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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1、脂杂环、脂杂环 没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂环。没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂环。三元杂环三元杂环四元杂环四元杂环五元杂环五元杂环七元杂环七元杂环(氮杂环丙烷氮杂环丙烷)(-丙内酯丙内酯)(-丙内酰胺丙内酰胺)(顺丁烯二酸酐顺丁烯二酸酐)(氧杂氧杂)(1H-氮杂氮杂)(环氧乙烷环氧乙烷)（一）分类（一）分类2、芳杂环、芳杂环 具有芳香特征的杂环化合物称为芳杂环具有芳香特征的杂环化合物称为芳杂环苯并杂环苯并杂环杂环并杂环杂环并杂环五元杂环五元杂环六元杂环六元杂环呋喃呋喃噻吩噻吩吡咯吡咯噁唑噁唑噻唑噻唑咪唑咪唑吡唑吡唑吡啶吡啶嘧啶嘧啶吡喃吡喃(无芳香性无芳香性)吲哚吲哚喹啉喹啉异喹啉异喹啉嘌呤嘌呤(二二二二)命名命名命名命名命名原则命名原则:杂环的命名常用音译法，是按外文名词音译成带杂环的命名常用音译法，是按外文名词音译成带“口口”字旁的同音汉字。字旁的同音汉字。当环上有取代基时，取代基的位次从杂原子算起当环上有取代基时，取代基的位次从杂原子算起依次用依次用1,2,3,(或或,)编号。编号。如杂环上不止一个杂原子时，则从如杂环上不止一个杂原子时，则从O、S、N顺序依次顺序依次编号。编号时杂原子的位次数字之和应最小编号。编号时杂原子的位次数字之和应最小。五元杂环五元杂环五元杂环苯并体系五元杂环苯并体系呋喃呋喃(furan)噻吩噻吩(thiophene)吡咯吡咯(pyrrole)苯并呋喃苯并呋喃(benzofuran)苯并噻吩苯并噻吩(benzothiophene)苯并吡咯苯并吡咯吲哚吲哚(indole)实例实例:六元杂环六元杂环吡啶吡啶(pyridine)吡喃吡喃(pyran)-吡喃酮吡喃酮(-pyrone)-吡喃酮吡喃酮(-pyrone)哒嗪哒嗪(pyridazine)嘧啶嘧啶(pyrimidine)吡嗪吡嗪(pyrazine)杂环并杂环杂环并杂环喹啉喹啉(quinoline)异喹啉异喹啉(isoquinoline)苯并吡喃苯并吡喃(benzopyran)苯并苯并-吡喃酮吡喃酮(benzo-pyrone)嘌呤嘌呤(purine)六元杂环苯并环系六元杂环苯并环系(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2 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，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。4 化学反应化学反应(1)氮原子上的反应氮原子上的反应(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。由吡啶的共振式分析由吡啶的共振式分析: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.b b 位的正电荷密相位的正电荷密相 对较低对较低解释原因解释原因: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2.取代在取代在 b b 位位3.取代在取代在 位位中间体较为稳定中间体较为稳定实验事实：钝化和实验事实：钝化和 b b取代取代其它反应现象其它反应现象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(3)亲核取代反应亲核取代反应取代主要发生在取代主要发生在 位位当当 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(4)氧化和还原反应氧化和还原反应 氧化在侧链上氧化在侧链上氧化在氧化在 N 上上复习：叔胺的氧化复习：叔胺的氧化吡啶的类似反应吡啶的类似反应 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(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(a)由共振结构分析（有两种形式的共振式）由共振结构分析（有两种形式的共振式）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(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对比：吡对比：吡啶的直接啶的直接亲电取代亲电取代不稳定不稳定(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：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，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：（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，而异位，而异喹啉以喹啉以C-5产物为主。产物为主。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，取代在杂环上发生。2 化学反应化学反应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：（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；实例：实例：（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：*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。（4）还原反应还原反应反十氢喹啉反十氢喹啉顺十氢喹啉顺十氢喹啉3 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eg 2eg 1eg 4eg 3 2 弗里德伦德弗里德伦德(Friedlander)反应：反应：eg 1eg 2 芳香族邻氨基羰基化合物发生缩合反应，得到喹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。啉或它的衍生物，这称为弗里德伦德反应。(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)1 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，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.2 化学反应化学反应（1）.亲电取代反应亲电取代反应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（2）.亲核取代反应亲核取代反应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。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（3）氧化氧化（4）侧链侧链-H反应反应羟醛缩合型羟醛缩合型烷基化反应烷基化反应 吡喃环系吡喃环系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(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吡吡咯咯的的结结构构孤电子对在孤电子对在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sp2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：吡咯溶解度顺序为：吡咯呋喃呋喃噻吩噻吩 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3 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；-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（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。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：NOS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*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；*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-1（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、溶剂稀释等温和条件。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碘不活泼，要用催化剂才能发生一元取代（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试剂，如：硝酸乙酰酯。反应在低温下进行。反应在低温下进行。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。（3）呋喃、噻吩、吡咯的磺化反应呋喃、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。(固体，含量固体，含量90%)S+NSO3ClCH2CH2Clr.t.SSO3-Ba(OH)22Ba2+（4）呋喃、噻吩、吡咯的傅氏酰基化反应呋喃、噻吩、吡咯的傅氏酰基化反应Eg 1Eg 4Eg 3Eg 2sp2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。不处在离域范围内。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。（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，但吡咯的酸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。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，亲电取代反应更易进行。HCON(CH3)2 POCl3CHCl3 25%NaOH(NH4)2CO3 130oCC6H5N2+X-C2H5OH-H2O AcONaRMgX1 CO22 H2OCO2 加热加热 加压加压RCOClRX(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A lC l3N H C C H3H3CC O O C H3C O O C H3OCH3 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。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 取代在取代在b b位位(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亲电取代反应：亲电取代反应：从反应的中间体分析：从反应的中间体分析：进攻进攻3-位位,反应易于进行反应易于进行 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。（1）互变异构）互变异构N-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含有两个杂原子的五元杂环体系系（2）结构）结构吡咯吡咯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(孤电子对不参与共孤电子对不参与共轭，所以碱性较强轭，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。（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3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 1eg 25-硝基咪唑硝基咪唑4-硝基咪唑硝基咪唑eg 3
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