17.1杂环化合物的分类和命名 17.1.1分类 五元环9 单杂环 六元环 杂环 苯环与单杂环的稠合杂环苯并杂环) 稠杂 两个或两个以上单杂环的稠合杂环 17.1.2命名 1.音译法以口字傍为杂环标志 吡咯 呋喃噻吩 吡啶 furan thiophene pyridine 2.系统命名法 茂 (环戊二烯)氮茂氧茂 硫茂 本 氮苯1,3-二氮苯 3.取代杂环的命名 ①杂环的编号从杂原子起依次1,2,3……(或:a,B,y……) ②如环上不止一个杂原子时,则从O、S、N的顺序依次编号 ③有两个相同杂原子的,应从连有H原子或取代基的开始编号 ④编号时注意杂原子或取代基的位次之和最小。 H3C÷N N 2-氨基-4-甲基噻唑 吡唑 甲基咪唑
1 １7．１ 杂环化合物的分类和命名 １7．１．１分类 １7．１．２命名 1．音译法 以口字傍为杂环标志。 2．系统命名法 3．取代杂环的命名 ① 杂环的编号从杂原子起依次 1,2,3 ……（或：α,β,γ……）。 ② 如环上不止一个杂原子时，则从 O、S、N 的顺序依次编号。 ③ 有两个相同杂原子的，应从连有 H 原子或取代基的开始编号。 ④ 编号时注意杂原子或取代基的位次之和最小。 杂环 单杂环 五元环 六元环 苯环与单杂环的稠合杂环(苯并杂环) 两个或两个以上单杂环的稠合杂环 O S N H 稠杂环 N N N N N H N N O S H 吡咯 呋喃 噻吩 吡啶 N pyrrole furam thiophene pyridine N S NH2 H3C 5 1 2 4 3 2-氨基-4-甲基噻唑 N H N 1 2 4 3 5 N N1 2 4 3 5 CH3 吡唑 1-甲基咪唑 N O S H N 茂 (环戊二烯) 氮茂 氧茂 硫茂 N N 苯 氮苯 1,3-二氮苯
17.2五元杂环化合物—吡咯、呋喃、噻吩 17.2.1结构 1.经典结构 2.分子结构 呋喃 O:1S22s22 令883护球 吡咯 N: 1S- 2S- 2P 据现代物理方法证明: ①呋喃、吡咯、噻吩是一个平面结构。 ②环上的C原子和杂原子都是以SP2杂化轨道成键的 ③五个没有杂化的P轨道垂直于环平面,形成闭合共轭体系 ④属于富电子芳环 ⑤环形π电子分布于杂环平面的上、下两方。 苯噻吩吡咯|呋喃 共轭能kJ/mol 152125.590471.1 3.芳香性 ①符合休克尔规则,π电子数为6
2 １7．２ 五元杂环化合物 —— 吡咯、呋喃、噻吩 １7．２．１结构 1．经典结构 2．分子结构 据现代物理方法证明： ① 呋喃、吡咯、噻吩是一个平面结构。 ② 环上的 C 原子和杂原子都是以 SP2 杂化轨道成键的。 ③ 五个没有杂化的 P 轨道垂直于环平面，形成闭合共轭体系。 ④ 属于富电子芳环。 ⑤ 环形π电子分布于杂环平面的上、下两方。 ⑥ 共轭能 苯 噻吩 吡咯 呋喃 共轭能 kJ/mol 152 125.5 90.4 71.1 3．芳香性 ① 符合休克尔规则，π电子数为 6。 N O S H O 呋喃 O O：1S 2 2S 2 2P 4 噻吩 s S: 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 4 S N H 吡咯 N H N: 1S 2 2S 2 2P 3
②芳香性比较(易取代、难加成、难氧化): 苯>噻吩>吡咯>呋喃 ③解释 环的稳定性:苯 噻吩>吡咯>呋喃 17.2.2呋喃、噻吩、吡咯的制备 催化脱羰基 O CHO Ni280℃ + Nh 430℃ ZnO-CrO3-MnO H( 400-415℃ CH3 CH2CH2 CH3 + S CH, CH=CHCH sO2 CH3 CH2 CH=CH2 帕尔-诺尔合成法:用1,4二酮合成。 R R 17.2.3化学性质 R 0.143lm 0.1429mm 0.137lmm O^0.1383m 1714nm N01383m 非芳香性的杂环化合 物只有诱导效应。 1.73D 158D 》十《》 芳香体系的杂环 化合物有诱导效 0.70D 应和共轭效应
