第16章杂环化合物
16.1 复习笔记
一、概念
1.杂环、杂原子
杂环是指由碳原子和至少一个其他原子所组成的环。
杂原子是指环内除了碳以外的原子称为，最常见的杂原子为氮、氧和硫。
2.杂环化合物
杂环化合物是指含有杂环的有机化合物。
3.杂环化合物的命名
对于杂环母核我国目前采取外文音译的方法命名。
例如：
二、呲啶
1.结构和物理性质
（1）结构
① 吡啶分子中所有的原子在同一平面内，测定的键长、键角为
② 氮原子的孤电子对在sp2轨道上，与p轨道垂直，不参与π－电子的共轭。
③ 氮原子的存在使吡啶分子中六元环变形，并具有较大的偶极矩（7.34×10-30 C·m）。
④ 吡啶的共振结构如下：
⑤ 吡啶环上碳原子带部分正电荷，是缺电子的芳环。
⑥ 用分子轨道法计算出来的吡啶环上的π－电子密度为
⑦ 原子的编号从氮原子开始，2、6位，3、5位和4位原子也分别用α、β和γ表示。
（2）物理性质
① 吡啶为无色液体，能与水混溶，气味与苯胺相似。
② 吡啶及其烷基取代物的沸点都比苯系化合物高。
③ 杂环上质子的化学位移与其所在碳原子周围的电子密度有关，与缺电子碳原子相连的质子的共振信号在低场出现。
2.氮原子上的亲电加成
（1）吡啶环上的氮原子相当于脂肪族化合物中的亚胺，能与亲电试剂加成。
（2）吡啶的碱性在水溶液中（pK a＝5.20）比脂肪胺（pK a＝9～11）弱，而在气相中相近。
（3）由于甲基是给电子取代基，甲基吡啶碱性比吡啶强。
（4）一些吡啶盐是有机合成中有效的试剂：
（5）吡啶是金属离子的良好配体，例如：
（6）吡啶与酰氯、磺酰氯或酐生成季铵盐，后者与酰氯等相比，是更有效的酰化剂。
（7）吡啶与卤代烷或硫酸烷基酯生成季铵盐：
3.碳原子上的亲电取代
（1）吡啶是缺电子芳环，碳原子上的亲电取代速率非常慢，只得到3位取代产物。
如：
（2）吡啶环上的给电子取代基使亲电取代较易进行，但速率仍低于苯系化合物。
如：
（3）2，6-二叔丁基吡啶可以在液体SO2中用SO3磺化：
（4）亲电取代生成3位取代物的原因是：亲电试剂进攻3位时，生成的中间体最稳定：
进攻2位或4位时，生成的中间体中，正电荷在电负性较大的氮原子上，使其很不稳定：
4.碳原子上的亲核取代
（1）亲核取代是吡啶环特有的反应，苯系化合物没有类似反应。
（2）吡啶与固体氨基钠一起加热生成2-氨基吡啶，反应是通过加成-消除方式进行的：
（3）2-甲基吡啶与固体氨基钠一起加热，得到6位取代产物：
（4）吡啶与烃基锂反应可以得到2位烃基化产物：
（5）吡啶环碳原子上的亲核取代取代主要在氮原子的邻位进行。
5.还原
（1）吡啶环比苯环更容易还原，在室温和常压下用镍催化剂加氢即得到六氢吡啶。
（2）LiAlH4使吡啶还原成1，2-和1，4-二氢吡啶的混合物，不能分离出纯的二氢吡啶。
（3）吡啶与苯结构相似，但环上氮原子的存在使它的反应与苯有很大的差异。
6.羟基吡啶和氨基吡啶
（1）羟基吡啶
① 2-羟基吡啶、4-羟基吡啶在溶液中与相应的吡啶酮形成动态平衡：
② 在极性溶剂中平衡偏向酮式；在气态及非极性溶剂中平衡偏向吡啶式；固态下为酮式。
③ 3-羟基吡啶在溶液中以两性离子的形式存在：
（2）氨基吡啶
2-氨基吡啶和4-氨基吡啶以氨基式存在，性质与3-氨基吡啶有差异，后者与苯系胺相似：
7.吡啶衍生物
（1）吡啶衍生物中有的在生命过程中有重要作用，例如：
（2）有的用作医药或农药。
如：
8.吡啶环的生成
合成吡啶环经典的方法是Hantzsch（A）合成法：用一种醛与1，3-二羰基化合物和氨在醇溶液中缩合生成1，4-二氢吡啶，后者用硝酸等氧化成吡啶衍生物。
例如：
三、喹啉和异喹啉
1.结构和物理性质
（1）结构
① 喹啉和异喹啉可看作是萘环中一个＝CH-被＝N-置换而生成的杂环。
② 喹啉和异喹啉分子中所有的原子都在同一平面内，两个环都不是正六边形。
③ 喹啉和异喹啉的偶极矩分别为7.20×10-30 C·m和8.67×10-30 C·m。
（2）物理性质
① 喹啉为液体，沸点：238℃，难溶于冷水，易溶于热水，易溶于有机溶剂。
