多了一个吡啶N，使共轭体系的电子云密度降低，所以亲电试剂不易进攻。 2 1,2-、1,3-唑的硝化、磺化、卤化 （1） 进入环的位置及活性顺序 （2） 反应试剂：一般的硝化、磺化、卤化试剂即可。 实 例 eg 1

eg 2 5-硝基咪唑 4-硝基咪唑 eg 3

磺化须强烈条件 eg 4 硝化、卤化须有给电子取代基 eg 5

3 1,2-唑、1,3-唑的傅氏烷基化反应 常用的烷基化试剂是RX 烷基化反应的几点说明： 3 1,2-唑、1,3-唑的傅氏烷基化反应 常用的烷基化试剂是RX 烷基化反应的几点说明： （1） 唑的吡啶N上的电子云密度较大，所以在一般情况 下，烷基化反应总是吡啶N上发生；

（2） 咪唑上有两个N，烷基化反应首先在吡啶N上发生 一步产生二烷基化产物，因此咪唑烷基化时经常得 到一烷基化产物和二烷基化产物；

（3） 在强碱作用下，烷基化反应也能在噻唑的α-位甲基 上发生。

4 1,2-唑、1,3-唑的傅氏酰基化反应 常用的酰基化试剂是 4 1,2-唑、1,3-唑的傅氏酰基化反应 常用的酰基化试剂是 　　一般情况下，酰基化反应主要在吡啶N上发生。酰基是一个吸电子基，所以反应能控制在一元酰基化阶段。 例如：咪唑的酰基化反应 N-酰基咪唑

N-酰基咪唑的两种应用 应用一：N-酰基咪唑是吡咯的酰化试剂 应用二：酰卤经制成N-酰基咪唑可转化成醛

青霉素 噻唑环 青霉素是噻唑的衍生物。 青霉素G疗效最好。

第四节 含有一个杂原子的六元杂环体系 一 吡啶环系 二 吡喃环系 1. 吡啶的结构 2. 吡啶环系的合成 3. 吡啶的亲电取代反应 第四节 含有一个杂原子的六元杂环体系 一 吡啶环系 1. 吡啶的结构 2. 吡啶环系的合成 3. 吡啶的亲电取代反应 4. 吡啶的亲核取代反应 5. 吡啶的氧化还原反应 6. 吡啶侧链α-H的反应 7. 吡啶N-氧化物的反应 二 吡喃环系

1. 吡啶的结构 孤电子对在sp2杂化轨道上。 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。 1. 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。发生亲核取代反应时，环上N起邻对 位定位基的作用。

2. 吡啶环系的合成 （1） 韩奇(Hantzsch, A.)合成法 2. 吡啶环系的合成 （1） 韩奇(Hantzsch, A.)合成法 由二分子β-羰基酸酯、一分子醛、一分子氨经缩合反应制备吡啶同系物的方法称为韩奇合成法。

（2） β-二羰基化合物与氰乙酰胺合成法

（3）β-二羰基化合物和β-氨基-α,β-不饱和羰基 化合物合成法

3. 吡啶的亲电取代反应 (1) 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 3. 吡啶的亲电取代反应 (1) 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

吡啶盐的两个十分重要的用途： *1 可用来做温和的磺化、硝化、卤化、烷基化、酰基化的试剂 *2 利用吡啶N的烷基化反应制备醛

(2) 在C上发生亲电取代反应

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； 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。

（3） 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

4. 吡啶的亲核取代反应 （1） 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； 4. 吡啶的亲核取代反应 （1） 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； *2 亲核取代优先在α位上发生，如果α位上有取代基，则 反应在γ位上发生。

实例：烷基化、芳基化反应

实例：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

（2） 置换易离去基团的亲核取代反应 　　如在,γ位有好的离去基团，如Cl、-NO2、Br，可以与氨（或胺）、烷氧化物、水等亲核试剂发生亲核取代反应（在亲核取代反应中，吡啶N对邻、对位活化）。

5. 吡啶的氧化还原反应 吡啶环本身不易被氧化，但它的侧链很容易被氧化成醛或羧酸。 (吡啶氧化物) 还原反应

6. 吡啶侧链α-H的反应 2,4,6-位烷基的 -H与羰基 -H相似 醇醛缩合型

N-烷基吡啶盐的侧链 -H更活泼 醇醛缩合型

7. 吡啶N-氧化物的反应

从动态的角度看，与氮相连的氧可以看作是一个电子储存库。 *1 需要时，氧能提供电子，使整个环上的电荷密度增高； *2 不需要时，氧不提供电子，整个环系相当于吡啶盐； *3 吡啶的N-氧化物为亲核试剂，可以将卤代烃变成醛。

