有机化学课件：第十四章 杂环有机物.ppt

1、1主要内容主要内容第一节第一节 杂环化合物的分类和命名杂环化合物的分类和命名第二节第二节 六元杂环化合物六元杂环化合物第三节第三节 五元杂环化合物五元杂环化合物 2一般把除一般把除碳碳以外的成环原子叫以外的成环原子叫杂原子杂原子，常见的杂原子，常见的杂原子有氧、硫和氮：有氧、硫和氮： 环系中可含一个、两个或多个相同或不同的杂原子。环系中可含一个、两个或多个相同或不同的杂原子。环可以有三元环、四元环、五元环、六元环或更大，环可以有三元环、四元环、五元环、六元环或更大，可以是稠合的环。可以是稠合的环。 杂环化合物种类繁多，约占全部已知有机化合物的杂环化合物种类繁多，约占全部已知有机化合物的 三分之

2、一三分之一。3这些化合物的性质与相应的脂肪族化合物相近。这些化合物的性质与相应的脂肪族化合物相近。 本章介绍的是具有不同本章介绍的是具有不同芳香性芳香性的杂环化合物的杂环化合物（简称芳杂化合物）。（简称芳杂化合物）。 已经学过的杂环化合物：已经学过的杂环化合物：4B= 嘧啶嘧啶嘌呤环嘌呤环杂环化合物：杂环化合物：（1）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,O,S等）等）（2）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，环氧，内酯，内酰胺不属杂环化合物根据以上定义，酸酐，环氧，内酯，内酰胺不属杂环

3、化合物杂环化合物在自然界分布：杂环化合物在自然界分布：核酸碱基，核酸碱基，血红素，叶绿素血红素，叶绿素 生物碱，天然或合成药成分维生素，植物色素，植物染料5（一）分类（一）分类单环单环 含一个杂原子含一个杂原子 ONHSFuranThiophenePyrrole 呋喃呋喃 吡咯吡咯 噻吩噻吩含两个杂原子含两个杂原子 NONNHNSThiazoleOxazolelmidazole噁唑噁唑 咪唑咪唑 噻唑噻唑NONNHNSIsoxazole Pyrazole Isothiazole五元环五元环 6含一个杂原子：含一个杂原子： 吡啶吡啶 吡喃吡喃含两个杂原子：含两个杂原子： NNPyrimidine

4、PyridazineNNNNPyrazine哒嗪 嘧啶 吡嗪NO Pyridine Pyran7喹啉喹啉 异喹啉异喹啉 蝶啶蝶啶 丫啶丫啶NNNNHNHIndolePurineCarbazoleNH吲哚吲哚 嘌啉嘌啉 咔唑咔唑NNNNNNNQuinolineIsoquinoline8按骨架分类按骨架分类:五元杂环、六元杂环五元杂环、六元杂环;单杂环和稠杂环等。单杂环和稠杂环等。 命名命名按英文音译。常见的杂环有：按英文音译。常见的杂环有：杂环化合物的分类和命名杂环化合物的分类和命名喹啉喹啉 呋喃呋喃 噻吩噻吩吡咯吡咯吡啶吡啶吲哚吲哚 噻唑噻唑 嘧啶嘧啶9 命名命名1：带有取代基的杂环化合物，以

5、杂环为母体，：带有取代基的杂环化合物，以杂环为母体，从杂原子开始顺着环编号；当环上含有两个或以上相从杂原子开始顺着环编号；当环上含有两个或以上相同的杂原子时，应使杂原子所在位次的数字最小；环同的杂原子时，应使杂原子所在位次的数字最小；环上有不同杂原子时，上有不同杂原子时，按按O、S、N的次序编号的次序编号： 命名命名2：环上只有一个杂原子时，有时也把靠近杂：环上只有一个杂原子时，有时也把靠近杂原子的位置叫原子的位置叫 位，其次为位，其次为 位，再次为位，再次为 位：位：10 含有两个或以上的相同杂原子的单杂环衍生物，编含有两个或以上的相同杂原子的单杂环衍生物，编号从连有取代基（或氢原子）的那个

6、杂原子开始，顺号从连有取代基（或氢原子）的那个杂原子开始，顺序定位，使另一个杂原子的位次保持最小：序定位，使另一个杂原子的位次保持最小：11命名命名3：根据相应的碳环来命名。把杂环看作相应碳环：根据相应的碳环来命名。把杂环看作相应碳环中的碳原子被杂原子取代而形成的化合物，命名时在中的碳原子被杂原子取代而形成的化合物，命名时在相应的碳环名称前加上杂原子的名称：相应的碳环名称前加上杂原子的名称： 在没有误会的情况下，在没有误会的情况下，“杂杂”字可以省去。字可以省去。12（1）五元杂环化合物）五元杂环化合物呋喃、噻吩、吡咯的结构呋喃、噻吩、吡咯的结构 五个原子处于同一平面；有一个闭合的共轭体系。五

