1、University of Science and Technology of China第十六章第十六章杂环化合物杂环化合物Heterocyclic compounds 有机化学Organic Chem环状化合物，环上除碳，还有杂原子（环状化合物，环上除碳，还有杂原子（N N、O O、S S等）等）环具有芳香结构和一定的稳定性（闭合共轭体系）环具有芳香结构和一定的稳定性（闭合共轭体系）根据以上定义，酸酐根据以上定义，酸酐、环氧环氧、内酯内酯、内酰胺不属杂环化合物内酰胺不属杂环化合物核酸碱基核酸碱基：自然界分布自然界分布 血红素血红素、叶绿素叶绿素 BOOOHOHOHOHOPB=生物碱、天然或
2、合成药成分生物碱、天然或合成药成分维生素、植物色素、植物染料维生素、植物色素、植物染料NNHNNNNOONH2Organic Chem 一一 、杂环化合物的分类和命名、杂环化合物的分类和命名单环单环 五元环五元环 含一个杂原子含一个杂原子 呋喃呋喃 吡咯吡咯 噻吩噻吩含两个杂原子含两个杂原子 噁唑噁唑 咪唑咪唑 噻唑噻唑异噁唑异噁唑 吡唑吡唑 异噻唑异噻唑 ONSHFuranPyrroleThiopheneNONNNSHOxazoleImidazoleThiazoleNONNNSHIsoxazolePyrazoleIsothiazoleOrganic Chem六元环六元环 含一个杂原子含一个杂
3、原子：吡啶吡啶 吡喃吡喃含两个杂原子含两个杂原子：哒嗪哒嗪 嘧啶嘧啶 吡嗪吡嗪NOPyridinePyranNNNNNNPyridazinePyrimidinePyrazineOrganic Chem稠杂环稠杂环 NNNNNNNQuinolineIsoquinoline喹啉喹啉 异喹啉异喹啉 蝶啶蝶啶 吖啶吖啶吲哚吲哚 嘌啉嘌啉 咔唑咔唑NNNHNHNNHIndolePurineCarbazoleOrganic Chem命名命名：1.音译名音译名 （同音汉字加（同音汉字加“口口”字旁）字旁）2.当作碳环芳香化合物的衍生当作碳环芳香化合物的衍生,如如：3.环上原子的编号顺序环上原子的编号顺序 从
4、杂原子开始从杂原子开始 1，2，3，4 不止一个杂原子，按不止一个杂原子，按O，S，N顺序编号顺序编号 取代基位次之和最小原则取代基位次之和最小原则ON氧杂茂茂氮杂苯苯Organic ChemNNNN12345678N123456785-硝基喹啉N12345678NO2NNNN123456789例：SC2H523452-乙基噻唑N2345CH3CH2CH2OHO2N112-甲基5硝基1【2羟乙基】Organic Chem二、一杂五元杂环化合物二、一杂五元杂环化合物1.结构特点结构特点O呋喃S噻吩NH吡咯a.杂原子杂原子p轨道上一对未共用电子参与环上共轭轨道上一对未共用电子参与环上共轭56具有芳
5、香性（闭合共轭大具有芳香性（闭合共轭大 键，键，p电子数为电子数为6）Organic Chemb.芳香性顺序芳香性顺序：SNO电负性电负性O N S3.5 3.0 2.5杂原子电负性比杂原子电负性比C大，周围电子云密度较大。大，周围电子云密度较大。环上电子云分布不均，芳香性不如苯。环上电子云分布不均，芳香性不如苯。O电负性最大，呋喃芳香性最差电负性最大，呋喃芳香性最差Organic Chem NMR 化学位移低化学位移低 环电流的存在，各向异性去屏蔽环电流的存在，各向异性去屏蔽OHH6.377.42NHH6.226.68SHH7.107.30偶极矩偶极矩：OSN1.73 D1.90 D1.58
6、 DONS0.70 D0.51 D1.81 D芳香性证据：芳香性证据：Organic Chem芳香性不如苯芳香性不如苯：键长不完全平均化键长不完全平均化电子云密度分布不均电子云密度分布不均SNO140142137143137143136c.环上电子云密度比苯大，环上电子云密度比苯大，亲电取代反应的活性大于苯亲电取代反应的活性大于苯Organic Chem2.呋喃、噻吩、吡咯的反应呋喃、噻吩、吡咯的反应a.亲电取代活性：亲电取代活性：，反应速度以苯为反应速度以苯为1以若以若则则反应活性太高，环稳定性差，反应活性太高，环稳定性差，需在温和条件下进行，否则产物复杂需在温和条件下进行，否则产物复杂X+
