第十四章雜環(huán)化合物雜環(huán)化合物(HeterocyclicCompounds)

是指構(gòu)成環(huán)的原子除了碳原子之外還有其它原子的環(huán)狀化合物.雜原子:雜環(huán)中除碳原子以外的原子。最常見的雜原子是氮、氧和硫。

本章討論比較穩(wěn)定、環(huán)系為平面型，具有一定程度芳香性（π鍵電子數(shù)：4n＋2）的雜環(huán)化合物，這類化合物具有芳香性，通稱為芳（香）雜環(huán)化合物（aromaticheterocycles）

苯吡啶吡咯呋喃NNHON—CH2OHH3CCH2OHHO維生素B6OOCHOHCH2OHHOOH維生素CNNNN—CH3H3CCH3OO咖啡因一、分類和命名

雜環(huán)化合物可按環(huán)的大小：

五元雜環(huán)和六元雜環(huán)按雜環(huán)中雜原子數(shù)目的多少：含有一個雜原子和含有兩個以上雜原子的雜環(huán)按環(huán)的形式：

單雜環(huán)和稠雜環(huán)

1.分類N吡啶吡咯嘧啶喹啉NHNNN2.命名

雜環(huán)化合物的命名按IUPAC命名原則規(guī)定,保留特定的45個雜環(huán)化合物的俗名和半俗名并作為命名的基礎(chǔ)。以此原則為準，我國多采用“音譯法”對雜環(huán)化合物進行命名.

命名時需要記住母環(huán)名稱，編號時不同的母環(huán)有不同的編號方法.呋喃(furan)噻吩(thiophene)吡咯(pyrrole)Oαβ12345S12345βαNH51234αβ（1）含一個雜原子的五元環(huán)原則：當(dāng)環(huán)上有取代基時，對環(huán)上的原子編號，從雜原子開始，使取代基位號盡可能小。5－硝基－2－呋喃甲醛3－甲基吡咯(β－甲基吡咯)NHH3COO2NCHO1234512345

環(huán)上有-CHO、-COOH、--COOR、-SO3H時，常以醛、羧酸、酯、磺酸為母體。（2）含兩個雜原子的五元環(huán)噁唑(oxazole)噻唑(thiazole)咪唑(inidazole)NO12345NS12345NNH12345異噻唑(isothiazole)吡唑(pyrazole)異噁唑(isoxazole)12345NO12345NSNNH12345

原則：（1）含兩個或兩個以上相同雜原子的雜環(huán)，應(yīng)使它們有盡可能小的編號。（2）含有不同種類的雜原子時，按O，S，－NH－、－N=的先后順序編號。NSC2H52－乙基噻唑123NNOHCH3N-甲基-2-羥基咪唑123（3）含一個雜原子的六元環(huán)2－甲基吡啶α－甲基吡啶吡啶－4－甲酸γ－吡啶甲酸NCOOHNCH3吡啶(pyridine)N123456αβγO234615

2H-吡喃（2H-pyran）（4）含兩個雜原子的六元環(huán)噠嗪(pyridazine)嘧啶(pyrimidine)123456NNNN123456123456NN吡嗪(pyrazine)（5）稠雜環(huán)命名

有特定名稱的稠雜環(huán)有其固定的編號順序，通常是從一端開始依次編號，共用的碳原子一般不編號；編號時還要注意使雜原子盡可能取較小的編號，并遵守雜原子的優(yōu)先順序。嘌呤例外。6喹啉(quinoline)N12345678吲哚(indole)NH1235674異喹啉(isoquinoline)N12345678NNNNH81234975嘌呤（purine）NIOHSO3H123456787-碘-8-羥基喹啉-5-磺酸NHNOONHN1H-吡咯2H-吡咯4H-吡喃2H-吡喃1H-吲哚3H-吲哚1H-pyrrole2H-pyrrole4H-pyran2H-pyran1H-indole3H-indole

為了區(qū)別異構(gòu)體，必須標明環(huán)上一個或多個氫原子所在的位置，即在名稱前面加上標位的阿拉伯?dāng)?shù)字及斜體大寫的“H”

。這種氫則稱為“指示氫”或“標氫”。無特定名稱的稠雜環(huán)母環(huán)的命名規(guī)則：SO稱作：噻吩并[2,3-b]呋喃

附加環(huán)附加環(huán)編號基本環(huán)環(huán)邊編號基本環(huán)12345ab1．基本環(huán)的選擇原則（1）芳環(huán)和雜環(huán)組成的稠環(huán)，選雜環(huán)為基本環(huán)；（2）雜環(huán)和雜環(huán)組成的稠環(huán)按氮、氧、硫順序選擇基本環(huán)；（3）基本環(huán)的環(huán)應(yīng)最大，雜原子數(shù)目以及雜原子種類應(yīng)最多；（4）如果環(huán)大小相同，雜原子種類和數(shù)目也相等，則選擇稠合前雜原子編號較低者為基本環(huán)。

