第十四章杂环杂环：构成环系的原子除碳以外还有其它原子
O
N
N
H
O
普通杂环芳香杂环一、分类
§14.1 杂环的分类和命名杂环单杂环稠杂环五元杂环六元杂环
…… N
N
N
N
H
O
S
吡咯（氮杂茂） 呋喃（氧杂茂） 噻吩（硫杂茂） 茂
N
N
N
O
S
N
咪唑（1,3-二氮杂茂） 噁唑（1,3-氧氮杂茂） 噻唑（1,3-硫氮杂茂）
二、命名
N
N
H
N
N
吡啶 吲哚 喹啉 异喹啉
N
H
N
N
N
O
N
N
N
CH
3
H
3
C
N
O
2
嘌呤 3－甲基吡咯 5－甲基咪唑 2－硝基噁唑
1
2
3
4
5
S
N
O
2
NSO
2
NH
N
N
CH
3
磺胺（ST） 烟碱
N
ROCHN
S
O
COOH
R：CH
2
Ph 青霉素G
(CH
2
)
6
CH
3
青霉素K
Cl
Cl
CHOCH
3
可口服
N
H
O
S
§14.2 一杂五元杂环的结构一、芳香性
sp
2
杂化
N
H O
芳香性 苯 > 噻吩 > 吡咯 > 呋喃离域能 150.6 121.3 87.8 66.9
(KJ/mol)
原因：
苯,π电子云均匀分布五元杂环：电负性 O>N>S,π电子云向杂原子偏移二、键长
N
H
0.1383nm
0.1371nm
0.1429nm
O
0.1362nm
0.1361nm
0.1431nm
S
0.1714nm
0.1370nm
0.1423nm
键长未彻底平均化
N
H
O
S
N
H
O
S
0.70D
-I>+C
1.73D
-I
1.90D
-I
0.51D
-I>+C
1.81D
+C>-I
1.58D
-I
三、偶极矩
§14.3 五元杂环的化学性质
Z
芳香性：亲电取代反应
Z的共轭效应使亲电活性高不饱和键：加成反应一、亲电取代反应
Z
+ (CF
3
CO)
2
O
ClCH
2
CH
2
Cl
75
。
C
Z
COCF
3
+ CF
3
COOH
Z O S NH
相对速率 1.4× 10
2
1 5.5× 10
7
亲电取代反应活性：
吡咯 >呋喃 >噻吩 >苯亲电试剂主要进攻 α位
Z
+ E
2
3
4
5
1
2
Z
H
E E
H
Z
E
H
Z
Z
H
E
原因：
α位
E
H
Z
3
1
5
4
3
2
+ E
Z
Z
H
E
Z
H
E
β位
N
H
-0.06
-0.10
+0.32
量子力学计算：
五员杂环活性高，直接硝化易发生氧化反应硝化试剂：硝酸乙酰酯
(CH
3
CO)
2
O + HNO
3
→
CH
3
COONO
2
+ CH
3
COOH
反应条件：低温
1,硝化反应
N
H
CH
3
COONO
2
Ac
2
O,-10
。
C
N
H
NO
2
＋
N
H
NO
2
51％ 13％
O
CH
3
COONO
2
-5~ -30
。
C
O
+
NO
2
H
AcO
-
O
NO
2
H
H
AcO
吡啶
O
NO
2
由于呋喃芳香性小，具有共轭双烯的性质
S
CH
3
COONO
2
Ac
2
O,-10
。
C
S
NO
2
＋
S
NO
2
70％5％
2,磺化反应磺化试剂 N
CH
2
Cl
2
SO
3
,室温
N
+
SO
-
O
O
O
ClCH
2
CH
2
Cl,室温
N
+
SO
-
O
O
O
SO
3
-
N
+
H
+
O
SO
3
H
41%
应用：除去苯中少量噻吩
N
H
100
。
C
N
+
SO
-
O
O
N
H
SO
3
-
N
+
H
+
N
H
SO
3
H
90％
S
25
。
C
S
SO
3
H
浓H
2
SO
4
69~76%
3,卤代反应
N
H
+ Br
2
C
2
H
5
OH
0
。
C
N
H
Br Br
BrBr
N
H
+ SOCl
2
(C
2
H
5
)
2
O
0
。
C
N
H
Cl
80%
O
+ Br
2
二氧六环
0
。
C
O
Br
80%
S
+ Br
2
S
Br
78%
CH
3
COOH
4,付氏酰基化反应
N
H
+ (CH
3