7、个原子处于同一平面；有一个闭合的共轭体系。 杂原子的未共用电子对参加了杂原子的未共用电子对参加了芳香性的六芳香性的六 电子体系的形成。体电子体系的形成。体系符合系符合4n+2休克尔规则。休克尔规则。杂环化合物的结构与芳香性杂环化合物的结构与芳香性杂原子均以杂原子均以sp2杂 化 （杂 化 （未杂化的未杂化的P上有上有2个电个电子参加成环子参加成环）p(2), sp2(1,1,1)p(2), sp2(1,1,2)p(2), sp2(1,1,2)13 呋喃、吡咯、噻吩环中的杂原子上的未共用电子对呋喃、吡咯、噻吩环中的杂原子上的未共用电子对参与了环的共轭体系，使环上的电子云密度增大，故参与了环的共轭

8、体系，使环上的电子云密度增大，故比苯容易发生比苯容易发生亲电取代亲电取代反应，取代通常发生在反应，取代通常发生在 -位位。 芳香性程度的比较：芳香性程度的比较：14芳香性强弱的次序芳香性强弱的次序 苯苯 噻吩噻吩 吡咯吡咯 呋喃呋喃取代反应活性的次序取代反应活性的次序 吡咯吡咯 呋喃呋喃 噻吩噻吩 苯苯离域能离域能：152 117 88 67 KJ/mol -0.10 -0.03 -0.06 0 (不一致不一致)位电子位电子云密度云密度15 氮原子与碳原子处在同一平面。氮原子与碳原子处在同一平面。 吡啶的结构与苯相似，符合休克尔规则，具有芳香性吡啶的结构与苯相似，符合休克尔规则，具有芳香性 吡

9、啶在发生吡啶在发生亲电取代反应亲电取代反应较苯困难，主要发生在较苯困难，主要发生在 位位。 相对来说，吡啶较易发生相对来说，吡啶较易发生亲核取代反应亲核取代反应，取代基往往，取代基往往进入进入 位位。（2）六元杂环化合物）六元杂环化合物吡啶吡啶杂原子均以杂原子均以sp2杂 化 （杂 化 （未杂化的未杂化的P上有上有1电子电子参加成环）参加成环）P(1), Sp2(1,1,2)16 由于芳杂环中电子的离域作用，环中的单、双键与由于芳杂环中电子的离域作用，环中的单、双键与孤立的单、双键不同，因此，可用下列式子表示：孤立的单、双键不同，因此，可用下列式子表示： 也可用共振式的叠加来表示，如吡咯：也可

10、用共振式的叠加来表示，如吡咯： 芳香族化合物的电荷分布：芳香族化合物的电荷分布： 环上碳原子电荷密度比苯大的称为环上碳原子电荷密度比苯大的称为多多 芳杂环芳杂环，通常为，通常为五元芳杂环；比苯小的，称为五元芳杂环；比苯小的，称为缺缺 芳杂环芳杂环，六元杂环。，六元杂环。17 电子数电子数=6 电子数电子数=8 电子数电子数=6非共轭体系非共轭体系 电子数电子数=6 电子数电子数=6N有有3个个 键的键的,如如-NH-,则则N为为SP2（1,1,1）,剩余剩余P=2电子电子( 电子电子)N有有2个个 键的键的,如如-N=,则则N为为SP2（1,1,2）,剩余剩余P=1电子电子( 电子电子)下列化

11、合物哪些具有芳香性？下列化合物哪些具有芳香性？有芳香性有芳香性有芳香性有芳香性有芳香性有芳香性有芳香性有芳香性反芳香性反芳香性无芳香性无芳香性18(一一) 吡啶吡啶共轭效应和诱导效应都是吸电子的共轭效应和诱导效应都是吸电子的孤电子对孤电子对在在sp2杂化杂化轨道上。轨道上。结构：吡啶结构：吡啶N是是sp2杂化，孤电子对不参与共轭。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，环上取代反应。发生亲电取代反应时，环上N起间位定起间位定 位基的作用。发生亲核取代反应时，环上位基的作用。发生

