第十六章 杂环化合物

1. 第十六章 杂环化合物 主讲人：王碧教授

2. 教学目的要求： 1、掌握杂环化合物的含义，分类和简单杂环化合物的命名； 2、掌握呋喃、噻吩、吡咯、吡啶、喹啉（包括喹啉的合成法-Skraup法）的结构和性质； 3、掌握糠醛的性质和用途； 4、了解喹啉、噻唑及其衍生物，吡啶、嘧啶衍生物；吲哚、嘌啉及其衍生物的结构、性质； 5、了解生物碱的一般知识。 重点：五员杂环和六员杂环的亲电取代反应和亲核取代反应，糠醛、喹啉的合成及性质用途。 难点：对呋喃、噻吩、吡咯、吡啶的结构与芳香性和亲电取代活性的影响等知识的理解。

3. 16.1 杂环化合物的分类和命名 在环上含有杂原子（非碳原子）的有机物称为杂环化合物。 一 、分类 脂杂环——没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂环。 非芳香性杂环化合物具有与相应脂肪族化合物相类似的性质。 例如： 通常，杂环化合物是指含有杂原子构成环的、有一定芳香性的环状化合物。

4. 芳杂环：单杂环（五元杂环、六元杂环）， 稠杂环（苯并杂环、杂环并杂环等。 1、 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　)

5. 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 单杂环 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 稠杂环 杂环并杂环 嘌呤 稠杂环是由苯环与单杂环或有两个以上单杂环稠并而成.

6. 二 、杂环化合物的命名 命名：杂环的命名常用音译法，是按外文名称的音译，并加口字旁，表示为环状化合物。如杂环上有取代基时，取代基的位次从杂原子算起用1，2，3，4，5……（或可将杂原子旁的碳原子依次编为 α ,β, γ, δ …） 来编号 五元杂环 吡咯(pyrrole) 呋喃(furan) 噻吩(thiophene) 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)

7. 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。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：按O,S,N顺序依次编号, 编号时杂原子的位次数字之和应最小。

8. 1,2-唑 异噁唑(isoxazole) 异噻唑(isothiazole) 吡唑(pyrazole) 1,3-唑 噁唑(oxazole) 噻唑(thiazole) 咪唑(inidazole)

9. 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)

10. 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)

11. 16.2 含有一个杂原子的五元杂环体系 一、 呋喃、噻吩、吡咯的结构 三个化合物在结构上的共同点：构成环的碳原子和杂原子（N、S、O）均以sp2杂化轨道互相连接成σ健，并且在一个平面上，每个碳原子及杂原子上均有一个p轨道互相平行，在碳原子的p轨道中有一个p电子，在杂原子的p轨道中有两个p电子，形成一个环形的封闭的π电子的共轭体系， π电子数为4n+2 ，符合休克尔规则，因此这些杂环或多或少的具有与苯类似的性质，故称之为芳香杂环化合物。 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。 π56共轭体系 富电子芳环

12. 同理：呋喃、噻吩： π56共轭体系 π电子为6，符合4n+2，具有芳香性。 富电子芳环 芳香性大小,试验结果表明: 离域能： 150.5 121.3 87.8 66.9 （kJ/mol）

13. 二、呋喃、噻吩、吡咯的性质 （一）存在与物理性质 见教材p554 （二）光谱性质 1. IR νc-H = 3077~3003cm-1,νN-H = 3500~3200 cm-1 (在非极性溶剂的稀溶液中，在3495 cm-1，有一尖峰。在浓溶液中则于3400 cm-1,有一尖峰。在浓和淡的中间浓度时，两种谱带都有),杂环C＝C伸缩振动:1600~1300 cm-1（有二至四个谱带）。 2. NMR 这些杂环化合物形成封闭的芳香封闭体系，与苯环类似，在核磁共振谱上，由于外磁场的作用而诱导出一个绕环转的环电流，此环电流可产生一个和外界磁场方向相反的感应磁场，在环外的质子，处在感应磁场回来的磁力线上，和外界磁场方向一致，在去屏蔽区域，故环上氢吸收峰移向低场。化学位移一般在7ppm左右。

14. 呋喃：α－H δ=7.42ppm β－H δ=6.37ppm 噻吩：α－H δ=7.30ppm β－H δ=7.10ppm 吡咯：α－H δ=6.68ppm β－H δ=6.22ppm （三）呋喃，噻吩，吡咯的化学性质 三类反应 1.亲电取代反应 2.吡咯的弱碱性和弱酸性 3.加成反应 1.亲电取代反应： （1）呋喃，噻吩，吡咯亲电取代活泼顺序

