第13章 杂环化合物

第13章杂环化合物13.1基本要求掌握杂环化合物的命名。掌握五元杂环、六元杂环和稠杂环的结构和性质。13.2 基本知识点13.2.1杂环化合物的概念由碳原子和非碳原子所构成的环状有机化合物称为杂环化合物，环中的非碳原子称为杂原 子，最常见的杂原子有氧、硫、氮等。通常将环系比较稳定，具有一定程度的芳香性，且符合 Huckel规则的杂环化合物称为芳杂环。杂环化合物按环的数目不同，可分为单杂环和稠杂环两 大类。单杂环按环的大小不同又可分为五元杂环和六元杂环。稠杂环通常由苯与单杂环或单杂 环与单杂环稠合而成。13.2.2杂环化合物的命名杂环化合物的命名比较复杂，目前我国常使用“音译法，”即按英文的读音，用同音汉字 加上“口”字旁命名。下面是一些常见杂环化合物的名称及编号:（i） 五元杂环:435 2Oi呋喃furan噻吩thiapheneiNH吡咯pyrrole噻吩thiazole435iNH吡咯 pyrroleN35、”iNH咪唑imidazole2） 六元杂环356 2 N i吡啶635N i哒嗪pyridazine536 2 Ni嘧啶pyridinepyrimidine6 ” 2N 2i吡嗪pyrazine536 O 2 i吡喃pyran3） 稠杂环63喹啉quinoline8 N异喹啉 isoquinoline （编号特殊）21吖啶 acridine 编号特殊）H 吲哚 indole2 N37N9H 嘌呤 purine （编号特殊）8环上有取代基的杂环化合物的名称是以杂环为母体，并注明取代基的位置、数目和名称杂环编号，除个别稠杂环外，一般从杂原子开始，顺环编号，环上有不同杂原子时，O，S,6 2N13-甲基吡啶 （甲基吡啶）2,4二羟基嘧啶H_5H2NN 4 N9H2-氨基-6-氧嘌呤5O12H-吡喃OHNSNH, N的顺序编号；某些杂环可能有互变异构现象，为区别各异构体，需用大写斜伽”及 其位置编号标明一个或多个氢原子所在的位置。例如：6 2 O14H-吡喃13.2.3.五元杂环的性质1. 吡咯、呋喃、噻吩的结构和性质吡咯、咲喃和噻吩均为五原子六电子的富电子闭合共轭体系，符合Ackel的4n+2规则， 具有芳香性（芳香性的强弱次序为:苯噻吩吡咯咲喃）由于环上五个原子共用六个电子， 环上的电子云密度比苯环大，所以它们易发生亲电取代反应，反应比苯容易进行，取代基多进 入a-位，亲电取代的活性顺序为：吡咯咲喃噻吩苯。室温Br AcOHBrAc2o,h3po4 |SCOCH3此外，吡咯和呋喃还能发生一些特殊的反应。如：广 I/NaOH碘代 I N ICHCl3/KOH -Reimer-TiemannPhNyi偶联反应CHON N =NPhH2. 咪唑的结构和性质 咪唑可视为吡咯环上3-位的CH被氮原子替换， 一定程度的芳香性，分子间能形成氢键，产生缔合现象，3-位上氮原子具有弱碱性， 1-位氮原 子上的氢具有弱酸性，存在互变异构现象，亲电取代反应活性比苯低，取代基主要进4入（5） -位，能与重氮盐发生偶联反应，也能发生亲核取代反应，取代基主要进入2-位：为五原子六电子的闭合共轭体系。它具有烷基化缔合酰化13.2.4.六元杂环的结构和性质1.吡啶的结构和性质/HHxf)QzK-H-%NGH沁HN吡啶为六原子六电子的闭合共轭体系，符合HUckel的4n+2规则，具有芳香性。吡啶为一 弱碱，既可以发生亲电取代反应，又可发生亲核取代反应。由于氮的电负性比碳大，故吡啶环 上电子云密度比苯低，其亲电取代反应比苯困难，反应活性与硝基苯相似，吡啶环比苯环难氧 化：亲亲亲亲代取代取代取电取代电取代应应2. 嘧啶的结构和性质N亲嘧啶为六原子六电子的闭合共轭体系，显弱碱性，但其碱性比吡啶弱；由于两个氮原子的强吸电子作用，使嘧啶难以发生亲电取代反应，难氧化，而易发生亲核取代反应；嘧啶环比苯 环难氧化，但它很容易被氢化。