高中化学有机化学竞赛辅导：第12章《杂环化合物》 Word版

由天下分享时间：2024/6/16 17:47:46 加入收藏我要投稿点赞

第十二章杂环化合物

一、定义和分类

分子中含有由碳原子和其它原子共同组成的环的化合物称为杂环化合物。杂环中的非碳原子称为杂原子，最常见的杂原子有N、O、S等。象环醚、内酯、环酐及内酰胺等似乎也应属于杂环化合物。但是，由于这些环状化合物容易开环形成脂肪族化合物，其性质又与相应的脂肪族化合物类似，因此，一般不放在杂环化合物中讨论。本章讨论的是环系比较稳定，并且在性质上具有一定芳香性的杂环化合物。

根据环数的多少分为单杂环和多杂环；单杂环又可根据成环原子数的多少分为五元杂环及六元杂环等；多杂环稠杂环、桥杂环及螺杂环，其中以稠杂环较为常见。二、命名

杂环化合物的名称包括杂环母体及环上取代基两部分。杂环母环的命名有音译法和系统命名法2种。

音译法：是用外文谐音汉字加“口”偏旁表示杂环母环的名称。如呋喃等。

系统命名法：是把杂环看作杂原子转换了相应碳环中的碳原子，命名时以相应的碳环为母体，在碳环名称前加上杂原子的名称，称为“某（杂）某”。如吡啶称为氮（杂）苯，喹啉称为1-氮（杂）萘。

杂环母环的编号规则（1）含1个杂原子的杂环，从杂原子开始用阿拉伯数字或从靠近杂原子的碳原子开始用希腊字母编号。

（2）如有几个不同的杂原子时，则按O、S、-NH-、-N=的先后顺序编号，并使杂原子的编号尽可能小。

（3）有些稠杂环母环有特定的名称和编号原则。杂环的命名如下：

CH3N C6H5NO2CH3 SNH N 2-硝基吡咯 4-甲基吡啶 2-甲基-5-苯基噻唑 α-硝基吡咯 γ-甲基吡啶

CH3N SHNClN

CH3CH3N

OH 3-甲基-8-羟基喹啉 1-甲基-7-氯异喹啉 1-甲基-2-巯基咪唑 CONH2SO3HCHO SON 2-呋喃甲醛（糠醛） 2-噻吩磺酸 3-吡啶甲酰胺 α-呋喃甲醛 α-噻吩磺酸 β-吡啶甲酰胺三、五元杂环化合物

（一）吡咯、呋喃和噻吩 1、结构与芳香性

吡咯环的4个碳原子和1个氮原子都以SP杂化轨道成键。环上各原子以σ键相连成平面环状结构。氮原子的P轨道（有2个电子）与各碳原子的4个P轨道相互侧面重叠，并垂直于σ键所在的平面，形成了具有6个π电子的闭合共轭体系。

呋喃、噻吩的结构与吡咯相似，不同的是呋喃中的氧原子和噻吩中的硫原子都有两对末共

用电子对。其中一对参与共轭体系，另一对处于SP杂化轨道内。

以上3种五元杂环，成环原子均参加共轭，π电子数又符合休克尔规则，因此都具有芳香性。但由于环中杂原子的电负性大小不同，电子云密度平均化程度也不同，所以芳香性强弱有

所差异。其中氧原子的电负性较大，不易提供电子参与共轭体系，因此呋喃环上电子云密度平均化程度较小，芳香性也较弱。硫原子电负性在三者中最小，参与共轭的双是一对3P电子，电子受核约束力较小容易供出，因此噻吩环上电子云密度平均程度较大，芳香性较强。但它们的芳香性都小于电子云密度高度平均化的苯环。它们的亲电取代反应比苯容易进行。