2．稠合邊的表示方法

按原單雜環(huán)的編號規(guī)則，基本環(huán)用英文字母a、b、c.....表示各邊(1,2原子之間為a，2,3原子之間為b.....),附加環(huán)用阿拉伯?dāng)?shù)字1、2、3....標注各原子；當(dāng)有選擇時，應(yīng)使稠合邊位號盡可能較小。將稠合的原子和稠合邊外加方括號，置于“并“字之后。

苯并[d]噻唑(苯環(huán)的稠合邊無需標注)SNbacdSO13ab2

噻吩并[2,3-b]呋喃HNS123abc

噻吩并[3,2-b]吡咯（注意：數(shù)字的先后要與基本環(huán)邊的走向一致）NHNPhCONH212345672-氨基-5-苯甲酰基苯并咪唑二、五元雜環(huán)化合物（一）含一個雜原子的五元雜環(huán)化合物1、吡咯、呋喃、噻吩的結(jié)構(gòu)

NHHHHOHHHHSHHHHH特點：（1）環(huán)上原子均采取sp2雜化方式；（2）平面型分子；（3）具有芳香性(五中心六電子）。NOSH0.1430.1370.1380.1440.1350.1370.1450.1350.172共同點：具芳香性，易發(fā)生親電取代反應(yīng)。不同點：（1）雜原子電負性>碳，電子云不完全平均化，鍵長不完全平均化，故穩(wěn)定性<苯

（2）“多p

”芳雜環(huán)，電子云密度比苯大，故親電取代反應(yīng)活性>苯與苯結(jié)構(gòu)對比：140pm108pmo120o120o1202、化學(xué)性質(zhì)（1）酸堿性NH+KOHNK++H2O

吡咯雖具有仲胺結(jié)構(gòu)，但幾乎不具有堿性，相反，吡咯氮上的氫卻因此變得較活潑，顯示出弱酸性，其pKa=17.5。NK+-NCOCH3NCH3NCH2CH2OHCH3ICH3COClO

雜原子將不同程度地被質(zhì)子化，因而破壞了原來穩(wěn)定的芳香大p鍵，呈現(xiàn)出共軛二烯的性質(zhì)，容易發(fā)生聚合、氧化、開環(huán)等副反應(yīng)。NHNHOOCOOHHOOC

呋喃、吡咯對氧化劑均較敏感，在空氣作用下可以緩慢開環(huán).而噻吩相對來說比較穩(wěn)定。（2）親電取代反應(yīng)（活性順序：吡咯＞呋喃＞噻吩＞＞苯）鹵代反應(yīng)NHI2,

KI或HgONHIIIIOCl2-40oCOOClClCl+SBr2

,

室溫AcOHSBr78%硝化反應(yīng)：

35%OONO2℃CH3COONO25～3070%SNO2S℃，0CH3COONO2Ac2O

由于呋喃、吡咯、噻吩易氧化，不能用硝酸或混酸作為硝化劑進行硝化反應(yīng)，只能用較溫和的非質(zhì)子性的硝乙酐作為硝化試劑，并且在低溫條件下進行反應(yīng)。

磺化反應(yīng)

90%NNSO3HHH℃NSO3100HClOOSO3H二氯乙烷NSO3HCl95%SSO3HS～H2SO469

76%非質(zhì)子磺化劑：吡啶與三氧化硫形成的鹽。付-克?；?主要發(fā)生在α位)

75

92%OOCOCH3Ac2O～BF394%SCOCH3SAc2OH3PO4NH+(CH3CO)2ONHNCOCH3COCH3BF3NaOAc反應(yīng)特點：（1）反應(yīng)活性相當(dāng)于苯胺；（2）a-取代為主；（3）使用試劑特殊。

呋喃、噻吩、吡咯的定位效應(yīng)1、當(dāng)環(huán)上雜原子的a-定位效應(yīng)與取代基定位效應(yīng)一致時

SCOOH+Br2HOAc25℃SCOOHBr噻吩-3-甲酸5-溴噻吩-3-甲酸SBr+HNO3SBrAc2ONO23-溴噻吩2-硝基-3-溴噻吩

2、當(dāng)環(huán)上雜原子的a-定位效應(yīng)與取代基定位效應(yīng)不一致時，OEXX:N或SX第一類定位基第二類定位基3、其它反應(yīng)：NHCHCl325%KOHNHCHOOOOO+OOOO90%OH2

/

Ni

or

PdO四氫呋喃(重要試劑)SH2

/

MoS2S

(二)呋喃甲醛和吲哚呋喃甲醛：俗稱糠醛，無色液體。OCHO2NaOHOCH2OHOCOONa+OCHOAg(NH3)2+OCOOH吲哚

(indole)NH白色片狀結(jié)晶，有極臭氣味。NHNHNO2C6H5COONO2二氧六環(huán),

0oC1234567（三）含兩個雜原子的五元單雜環(huán)特點（1）至少都含有一個氮原子；（2）該類物質(zhì)通稱為唑（Azole）類。NS12345NNH12345NO12345