CO)
2
O
N
H
COCH
3
60%
150~200
。
C
O
+ (CH
3
CO)
2
O
O
COCH
3
75～92%
BF
3
S
+ (CH
3
CO)
2
O
S
COCH
3
SnCl
4
5,Reimer-Tiemann反应
N
H
CHCl
3
25%KOH
N
H
CHO
6,氯甲基化反应
S
+ HCHO + HCl
0
。
C
S
CH
2
Cl
ZnCl
2
7,偶联反应
N
H
＋
N
2
+
Cl
-
CH
3
COONa
N
H
NN
8,取代五元杂环的亲电取代反应
A,β－取代
Z
Y
+ E
+
Y：I类定位基
Z
Y
E
Y：II类定位基
Z
Y
E
Z=O,S,NH
O
CH
3
CH
3
COONO
2
O
CH
3
NO
2
O
NO
2
稀HNO
3
O
NO
2
O
2
N
B,α－取代
O
Y
+ E
+
O
YE
Y：I类定位基
II类定位基
O
CH
3
O
CH
3
O
2
N
CH
3
COONO
2
稀HNO
3
O
NO
2
O
NO
2
O
2
N
Z
+ E
+
Y：I类定位基
Z
Y
Y：II类定位基
Z
Z=S,NH
Y
E
Y
E
S
COOCH
3
H
3
C
HCHO,HCl
ZnCl2
S
COOCH
3
H
3
C
ClH
2
C
S
CH
3
S
CH
3
O
2
N
稀HNO
3
二、加成反应
O
+ H
2
Pd
O
N
H
+ H
2
Pd
N
H
S
+ H
2
MoS
2
S
1,催化氢化
2,Diels-Alder反应
＋
O
O
O
25
。
C
O
O
O
O
H
H
O
90%
环的稳定性：苯>噻吩>吡咯>呋喃
O
强酸树脂化
3,环的稳定性
O
H
3
C
CH
3
H
3
O
＋
CH
3
COCH
2
CH
2
COCH
3
O
H
H
3
C
CH
3
H
2
O
HC CH
CH
3
C
OH
C
OH
2
＋
H
3
C
－H
＋
HC CH
CH
3
C
OH
C
OH
H
3
C
O
H
3
C
CH
3
H
3
O
＋
CH
3
COCH
2
CH
2
COCH
3
N
H
H
＋
N
H
H
H
N
H
H
H
N
H
N
H
H
H
N
H
H
N
H
N
H
H
H
N
H
H
N
H
H
H
H
H
S
H
＋
不树脂化
N
H
KOH（固）
N
K
三、吡咯的特殊性质
1,弱酸性
pKa≈ 15
2,吡咯盐的反应
N
K
+ CH
3
I
N
CH
3
N
K
+ PhCOCl
N
COPh
70%
甲苯
110
。
C
N
H
H
＋
N
MgX
CO
2
H
2
O
N
H
COOH
RMgX
CH
3
CH
2
CH
2
CH
3
S
600
。
C
S
HC CH＋ 2HCHO
CH
2
Cl
2
HOH
2
CC CCH
2
OH
NH
3
加压
H
N
§14.4 五元杂环的制备一、工业法玉米芯或稻壳
H
3
O
＋
CHOCH
2
CH(OH)CH(OH)CH
2
OH
ZnO or Cr
2
O
3
400
。
C
O
CHO O
糠醛
-H
2
O
O
H
2
CCH
2
COCH
3
H
3
COC
H
3
C
CH
3
P
2
S
5
S
H
3
C
CH
3
(NH
4
)
2
CO
3
N
H
H
3
C
CH
3
P
2
O
5
二、闭环法例：由甲苯、小于等于 2C原料合成
O
PhPh
PhCH
3
KMnO
4
H
+
PhCOOH PhCOOC
2
H
5
CH
3
COOH
C
2
H
5
OH
H
+
CH
3
COOC
2
H
5
CH
3
COOC
2
H
5
PhCOOC
2
H
5
+
EtONa
PhCOCH
2
COOC
2
H
5
EtONa
I
2 Ph－C－CH－CH－C－Ph
COOC
2
H
5
O
O
H
5
C
2
OOC
稀OH
-
H
3
+
O
Ph－C－CH
2
－CH
2
－C－Ph
O
O
P
2
O
5
T.M.