2、物理性质

吡咯为无色液体，其蒸气遇盐酸浸过的松木片显红色，可检验吡咯及其低级同系物。呋喃为无色液体，它遇盐酸浸过的松木片显绿色。

噻吩为无色而有特殊气味的液体，在浓硫酸的存在下，与靛红作用显蓝色。 3、化学性质

（1）酸碱性吡咯的碱性很弱（pKa=0.4)，不能与稀酸或弱酸成盐。反而能与干燥的氢氧化钾加热生成盐，表现出弱酸性。

+ KOH NNΔ KH

由于氮原子上的末共用电子对参与环的共轭体系，使其电子云密度降低，减弱了它接受质子的能力。所以吡咯的碱性很弱。

+ H NN H2H

（2）亲电取代反应多π芳杂环的杂原子提供了2个电子参与环的共轭，使环碳原子电子云密度有所增大，因而亲电取代反应比苯容易进行，而其中又以α位较大，所以亲电取代反应主要发生在α位上。

上述几个杂环的亲电取代反应活性为：吡咯 > 呋喃 > 噻吩 > 苯

①卤代反应吡咯、呋喃和噻吩在室温与氯或溴反应很激烈，得到多卤代产物。若要得到一氯代和一溴代产物，需用溶剂稀释并在低温下进行反应。

BrBr Br + Br乙醚 2 NBrN0℃ HH

+ Br2 二氧六OBr0℃ O

②硝化反应吡咯和呋喃在强酸性条件下会由于质子化，而破坏环和芳香性，进而聚合成树脂状物质。噻吩用混酸作硝化剂时，共轭体系也会被破坏。因此它们的硝化反应需用较缓和的硝酸乙酰酯作硝化剂并在低温下进行。

+ CH3COONO2 NNO2醋酐 NH H

+ CH3COONO2 ONO2 O

NO2 醋酐 + CH3COONO2 SS

③磺化反应吡咯和呋喃的磺化反应也需在较缓和的条件下进行，常用吡啶与三氧化硫的混合物作磺化剂。

100℃ N + 吡啶三氧化硫 SO3H NH H + 吡啶三氧化硫 100℃ OΔ 噻吩比较稳定，可直接用浓硫酸进行磺化反应。 OSO3H S浓硫酸

SSO3H

尽管噻吩的活性在三者中最差，但反应仍比苯快得多。噻吩在室温下即能与浓硫酸作用，生成可溶于水的α-噻吩磺酸。苯在同样的条件下不反应。利用这种区别可从粗苯中除去少量的噻吩。

（3）还原反应吡咯、呋喃和噻吩均可进行催化加氢反应，被还原为饱和的杂环化合物，并失去芳香性。

Pd N + HN2 四氢吡咯

+ H2 四氢呋喃 OO

+ H2 四氢噻吩 Pd 4、重要的衍生物 SS

（1）血红素：血红素是吡咯的重要衍生物，它的基本骨架是卟吩环。

（2）叶绿素：是绿色植物叶的和绿色基中特有的色素，与蛋白质等结合构成叶绿体，直接参与植物的光合作用，使太阳能转变为化学能，将二氧化碳和水合成为糖类。（3）呋喃坦啶：又名呋喃妥英，为杀菌剂，主要用于泌尿系统感染。（4）呋喃丙胺（F-30066）：有抗日本血吸虫病的作用，对急性日本血吸虫病的退热作用明显。

（5）速尿：为强利尿药，主要用于心脏性浮肿，肝硬化引起的腹水，肾性浮肿等，与降压药合用，可增强降压作用。

（二）吡唑、咪唑和噻唑 1、结构与芳香性

吡唑、咪唑和噻唑的电子结构与含1个杂原子的五元杂环相似，因此都具有一定程度的芳香性。环上的另一个杂原子所具有的末共用电子对没有参与共轭体系。如咪唑的第3位氮原子

保留了末共用电子对，能结合H而显示碱性。

2、化学性质

吡唑与咪唑有互变异构现象。以甲基衍生物为例，氮原子可以在2个氮原子间互变。因此吡唑中的3-位与5-位相同，咪唑中的4-位与5-位相同。常表示为3（5）-甲基吡唑和4（5）-甲基咪唑。