12、亲核取代反应时，环上N起邻对起邻对 位定位基的作用。位定位基的作用。1 电子结构电子结构第二节第二节 六元杂环化合物六元杂环化合物192 物理性质物理性质氮原子的电负性较大氮原子的电负性较大,使吡啶有较大极性使吡啶有较大极性,其偶极距数值较大其偶极距数值较大. =2.20D =1.17D吡啶能与水以任意比例混溶吡啶能与水以任意比例混溶,又能溶解大多数极性或非极性又能溶解大多数极性或非极性有机化合物有机化合物,甚至许多无机盐类甚至许多无机盐类,是一个良好的溶剂。是一个良好的溶剂。3 碱性碱性吡啶吡啶N是是sp2杂化，孤电子对不参与共轭，可以与质子杂化，孤电子对不参与共轭，可以与质子结合或给出电子

13、，显弱碱性。利用它的碱性，可从混结合或给出电子，显弱碱性。利用它的碱性，可从混合物中分离吡啶类化合物，在化学反应中还可用作催合物中分离吡啶类化合物，在化学反应中还可用作催化剂和除酸剂。化剂和除酸剂。20N+ HClN HClNNH3N+ SO3CH2Cl2N SO3(90%)此反应常用于在反应中吸收生成的气态酸室温吡啶三氧化硫络合物是常用的缓和磺化剂NNNRIR I300INI+RROHNNRROH制取烷基吡啶的一种方法4 化学反应化学反应(1) 氮原子上的反应氮原子上的反应21(2) 亲电取代反应亲电取代反应 吡啶环上氮原子为吸电子基，故吡啶环属于缺电子的吡啶环上氮原子为吸电子基，故吡啶环属

14、于缺电子的芳杂环，和硝基苯相似。其亲电取代反应很不活泼，反应芳杂环，和硝基苯相似。其亲电取代反应很不活泼，反应条件要求很高，不起傅条件要求很高，不起傅-克烷基化和酰基化反应。亲电取代克烷基化和酰基化反应。亲电取代 反应主要在反应主要在-位上。位上。 NNClNBrNNO2NSO3HCl2, AlCl3Br2,H2SO4HgSO4100300浮石催化气相浓220混酸300催化，氯吡啶溴吡啶硝基吡啶吡啶 磺酸333322 由吡啶的共振式分析由吡啶的共振式分析:NNNNNN 结论结论: 1. 环上带正电环上带正电, 不利不利 于亲电取代于亲电取代 2. 位的正电荷密相位的正电荷密相 对较低对较低解释

15、原因解释原因:23 由取代反应的中间体稳定由取代反应的中间体稳定性分析性分析1. 取代在取代在 位位NE 位位NENENEHHH-H+NE正正电电荷荷在在电电负负性性大大的的原原子子上上, ,不不稳稳定定242. 取代在取代在 位位E 位位NNEHNEHNEH3. 取代在取代在 位位E 位位NNEHNEHNEH正正电电荷荷在在电电负负性性大大的的原原子子上上, ,不不稳稳定定中间体较为稳定中间体较为稳定25实验事实：钝化和实验事实：钝化和 取代取代N发发烟烟 H2SO4发发烟烟 HNO3 /无无反反应应发发生生发发烟烟 H2SO4发发烟烟 HNO3 /NNO2取取代代在在 位位N(CH3)3发

16、发烟烟 H2SO4发发烟烟 HNO3 /N(CH3)3NO2起起吸吸电电子子基基作作用用300oC / 24h26其它反应现象其它反应现象NNSO3HNBr浓浓 H2SO4 / HgSO4220oC300oCBr2 / 浮浮石石无无反反应应发发生生Friedel-Crafts 反反应应环上有给电子基时反应相对较易进行环上有给电子基时反应相对较易进行NKNO3 / 浓浓 H2SO4110oCNNO2H3CCH3H3CCH3NNH220oCBr2 / HOAcNNH2Br27(3) 亲核取代反应亲核取代反应NNNH2+NaNH2H2NH3 或或 PhNMe2NPhLiNPhO2 or PhNO2,

17、( (氧氧化化) )取代主要发生在取代主要发生在 位位28当当 或或 位有其它离去基团时，反应易发生位有其它离去基团时，反应易发生NClNOHNaOHNHO - -吡吡啶啶酮酮异异构构化化NClNOHCl-ClNOHOHNHO（仍仍有有芳芳香香性性）NNH2(1)NaNO2, HCl(2)H2O,NOHNHO异异构构化化NNaNH2机机理理：其其他他制制备备 - -吡吡啶啶酮酮的的方方法法29(4) 氧化和还原反应氧化和还原反应NCH3KMnO4NCOOHNNCH3NCOOH尼尼古古丁丁( (烟烟碱碱) )烟烟酸酸HNO3 氧化在侧链上氧化在侧链上30氧化在氧化在 N 上上复习：叔胺的氧化复习

