杂环化合物的分类和命名

１7．１ 杂环化合物的分类和命名 １7．１．１分类 五元环NOSH 单杂环六元环

N杂环

苯环与单杂环的稠合杂环(苯并杂环) N稠杂环 N两个或两个以上单杂环的稠合杂环N NNH１7．１．２命名

1．音译法 以口字傍为杂环标志。 OSNNH

噻吩呋喃吡啶吡咯

pyridinepyrrolefuramthiophene

2．系统命名法 NOSH 茂

氧茂硫茂(环戊二烯)氮茂

NNN苯氮苯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：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。

H3C54N32NH214534NN13N2N1H52S2-氨基-4-甲基噻唑吡唑1

CH31-甲基咪唑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

NOSH

2．分子结构

呋喃OOO：1S 2 2S2 2P4噻吩sSS: 1S2 2S2 2P6 3S2 3P4吡咯NHNHN: 1S2 2S2 2P3 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 共轭能kJ/mol 3．芳香性

① 符合休克尔规则，π电子数为6。

2

苯 152 噻吩 125.5 吡咯 90.4 呋喃 71.1 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

O催化脱羰基CHONi280℃O+NH3OAl2O3430℃ZnO-Cr2O3-MnO2H2O400-415℃NHCH3CH2CH2CH3+SCH3CH=CHCH3CH3CH2CH=CH2650℃S+SO2S 帕尔-诺尔合成法：用1,4-二酮合成。

P2O5ROSRR

ROORP2S5△R`NH2R１7．２．3化学性质

H+R

NHR0.1431nm0.1371nm0.1423nm0.1370nm0.1429nm0.1371nmO0.1383nmS0.1714nmN0.1383nmO1.73DS1.90DN1.58D非芳香性的杂环化合物只有诱导效应。O0.70DS0.51DN1.81D芳香体系的杂环化合物有诱导效应和共轭效应。3

1．亲电取代反应 ① 卤代

Br2室温Br20℃80%OBrOCl2-40℃+OClClOCl呋喃与卤素反应激烈，卤素稍过量，常得到多卤化物。碘代IINHNHIIBrBr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 。Br2BrBrNH氯代0℃SO2Cl2(1mol)NHCl80%CH3COOHSBr78%SCl250℃+S36%ClClS14%Cl+ClClSClCl加成产物13%② 硝化 CH3CO2NO2H吡啶H35%-5~-30℃ONO NOO2CH3COO2O加成物

乙酰硝酸酯是较为温和的砂化剂，用时临时制备。 HONO2NO2+ NO5℃乙酐2NNN HHH

83%SNO2+CH3CO2NO2NO2SS-10℃乙酐70%4

5%③ 磺化

95% H2SO4S25℃SSO3H噻吩-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。

NO+SO3-NO呋喃-2-磺酸吡啶盐+ClCH2CH2ClSO3-HClO41%SO3HNNH+SO3-NHSO3-NH+HClNHSO3H

90%吡咯-2-磺酸吡啶盐④ 乙酰化

乙酐BF3乙醚0℃OOCOCH3NH乙酐150~200℃60%乙酐H3PO4NH+COCH3CH3CONHCOCH3SSCOCH370% 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

5

五元杂环 呋 喃 吡 咯 噻 吩

溴化(25℃) 1 4.6×106 8.3×10-3 三氟乙酰化(75℃) 1 3.8×105 7.1×10-3 乙酰化(75℃) 1 - 8.4×10-2 甲醛化(75℃) - - 9.7×10-2 B．亲电基团一般进入杂原子的邻位

2．加成反应

H2/Ni25℃加压z-0.06-0.10邻位的电子云密度丰富所以取代发生在α位。静态时，α-位上的电子云密度较其它位大。

-0.02-0.03-0.04-0.06N+0.32HO+0.10S+0.20

OH2/PtCH3COOHOCH3CH2CH2CH2OHH2/NiNHNHZn，乙酸NHH2/NiSSNa，EtOHS+Br2+SCH3OHO-50℃BrHOBrHH3COHOOCH3H6

呋喃加成反应的较容易。 3．特征反应 ① 呋喃的双烯特征

OOOHH+OHO顺丁烯二酸酐30℃OO外型（主）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

HOO内型② 吡咯的弱酸性和弱碱性

Ka： 1.3*10-10 10-15 10-18

KOH△N- K+C6H5COCl甲苯110℃N-COC6H5N-CH3NHRMgXNMgXCH3I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

7

稀酸绶慢溶解树脂化△ 吡咯红（聚合物）NH浓酸

甘蔗渣、花生壳等HHOC稀酸(C5H8O4)n 戊多糖稀酸nH2O, 3~5%稀硫酸水解△戊糖

HCOHCHO△HCHC-HOHOH-3H2OOCHO2．化性 ① 催化加氢

② 氧化

气相催化氧化

+2O CHO 2 V 2 O 5 -MoO 3 320 ℃ OOOO+CHOH2CuO,Cr2O3150℃10MPaH2/PtOCH2OHOCH2OHO顺丁烯二酸酐

中性或碱性氧化OCHOKOH + KMnO4OCOOH③ 歧化

+ 浓NaOHCHO+CH2OHOOOCOOH④ 安息香缩合

KCN溶液OCHOOCHCOHOO⑤ 合成四氢呋喃作为溶剂

O催化脱羰基H2/PtHClNaCNCHONi280℃H2OO125℃10MPaO140℃ZnO-Cr2O3-MnO2400-415℃8

水解

H2CCH2CN还原已二酸已二胺还原已二醇CH2CH2CN 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。

