第13章杂环化合物.doc

第13章 杂环化合物

13.1 基本要求
● 掌握杂环化合物的命名。
● 掌握五元杂环、六元杂环和稠杂环的结构和性质。

13.2 基本知识点

13.2.1 杂环化合物的概念
由碳原子和非碳原子所构成的环状有机化合物称为杂环化合物，环中的非碳原子称为杂原子，最常见的杂原子有氧、硫、氮等。通常将环系比较稳定，具有一定程度的芳香性，且符合Hückel规则的杂环化合物称为芳杂环。杂环化合物按环的数目不同，可分为单杂环和稠杂环两大类。单杂环按环的大小不同又可分为五元杂环和六元杂环。稠杂环通常由苯与单杂环或单杂环与单杂环稠合而成。

13.2.2 杂环化合物的命名
杂环化合物的命名比较复杂，目前我国常使用“音译法”，即按英文的读音，用同音汉字加上“口”字旁命名。下面是一些常见杂环化合物的名称及编号：
（1） 五元杂环:

（2） 六元杂环

（3） 稠杂环

环上有取代基的杂环化合物的名称是以杂环为母体，并注明取代基的位置、数目和名称，杂环编号，除个别稠杂环外，一般从杂原子开始，顺环编号，环上有不同杂原子时，按O，S，NH，N的顺序编号；某些杂环可能有互变异构现象，为区别各异构体，需用大写斜体“H”及其位置编号标明一个或多个氢原子所在的位置。例如：

13.2.3. 五元杂环的性质
1. 吡咯、呋喃、噻吩的结构和性质

吡咯、呋喃和噻吩均为五原子六电子的富电子闭合共轭体系，符合Hǖckel的4n+2规则，具有芳香性（芳香性的强弱次序为：苯＞噻吩＞吡咯＞呋喃）。由于环上五个原子共用六个电子，环上的电子云密度比苯环大，所以它们易发生亲电取代反应，反应比苯容易进行，取代基多进入α-位，亲电取代的活性顺序为：吡咯＞呋喃＞噻吩＞苯。

此外，吡咯和呋喃还能发生一些特殊的反应。如：

2. 咪唑的结构和性质
咪唑可视为吡咯环上3-位的CH被氮原子替换，为五原子六电子的闭合共轭体系。它具有一定程度的芳香性，分子间能形成氢键，产生缔合现象，3-位上氮原子具有弱碱性，1-位氮原子上的氢具有弱酸性，存在互变异构现象，亲电取代反应活性比苯低，取代基主要进入4（5）-位，能与重氮盐发生偶联反应，也能发生亲核取代反应，取代基主要进入2-位：

13.2.4. 六元杂环的结构和性质
1. 吡啶的结构和性质

吡啶为六原子六电子的闭合共轭体系，符合Hückel的4n+2规则，具有芳香性。吡啶为一弱碱，既可以发生亲电取代反应，又可发生亲核取代反应。由于氮的电负性比碳大，故吡啶环上电子云密度比苯低，其亲电取代反应比苯困难，反应活性与硝基苯相似，吡啶环比苯环难氧化：

2. 嘧啶的结构和性质

嘧啶为六原子六电子的闭合共轭体系，显弱碱性，但其碱性比吡啶弱；由于两个氮原子的强吸电子作用，使嘧啶难以发生亲电取代反应，难氧化，而易发生亲核取代反应；嘧啶环比苯环难氧化，但它很容易被氢化。

13.2.5 稠杂环的结构和性质
1. 喹啉的结构和性质

喹啉可看成是吡啶环与苯环稠合而成的化合物，为平面型分子，含有10个电子的芳香大π键，结构类似于萘和吡啶。它的化学性质类似于吡啶和萘。由于喹啉环上有一个电

负性强的氮原子，环上的电子云密度比萘环低，亲电取代反应比萘难，但比吡啶容易，且易发生在苯环上，取代基多进入5-位和8-位；它也能发生亲核取代反应，反应发生在吡啶环上，比吡啶容易；喹啉中苯环较易氧化，而吡啶环较易被还原。
2. 嘌呤的结构和性质嘌呤由咪唑与嘧啶稠合而成，它的环氮原子和环碳原子上的p电子也有相当大的离域性，是具有芳香性的稠杂环。嘌呤环中的咪唑部分可发生三原子体系的互变异构现象，有两种互变异构体，它们的结构式如下：

嘌呤主要以9H-嘌呤的形式存在。由于嘌呤环中含有四个电负性大的氮原子，使环碳原子很难与亲电试剂发生反应；同时，由于氮原子的吸电子诱导作用，使咪唑环上9-位N上的H容易解离，故，嘌呤的酸性比咪唑强，碱性比咪唑弱，但比嘧啶强。

13.3 典型例题分析

13.3.1 写出下列化合物的结构式，并用系统命名法命名。
（1）异烟肼 （2）烟酸 （3）糠醛 （4）磺胺嘧啶 （5）尼克刹米 （6）腺嘌呤
（7）鸟嘌呤 （8）胞嘧啶 （9）尿嘧啶 （10）胸腺嘧啶 （11）吡哆醇 （12）喹碘仿
解：