18、：叔胺的氧化R3NH2O2R3NO胺氧化合物NH2O2HOAcNON-氧氧化化吡吡啶啶吡啶的类似反应吡啶的类似反应31 N-氧化吡啶的性质：比吡啶易与亲电试剂或亲核试剂反应氧化吡啶的性质：比吡啶易与亲电试剂或亲核试剂反应NO发发烟烟HNO3发发烟烟H2SO490oCNONO2主主要要产产物物NNO2POCl3+PCl3NO(1) PhMgX(2) H2ONOHPhHAc2ONPh(a) 与亲电试剂的亲电取代与亲电试剂的亲电取代(b) 与亲核试剂的亲核加成与亲核试剂的亲核加成为什么为什么N-氧化吡啶氧化吡啶既有亲电性又有亲核性既有亲电性又有亲核性32(a) 由共振结构分析（有两种形式的共振式）由

19、共振结构分析（有两种形式的共振式）NONONONOO有苯氧基负离子特点，环有苯氧基负离子特点，环上的上的 2, 4, 6 三个位置负电三个位置负电荷密度较大荷密度较大33NONONONON保留吡啶的特点，氧负离子使环保留吡啶的特点，氧负离子使环上的正电荷密度增大上的正电荷密度增大34(b) 由反应过程分析（中间体的稳定性分析）由反应过程分析（中间体的稳定性分析）亲电取代及进一步的反应过程亲电取代及进一步的反应过程NONOHNO2NOHNO2满满足足八八隅隅体体NONO2-H+NONO2PCl3NNO2+OPCl3NO2PCl3NNO2NNO2HNNO2H对比：吡对比：吡啶的直接啶的直接亲电取代

20、亲电取代不稳定不稳定35(二）二） 喹啉和异喹啉喹啉和异喹啉喹啉和异喹啉：喹啉和异喹啉：N喹喹啉啉12345678N12345678异异喹喹啉啉1 结构与物理性质：结构与物理性质：结构：结构： *杂环部分性质象吡啶杂环部分性质象吡啶(碱性和亲和性、亲电取代、碱性和亲和性、亲电取代、 亲核取代、氧化反应、还原反应、支链上的反应亲核取代、氧化反应、还原反应、支链上的反应) *碳环部分性质象萘碳环部分性质象萘(亲电取代及其取代定位作用亲电取代及其取代定位作用)碱性强弱：喹啉吡啶异喹啉碱性强弱：喹啉吡啶异喹啉36喹啉在常温时是无色油状液体，有类似吡啶的恶臭，喹啉在常温时是无色油状液体，有类似吡啶的恶臭

21、，沸点沸点238，异喹啉为低熔点的固体，气温类似于，异喹啉为低熔点的固体，气温类似于苯甲醛，熔点苯甲醛，熔点26，沸点，沸点243。物理性质：物理性质：37（1） 亲电取代反应亲电取代反应: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。喹啉主要发生在代主要在苯环上发生。喹啉主要发生在C-5与与C-8位，而位，而异喹啉以异喹啉以C-5产物为主。产物为主。NHO3S(54%)N浓H2SO4, 220烟 H2SO4, 90或发NSO3H浓H2SO4300重排若反应在有机溶剂中进行，取代在杂环上发生。若反应在有机溶剂中进行，取代在杂

22、环上发生。2 化学反应化学反应38NEE5-位8-位NENE* * 两两个个主主要要的的共共振振式式* * 保保留留一一个个芳芳香香环环NENENE两两中中间间体体稳稳定定性性相相差差不不大大从反应中间体的稳定性解释反应结果：从反应中间体的稳定性解释反应结果：39（2） 亲核取代反应亲核取代反应 亲核取代反应主要在吡啶环上发生，喹啉的反应位置亲核取代反应主要在吡啶环上发生，喹啉的反应位置 在在2位和位和4位位(2位为主位为主)，异喹啉在，异喹啉在1位；位；NN40NNaNH2NNH2(1)n-BuLi(2)H2ONBu-nNPhNaNH2H2OH2ONPhNH2PhNO2NNNH2H2ONLi

23、Bu-nH2ONBu-nKNH2NH3PhNO2实例：实例：41（3） 氧化反应氧化反应*1 喹啉和异喹啉与绝大多数氧化剂不发生反应；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：与高锰酸钾能发生反应：NCH2O? 100NKMnO4 水溶液HOOCHOOCNNHKMnO4 水溶液OONHOOCHOOCNCOOHCOOH+KMnO4, OH-42*3 喹啉与异喹啉在过酸的作用下均可形成喹啉与异喹啉在过酸的作用下均可形成N-氧化物。氧化物。NRCO3HNORCO3HNNO43（4） 还原反应还原反应H2 / NiNNHor I2Hg(OAc)2, 130NNH2, Pt,