Ph亲电取代反应BrN nh2N_NaBrc-PhNOc300 C亲核取代反应N-NaNHc/NH3 (1)_KMnO, MdCO室温V PhLi-Phli/EO 室温NN13.2.5稠杂环的结构和性质碱性烷基化反应 .（亲核性）2BF4氧化反应1. 喹啉的结构和性质N喹啉可看成是吡啶环与苯环稠合而成的化合物，为平面型分子，含有10 个电子的芳香大n键，结构类似于萘和吡啶。它的化学性质类似于吡啶和萘。由于喹啉环上有一个电Br,CCl4，C5H5N - 浓 H SO.220C浓 hno3,浓 h2so,Ag2SO4,厂浓 HNO H2SO40C负性强的氮原子，环上的电子云密度比萘环低，亲电取代反应比萘难，但比吡啶容易，且 易发生在苯环上，取代基多进入5-位和8-位；它也能发生亲核取代反应，反应发生在吡啶环上， 比吡啶容易；喹啉中苯环较易氧化，而吡啶环较易被还原。2瞟吟的结构和性质 瞟吟由咪卩坐与卩密噪稠合而成，它的环氮原子和环碳原子上的3电子 也有相当大的离域性，是具有芳香性的稠杂环。嘌吟环中的咪唑部分可发生三原子体系的互变 异构现象，有两种互变异构体，它们的结构式如下：嘌吟主要以9H-嘌吟的形式存在。由于嘌吟环中含有四个电负性大的氮原子，使环碳原子 很难与亲电试剂发生反应；同时，由于氮原子的吸电子诱导作用，使咪唑环上9-位 N 上的 H 容易解离，故，卩票吟的酸性比咪卩坐强，碱性比咪卩坐弱，但比卩密噪强。13.3 典型例题分析1331写出下列化合物的结构式，并用系统命名法命名。3）糠醛4）磺胺嘧啶 （5）尼克刹米 （6）腺嘌呤（1）异烟肼 （2）烟酸解：7）鸟嘌呤 （8）胞嘧啶9）尿嘧啶10）胸腺嘧啶 （11）吡哆醇12）喹碘仿1）ONHNH22）0 /N4-吡啶甲酰肼COOHN3-吡啶甲酸3）o CHO2-呋喃甲醛h2n N=. so2nh（5）N_2-（对-氨基苯磺酰胺基）嘧啶CoN(C2H5)26）N NH6-氨基嘌呤8）o NH2-氧-4-氨基嘧啶NN,N-二乙基3-吡啶酰胺CH3(io)hnh2nNH5-甲基-2,4-二氧嘧啶、ch2oh11)zch2ohh3cn2-甲基-3-羟基-4,5-二羟甲基吡啶012)IO3HNOH8-羟基-7-碘喹啉 -5-磺酸1332 排列组织胺中三个氮原子的碱性次序（由强到弱，）并说明理由。解: 组织胺的结构式为：NNCH2CH2NH因为氮为Sp3杂化，S成分最少，碱性最强；氮和氮均为p2杂化，碱性小于氮； 氮上的未共用电子对参与环的共轭不显碱性。所以，三个氮原子的碱性顺序为。注释 解此题必须知道组织胺的结构，否则无从下手。判断含氮杂环化合物的碱性强弱可 从以下几个方面考虑：N的杂化状态；N上的未共用电子对是否参与形成共轭体系；环上是否 含有吸电子基团或供电子基团等。1333 指出下列化合物中哪些具有芳香性，并说明理由。(1)NNo解：因为（1）和（2）中具有六个n电子，（3）中具有十个n电子，且能形成环状共轭体系，符合Huckel的4n+2规则，因此，（1），（2）和（3）均具有芳香性；而4）中虽然也具有六个电子，但不能形成环状共轭体系，故4）无芳香性。13.3.4简要回答下列问题：（1）为什么嘧啶分子中含有两个碱性的氮原子，却为一元碱，且其碱性比吡啶弱得多（2）吡啶卤代反应，一般不使用FeX3等Lewis酸催化剂，原因何在？（3）为什么吡咯比苯容易进行亲电取代反应（4）为什么咪唑的水溶性比吡咯大（5）为什么嘧啶的碱性和亲电取代反应活性比吡啶小，但亲核取代的活性则比吡啶大（6）为什么2-甲基吡啶的碱性大于吡啶，而吡啶的碱性又大于-硝基吡啶？（7）为什么喹啉的碱性比吡啶小（8）为什么在吡啶分子中引入羟基后，溶解度减小解: （1） 嘧啶环上有两个氮原子，一个氮原子质子化后，第二氮原子对质子化的氮正离子的 吸电子诱导效应与共轭效应使质子化的氮正离子不稳定，质子易于离去，所以碱性较吡啶 低；当一个氮原子质子化后，它的吸电性大为增强，使另一个氮原子的电子云密度大为降 低，以致不能再接受质子，因此卩密噪为一元碱。