第13章杂环化合物

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1、第13章 13.1 13.2基本知识点 13.2.1 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 H ickel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 13.2.2 ，即按英文的读音，用同音汉字 杂环化合物的命名比较复杂，目前我国常使用"音译法” (1)五元杂环： 1 呋喃 furan 吡咯 pyrrole 1 噻吩 thi

2、azole 4 5 n3 n N2 吡咯 pyrrole 咪唑 im idazole 1 # (2) 六元杂环 5 6 4 、3 N 1 吡啶 pyrid ine pyridaz ine 4 4 5 ••N . 3 5 3 6 丿 2 6 *丿 2 N O 1 1 吡嗪 吡喃 pyraz ine pyra n # # (3)稠杂环 00 8 喹啉 quin oli ne 3 2 3 2 (

3、编号特殊) 6 4 7 吲哚 N 1 H in dole (编号特殊) (编号特殊) # # 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 0, S, # N H”及 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 其位置编号标明一个或多个氢原子所在的位置。例如： 4 1 3- 甲基吡啶 （B -甲基吡啶） CH3 O H 2-氨基-6-氧嘌吟 3 2 # N

4、 # N 13.2.3. 1•吡咯、呋喃、噻吩的结构和性质 H H H # N 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 Hickel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a -位，亲电取代的活性顺序为：吡咯〉呋喃〉噻吩〉苯。 C H3COO NO 2 —5~30 C O NO 2 此外，吡咯和咲喃还能发生一些特殊的反应。如: I2/N aOH ~碘R

5、" I N I H CHCI3/K OH R eim er-Tiem ann “ “ c HO H PhN^CI — 偶联反应 -口 N N—NPh 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） 2-位: [j N： O N H  H n O=CCH3 缔合 烷基化 13.2.4.六元杂环的结构和性质 N

6、1•吡啶的结构和性质 3 N # N 碱 碱 还 氧 3Br亲 吡啶为六原子六电子的闭合共轭体系，符合 Hickel的4n+2规则，具有芳香性。吡啶为 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： 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.

7、5 1.喹啉的结构和性质 5 10个电子的芳香大 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 n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. 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，

8、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 13.3典型例题分析 # 13.3.1 (1)异烟肼 (2)烟酸 (3)糠醛 (4)磺胺嘧啶 (5)尼克刹米 (6)腺嘌呤 解: (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 (1 NH 2 4-吡啶甲酰肼 NH2 CHO 2 N,N-二乙基 3-吡啶酰安 (6) H 6-氨基嘌吟 H

9、2-氨基6-氧嘌吟 (8 ) H 2-氧-4-氨基密啶 (9) O H 2,4 -二氧密啶 5-甲基2,4 -二氧嘧啶 O 3 H C 11 ) C H 2OH ch2oh N (12 ) SO3H 7-碘喹啉■ 5-磺酸 2-甲基-3 -羟基-4, 5-二羟甲基吡啶 O 8-羟基- 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: ③ C h2ch 2nh 2 # 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

10、与环的共轭， 不显碱性。所以，三个氮原子的碱性顺序为③②〉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 13.3.3指出下列化合物中哪些具有芳香性，并说明理由。 (1) (2) -尹N 1 J (3) (4) J N N N O 解:因为(1)和(2)中具有六个n电子，(3)中具有十个n电子，且能形成环状共轭体系， 符合Hickel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

11、个n电子，但不能形成环状共轭体系，故(4 13.3.4 (1) 为什么嘧啶分子中含有两个碱性的氮原子，去卩为一元碱，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

12、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 (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n电子，环上的电子云密度比苯高，故它的亲电 (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

13、(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 (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 (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 13.3.5 (1)糠醛和苯甲醛 (2 )呋喃和四氢呋喃 (3 解: ( 1 O 红色 (一)  注释 (1)和(3)禾

14、9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- 解: 2 9 # 注释 由于吡啶环是一个缺n电子的芳香环，因此吡啶的烷基侧链，像苯的烷基侧链一样，a 位碳原子上的氢很活泼，能发生一系列的反应，如a -H能与碱、有机锂化合物等反应; 吡啶环上的任何含a -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 13.3.7 (1) 呋喃的亲电取代主要发生在 a - (2) 吡啶的3 -位比a

15、-位，丫 - 解：(1)因为亲电试剂进攻a -位时，得到三个共振杂化体，其中I和H为烯丙基型正离子， 能量较低。进攻3 -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 E # # (2)因为亲电试剂进攻a -位或丫-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3 -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 3 -位 比a -位，丫 -位更容易接受亲电试剂的进攻。 # # # 13.3.8 Br2,Et OH

16、 (1 ) 150-200 C ② HC I ①. N+SO 3,100 C 0C Ac 2O C H 3COO NO2,NaOH Ac 2O, 5 C (3) Br 2,H OAc 室温 95 %H 2SO4 Ac2O,COONO2 室温 CH3COO NO2 ―AC2O,-10 c N H H COCH3 SO3H (3) S 3 11

17、 COO C anni zzar o反应 Perkin反应 # 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 n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a -位。呋喃甲醛的化学性质与苯甲 醛相似，可发生Perkin反应、Cannizzaro 例10-9完成下列转化： (1) (3) (1) (2) (3) N Ac 2。 注释 因为（1）最后的产物为芳香酮，所以想到用付 -克反

18、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HCI，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

19、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HCI，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 A : CH2COO H 13 # 13.4问题

20、 13.4.1写出a -呋喃甲醇、糠醛、2 -氨基-5 -甲基噻唑的结构式? 解： # 13.4.2吡啶能否进行傅一克反应？为什么？ 答：不能，因为吡啶为缺n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，弓I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

21、题 13.5.1命名下列化合物 (1) (2) CO O H H (3) O H N (4) SO3H (5) N H CONH2 NH (7 ) N N (8) CH2CH2OH  O2N \ II N 1 f 解： (1) 4-氯喹啉 ⑵3-吲哆羧酸 (3) 4-羟基嘧啶 (4) 2-噻唑磺酸 (5) 5-甲基咪唑 ⑹2-吡嗪甲酰胺 (7) 6-氨基嘌呤 (8) 2-( a-噻吩)乙醇 (9) 1-苯基-5-硝基咪唑 (9) 13.5.2写出下列各化合物的结构式: (1)

22、 四氢呋喃 (2) 糠醛 (3) 3-吲哚丙酸 (4) 8-溴异喹啉 (5) 3-吡啶甲酰胺 (6) a -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) a -甲基- 5-乙烯基吡啶 解: (1) Br (8) r CH 2C OOH CH3 Cl H3C CH3 ；=O 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

23、 1 构 N上有无未用电子对 无 2 —■对sp电子 性酸碱性 碱太弱 弱碱 状 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。 15 # 解: (1)吡啶 + NH 3 (3)吡啶 + SO 3 M2SO4 (5) 3 -乙基吡啶 KMn 04 OH - + (7)糠醛 一A"NH 3" OO H O 吡啶 (2) (6) Pt 加压 (4) 呋南+ BF 3 ? (CH 3CO)2O — HN O3, H 2SO4 喹啉一 吡啶 (8) NO 2 (8) N Br #