453Ns2-NH3 Cl+Cl-+1NCH3N 噻 唑 或5嘧啶环S21,3-硫氮茂

14N3CNH2sCCH3CH2CH2OH噻唑环

HOOCCH3CH3s青霉素G维生素B1NCOCH-NH-CO-CH2C6H5氢化噻唑环青霉素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

45N3N1H2

① 碱性比噻唑强。

可与强酸生成稳定的盐。

NHCl NH

② 有微弱的酸性。

NHClNH+-NHN+HCl-9

NNaNH2NHNN-Na+NN-Na+-NH3③ 易发生亲电取代反应。

④ 互变异构现象

14 N35NH22 45

N1HN3CH354N3N1H2CH354NHN3214-甲基咪唑5-甲基咪唑１7．２．６吲哚 1．结构

NHNHCH3NHCH2COOHOHNβ甲基吲哚β-吲哚乙酸NHO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(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。

-0.065-0.041

N+0.28H10

１7．３．１吡啶

NHBr2OO0℃BrNH70%COONO2NO2NH35%NH·SO3SO3HNH(CH3)2N-CHO,POCl3Vilsmeier反应CHONH97%１7．３ 六元杂环化合物

1．吡啶的来源和制取

吡啶存在于煤焦油、页岩油、骨焦油中。吡啶的衍生物广泛存在于自然界。例维生素PP、维生素B6。辅酶Ⅰ及辅酶Ⅱ也含有吡啶环。

工业上从煤焦油提取吡啶和甲基吡啶。

CH3NKMnO4COOHN

工业上大量的合成：

NH3

500℃NOCHOOCH2OH

OH AlO-SiOCH≡CH+CH2+NH3232 OCH3

重要的实验室合成法：（汉茨施Hantzsch合成法）

N

11

H甲醛HC

ROOCCOOR CHOHC乙酸乙酯乙酸乙酯CC CHCH33HOOH

HH N氨 H2．结构

ROOCCH3NHCOORCH3HNO3H2SO4ROOCCH3NCOORCH3NNN2.22D1.17D 吡啶的键合情况和苯相似。它们的碳原子和氮原子都认为是sp2杂化的，吡啶环中五个碳原子和一个氮原子各供一个p电子，它们的p轨道与环的平面垂直，互相重叠而成闭合共轭体系。

3．性质

① 碱性及其成盐

吡啶 ＞ 吡咯 三甲胺 ＞ 吡啶 ＞ 苯胺 PKb 4.2 8.8 9.4

290~300℃+CH3I +CH3++NI-NNI-

HCH3

CH3N-IH+苯胺分子中的氮原子上的未共用的电子对和苯环产生p-π，使N原子上的电子云密度减小，而吡啶分子中N原子上的未共用的电子对，不参与环上的共轭体系，所以吡啶的碱性比苯胺强。由于吡啶分子中氮原子的未共用的电子对处于sp2杂化轨道上，而脂肪胺分子中氮原子的未共用的电子对处于sp3杂化轨道上。sp2杂化轨道s成份大于sp3杂化轨道s成份，离核近，电子更靠近核，不容易与质子结合，所以吡啶的碱性比脂肪胺弱。

② 亲电取代 ·比苯难

··进入吡啶环的β位

···H+介质对亲电取代不利

12

δ+0.87δ—

Nδ—δ—1.010.841.011.43NN0.84Br2300℃BrN39% 3-溴吡啶HNO3 + H2SO430℃ 1h浓H2SO4350℃NO2NSO3HN3-硝基吡啶3-吡啶磺酸 ③亲核取代 ·比苯容易 ··进入α位

④ 氧化 吡啶环对氧化剂稳定

HNO3 N△N

CH3KMnO 4 NOH -N

⑤ 还原 较苯容易

H2/Pt乙酸

或Na + EtOHN

吡啶和吡咯性质比较： 吡咯 吡啶

13

C6H5NMe2H2O+NNaNH2回流NNHNaNNH2COOHCOOHCOOHβ-吡啶甲酸（烟酸）NpH 中性 弱碱 亲电取代 易（α） 难（β） 亲核取代 难 易（α） 氧化 易 难 遇 酸 不稳定易聚合成树脂 １7．３．２嘧啶 1．结构

２．性质

① 无色结晶，熔点22℃，易溶于水。 ② 碱性比吡啶弱得多。 ③ 亲电取代反应比吡啶困难。 ④ 亲核取代反应比吡啶容易。 １7．４喹啉 1．结构

67584323N52N614OHNHONNNH2NHONOHCH3HON尿嘧啶胞嘧啶胸腺嘧啶1

２．制备——Skraup合成法

N

NH2+CH2OHCHOHCH2OH浓H2SO4硝基苯△84~91%N３．化性

① 碱性比吡啶稍弱，可与酸成盐（pKa=9.1） ② 亲电取代

N浓H2SO4220℃BrBr2△浓H2SO4Ag2SO4NNO2+Br+NHNO3 + H2SO40℃NNO2NNSO3H14

③ 亲核取代

④ 还原

⑤ 氧化

1． 尿酸

2． 黄嘌呤

HNONHOHNONH6NaNH2N100℃二甲苯NNH2Sn + HClN或Na + EtOHNHKMnO4H+HOOCHOOCN6N１7．５嘌呤及其衍生物

1N25N71N25NH87N4N983HN4N939-H嘌呤7-H嘌呤OHNHNHOHONNNHNOH尿酸OHNNHHONNNHNO黄嘌呤3． 咖啡碱、茶碱和可可碱

15

OONCH3O CH3NONCH3NCH3NONCH3NHNHNONCH3NNCH3咖啡碱茶碱可可碱． 腺嘌呤、鸟嘌呤

NH2NNHNN腺嘌呤OHNNH2NNNH鸟嘌呤16

4

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