13.3.2 排列组织胺中三个氮原子的碱性次序（由强到弱），并说明理由。
解: 组织胺的结构式为：

因为③氮为sp3杂化，s成分最少，碱性最强；①氮和②氮均为sp2杂化，碱性小于③氮；①氮上的未共用电子对参与环的共轭，不显碱性。所以，三个氮原子的碱性顺序为③＞②＞①。
注释 解此题必须知道组织胺的结构，否则无从下手。判断含氮杂环化合物的碱性强弱可从以下几个方面考虑：N的杂化状态；N上的未共用电子对是否参与形成共轭体系；环上是否含有吸电子基团或供电子基团等。

13.3.3 指出下列化合物中哪些具有芳香性，并说明理由。

解: 因为（1）和（2）中具有六个π电子，（3）中具有十个π电子，且能形成环状共轭体系，符合Hückel的4n+2规则，因此，（1），（2）和（3）均具有芳香性；而（4）中虽然也具有六个π电子，但不能形成环状共轭体系，故（4）无芳香性。

13.3.4 简要回答下列问题：
（1）为什么嘧啶分子中含有两个碱性的氮原子，却为一元碱，且其碱性比吡啶弱得多?
（2）吡啶卤代反应，一般不使用FeX3等Lewis酸催化剂，原因何在?
（3）为什么吡咯比苯容易进行亲电取代反应?
（4）为什么咪唑的水溶性比吡咯大?
（5）为什么嘧啶的碱性和亲电取代反应活性比吡啶小，但亲核取代的活性则比吡啶大? （6）为什么2-甲基吡啶的碱性大于吡啶，而吡啶的碱性又大于3-硝基吡啶?
（7）为什么喹啉的碱性比吡啶小?
（8）为什么在吡啶分子中引入羟基后，溶解度减小?
解: （1） 嘧啶环上有两个氮原子，一个氮原子质子化后，第二氮原子对质子化的氮正离子的吸电子诱导效应与共轭效应使质子化的氮正离子不稳定，质子易于离去，所以碱性较吡啶低；当一个氮原子质子化后，它的吸电性大为增强，使另一个氮原子的电子云密度大为降低，以致不能再接受质子，因此嘧啶为一元碱。
（2）因为吡啶分子中的氮原子上有一对未共用电子对，能与缺电子分子FeX3等Lewis酸催化剂反应，使催化剂失去活性；同时也使氮原子带上正电荷，使环上的亲电取代更难进行。
（3）因为在吡咯的分子中，五个原子共享六个π电子，环上的电子云密度比苯高，故它的亲电取代反应比苯容易进行。
（4）因为在吡咯的3-位引入叔氮“=N—”后，即得到咪唑，这个氮原子的未共用电子对可与水形成氢键，因此其水溶性比吡咯大。
（5）因为嘧啶环比吡啶环多一个吸电子的氮原子，故其碱性比吡啶小；这个氮原子使嘧啶环的电子云密度降低，所以它的亲电取代反应活性比吡啶小，而亲核取代的活性则比吡啶大。
（6）因为甲基的供电子效应使吡啶环上氮原子的碱性增大，而硝基的吸电子诱导效应却使吡啶环上氮原子的碱性减小。
（7）因为在喹啉分子中氮原子直接与苯环相连，氮上的未共用电子可以分散到苯环上，因此喹啉的碱性比吡啶小。
（8）因为在吡啶中引入羟基后，羟基与吡啶分子之间可产生缔合现象，阻碍了羟基吡啷与水分子之间的缔合，因此溶解度减小。

13.3.5 用化学方法鉴别下列各组化合物：
（1）糠醛和苯甲醛 （2）呋喃和四氢呋喃 （3）噻吩和苯

解：

注释 （1）和（3）利用了糠醛和噻吩特有的显色反应加以鉴别。（2）呋喃具有共轭二烯的性质，可与顺丁烯二酸酐发生Diels-Alder反应，而四氢呋喃不能发生Diels-Alder反
13.3.6 写出2-甲基吡啶与下列试剂反应的主产物。
解：

注释 由于吡啶环是一个缺π电子的芳香环，因此吡啶的烷基侧链，像苯的烷基侧链一样，α-位碳原子上的氢很活泼，能发生一系列的反应，如α-H能与碱、有机锂化合物等反应；吡啶环上的任何含α-H的烷基侧链在强氧化剂作用下，都能被氧化为吡啶甲酸。同时烷基的存在使吡啶环上的亲电取代反应变得容易。
13.3.7 试用中间体的相对稳定性解释下列现象：
（1）呋喃的亲电取代主要发生在α-位。
（2）吡啶的β-位比α-位，γ-位更容易接受亲电试剂的进攻。
解: （1）因为亲电试剂进攻α-位时，得到三个共振杂化体，其中Ⅰ和Ⅱ为烯丙基型正离子，能量较低。进攻β-位时，只得到两种共振杂化体，能量较高。所以呋喃的亲电取代主要发生在α-位。