7、F3CCOO()2XCCF3OS1.9x10 43.2x10 7S为1SNOO1.4x10 2NH5.5x10 7Organic Chem取代一般发生在取代一般发生在-位位O+Br2NNOBr80%0OC+(CF3CO)2OBF3Et2O.7292%OOCF3O0OCSSS+CH3COO-+NO2+NO2NO20OC 60%10%-10OC 70%5%NHNSO3100OCHClNHSO3+90%.卤卤代代酰酰化化硝硝化化磺磺化化硝硝酸酸乙乙酸酸酯酯Organic Chemb.亲电取代的定位规则亲电取代的定位规则i.杂原子的定位效应杂原子的定位效应邻位定位效应邻位定位效应p-共轭共轭邻位电子云
8、密度最大邻位电子云密度最大 生成的中间体正离子稳定性大小生成的中间体正离子稳定性大小-位取代位取代：-位位 取代取代：XHYXHYXHY正电荷分布在俩个原子上Organic Chemii.当环上已有一个取代基当环上已有一个取代基-取代取代：-取代取代：XBXBYXBYB为邻位取代基B为间位取代基OBOB无论B为哪一类取代基SBSBNHNHB为邻对位取代基B为间对位取代基Organic Chemc.Diels-Alder反应反应OOOO+OOOO90%呋喃的芳香性最差，故共轭双烯的反应最高HHHN+NH吡咯遇活泼亲双烯体也能反应SOOO+SOOO100高压噻吩激烈条件下也能反应HHOrganic
9、 Chemd.加氢还原加氢还原H2/Ni,rtH2/MoS3Na/C2H5OHCH3CH2CH2CH3 +H2S+SSSSH2/PdZn/AcOH/H2OHNHNHNOONi/H2,125OC100atmH2Pt/AcOHCH3CH2CH2OHOrganic Cheme.吡咯的酸碱性吡咯的酸碱性p-共轭，碱性极弱，共轭，碱性极弱，pKb13.6N上的上的H有酸性，有酸性，pKa15NH+KOHNKNRORClONHRO+RMgXNMgXRXNRNHROrganic ChemNH+N2ClNHN=N+CH2=CHCOROBF3NHCH2CH2COOR瑞穆尔蒂曼反应NHNaOH+CHCl3NHCH
10、O吡咯特有的反应吡咯特有的反应与重氮盐的反应与重氮盐的反应Organic Chem三、含一个杂原子的六元环化合物三、含一个杂原子的六元环化合物1.吡啶的结构吡啶的结构N5C、1N共面，都是共面，都是sp 杂化，杂化，6个个p轨道侧面交叠形成闭合大轨道侧面交叠形成闭合大 键。键。2Organic Chem N上一对未成键电子在上一对未成键电子在sp2杂化轨道上，杂化轨道上，未参与形成环上共轭体系，可接受未参与形成环上共轭体系，可接受H碱性碱性 可发生亲电取代，活性不如苯，主要在间位可发生亲电取代，活性不如苯，主要在间位 邻对位可发生亲核取代邻对位可发生亲核取代 邻对位的侧链邻对位的侧链-H-H有
11、酸性有酸性 比苯难氧化，但易还原比苯难氧化，但易还原 N的电负性的电负性C，吸电子使环上电子云密度降，吸电子使环上电子云密度降低（性质与硝基苯相似）低（性质与硝基苯相似）Organic Chem2.吡啶的化学反应吡啶的化学反应a.碱性碱性b.亲电取代亲电取代Nsp2pKb8.8NH13.6NHH9.4Nsp3pKb 34.5N+混酸300NNO2浓H2SO4200NSO3HCl2，AlCl3(2e)NClOrganic Chemc.亲核取代亲核取代N+RLiPhLiEt2O,0NPh(R)NaNH2NNH2PhN(CH3)280%70-80%NBrBrNH3/H2O160NNH2Br65%d.