② 异喹啉为低熔点固体，熔点：26℃，沸点：243℃，微溶于水，易溶于有机溶剂。
③ 喹啉和异喹啉分子中与氮相邻的或在氮原子对位的质子的化学位移都移向低场：
2.化学反应
（1）碳原子上的亲电取代
喹啉和异喹啉的亲电取代比呲啶更容易进行，但取代基进入苯环。
例如：
（2）亲核加成
喹啉和异喹啉与吡啶的显著差异是更容易在1，2位加成。
例如：
（3）羟基化合物
① 2-羟基喹啉、4-羟基喹啉和1-羟基异喹啉都以羰基互变异构体喹啉酮和异喹啉酮的形式存在，喹啉酮类化合物有抗菌作用：
② 3-羟基异喹啉在无水乙醚中以羟基化合物的形式存在，而在水溶液中则以羰基互变异构体的形式存在：
（4）喹啉和异喹啉衍生物
许多生物碱和药物分子中含有喹啉和异喹啉环。
例如：
（5）喹啉环和异喹啉环的合成
① Skraup（Z H）合成法
将苯胺、甘油与浓硫酸和硝基苯一起加热得到喹啉，常加入硼酸、硫酸亚铁等使反应和缓进行：
② Bischler（A）-Napieralski（B）合成法
以芳乙胺为原料构建稠合的吡啶环：
四、嘧啶
1.结构与物理性质
（1）结构
苯环中两个-CH＝单位被＝N-置换生成的杂环称为二嗪，1，3-二嗪又名嘧啶。
嘧啶的偶极矩为7.0×10-30 C·m。
（2）物理性质
① 嘧啶为无色低熔点固体，熔点：20～22℃，沸点：123～124℃，能溶于水，易吸水。
② 嘧啶环上2、4、6位上质子的化学位移都移向低场：
2.化学性质
（1）嘧啶的碱性（pK a＝1.3）比吡啶弱，一般情况下只能与1 mol的酸生成盐。
（2）嘧啶容易与卤代烷生成季铵盐，只能用高活性的三烷基锌盐使它转变为二季铵盐：
（3）碳原子上亲电取代比吡啶更难进行，嘧啶及其简单烷基取代物不能起硝化反应。
（4）亲核试剂都容易与嘧啶起加成反应，例如：
（5）嘧啶与氢氧化钠水溶液一起加热也开环分解。
（6）尿嘧啶、胸腺嘧啶和胞嘧啶是核酸的组成部分，5-氟尿嘧啶用作抗癌药：
（7）维生素B1分子中也含有嘧啶环：
3.合成方法
应用最广泛的合成嘧啶环的方法是用N-C-N骨架的化合物（如尿素）与丙二酸酯、1，3-二酮等反应。
例如：
五、吡咯
1.结构和物理性质
（1）结构
①吡咯可以看作是环戊二烯负离子中带负电荷的被置换而生成的杂环：
② 吡咯分子中所有的原子在同一平面内，其键长、键角如下：
③ 吡咯环中氮杂原子上部分负电荷分布到碳原子上，共振式为
④ 吡咯是富电子的芳环。
根据分子轨道法计算出来的π－电子密度为
（2）物理性质
① 新蒸馏的吡咯为无色液体，沸点：130℃，在空气中颜色变深并逐渐变成树脂状物。
② 吡咯有吸水性，在水中的溶解度约为5%，能与多数有机溶剂混溶。
③ 吡咯环碳原子上质子的信号为多重峰，与苯分子中质子的化学位移相比，明显移向高场。
氮原子上的质子则为一宽峰。
④ 吡咯的偶极矩为5.17×10-30 C·m，偶极矩的方向与四氢吡咯相反：
2.化学反应
（1）亲电取代
① 在强酸性溶液中，质子可以加在2位或3位：
② 吡咯亲电取代不能在强酸性溶液中进行，主要产物为2位取代物。
例如：
（2）与碱性试剂的反应
① 吡咯微弱酸性，与醇相近，用强碱可以使它完全转化成钠盐或钾盐：
② 在惰性溶剂中用金属钠或钾也可使吡咯转变成盐。
③ 吡咯负离子与烷基化剂或酰基化剂在弱碱中反应，生成N-烷基吡咯或N-酰基吡咯：
（3）还原和氧化
① 吡咯不易被LiAlH4、B2H6、Na加EtOH等还原，高压下催化加氢也不易得到四氢吡咯。
例如：
② 在酸性溶液中容易还原。
例如：
③ 光照下空气中的氧容易使吡咯氧化分解，用过氧化氢可以氧化成吡咯酮：
3.吡咯环的合成
Knorr（L）合成法：用α-氨基酮与β-二羰基化合物缩合，前者容易自身缩合，因此，一般在第二个
反应物存在下生成：
4.卟啉和可啉
（1）卟啉
① 卟啉环中含有4个吡咯环，它们由4个次甲基连接组成一个有芳香性的大环：
② 卟啉环中四个氮原子位置适当，可以与许多金属离子形成螯合物。
（2）可啉环
① 可啉环比卟啉环少一个碳原子：。