（2）因为吡啶分子中的氮原子上有一对未共用电子对，能与缺电子分琵X3等Lewis酸催化 剂反应，使催化剂失去活性；同时也使氮原子带上正电荷，使环上的亲电取代更难进行。（3）因为在吡咯的分子中，五个原子共享六个r电子，环上的电子云密度比苯高，故它的亲电 取代反应比苯容易进行。（4）因为在吡咯的3-位引入叔氮“=N”后，即得到咪唑，这个氮原子的未共用电子对可与 水形成氢键，因此其水溶性比卩比咯大。（5）因为嘧啶环比吡啶环多一个吸电子的氮原子故其碱性比吡啶小;这个氮原子使嘧啶环的 电子云密度降低，所以它的亲电取代反应活性比吡啶小，而亲核取代的活性则比吡啶大。（6）因为甲基的供电子效应使吡啶环上氮原子的碱性增大而，硝基的吸电子诱导效应却使吡啶 环上氮原子的碱性减小。（7）因为在喹啉分子中氮原子直接与苯环相连氮上的未共用电子可以分散到苯环上,因此喹 卩林的碱性比卩比噪小。（8）因为在吡啶中引入羟基后，羟基与吡啶分子之间可产生缔合现象，阻碍了羟基吡啷与水分 子之间的缔合，因此溶解度减小。13.3.5用化学方法鉴别下列各组化合物：（1）糠醛和苯甲醛（2）咲喃和四氢咲喃（3）卩塞吩和苯解：红色PhNH /HOAc_一）2)顺丁烯一酸酐一白色固体（一）3)蓝色(一)注释 (1)和(3)利用了糠醛和噻吩特有的显色反应加以鉴别(。2)呋喃具有共轭二烯的性质，可与顺丁烯二酸酐发生Diels-Alder反应，而四氢呋喃不能发生Diels-Alder反13.3.6写出2-甲基卩比噪与下列试剂反应的主产物。 解：CH2LiN CH=CHCH3N CH2NaC4H9LiNaNH2/NH3 :一 CH一CHOEtONaCH3NCH3注释由于吡啶环是一个缺n电子的芳香环，因此吡啶的烷基侧链，像苯的烷基侧链一样-位!碳原子上的氢很活泼，能发生一系列的反应如a-H能与碱、有机锂化合物等反应吡啶环上的任何含aH的烷基侧链在强氧化剂作用下都能被氧化为吡啶甲酸。同时烷基的存在使毗喘环上的亲电取代反应变得容易。13.3.7试用中间体的相对稳定性解释下列现象：(1) 咲喃的亲电取代主要发生番-位。(2) 卩比噪的8 -位比a -位，y -位更容易接受I电试剂的进攻。解：(1)因为亲电试剂进攻X-位时，得到三个共振杂化体，其中I和II为烯丙基型正离子,能量较低。进攻8 -位时，只得到两种共振杂化体，能量较高。所以咲喃的亲电取代主要发E(2)因为亲电试剂进攻x -位或Y -位时，将产生电负性较大的氮原子带正电荷的共振极限式, 极不稳定；进攻8 -位时，正电荷在电负性较小的碳原子上，较为稳定，所以吡啶的8 -位 比a-位，y -位更容易接受亲电试剂的进攻。13.3.8完成下列反应式：BEtOH 0C ACqO 150-200C2)严N+SO3，CH2C1CH2C1,室温，HClACzO-EtqO-BFj ”(1)NH n+so3,ioo & HCl CH3COONO,NaOH-f32Ac2O,5C(3) Br2HOAc 室温95%HSO24室温Ac2O,COONO2CH3COONO2 - Ac2O,-10 CSHNHCOCH3O4)O CHOBrf20Cch3coono2-530C厂浓NaOH 室温AcO/AcONa _2H2NNHCONH23）S室温BrB2，HOAc95%H2SO4室温SAcQCOONOSO3HSSch3coonoAc2O,-10 CCOCH3NO24）浓 NaOH室温Ac2O/AcONa_LaO CHOHNNHCONHch2oHOOCannizzar o 反应COOPerki n反应OCH = CHCOOHCH=NNHCONH2注释应注意吡咯和咲喃遇强酸时，杂原子均能质子化，使芳香大键被破坏，从而呈现共轭二烯的性质，易聚合、氧化，故不能直接用强酸进行硝化、磺化等反应，需采用较温和的非质 子试剂。它们的亲电取代反应比苯容易进行,取代基多进入a -位。咲喃甲醛的化学性质与苯甲 醛相似，可发生Perkin反应、Cannizzaro反应、安息香反应等。