15. 从结构上分析，五元杂环为Π56共轭体系，电荷密度比苯大，如以苯环上碳原子的电荷密度为标准（作为0），则五元杂环化合物的有效电荷分布为：从结构上分析，五元杂环为Π56共轭体系，电荷密度比苯大，如以苯环上碳原子的电荷密度为标准（作为0），则五元杂环化合物的有效电荷分布为： 呋喃，噻吩，吡咯亲电取代反应很容易进行。这是由于环上五个原子共有六个π电子，故 π电子出现的几率密度比苯环大。换句话说，环上的杂原子有给电子的共轭效应，能使杂环活化。所以，在亲电取代反应中的速度比苯环快的多。

16. 亲电取代反应活泼顺序为： ①电子密度②σ-络合物 杂原子给电子共轭效应愈强，环上电子云密度愈大，亲电取代愈易进行。 N 电负性3.0, O 电负性 3.5, S 电负性 2.4,N、O与碳在同一周期，S在第三周期，其p轨道与碳的p轨道重叠较小。 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。

17. （2） 亲电基团容易进入杂环的2，5 位（即α, α′位），若杂环的2，5位已有基团存在，则进入3位。 α位比较活泼的原因是因为在反应中形成的中间体正离子有3个共振式参与共振。如果在β位发生反应，形成的中间体正离子只有2个共振式参与共振，参与共振的共阵式愈多，杂化体愈稳定，故在α位发生反应的中间体正离子比较稳定，稳定的中间体正离子的过渡态能量低，反应速度快。因此亲电取代反应容易在α位发生。

18. （3）吡咯、呋喃、噻吩的亲电取代反应，对试剂及反应条件必须有所选择和控制，进行取代反应须在较温和的条件下进行。 尤其是吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感，选择试剂时需要注意；呋喃，噻吩，吡咯，遇强酸及氧化剂很容易使环破坏，因此 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。 （4）亲电取代反应 A.硝化 呋喃，噻吩，吡咯很容易被氧化，甚至也能被空气氧化。因此一般不用硝酸直接氧化。通常用比较温和的非质子的硝化试剂—硝酸乙酰酯(CH3COONO2)进行硝化，反应还须在低温进行。

19. 乙酐 乙酰基硝酸酯（硝酸乙酰酯） 杂环亲电取代反应的活泼性越强，反应温度控制的越低。

20. 呋喃比较特殊，在此反应中首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，得硝化产物.呋喃比较特殊，在此反应中首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，得硝化产物. 呋喃易生成2，5—加成物，与反应物的离域能大小有关。离域能大，反应活化能小，容易发生亲电取代反应。呋喃的离域能较小（呋喃66.9kJ/mol，噻吩121.3 kJ/mol，吡咯87.8 kJ/mol），因此易与乙酰氧基负离子发生亲核加成反应，而吡咯具有较高的芳香性，因此，易于失去质子发生亲电取代反应。但必须注意到呋喃与大多数亲电试剂发生亲电取代反应，只有在强的亲核试剂存在时，才发生亲核加成反应。

21. B、 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 %)

22. B a ( O H ) C l C H C H C l 2 + 2 B a 2 2 + - r . t . 2 S O S N 3 S S O 3 反应首先得到吡啶的磺酸盐，再用无机酸转为游离的磺酸 常温 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,也可直接用浓硫酸磺化 。

23. 从煤焦油中得到的苯通常含有少量的噻吩。可在室温下反复用硫酸提取，由于噻吩比苯容易磺化，磺化的噻吩溶于浓硫酸内，可以与苯分离。然后水解，将磺酸基去掉，可得到噻吩：从煤焦油中得到的苯通常含有少量的噻吩。可在室温下反复用硫酸提取，由于噻吩比苯容易磺化，磺化的噻吩溶于浓硫酸内，可以与苯分离。然后水解，将磺酸基去掉，可得到噻吩： 噻吩—2—磺酸 69~76%（溶于浓H2SO4）

24. C、 呋喃、噻吩、吡咯的卤化反应 呋喃，噻吩在室温与氯或溴反应很强烈，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。不活泼的碘则须在催化剂作用下进行： 碘不活泼，要用催化剂才能发生一元取代 唯一能直接卤化制得的2—卤吡咯

25. D、 呋喃、噻吩、吡咯的傅氏酰基化反应

26. 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。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 碳上酰化，正电荷处在离域范围内，较稳定。 氮上酰化，正电荷不处在离域范围内。 呋喃，吡咯，噻吩亲电取代反应小结：呋喃，吡咯遇强酸容易开环或产生聚合物。故所使用的亲电试剂一般比较温和。

27. 噻吩很稳定，与酸不发生上述反应。 噻吩傅氏酰基化反应非常有用，但需要小心控制反应条件，如用无水三氯化铝，氯化锡等催化剂易与噻吩产生树脂状物质。必须将三氯化铝等先与酰化试剂反应生成活泼的亲电试剂，然后在与噻吩反应。

28. E、 呋喃、噻吩、吡咯的傅氏烷基化反应 呋喃，噻吩，吡咯进行烷基化反应很难得到一烷基取代的产物。常得到混合的多烷基取代物。甚至不可避免的产生树脂状物质，因此总体看，在合成上无实用价值。 总结：五员杂环化合物亲电取代第一取代基进入到杂原子的α-位。

29. *F、 含取代基的五员杂环化合物定位效应 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：

30. 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-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、吡咯的质子化反应和吡咯的弱碱性和弱酸性 （1）质子化反应 分子接受一个质子的反应称为呋喃、噻吩、吡 咯的质子化反应.