24、AcOH, 40NHNH+HHHH反十氢喹啉反十氢喹啉顺十氢喹啉顺十氢喹啉443 喹啉及其衍生物的合成喹啉及其衍生物的合成 1 斯克劳普斯克劳普(Skraup, Z.H.)反应：苯胺、甘反应：苯胺、甘油、硫酸和基苯等氧化剂一起作用，生成喹啉油、硫酸和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。的反应称为斯克劳普反应。实实 例例(73 %)NH2+ CH2=CHC CH3OZnCl2FeCl3NCH3100浓H2SO4NH2+ 2CH3CHONCH3(32 %)eg 2eg 145eg 4eg 3H+, 氧化剂NH2(主)H3CO+CHOHCH2OHCH2OHNH3CO甘油NH2NO2

25、H3CONH3CONO2NHH3CONO2 氧化剂46 2 弗里德伦德弗里德伦德(Friedlander)反应：反应：180哌啶(80%)N H2CCH3O+OPhHHNCH3Ph100110(90%)N H2CCH3OHClOHH+NCH3eg 1eg 2 芳香族邻氨基羰基化合物发生缩合反应，得到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。喹啉或它的衍生物，这称为弗里德伦德反应。47(三）三） 含二个氮原子的六元杂环含二个氮原子的六元杂环含有两个氮原子的六元杂环体系称作二嗪类，因氮原子含有两个氮原子的六元杂环体系称作二嗪类，因氮原子在环中的相对位置不同，二

26、嗪类有三种异构体：哒嗪、在环中的相对位置不同，二嗪类有三种异构体：哒嗪、嘧啶、吡嗪。嘧啶、吡嗪。哒嗪哒嗪(pyridazine) 嘧啶嘧啶(pyrimidine)吡嗪吡嗪(pyrazine)481 结构与物理性质结构与物理性质二嗪类环上的两个氮原子，其电子构形与吡啶中的氮原子二嗪类环上的两个氮原子，其电子构形与吡啶中的氮原子相同，各有一对未共用电子对，位于相同，各有一对未共用电子对，位于sp2杂化轨道上，能与杂化轨道上，能与水经氢键缔合。水经氢键缔合。哒嗪与嘧啶因结构的不对称性，分子有一哒嗪与嘧啶因结构的不对称性，分子有一定的极性，可与水混溶，吡嗪因分子极性小而水溶性略小。定的极性，可与水混溶

27、，吡嗪因分子极性小而水溶性略小。二嗪类化合物都是一元碱二嗪类化合物都是一元碱,而且碱性都比吡啶弱而且碱性都比吡啶弱.492 化学反应化学反应（1）. 亲电取代反应亲电取代反应NHNCl-+Br2160 oCNNBr66 %NNCH3Cl2， CCl440 oCNNClCH367 %50NNNH2Br280 oC41 %NNNH2BrNNNH2NH2NNNH2NNClN2+ClH2ONNOHH3COHHNO3, HOAc20 oCNHNHOOH3CNHNHOOH3CO2N85 %51反应最易在反应最易在2位发生，其次是位发生，其次是4,6位位NNCH3NaNH2130 - 160NNCH3NNC

28、H3NH2H2N+取代卤素要比取代负氢更容易取代卤素要比取代负氢更容易NNClClNH3100NNNH2NNClCl+NH2NH3160NNNH2NH2（2）. 亲核取代反应亲核取代反应52利用亲核取代反应可制取烃基取代的二嗪。利用亲核取代反应可制取烃基取代的二嗪。NNKMnO4NLiNHC4H9-n+ CH3CH2CH2CH2Li乙醚丙酮NNC4H9-n53二嗪不易被氧化。若用过酸氧化，得嘧啶单二嗪不易被氧化。若用过酸氧化，得嘧啶单N-氧化物氧化物NNNNOH2O2AcOH（3） 氧化氧化54（4） 侧链侧链-H反应反应NNCH3H3CCH3NNCH3H3CCH=CHPhPhCHOZnCl2