3 ② 芳香性比较（易取代、难加成、难氧化）： 苯＞噻吩＞ 吡咯＞呋喃 ③ 解释 环的稳定性：苯 ＞ 噻吩 ＞ 吡咯 ＞ 呋喃 １7．２．2 呋喃、噻吩、吡咯的制备 帕尔-诺尔合成法：用 1,4-二酮合成。 １7．２．3 化学性质 O 0.1383nm S N 0.1371nm 0.1431nm 0.1423nm 0.1371nm 0.1714nm 0.1429nm 0.1370nm 0.1383nm O S N O S N 1.73D 1.90D 1.58D 0.70D 0.51D 1.81D 非芳香性的杂环化合 物只有诱导效应。 芳香体系的杂环 化合物有诱导效 应和共轭效应。 O CHO Ni 280℃ 催化脱羰基 O ZnO-Cr2O3 -MnO2 H2O 400-415℃ 650℃ CH3CH2CH2CH3 + S S CH3CH=CHCH 3 CH3CH2CH=CH2 + SO2 S O + NH3 Al2O3 430℃ N H R`NH2 P2S5 O O R R P2O5 △ R O R R S R N H R R H +
1.亲电取代反应 ①卤代 Br 呋喃与卤素反应激烈, 卤素稍过量,常得到多 O CI CI 从偶极矩来看,N的供 Br BrTrBr 电性强,使吡咯上C原 子电子云密度增加的 多。极易取代 氢代0℃ SO,,(Imol) 78% CH3 COOH Br Cl 成产物 ②硝化 6--30C CH-CO0ONO 加成物 乙酰硝酸酯是较为温和的砂化剂,用时临时制备。 HONO 5℃乙酐 83% CH3 CO2NO -10℃乙酊 70% 5%
4 1．亲电取代反应 ① 卤代 ② 硝化 乙酰硝酸酯是较为温和的砂化剂，用时临时制备。 O O O Cl O Br Cl + Br2 Cl2 呋喃与卤素反应激烈， 卤素稍过量，常得到多 卤化物。 Cl 80% 0℃ -40℃ S Cl2 Br2 S S CH3COOH 50℃ Cl Cl Cl S Br S Cl Cl Cl Cl + + 室温 78% 36% 14% 加成产物13% O CH3CO2NO2 O O H NO2 H CH3COO NO2 吡啶 -5~-30℃ 35% 加成物 S + -10℃ CH3CO2NO2 乙酐 S NO2 S NO2 70% 5% N H 83% 11% 5℃ HONO2 乙酐 + N H NO2 N H NO2 N H Br2 N H N H I I I I Br Br Br Br 碘代 从偶极矩来看，N的供 电性强，使吡咯上C原 子电子云密度增加的 多。极易取代 。 N H Cl 氯代 SO2Cl2 (1mol) 0℃ 80%
③磺化 95%H2SO4 25℃ 吩-2-磺酸 噻吩在室温下可直接磺化,生成溶于水的α-噻吩磺酸。这个反应常用来除去 粗苯中的噻吩。吡咯和呋喃对酸敏感,吡咯在酸性条件下易聚合:呋喃遇酸要开环 故需与吡啶三氧化硫为磺化剂 CICH2 CH,CI SO3 呋喃-2-磺酸吡啶盐 N-SO3 SO3 NSO3H 吡咯-2-磺酸吡啶盐 ④乙酰化 150~2 COCH3 CHacO 60% ⑤亲电取代反应小结 a.亲电取代反应的活性 吡咯>呋喃>噻吩>>苯 溴化相对速度:3*10186*101
5 S 25℃ 95% H2SO4 S SO3H 噻吩-2-磺酸 ③ 磺化 噻吩在室温下可直接磺化，生成溶于水的α-噻吩磺酸。这个反应常用来除去 粗苯中的噻吩。吡咯和呋喃对酸敏感，吡咯在酸性条件下易聚合；呋喃遇酸要开环， 故需与吡啶三氧化硫为磺化剂。 ④ 乙酰化 ⑤ 亲电取代反应小结 a．亲电取代反应的活性 吡咯 ＞ 呋喃 ＞ 噻吩 ＞＞ 苯 溴化相对速度： 3*1018 6*1011 5*1011 1 O N SO3 - + ClCH 2CH2Cl O N SO + 3 - 呋喃-2-磺酸吡啶盐 HCl O SO3H 41% N H N SO3 - + N H N H SO + 3 - HCl N H SO3H 吡咯-2-磺酸吡啶盐 90% O 乙酐 乙醚 0℃ BF3 O COCH3 N H 乙酐 N H COCH3 N H CH3CO COCH3 + 60% 150~200℃ S H3PO4 S COCH3 70% 乙酐