由于吡唑、咪唑和噻唑比吡咯或噻吩增加了1个吸电性的氮原子，所以它们的亲电取代反应活性明显降低，对氧化剂也不敏感，有酸存在时不致破坏共轭体系，只有成盐后亲电取代反应更难进行。

3、重要的衍生物

（1）安乃近：又名罗瓦尔精，有解热镇病和抗风湿等作用。用于发热、头痛、神经痛和风湿性关节炎等。

（2）嘧啶唑：具有消炎、解热和镇痛作用，并有很好的镇静、肌肉松弛作用。（3）甲硝基乙唑：又名灭滴灵，为口服杀滴虫药。

（4）西咪替丁：又名甲氰咪胍，用于胃溃疡，十二指肠溃疡等。四、六元杂环化合物

（一）吡啶

1、结构与芳香性

吡啶环上的5个碳原子和1个氮原子也都以SP杂化轨道相互重叠，形成以σ键相连的环平面。环上每个原子的P轨道相互侧面重叠，且垂直于环平面，构成具有6个电子的闭合共轭

体系。与吡咯不同的是，吡啶环上氮原子的末共用电子对占据着SP杂化轨道，没有参与环的共轭。吡啶的结构也符合休克尔规则，因此具有芳香性。由于环中氮原子的电负性比碳原子大，所以环上碳原子电子云密度降低，形成缺π芳杂环，它的亲电取代反应比苯难进行。

2、物理性质

吡啶是具有特臭的无色液体。能以任何比例与水互溶，同时又能溶解大多数极性和非极性

有机化合物。

3、化学性质

（1）碱性吡啶分子的氮原子上有1对末参与共轭的电子，能结合H而显碱性，吡啶的碱性比脂肪胺和氨弱，而近似于芳胺。

三甲胺氨吡啶苯胺 pKa 9.8 9.3 5.23 4.6 吡啶能与无机酸成盐。

+ HCl ·HCl

NN(2)亲电取代反应由于吡啶分子中氮原子的电负性比碳原子大，环上碳原子电子云密度有所降低；同时，在亲电取代反应中试剂通常是酸性，使氮原子先与酸结合成吸电性的铵离子，因而环上碳原子电子云密度更加降低。所以，吡啶比苯难进行亲电取代反应，其反应条件要求较高。吡啶环上碳原子的电子云密度普遍降低，而其中以β位降低的较少，所以亲电取代反应主要发生在β-位。

Br300℃ + Br2 NN

NO2300℃ + 混酸 NN + 浓H2SO4 + HgSO4 SO3H若吡啶环上有第一类定位基时，能使吡啶环活化。它们的亲电取代反应就可以在较温和的220℃ 条件下进行，取代位置由第一类定位基决定。 NN Br乙酸 + Br2 NH2NH2 NN

NO2 + 浓H2SO4 + KNO3 100℃ CH3NCH3 CH3NCH3（3）氧化还原反应吡啶环上的电子云密度因氮原子的存在而降低，因此环对氧化剂比较稳定。当环上有烃基时，烃基容易被氧化。

COOH CH3H2O

+ KMnO4 Δ

NN+

H + KMnO4 NΔ NCOOH吡啶比苯容易还原，在常压下就可以被还原为六氢吡啶。

H2 N NNi

H六氢吡啶又名哌啶，为无色液体，能与水混溶。它的碱性（pKa=11.2)比吡啶强，性质与脂肪仲胺相似，在有机反应中用作碱性试剂。

4、重要吡啶衍生物

烟酸和烟酰胺：烟酸是维生素B族中的一种，能促进细胞的新陈代谢，并有血管扩张作用。烟酰胺是辅酶I的组成成分，作用与烟酸相似。

CONH2COOH N N 烟酸烟酰胺