29、NNCH=CHPhPhCH=CHCH=CHPh2PhCHOZnCl2羟醛缩合型羟醛缩合型NNCH2CH3H3CCH3CH3I烷基化反应烷基化反应PhLiNNCH2LiH3CCH3NNCH3H3CCH355 吡喃环系吡喃环系H+OOOOH吡喃及其衍生物无芳香特性吡喃及其衍生物无芳香特性吡喃酮的钅吡喃酮的钅 羊盐是芳香体系。羊盐是芳香体系。(四四) 含氧原子的六元杂环含氧原子的六元杂环56(一一 ) 呋喃、噻吩、吡咯的结构呋喃、噻吩、吡咯的结构(二二) 吲哚吲哚(三三) 含两个杂原子的五元杂环含两个杂原子的五元杂环第三节第三节 五元杂环化合物五元杂环化合物57吡咯的结构吡咯的结构孤电子对在孤电子对

30、在p轨道上。轨道上。吡吡 咯咯结构：吡咯结构：吡咯N是是sp2杂化，孤电子对参与共轭。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。有一个邻对位定位基。共轭效应是给电子的。共轭效应是给电子的。诱导效应是吸电子的。诱导效应是吸电子的。(一一) 呋喃、噻吩、吡咯的结构呋喃、噻吩、吡咯的结构呋喃、噻吩的结构请同学自己分析。呋喃、噻吩的结构请同学自己分析。1 电子结构及芳香性电子结构及芳香性58呋喃、噻吩、吡咯在结构上具有共同点，即构成环呋喃、噻吩、吡咯在结构上具有共同点，即构成环的五个原子都为的五个原子都为s

31、p2杂化，故成环的五个原子处在同杂化，故成环的五个原子处在同一平面，杂原子上的孤对电子参与共轭形成共轭体一平面，杂原子上的孤对电子参与共轭形成共轭体系，其系，其电子数符合休克尔规则（电子数符合休克尔规则（电子数电子数 = 4n+2），所以，它们都具有芳香性。），所以，它们都具有芳香性。2 物理性质物理性质都能溶于有机溶剂都能溶于有机溶剂,水溶解度都小于六元杂环吡啶水溶解度都小于六元杂环吡啶溶解度顺序为：吡咯呋喃噻吩溶解度顺序为：吡咯呋喃噻吩 吡咯几乎不显碱性吡咯几乎不显碱性, 相反具有弱酸性相反具有弱酸性593 呋喃、噻吩、吡咯化学反应呋喃、噻吩、吡咯化学反应分子接受一个质子的反应称为质子化反

32、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；）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质子化反应主要发生在C-2上；上；NHHHNHNHHHNHHH+H+H+-C质子化质子化-C质子化质子化N-质子化质子化质子化反应质子化反应60（3） 由于由于-C的质子化反应，吡咯在强酸作用的质子化反应，吡咯在强酸作用 下会因聚合而被破坏；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。上发生并导致水解开环。OOHHOOHOH2OHOHOOH2SO4 - H2OHOA

33、c, 90 %H2O-H+61 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：亲电取代反应的活性顺序为：吸电子诱导：吸电子诱导：O(3.5) N(3.0) S(2.6) 给电子共轭给电子共轭：N O S综合：综合：N贡献电子最多，贡献电子最多，O其次，其次，S最少最少ONHSNHEHNHEHNHEHEHEHEH电子密度电子密度-络合物络合物八隅体结构最稳定八隅体结构最稳定无最稳定结构无最稳定结构（1）概述）概述62*2 取代反应主要发生在取代反应主要发生在-C上；上；*3 吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感，选择试吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感，选择试 剂时需要注意；剂时需要注意；

34、*4 噻吩、吡咯的芳香性较强，所以易取代而不易噻吩、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。下，能发生亲核加成。离域能：噻吩：离域能：噻吩：121.3 kJmol-1吡咯：吡咯：87.8 kJmol -1呋喃：呋喃：66.9 kJmol -163（1） 呋喃、噻吩、吡咯的卤化反应呋喃、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

35、剂稀释等温和条件。产物，要采用低温、溶剂稀释等温和条件。OOOClClClCl2-40+OBrOOBr2, 0稀释(86 %)SSBrSIBr2AcOHI2, HgOC6H6, 0(78 %)碘不活泼，要用催化剂才能发生一元取代碘不活泼，要用催化剂才能发生一元取代Br2, 0NHNHClNHBrBrBrBrEtOHSOCl2 (1 mol)Et2O, 0(80 %)64（2） 呋喃、噻吩、吡咯的硝化反应呋喃、噻吩、吡咯的硝化反应 呋喃呋喃, 噻吩和吡咯易氧化噻吩和吡咯易氧化, 一般不用硝酸直接硝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。通常用比较温和的非质子硝化