12、氧化还原反应氧化还原反应N吸电子，使环稳定性增加，氧化主要发生在侧链，异环或N原子上NCH3HNO3NCOOHNNCOOHCOOHNH2O2(30%),AcOH65NO发烟HNO3发烟H2SO4NONO2PCl3CHCl3NNO290Organic Chem还原比苯易还原比苯易NNa+C2H5OHNHH2/PtNH哌啶e.侧链侧链-H的反应性：的反应性：2,4,6-位有烷基取代，其位有烷基取代，其-H有酸性有酸性NCH3NaNH2NCH2+C PhOPhCH3INCH2CPhOHPhNCH2CH3Organic Chem四、含两个杂原子的杂环化合物四、含两个杂原子的杂环化合物 1.五元双杂环化
13、合物五元双杂环化合物a.物理性质物理性质NONSNONSNNHb.p.95 113 188 (m.p.70)b.p.70 117 263 (m.p.90)NNNNHHNNHNNNNHH分子间形成氢键，分子间形成氢键，b.p.(m.p.)高高Organic Chemb.结构与反应性结构与反应性XNXNX电负性较大，吸电子，环上电子电负性较大，吸电子，环上电子 云密度降低，亲电取代变难，主要云密度降低，亲电取代变难，主要 发生在该发生在该N的间位的间位 引入的引入的N，电子结构与吡啶中相，电子结构与吡啶中相 同未共用电子对在同未共用电子对在sp2杂化轨道上不杂化轨道上不 参与环的共轭，也有碱性参与
14、环的共轭，也有碱性 环上电子云密度降低，对酸、环上电子云密度降低，对酸、氧化剂的稳定性增大氧化剂的稳定性增大以咪唑为例以咪唑为例：NN引引入入一一个个NOrganic Chemi.碱性碱性跟引入的跟引入的N原子与另一杂原子的相对位置和性质有关原子与另一杂原子的相对位置和性质有关：1,3-唑：另一杂原子在间位，诱导吸电子弱，碱性较强唑：另一杂原子在间位，诱导吸电子弱，碱性较强。NNHNSNOpKb 6.8 11.51,2-唑：另一杂原子在邻位，诱导吸电子大得多，唑：另一杂原子在邻位，诱导吸电子大得多，碱性较碱性较1,3-唑弱，但比吡咯强唑弱，但比吡咯强。NNHNHpKb 13.6 11.5Org
15、anic Chemii.亲电取代反应亲电取代反应活性比相应的但杂化合物差。反应条件要求比较剧烈活性比相应的但杂化合物差。反应条件要求比较剧烈。1,3唑唑5位，位，1,2唑唑4位位，唑的间位定位效应唑的间位定位效应。1,2唑唑：NSSO3浓H2SO4NSHO3S90%NOH3CNOH3CO2N混酸701,3唑唑：NS发烟H2SO4HgSO4，250NSHO3S65Organic Chemiii.侧链的氧化（环的稳定性）侧链的氧化（环的稳定性）NNHH3CKMnO4OHNNHHOOCiv.互变异构的现象互变异构的现象含两个含两个N原子的杂环化合物，这两个杂原子的电子结构原子的杂环化合物，这两个杂原
16、子的电子结构不同，在一定的条件下可以互变不同，在一定的条件下可以互变：NNHNNHBrNHNBrBr2CHCl35-溴4-溴NNHH3CNHNH3C5甲基3甲基Organic Chem2.双杂六元杂环化合物双杂六元杂环化合物NNNNNNPyridazine Pyrimidine Pyrazine 哒嗪 嘧啶 吡嗪HNNHOOHNNHOOCH3NNHNH2OUracil Thymine Cytosine尿嘧啶 胸腺嘧啶 胞嘧啶NNCH3NNNNNNCH3CH3H3CCCH3SCH3CH3O（O）食用香精食用香精20多种多种Organic Chem结构与反应性结构与反应性环上引入第二个环上引入第二