（2） 因为亲电试剂进攻α-位或γ-位时，将产生电负性较大的氮原子带正电荷的共振极限式，极不稳定；进攻β-位时，正电荷在电负性较小的碳原子上，较为稳定，所以吡啶的β-位比α-位，γ-位更容易接受亲电试剂的进攻。

13.3.8 完成下列反应式：

解:

注释 应注意吡咯和呋喃遇强酸时，杂原子均能质子化，使芳香大π键被破坏，从而呈现共轭二烯的性质，易聚合、氧化，故不能直接用强酸进行硝化、磺化等反应，需采用较温和的非质子试剂。它们的亲电取代反应比苯容易进行，取代基多进入α-位。呋喃甲醛的化学性质与苯甲醛相似，可发生Perkin反应、Cannizzaro反应、安息香反应等。
例10-9 完成下列转化：


解

注释 因为（1）最后的产物为芳香酮，所以想到用付-克反应来获得产物。已知吡啶不能发生付-克反应，所以只能将吡啶部分作为酰化剂，又因为酰氯可由相应的羧酸与氯化亚砜、三氯化磷或五氯化磷反应来制备，故必须把吡啶环上的甲基氧化为羧基。（2）从呋喃甲醛到四氢呋喃，必须把醛基去掉。由于呋喃甲酸受热容易脱羧，所以把醛基氧化为羧基；呋喃氢化即可得到四氢呋喃。（3）因为呋喃易被强酸酯化，所以不能用混酸进行硝化；可先引入一个第二类取代基COCH3使呋喃钝化，然后进行硝化，最后再转变成产物。
例10-10 某化合物A（C8H15ON）不溶于氢氧化钠水溶液，但溶于HCl，能与苯肼作用生成相应的苯腙，但不能与苯磺酰氯反应，它能发生碘仿反应，生成一分子羧酸B（C7H13O2N）和一分子CH3。B用三氧化铬氧化生成N-甲基-2-吡咯烷甲酸。试写出A和B的结构式。
解 由于A能溶于HCl，但不溶于氢氧化钠水溶液，不能与苯磺酰氯反应，说明A具有碱性，但不具有NH2或NH结构；又由于A能与苯肼作用生成相应的苯腙并能发生碘仿反应，生成一分子羧酸B（C7H13O2N）和一分子CHI3，推测A中含有甲基酮结构；而B用三氧化铬氧化生成N-甲基-2-吡咯烷甲酸，B与其氧化产物之间相差CH2，由此可推出B的结构式。再根据B的结构式可推出A的结构式。

13.4问题

13.4.1 写出α–呋喃甲醇、糠醛、2–氨基–5–甲基噻唑的结构式？
解：

13.4.2 吡啶能否进行傅—克反应？为什么？
答：不能，因为吡啶为缺π体系芳香化合物。
13.4.3 在吡啶中引入羟基后，它在水中的溶解度增大，这句话对吗？
答：不对。吡啶环上引入羟基或氨基后，化合物的水溶性明显降低，引入数目越多，水溶性越差，主要原因是溶质分子间的缔合（分子间氢键等）抑制了与水分子之间的缔合。
13.4.4 为什么哌啶的碱性比吡啶强？
答：哌啶是仲胺，N原子是sp3杂化，而吡啶N为sp2杂化，未共用电子占据的杂化轨道s成分不同，所以碱性不同。

13.5习 题

13.5.1命名下列化合物

（1） （2） （3）

（4） （5） （6）

（7） （8）

(9)

解：
(1) 4-氯喹啉 (2) 3-吲哆羧酸 (3) 4-羟基嘧啶
(4) 2-噻唑磺酸 (5) 5-甲基咪唑 (6) 2-吡嗪甲酰胺
(7) 6-氨基嘌呤 (8) 2-(α - 噻吩)乙醇 (9) 1-苯基-5-硝基咪唑
13.5.2 写出下列各化合物的结构式：
（1） 四氢呋喃　　　（2） 糠醛　　　（3） 3-吲哚丙酸 　　　（4） 8-溴异喹啉
（5） β–吡啶甲酰胺　　　　（6） α–甲基–5–苯基吡嗪
（7） 4–氯噻吩–2–羧酸　　（8） 溴化N，N–二甲基吡咯
（9） 尿酸　　　　　　　　 （10） α–甲基–5–乙烯基吡啶
解：

13.5.3 试比较吡咯与吡啶的结构特点及主要化学性质。
解：

吡咯
吡啶
结

构
N原子杂化状态
sp2（等性）
sp2（不等性）
N上几个p电子参与共轭成环
2
1
N上有无未用电子对

无
一对sp2电子
性
状
酸碱性
碱太弱
弱碱
取代活性（与苯相比）
亲电性强
亲核性强

13.5.4 为什么吡啶的碱性比六氢吡啶更弱？
答：六氢吡啶是仲胺，N原子是sp3杂化，而吡啶N为sp2杂化，未共用电子占据的杂化轨道s成分不同，所以碱性不同。N原子杂化轨道s成分越多碱性越强。

13.5.5 写出下列各反应的主产物结构和名称。
（1） （2）
（3） （4）
（5） （6）
（7） （8）

解：

12