二 吡喃环系 吡喃及其衍生物无芳香特性 吡喃酮的钅 羊盐是芳香体系。

第五节 含两个和三个氮原子的六元杂环体系 一 嘧啶的合成 二 嘧啶的反应 三 嘧啶的衍生物

一 嘧啶的合成 由-二羰基化合物（或类似物）与1,1-二胺类化合物合成 常用的1,1-二胺类化合物： 尿素 硫脲 胍 脒 甲脒 乙脒

实例一 实例二

实例三

二 嘧啶的反应 1. 亲电取代反应

2. 亲核取代反应 反应最易在2位发生，其次是4,6位 取代卤素要比取代负氢更容易

利用亲核取代反应可制取烃基取代的二嗪。

3. 氧化 二嗪不易被氧化。若用过酸氧化，得嘧啶单N-氧化物

4. 侧链 -H反应 羟醛缩合型 烷基化反应

三 嘧啶的衍生物

名称 结构 用途 巴比妥(佛罗拿) 长时间作用的镇静催眠药 苯巴比妥(鲁米那) 长时间作用的镇静催眠药，又有抗癫痫作用 异戊巴比妥(阿米妥) 中时间作用的催眠药 西可巴比妥钠 短时间作用的镇静催眠药 超短时间的静脉麻醉药，可用于麻醉前给药 硫喷妥钠

第六节 含有一个杂原子的五元杂环苯并体系 一 吲哚的合成 二 吲哚的反应

一 吲哚的合成 苯肼与醛、酮类化合物在酸性条件下加热生成吲哚及其衍生物的反应称为费歇尔(Fischer, E.)合成法。

二 吲哚的反应 避免用强酸 常用的亲电试剂 硝化： (HNO3 + HOAc) 磺化： 二 吲哚的反应 常用的亲电试剂 硝化： (HNO3 + HOAc) 磺化： 卤化： (低温、稀释条件下进行，常用　　　，HOAc稀释， 试剂为X2) 酰基化： (酸酐、酰卤。AlCl3 , ZnCl2 为催化剂) 氯甲基化：(CH2O, HCl, ZnCl2) 醛基化：[　　　　　　+ POCl3] 避免用强酸

定 位 规 律 下面四种情况，取代基均进入苯环。进入哪个位置，具体分析。

第七节 含有一个杂原子的六元杂环苯并环系 一 喹啉和异喹啉的合成 二 喹啉和异喹啉的反应

一 喹啉和异喹啉的合成 1斯克劳普(Skraup, Z.H.)反应：苯胺、甘油、硫酸和硝基苯等氧化剂一起作用，生成喹啉的反应称为斯克劳普反应。 实 例 eg 1 eg 2

eg 3 eg 4

2 弗里德伦德(Friedlander)反应： 芳香族邻氨基羰基化合物发生缩合反应，得到喹啉或它的衍生物，这称为弗里德伦德反应。 eg 1 eg 2

3 毕歇尔-纳皮尔拉斯基(Bischler, A. – Napieralski, B.)反应： 苯乙胺与羧酸或酰氯形成酰胺，然后在失水剂作用下失水关环，再脱氢得1-取代异喹啉化合物。

*1 当苯环上有吸电子基团时，反应几乎不能进行； *2 苯环上有给电子基团时，若此基团处于间位，关环可 以在两个不同的位置进行，主要在给电子基团的对位 发生； *3 母体异喹啉不宜用此法制备，因为　　　不存在。

二 喹啉和异喹啉的反应 1. 成盐： 碱性强弱：喹啉＜吡啶＜异喹啉 成盐反应：

2. 氧化反应 *1 喹啉和异喹啉与绝大多数氧化剂不发生反应； *2 与高锰酸钾能发生反应：

*3 喹啉与异喹啉在过酸的作用下均可形成N-氧化物。

3. 亲电取代反应: 　反应产物受介质的影响。若反应在酸性介质中进行，取代主要在苯环上发生。 若反应在有机溶剂中进行，取代在杂环上发生。

4. 亲核取代反应 *1 亲核取代反应主要在吡啶环上发生，喹啉的反应位置 在2位和4位(2位为主)，异喹啉在1位；

*2 常用的亲核试剂有RLi, ArLi, RMgX, NaNH2, RONa等。 负氢比较难以取代。Cl, NO2等基因较易取代。

5. 侧链 -H的反应: 产率很高

6. 还原: 反十氢喹啉 顺十氢喹啉

第八节 嘧啶和咪唑的并环体系--嘌呤环系 一 结构 二 两个重要的衍生物

一 结构 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)

二 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)