C
2
H
5
OH
H
+
§14.5 吡啶的结构
N
sp
2
杂化
N
N
2.22D
-I,-C
N
H
1.17D
-I
N
0.140nm
0.139nm
0.134nm
键长未彻底平均化
§14.6 吡啶的化学性质一、碱性及成盐反应
N(CH
3
)
3
N
NH
2
NH
pKb 4.2 8.8 9.4 13.6
孤对电子未参与共轭孤对电子参与共轭
N
+ HCl
N
+
H Cl
-
N
+ SO
3
N
+
SO
3
-
N
+ CH
3
I
N
+
CH
3
I
-
N
+ PhCOCl N
+
石油醚
－20
。
C
COPh Cl
-
二、亲电取代反应
N
浓H
2
SO
4
浓HNO
3
300
。
C
N
NO
2
浓H
2
SO
4
200
。
C
N
SO
3
H
Br
2
,浮石
300
。
C
N
Br
(CH
3
CO)
2
O
AlCl
3
不反应
6％
70％
39％
亲电取代反应活性低：
N的电负性大强亲电试剂易与吡啶成盐
NNH
2
Br
2
,CH
3
COOH
20
。
C
NNH
2
Br
90％
反应特点：
N
Y
＋
N
H
Y
N
H
Y
N
H
Y
α－位
β－位
γ－位
N
Y
＋
N
Y
H
N
Y
H
N
Y
H
N
Y
＋
N
YH
N
YH
N
YH
亲电试剂进攻 β－位三、亲核取代反应
N
+ PhLi
甲苯
N Ph
+ LiH
N
+ NaNH
2
N(CH
3
)
2
NN
-
HNa
+
H
2
O
NNH
2
+ NaOH
α－位
β－位
γ－位
N
Nu
－
N
H
Nu
N
H
Nu
N
H
Nu
N
N
Nu
H
N
Nu
H
N
Nu
H
Nu
－
N
Nu
－
N
NuH
N
NuH
N
NuH
亲核试剂进攻 α,γ－位
N
N
N
Cl
OCH
3
N
CH
3
ONa
Br
Br
NH
3
,H
2
O
160
。
C
NH
2
Br
四、氧化反应
1,侧链氧化
NCH
3
KMnO
4
NCOH
SeO
2
NCHO
2,H
2
O
2
氧化
N
＋ H
2
O
2
（30％）
N
O
CH
3
COOH
65
。
C
PCl
3
，CHCl
3
N
+ POCl
3
A,N－氧化吡啶的亲电取代反应
N
O
发烟HNO
3
发烟H
2
SO
4
N
O
NO
2
PCl
3
,CHCl
3
N
NO
2
＋ POCl
3
90％
80%
亲电试剂以进攻 γ－位为主
N
O
+ E
+
N
EH
O
N
EH
O
满足八电子构型
B,N－氧化吡啶的亲核取代反应
N
O
N
O
OCH
3
PCl
3
,CHCl
3
N
OCH
3
＋ POCl
3
CH
3
ONa
CH
3
OH
亲核试剂以进攻 γ－位为主
N
O
+ Nu
-
N
NuH
O
五、侧链 α－ H的反应
NCH
3
+ PhCOPh
NaNH
2
NCH
2
－C－OH
Ph
Ph
§14.7 稠杂环化合物
N
H
O
S
N
吲哚 苯并呋喃
苯并噻吩 喹啉一、喹啉的反应
1,亲电取代反应
N
浓HNO
3
浓H
2
SO
4
N
NO
2
＋
N
NO
2
2,亲核取代反应
N
N
＋
N
NH
2
NH
2
NaNH
2
3,氧化反应
N
N
COOH
COOH
KMnO
4
二,Skraup(斯克劳普 )法合成喹啉
NH
2
CH
2
－CH－CH
2
OH
OH
OH
＋
浓H
2
SO
4
PhNO
2
N
84～91％
CH
2
－CH－CH
2
OH
OH
OH
H
＋
CH
2
＝CH－CHO ＋ 2H
2
O
NH
2
＋
C
H
O
CH
CH
2
NH
CH
2
CH
2
C
O
H
H
＋
NH
CH
2
CH
2
C
OH
H
N
H
CH
2
CH
OH
H
＋
N
H
CH
2
PhNO
2
N
反应机理喹啉衍生物的合成
NH
2
＋ CH
2
＝CHCOCH
3
FeCl
3
ZnCl
2
N
CH
3
73%
NH
2
＋ 2CH
3
CHO
浓HCl
100
。
C
N
32%
CH
3
N
OH OH
NH
2
+ CH
2
=CHCHO
NO
2
NHCOCH
3
NHCOCH
3
SO
3
H
NHCOCH
3
SO
3
H
NO
2
NHCOCH
3
NO
2
NH
2
NO
2
OH
NO
2
OH
NH
2
N
N
NH
2
NH
2
+ 2 CH
2
=CHCHO
N
NH
2
+ PhCOCH=CH
2
Ph
N
NH
2
+ CH
3
CH=CHCHO
F
CH
3
F
N
F
CH
3
NH
2
+ CH
3
COCH=CH
2
F
作业
P880 19-4 ii,viii,X
P903 19-10 i,ii,vi,ix,xvii,xxi
P922 19-17 i,ii,iv
P926 19-18 i,ii,v,viii
P942 19-27 i,ii,iii,v