五元杂环溴化(25℃)三氟乙酰化(75℃)乙酰化(75℃)甲醛化(75℃) 呋喃 1 吡咯 4.6×106 3.8×105 83×103 7.1×103 84×102 97×102 B.亲电基团一般进入杂原子的邻位 D解的爱左都度丰富 静态时,a-位上的电子云密度较其它位大 o+0.10 2.加成反应 doH CHa CH, CH,CH,OH H/N n,乙酸 Bry OH_HaCO- -50℃
6 S S S S + Na，EtOH H2 /Ni 五元杂环 溴化(25℃) 三氟乙酰化(75℃) 乙酰化(75℃) 甲醛化(75℃) 呋 喃 1 1 1 - 吡 咯 4.6×106 3.8×105 - - 噻 吩 8.3×10-3 7.1×10-3 8.4×10-2 9.7×10-2 B．亲电基团一般进入杂原子的邻位 静态时，α-位上的电子云密度较其它位大。 2．加成反应 z 邻位的电子云密度丰富 所以取代发生在α 位。 O O CH CH3CH2CH2CH2OH 3COOH H2 /Ni H2 /Pt 25℃ 加压 N H N H N H H2 /Ni Zn，乙酸 O + Br2 O Br H Br H O OCH3 H H3CO H CH3OH -50℃ N H -0.06 -0.10 +0.32 O -0.02 -0.03 +0.10 S -0.04 -0.06 +0.20
呋喃加成反应的较容易 3.特征反应 ①呋喃的双烯特征 顺丁烯二酸酐 30℃ H 外型(主) ②吡咯的弱酸性和弱碱性 弱酸性吡咯N原子上的H原子都有微弱的酸性 酸性比较: 苯酚>吡咯>乙醇 1.3*10-10 KOH 甲来10ENcc+b RMgX NMgX CHal N-CH 弱碱性 苯胺>吡咯 Kb3.8*10-1025*10-14 →绶慢溶解一→吡略红 浓酸 树脂化 4.鉴别反应 ①呋喃使盐酸浸过的松木片显绿色。 ②噻吩和吲哚醌在硫酸作用下发生兰色反应 噻吩在浓硫酸的作用下与松木片能呈现兰色反应。 ③浸盐酸的松木片遇吡咯蒸气显红色。 17.2.4糠醛(a一呋喃甲醛) 1.制备 7
7 呋喃加成反应的较容易。 3．特征反应 ① 呋喃的双烯特征 ② 吡咯的弱酸性和弱碱性 弱酸性 吡咯 N 原子上的 H 原子都有微弱的酸性 酸性比较： 苯酚 ＞ 吡咯 ＞ 乙醇 Ka： 1.3*10-10 10-15 10-18 弱碱性 苯胺 ＞ 吡咯 Kb 3.8*10-10 2.5*10-14 4．鉴别反应 ① 呋喃使盐酸浸过的松木片显绿色。 ② 噻吩和吲哚醌在硫酸作用下发生兰色反应。 噻吩在浓硫酸的作用下与松木片能呈现兰色反应。 ③ 浸盐酸的松木片遇吡咯蒸气显红色。 １7．２．4 糠醛（α—呋喃甲醛） 1．制备 O 顺丁烯二酸酐 30℃ O O H H O O O O H H O + O 外型（主） 内型 N H KOH △ N - K + RMgX NMgX C6H5COCl CH3 I 甲苯 110℃ N-COC6H5 N-CH3 N H 绶慢溶解 吡咯红 （聚合物） 树脂化 稀酸 浓酸 △
甘蔗渣、花生壳等稀酸(C5 HOA戊多糖叫3”种硫,戊糖 水解 H CH CH -CHO 4 -3H20 CHO OH OH 化性 ①催化加氢 CuO, Cr2O CHO 50℃10MPa CH-OH 氧化 气相催化氧化 320℃ 顺丁烯二酸酐 中性或碱性氧 KOH + KMno ③歧化 ↓∞*NO)-→-(aa:(g ④安息香缩合 KCN溶液 CHO o“cH-C OH O ⑤合成四氢呋喃作为溶剂 催化脱羰基 H,/P CHO Ni280℃ 125℃10MPa 140℃ Zno-Cr2O3-MnO H,O 400-415℃
8 2．化性 ① 催化加氢 ② 氧化 顺丁烯二酸酐 ③ 歧化 ④ 安息香缩合 ⑤ 合成四氢呋喃作为溶剂 甘蔗渣、花生壳等 (C5H8O4 ) 稀酸 n戊多糖 nH2O, 3~5%稀硫酸 水解 △ 戊糖 O CHO H C C CH C-H HO OH OH OH H CHO 稀酸 △ -3H2O H H2 /Pt O CHO + H2 CuO,Cr2O3 150℃ 10MPa O CH2OH O CH2OH O CHO O KOH + KMnO4 COOH 中性或碱性氧化 O CHO O O + 320℃ 2O2 气相催化氧化 V2O5 -MoO3 O O CHO + 浓NaOH O CH2OH O COOH + O CHO O CH O C OH O KCN溶液 O CHO N 280℃ 125℃ 10MPa i 催化脱羰基 O ZnO-Cr2O3 -MnO2 H2O 400-415℃ H2 /Pt O 140℃ HCl NaCN