36、试剂，如：硝酸乙酰酯。反应在低温下进行。反应在低温下进行。CH3COCCH3 + HNO3O OCH3CONO2 + CH3COOHOSAcONO2O oCAc2O/AcOHSNO2SNO2+NHAcONO2O oCAc2O/AcOHNHNO2NHNO2+60 %10 %51 %13 %65 呋喃比较特殊呋喃比较特殊,先生成稳定的或不稳定的先生成稳定的或不稳定的2,5加成产物加成产物,然后加热或用吡啶除去乙酸然后加热或用吡啶除去乙酸,得到硝化产物。得到硝化产物。ONHNO2OOHNO2HNO2HAcOAcONO2-5 - -30oC+Pyridine66（3） 呋喃、噻吩、吡咯的磺化反应呋喃、

37、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。氧化硫的加合化合物。 噻吩比较稳定，既可以直接磺化（产率稍低），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。也可以用温和的磺化试剂磺化。N+ SO3CH2Cl2室温NSO3(固体，含量固体，含量90 %)67O+ NSO3ClCH2CH2Clr. t. 3 daysOSO3-NHOSO3-O3SNHNHS+ NSO3ClCH2CH2Clr. t.SSO3

38、-Ba(OH)22Ba2+NH+ NSO3100 oCNHSO3-NHHClNHSO3H68（4） 呋喃、噻吩、吡咯的傅氏酰基化反呋喃、噻吩、吡咯的傅氏酰基化反应应(60 %)NH+ Ac2O150 - 200 NHCCH3O(70 %)NHNa或 NaOH(浓)PhCClNNa+ONCOPhSAc2O 与 AlCl3 的混合体系SCCH3OEg 1Eg 4Eg 3Eg 2OBF3+ Ac2OOCCH3O(75%-92 %)69NHENHEsp2杂化杂化sp3杂化杂化碳上酰化，正电荷处在碳上酰化，正电荷处在离域范围内，较稳定。离域范围内，较稳定。氮上酰化，正电荷氮上酰化，正电荷不处在离域范围内

39、。不处在离域范围内。NHOO+ H2SO4 +S墨绿色 呋喃、噻吩的酰化反应在呋喃、噻吩的酰化反应在 -C上发生，而吡咯的酰化上发生，而吡咯的酰化反应（不用催化剂）既能在反应（不用催化剂）既能在 -C上发生，又能在上发生，又能在N上发生。上发生。在在 -C上发生比在上发生比在N上发生容易。上发生容易。70（5） 吡咯的特殊反应吡咯的特殊反应 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。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。吡咯成盐后，使环上电荷密度增高，亲电取代反

40、应更易进行。pKa=10OH-OOHNHNK+Na 或 K或浓NaOHpKa 17.571NHCHONHCOO-NH4+NHN=N-C6H5NCOOHNMgXHCON(CH3)2 POCl3CHCl3 25%NaOH(NH4)2CO3 130oCC6H5N2+X- C2H5OH-H2O AcONaRMgX1 CO22 H2OCO2 加热加热 加压加压RCOClRX72(6) 呋喃、吡咯、噻吩的加成反应呋喃、吡咯、噻吩的加成反应（1） 加氢反应加氢反应（2） Diels-Alder反应反应呋喃最易发生呋喃最易发生Diels-Alder反应反应90 %OOOO+OOOO76 %O+O+NCH3H3

41、CCOCH3COOCH3COOCH3NCOCH3CH3H3CCOOCH3COOCH3AlCl3A lC l3N H C C H3H3CC O O C H3C O O C H3OCH37360 - 120SCH3H3C+ NC-CC-CN-SSCH3H3CCNCNCH3CNCNCH3 噻吩基本上不发生双烯加成，即使在个别情况下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生成也是一个不稳定的中间体，直接失硫转化为别的产物。产物。74对取代位置的解释（对反应中间体的相对稳定性的分析）对取代位置的解释（对反应中间体的相对稳定性的分析） 取代在取代在 位位AE

42、+AEAEAE满满足足八八隅隅体体贡贡献献大大中中间间体体有有三三个个主主要要共共振振式式较较稳稳定定 取取代代H- H+AE75 取代在取代在 位位AEAE满满足足八八隅隅体体贡贡献献大大AE+- H+AEH中中间间体体只只有有二二个个主主要要共共振振式式较较不不稳稳定定76(二二) 吲哚吲哚三种五员杂环苯并体系三种五员杂环苯并体系NHOS吲吲哚哚苯苯并并呋呋喃喃苯苯并并噻噻吩吩123456712345671234567AEE进进入入五五员员杂杂环环，那那个个位位置置? ?芳芳香香性性比比苯苯环环差差负负电电荷荷密密度度比比苯苯环环大大易易发发生生亲亲电电取取代代亲电取代反应：亲电取代反应：