31. A、呋喃、噻吩、吡咯在酸的作用下可质子化；A、呋喃、噻吩、吡咯在酸的作用下可质子化； B、 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

32. C、 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； D、 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。

33. （2）吡咯的弱碱性和弱酸性 吡咯虽然是一个仲胺，但碱性很弱。 吡咯具有弱酸性，其酸性介与乙醇和苯酚之间。

34. 吡咯成盐后，使环上电荷密度增高，亲电取代反应更易进行。吡咯成盐后，使环上电荷密度增高，亲电取代反应更易进行。

35. 吡咯也能与格氏试剂作用放出烃（RH）而成吡咯卤化镁：吡咯也能与格氏试剂作用放出烃（RH）而成吡咯卤化镁： 吡咯卤化镁 吡咯钾盐及吡咯卤化镁都可以用来合成吡咯衍生物。 N—苯甲酰基吡咯 70%

36. 3. 吡咯的其它反应 吡咯的性质与酚很类似，可发生下列反应： 2—吡咯甲醛（瑞穆尔—梯曼反应）

37. 2—吡咯甲酸铵盐（柯尔柏反应）

38. 4. 呋喃、吡咯、噻吩的加成反应 （1） 加氢反应

39. （2） Diels-Alder反应 呋喃最易发生Diels-Alder反应

40. 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。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。

42. 三．呋喃，噻吩，吡咯的制备 1、呋喃的制备 玉米心，稻糠，花生壳，大麦壳，高粱秆等用稀硫酸处理得戊糖，戊糖失水得糠醛，再在400℃下加热，同时在催化剂ZnO,Cr2O3存在下，失去一氧化碳而得呋喃。

43. 2.噻吩的制备 工业上制备噻吩是用丁烷，丁烯或丁二烯与硫磺混合，在600℃反应得到： 噻吩也可用琥珀酸钠盐与五硫化二磷一起加热反应制得： 3.吡咯的制备 （1）帕尔——克诺尔（C.Paal—L.Knorr）合成法

45. （2）取代吡咯的另一个一般的合成法，称为克诺尔合成法，即用氨基酮与有α－亚甲基的酮进行缩合。例如用氨基酮酸酯与酮酸酯或1，3—二酮缩合，氨基酮酸脂由相应的β－羰基酯制得 。 α—氨基酮 α—亚甲基酮  

46. 四、呋喃，吡咯的衍生物 （一）．糠醛（α—呋喃甲醛） 1. 制备 糠醛是无色透明液体，糠醛在工业上由农副产物如甘蔗渣，花生壳，高粱秆，棉子壳等用稀酸加热蒸煮制取。

47. 2. 糠醛的性质 同有α-H的醛的一般性质 （1）氧化还原反应 良好的溶剂，是合成糠醇树脂的单体

48. （2）歧化反应 （3）羟醛缩合反应 （4）安息香缩合反应

49. 3．糠醛的用途 糠醛是良好的溶剂，常用作精练石油的溶剂，以溶解含硫物质及环烷烃等。可用于精制松香，脱出色素，溶解硝酸纤维素等。糠醛广泛用于油漆及树脂工业。 （二）吡咯的重要衍生物 最重要的吡咯衍生物是含有四个吡咯环和四个次甲基(-CH= )交替相连组成的大环（称为卟吩环）化合物。 含卟吩环的化合物称卟啉化合物 ，其取代物称为卟啉族化合物。

50. 卟吩环碳上氢原子被取代及部分或全部取代后形成的化合物，叫做 卟啉。 卟吩化合物广泛分布于自然界，例如血红素和叶绿素。血红素存在于哺乳动物的红血球中，它与蛋白质合成为血红蛋白质。血红蛋白质的功能是运载氧气及二氧化碳。 卟啉族化合物广泛分布与自然界。血红素，叶绿素都是含环的卟啉族化合物。在血红素中 环络合的是Fe，叶绿素 环络合的是Mg。血红素见教材 叶绿素与蛋白质结合存在于植物的叶和绿色的茎中。植物光合作用时，叶绿素吸收太阳能转变为化学能，是植物进行光合作用时必需的催化剂。自然界的叶绿素不是一个单纯的化合物，而是由两种叶绿素组合而成，即蓝绿色的叶绿素a（熔点：117～120 ℃）和黄绿色的叶绿素b（熔点：120～130 ℃） ，两者的比例为：3a：4b,叶绿素 环中含镁。叶绿素a已经被合成（1960年）