已二酸一还原已二醇 H2C-CH2CN H2CH2CN[还原 已二胺 3.糠醛遇苯胺醋酸盐溶液显深红色。4.用途:①糠醛是良好的溶剂 ②广泛用于油漆及树脂工业; ③合成苯酚糠醛塑料 17.2.5噻唑和咪唑 1.噻唑:是稳定的环,在空气中不会自动氧化 NH3 Cr N一c-CH3 3 。噻唑或 H3 s2-CH2 CH2OH 21,3-硫氮茂 嘧啶环 噻唑环 维生素B1 N一CO H3 CH-NH-CO-CH 2C6H CH 氢化噻唑环 青霉素G 青霉素G中四元环内酰胺很不稳定,对酸、碱都很敏感,特别容易被酸水解。口 服后在胃中水解,β内酰胺的四元环打开而失效,现口服青霉素就是将其中-CH2C6H5 换为 2.咪唑 ①碱性比噻唑强 可与强酸生成稳定的盐 ②有微弱的酸性
9 3．糠醛遇苯胺醋酸盐溶液显深红色。4．用途：①糠醛是良好的溶剂； ②广泛用于油漆及树脂工业； ③合成苯酚糠醛塑料。 １7．２．５噻唑和咪唑 1．噻唑：是稳定的环，在空气中不会自动氧化。 青霉素 G 中四元环内酰胺很不稳定，对酸、碱都很敏感，特别容易被酸水解。口 服后在胃中水解，β内酰胺的四元环打开而失效，现口服青霉素就是将其中-CH2C6H5 换为 2．咪唑 ① 碱性比噻唑强。 可与强酸生成稳定的盐。 ② 有微弱的酸性。 H2C CH2 CH2CN CH2CN 水解 已二酸 已二醇 已二胺 还原 还原 N s 1 2 3 4 5 N N N C s NH3 Cl CH3 C H2 CH3 CH2CH2OH 嘧啶环 噻唑环 维生素B1 + - + Cl - N s HOOC CO CH-NH-CO-CH 2C6H5 氢化噻唑环 青霉素G CH3 CH3 N N H 1 2 4 3 5 HCl N N H NHCl N H + - NH N H Cl - + N S 1 2 4 3 5 噻 唑 或 1,3-硫氮茂
NaNH N Na ③易发生亲电取代反应。 ④互变异构现象 4-甲基咪唑 5-甲基咪唑 17.2.6明哚 1.结构 β甲基吲哚β-吲哚乙酸 靛蓝(反式) 靛蓝为蓝色固体,熔点391℃,不溶于水,是我国古代使用得很广泛的一种蓝色染料。 医药上可用作清热解毒剂,治疗腮腺炎。由于靛蓝不溶于水,因此染色时应先用保险粉 (NaS2O4)将它还原为靛白,靛白能溶于碱溶液,对纤维有很强的亲和力,可以附着于织 物上。将浸过靛白溶液的织物,取出晾干,靛白在空气中很容易被氧化成靛蓝,并牢固 地附着在织物纤维上。靛蓝现已由苯胺为原料合成。 2.性质与吡咯相似 ①弱碱性 ②也有松木片反应呈红色 ③在空气中颜色变深,渐渐变成树脂状 ④亲电取代反应(B位) β位的电子云密度较a位大,故进β位吡咯亲电取代是进入a位 0.041
10 ③ 易发生亲电取代反应。 ④ 互变异构现象 １7．２．６吲哚 1．结构 靛蓝为蓝色固体，熔点 391℃，不溶于水，是我国古代使用得很广泛的一种蓝色染料。 医药上可用作清热解毒剂，治疗腮腺炎。由于靛蓝不溶于水，因此染色时应先用保险粉 (Na2S2O4)将它还原为靛白，靛白能溶于碱溶液，对纤维有很强的亲和力，可以附着于织 物上。将浸过靛白溶液的织物，取出晾干，靛白在空气中很容易被氧化成靛蓝，并牢固 地附着在织物纤维上。靛蓝现已由苯胺为原料合成。 2．性质 与吡咯相似 ① 弱碱性 ② 也有松木片反应呈红色。 ③ 在空气中颜色变深，渐渐变成树脂状。 ④ 亲电取代反应（β位） β位的电子云密度较α位大，故进β位 吡咯亲电取代是进入α位。 - N N H NH3 NaNH2 N N - Na N + NNa + - N N H 1 2 4 3 5 NH N 1 2 3 4 5 N N H 1 2 4 3 5 NH N 1 2 3 4 5 CH3 CH3 4-甲基咪唑 5-甲基咪唑 N H H N O N H CH3 N H O N H CH2COOH β 甲基吲哚 β -吲哚乙酸 靛蓝（反式） N H -0.065 -0.041 +0.28