噻唑

咪唑

噁唑NHN12345SN12345

吡唑

異噁唑

異噻唑ON12345NZZN結(jié)構(gòu)特征：（1）環(huán)上原子均采取sp2雜化方式；（2）平面型分子；（2）具有芳香性（六中心六電子）。1、電子結(jié)構(gòu)與芳香性2、理化性質(zhì)堿性：其堿性比吡咯強，比吡啶或相應(yīng)脂肪胺的堿性弱。咪唑的堿性最強。

吡唑、咪唑、噻唑環(huán)較穩(wěn)定，具有一定的抗酸和抗氧化能力。NHNNHNH3CHOOCKMnO4OH-NNH發(fā)煙H2SO4160oCNNHHO3S60%NS發(fā)煙

H2SO4HgSO4,

250oCNSHO3S65%咪唑、吡唑的互變異構(gòu)現(xiàn)象：

NNHCH3123455-甲基咪唑HNNCH3321544-甲基咪唑NNHH3C12345HNNH3C215433-甲基吡唑5-甲基吡唑（四）嘌呤及其衍生物NNNHN123456789NNNNH1234567899H-嘌呤7H-嘌呤三、六元雜環(huán)化合物（一）吡啶的結(jié)構(gòu)特點：（1）碳原子與雜原子均采取sp2雜化方式；（2）平面型分子；（3）具有芳香性(六中心六電子）。N:共同點：具芳香性，易發(fā)生親電取代反應(yīng)。不同點：（1）氮電負性>碳，電子云不完全平均化，故穩(wěn)定性<苯

（2）“缺p

”芳雜環(huán)，表現(xiàn)在化學(xué)性質(zhì)上，親電取代變難、親核取代變易，難氧化、易還原。

(二)物理性質(zhì)

吡啶是一個良好的有機溶劑。其溶解性較廣，能與水、乙醇、乙醚等能以任意比例混溶，又能溶解大多數(shù)極性或非極性有機化合物，甚至許多無機鹽類。

（三）吡啶的化學(xué)性質(zhì)1、堿性和成鹽反應(yīng)NNNHClHClHCl或

通過氮原子上的未共用電子對，吡啶可以與酸及其它親電試劑發(fā)生反應(yīng)。與許多質(zhì)子酸生成結(jié)晶的鹽，可用作堿性溶劑和脫酸劑（縛酸劑）

吡啶鹽酸鹽堿性次序：苯胺<吡啶<氨<三乙胺

NN+N.

SO3SO3-()N-磺酸吡啶一種溫和的非質(zhì)子性磺化試劑SO3+N+CH3碘化N-甲基吡啶CH3I.

I-N+2、與鹵代烷反應(yīng)3、親電性取代反應(yīng)（難進行）

N20%NNO2濃HNO3,濃H2SO4300oC，24h70%NSO3H發(fā)煙H2SO4,HgSO4220oCNBr39%

300oCBr2,沸石反應(yīng)特點：反應(yīng)活性相當(dāng)于硝基苯，b-取代為主。4、親核取代反應(yīng)（較易進行）NPhNNPhLiNaNH2LiHH2ONH3NNH2液與強堿性試劑反應(yīng)取代基主要進入α—位。NClNBrNOHNOCH3NaOHH2OCH3ONaCH3OHNClClNClNHCH3CH3NH2H2O，

與硝基苯類似，吡啶的2，4，6—位上的鹵素容易被親核試劑取代。5、氧化還原反應(yīng)（不易被氧化，易被還原）NCH3KMnO4OH,

heatNCOOHNphKMnO4,HNCOOHNNHH2/Pt六氫吡啶NH2O2/AcOH,65℃或CH3CO3HN+O95%N+OHNO3,H2SO490℃N+O-NO290%NO-+NO2PCl3CHCl3,

△NNO2H2/Ni或Fe

/

H+NNH23.喹啉和異喹啉N12345678N12345678喹啉異喹啉

喹啉和異喹啉是同分異構(gòu)體，都存在于煤焦油和骨油中。1834年首次從煤焦油中分離出喹啉。許多天然或合成的藥物均具有喹啉環(huán)系結(jié)構(gòu)。（1）結(jié)構(gòu)與物理性質(zhì)

結(jié)構(gòu)類似萘和吡啶，均為平面型分子，分子中有10個電子的芳香大π鍵。（2）化學(xué)性質(zhì)NNNO2NNO2混酸NSO3HNH2SO4發(fā)煙NNBrBrNBr2/H2SO4Ag2SO4喹啉的親電取代主要進入五，八位NC6H5CH2MgClNNCH2C6H5CH2C6H5+NNKNH2,液氮-10℃25℃加壓NH2>83%親核取代反應(yīng)NNCOOHCOOHSn/HClNHH2/NiNHCrO3氧化發(fā)生在苯環(huán)上，還原發(fā)生在吡啶環(huán)上。喹啉及其衍生物的合成（Shraup合成法）

NH2+CH2OHCHOHCH2OH+NO2H2SO4FeSO4N+NH2NH2+CH2OHCHOHCH2OH+NO2H2SO4FeSO4N+NH2反應(yīng)過程包括如下步驟：（1）丙烯醛的生成：

HOOHOHH+HOOHOH2H+-

H2OHOOHHOCHOH+CHO