17、个N原子，原子，相当于一个相当于一个NO2的吸电子效应的吸电子效应。使使另一个另一个N上的电子云密度降低上的电子云密度降低碱性变弱碱性变弱 环上电子云密度降低环上电子云密度降低亲电取代变难亲电取代变难（不能发生硝化、磺化，只发生卤代（不能发生硝化、磺化，只发生卤代）Organic ChemNNBr2160NNBr（5-位取代）pKb12.7亲核取代变易亲核取代变易：NNH3CNaNH2NNH3CNH2NNH3CNH2+稳定性增加稳定性增加:（嘧啶空气中不氧化，而吡啶则变色嘧啶空气中不氧化，而吡啶则变色）Organic Chem五、稠杂环化合物和生物碱五、稠杂环化合物和生物碱NH1234567性
18、质与NH相似主要发生亲电取代，位NHBr2OO，0NHBr701.吲哚吲哚Organic Chem吲哚的制备吲哚的制备Ficher合成法合成法NHNH2ROR(H)+HOAcNHNRRHNHNHRRNHNH2HRRNH2NH2RHRNHRRNH2HHNHRR(H)-NH4醛（酮）Organic ChemHN NH2H3COCOOH+NHNH3CCOOHPCl3NHCOOHNH-CO2250要制备吲哚本身要制备吲哚本身：Organic Chem2.喹啉喹啉N性质与性质与 相似相似NpKb=8.8N混酸0NNO2+NNO258亲电取代较难：主要发生在异环亲电取代较难：主要发生在异环-位位pKb=9
19、.06也能发生邻、对位的亲核取代也能发生邻、对位的亲核取代：N+2NaNH2NNNH2NH2+Organic Chem喹啉的制备喹啉的制备Skraup 合成法合成法NH2+H2CCHCH2OH OH OH浓H2SO4NO2,N历程：历程：H2CCHCH2OH OH OH浓H2SO4-2H2OH2C CHCHONH2OHNHOHNHHCOHH-H-H2ONHHOHNHNO2,-H2NOrganic Chem3.嘌呤嘌呤NNNHN123456789NNNHNHNNNHNNH2H2NO腺嘌呤 鸟嘌呤核酸核酸DNA中的中的 两种碱基两种碱基Organic Chem合成方法：陶贝（合成方法：陶贝（Tra
20、ube）合成方法）合成方法碱碱尿尿酸酸CNH2NH2O+OHOCNOHNCNONH2HNNHOONH2HNO2HNNHOONH2NOHHNNHOONH2NH2COOC2H5ClHNNHOONH2HNOOC2H5-C2H5OHHNNHNHHNOOONNNHNOHOHHOPOCl3NNNHNClClClOrganic ChemNNNHNClClClNH3/H2O100NNNHNNH2ClClHINNNHNNH2腺嘌呤NaOH/H2OHNNNHNOClClNH3HNNNHNOH2NClHIHNNNHNOH2N鸟嘌呤Organic Chem五元单杂化合物的合成五元单杂化合物的合成：HC CH+2 HCHOCuC CCuHOCH2C C CH2OHNH3压力NHH3CH2CCH2CH3+S600S+H2SCHOCHOHCH2OH33H2OOCHOZnO（或Cr2O3）400，COO玉米心花生壳HCl水解OOP2O5OH3CCH3（NH4）2CO3NHH3CCH3P2O5SH3CCH3Organic ChemOrganic Chem