43、77从反应的中间体分析：从反应的中间体分析：AEAEAE苄苄基基型型正正碳碳离离子子一一个个主主要要共共振振式式HAEAEAEHHAE- H+- H+满满足足八八隅隅体体有有两两个个主主要要共共振振式式2 2- -位位3 3- -位位 进攻进攻3-位位,反应易于进行反应易于进行78 吲哚的合成吲哚的合成 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及其衍生物的反应称为费歇尔(Fischer, E.)合成法。合成法。NHNH2+CH3COOHOHOAcNHCOOH250-CO2NH79（1）互变异构）互变异构NNHNNNNHN

44、HNH3CH3CN-N(单键单键)N=N(双键双键)5-甲基咪唑甲基咪唑4-甲基咪唑甲基咪唑4(5)-甲基咪唑甲基咪唑(因为因为4-甲基咪唑和甲基咪唑和5-甲基咪唑不可分离甲基咪唑不可分离)1 唑的结构唑的结构(三三) 含有两个杂原子的五元杂环体系含有两个杂原子的五元杂环体系80（2）结构）结构NHNNNHNSNO吡咯吡咯N(孤电子对参与孤电子对参与共轭，所以碱性较弱共轭，所以碱性较弱)吡啶吡啶N(孤电子对不参与孤电子对不参与共轭，所以碱性较强共轭，所以碱性较强)吡咯吡咯N的孤电子的孤电子对处于对处于p轨道轨道R1NR2R3一般胺中的一般胺中的N是是sp3杂化。杂化。N 的孤电子对处于的孤电子

45、对处于sp3杂化轨道杂化轨道sp3轨道轨道碱性：碱性：N 的孤电子对处于的孤电子对处于sp2杂化轨道杂化轨道吡啶吡啶N与吡咯与吡咯N均为均为sp2杂化。杂化。81（2）碱性）碱性1. 1,2-唑与唑与1,3-唑都有吡啶唑都有吡啶N，所以都有碱性。，所以都有碱性。 2. 1,3-唑的碱性比唑的碱性比1,2-唑强。唑强。 因为两个杂原子互相影响大。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咪唑的碱性噻唑的碱性噁唑的碱性 由综合电子效应决定。由综合电子效应决定。2 物理性质物理性质(1) 熔沸点熔沸点823唑的反应唑的反应 主要讨论亲电取代反应主要讨论亲电取代反应1 反应性反应

46、性唑的反应性比呋喃、噻吩、吡咯差，这是因为分子中唑的反应性比呋喃、噻吩、吡咯差，这是因为分子中多了一个吡啶多了一个吡啶N，使共轭体系的电子云密度降低，所以亲，使共轭体系的电子云密度降低，所以亲电试剂不易进攻。电试剂不易进攻。2 1,2-、1,3-唑的硝化、磺化、卤化唑的硝化、磺化、卤化（1） 进入环的位置及活性顺序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。反应试剂：一般的硝化、磺化、卤化试剂即可。实实 例例eg 1NOH3CCH3NOH3CCH3O2N浓 HNO3浓 H2SO4(56 %)83NNHNNHBrBr2AcOH - H2Oeg 2NNHNNHO2NNH

47、NO2N123HNO3H2SO41:4005-硝基咪唑硝基咪唑4-硝基咪唑硝基咪唑(90 %)NSNSHO3SSO3 + 浓 H2SO4eg 384(65 %)NSNSHO3S发烟 H2SO4 , HgSO4250eg 4磺化须强烈条件磺化须强烈条件(63 %)NSCH3H3CNSCH3H3CBrBr2CHCl3 ,eg 5硝化、卤化须有给电子取代基硝化、卤化须有给电子取代基85一一 结构结构NNNHN123456789NNNHN123456789NNNHN1234567899H-嘌呤嘌呤7H-嘌呤嘌呤嘌呤是一对互变异构体的平衡体系嘌呤是一对互变异构体的平衡体系NNOHOHNHNHOONNNH2OHNHNNH2ONNOHOHNHNHOOH3CH3C尿嘧啶尿嘧啶(U)胞嘧啶胞嘧啶(C)胸腺嘧啶胸腺嘧啶(T)(四四) 嘌呤嘌呤86二二 嘌呤的两个重要衍生物嘌呤的两个重要衍生物NNNHN123456NH2NNNHN123456OHH2N腺嘌呤腺嘌呤(A)鸟嘌呤鸟嘌呤(G)(6-氨基嘌呤氨基嘌呤)(2-氨基氨基-6-羟基嘌呤羟基嘌呤)