例 10-9 完成下列转化： 注释 因为（1）最后的产物为芳香酮，所以想到用付-克反应来获得产物。已知吡啶不能发生 付-克反应，所以只能将吡啶部分作为酰化剂，又因为酰氯可由相应的羧酸与氯化亚砜、三氯化 磷或五氯化磷反应来制备，故必须把吡啶环上的甲基氧化为羧基（。2）从呋喃甲醛到四氢呋喃， 必须把醛基去掉。由于呋喃甲酸受热容易脱羧，所以把醛基氧化为羧基；呋喃氢化即可得到四 氢呋喃。（3）因为呋喃易被强酸酯化，所以不能用混酸进行硝化；可先引入一个第二类取代基1）厂*/ch3ON2）O CHOON3）OO2NO CHO解（ 1 ）（ 2 ）（ 3 ）ACqOBF3.II NaOCl|-人HClO COCH3 on O COOH O2N O CHOOHNOCOCH3使咲喃钝化，然后进行硝化，最后再转变成产物。例10-10某化合物A（C8H15ON）不溶于氢氧化钠水溶液,但溶于HC1,能与苯肼作用生成相815应的苯腙，但不能与苯磺酰氯反应，它能发生碘仿反应，生成一分子酸 （c7h13o2n ）和一 分子CH3。B用三氧化铬氧化生成N-甲基-2毗咯烷甲酸。试写出A和B的结构式。解由于A能溶于HC1，但不溶于氢氧化钠水溶液，不能与苯磺酰氯反应，说明具有碱性，但不具有NH2或NH结构；又由于A能与苯肼作用生成相应的苯腙并能发生碘仿反应生成一分子羧酸B（C7H13O2N）和一分子CHI3，推测A中含有甲基酮结构；而B用三氧化铬氧化生 成N-甲基-2-吡咯烷甲酸，B与其氧化产物之间相差CH2，由此可推出B的结构式。再根据B 的结构式可推出A的纟A：CH3CH2COCHNch2coohCH313.4问题13.4.1写出a -咲喃甲醇、糠醛、2-氨基-5-甲基噻唑的结构式? 解：Och2ohCHOOH3CSNH213.4.2 吡啶能否进行傅克反应?为什么?答：不能，因为吡匕啶为缺T体系芳香化合物。13.4.3 在吡啶中引入羟基后，它在水中的溶解度增大，这句话对吗?答：不对。吡啶环上引入羟基或氨基后，化合物的水溶性明显降低，引入数目越多，水溶性越差，主要原因是溶质分子间的缔合（分子间氢键等）抑制了与水分子之间的缔合。13.4.4 为什么哌啶的碱性比吡啶强?答：哌啶是仲胺，N原子是sp3杂化，而吡啶N为sp2杂化，未共用电子占据的杂化轨道成分 不同，所以碱性不同。13.5 习 题13.5.1命名下列化合物NN1)2)3)4)SH3c(9)解：SO3H5)NH6)CONH2N7)NHHO2N8)PhCH CH OH(1) 4-氯喹啉(2) 3-吲哆羧酸(3) 4-羟基嘧啶(4) 2-噻唑磺酸 (5) 5-甲基咪唑(6) 2-吡嗪甲酰胺(7) 6氛基嘌吟2-(a-噻吩)乙醇(9) 1-苯基-5-硝基咪唑13.5.2写出下列各化合物的结构式：1)四氢呋喃(2)糠醛(3) 3-吲哚丙酸(4) 8-溴异喹啉5)0-吡啶甲酰胺(6)a -甲基-5 -苯基吡嗪7)4 -氯噻吩-2-羧酸(8)溴化N, N-二甲基吡咯9)尿酸(10)a -甲基-5-乙烯基吡啶解：(1)O(2)CHO313.5.3 试比较吡咯与吡啶的结构特点及主要化学性质。 解：吡咯吡啶结N原子杂化状态Sp2 (等性)Sp2 (不等性)N上几个p电子参与共轭成环21构 N 上有无未用电子对无一对sp2电子性 酸碱性碱太弱弱碱状取代活性(与苯相比)亲电性强亲核性强13.5.4 为什么吡啶的碱性比六氢吡啶更弱？答：六氢吡啶是仲胺,N原子是sp3杂化，而吡啶N为sp2杂化，未共用电子占据的杂化轨道 成分不同，所以碱性不同。N原子杂化轨道s成分越多碱性越强。13.5.5 写出下列各反应的主产物结构和名称。1)吡啶+ nh32)吡啶+ H2PL加压3)吡啶 + SO3 - H2SO44)呋喃+? (CH 3CO)2O BF3 5)0-乙基吡啶KMnO4OH-6)喹啉HN3,叽解：7) 糠醛Ag(NHp2+吡啶Br2300 C(l)fl2(2)NH厂SO3HXN卩CCH3O(5)COOHOCOOH厂厂Br