第十七章杂环化合物 杂环化合物和生物碱广泛存在于自然界中,在动植物体内起着重要的生理作用。本章介 绍杂环化合物的分类、命名、结构特点、性质及重要的杂环化合物,生物碱的一般性质、提 取方法和重要的生物碱。 环状有机化合物中,构成环的原子除碳原子外还含有其它原子,且这种环具有芳香结构 则这种环状化合物叫做杂环化合物。组成杂环的原子,除碳以外的都叫做杂原子。常见的杂 原子有氧、硫、氮等。前面学习过的环醚、内酯、内酐和内酰胺等都含有杂原子,但它们容 易开环,性质上又与开链化合物相似,所以不把它们放在杂环化合物中讨论。 杂环化合物种类繁多,在自然界中分布很广。具有生物活性的天然杂环化合物对生物体 的生长、发育、遗传和衰亡过程都起着关键性的作用。例如:在动、植物体内起着重要生理 作用的血红素、叶绿素、核酸的碱基、中草药的有效成分——生物碱等都是含氮杂环化合物。 部分维生素、抗菌素、植物色素、许多人工合成的药物及合成染料也含有杂环 杂环化合物的应用范围极其广泛,涉及医药、农药、染料、生物膜材料、超导材料、分 子器件、贮能材料等,尤其在生物界,杂环化合物几乎随处可见 17.1杂环化合物的分类和命名 为了研究方便,根据杂环母体中所含环的数目,将杂环化合物分为单杂环和稠杂环两大 类。最常见的单杂环有五元环和六元环。稠杂环有芳环并杂环和杂环并杂环两种。另外, 可根据单杂环中杂原子的数目不同分为含一个杂原子的单杂环、含两个杂原子的单杂环等。 杂环化合物的命名在我国有两种方法:一种是译音命名法;另一种是系统命名法 译音法是根据 IUPAC推荐的通用名,按外文名称的译音来命名,并用带“口”旁的同 音汉字来表示环状化合物。例如: 呋喃 咪唑 吡啶 furan 杂环上有取代基时,以杂环为母体,将环编号以注明取代基的位次,编号一般从杂原子 开始。含有两个或两个以上相同杂原子的单杂环编号时,把连有氢原子的杂原子编为1,并 使其余杂原子的位次尽可能小:如果环上有多个不同杂原子时,按氧、硫、氮的顺序编号 H3C H3C 4一甲基咪唑 当只有1个杂原子时,也可用希腊字母编号,靠近杂原子的第一个位置是α-位,其次 为β-位、γ-位等。例如
第十七章 杂环化合物 杂环化合物和生物碱广泛存在于自然界中，在动植物体内起着重要的生理作用。本章介 绍杂环化合物的分类、命名、结构特点、性质及重要的杂环化合物，生物碱的一般性质、提 取方法和重要的生物碱。 环状有机化合物中，构成环的原子除碳原子外还含有其它原子，且这种环具有芳香结构， 则这种环状化合物叫做杂环化合物。组成杂环的原子，除碳以外的都叫做杂原子。常见的杂 原子有氧、硫、氮等。前面学习过的环醚、内酯、内酐和内酰胺等都含有杂原子，但它们容 易开环，性质上又与开链化合物相似，所以不把它们放在杂环化合物中讨论。 杂环化合物种类繁多，在自然界中分布很广。具有生物活性的天然杂环化合物对生物体 的生长、发育、遗传和衰亡过程都起着关键性的作用。例如：在动、植物体内起着重要生理 作用的血红素、叶绿素、核酸的碱基、中草药的有效成分——生物碱等都是含氮杂环化合物。 一部分维生素、抗菌素、植物色素、许多人工合成的药物及合成染料也含有杂环。 杂环化合物的应用范围极其广泛，涉及医药、农药、染料、生物膜材料、超导材料、分 子器件、贮能材料等，尤其在生物界，杂环化合物几乎随处可见。 17.1 杂环化合物的分类和命名 为了研究方便，根据杂环母体中所含环的数目，将杂环化合物分为单杂环和稠杂环两大 类。最常见的单杂环有五元环和六元环。稠杂环有芳环并杂环和杂环并杂环两种。另外， 可根据单杂环中杂原子的数目不同分为含一个杂原子的单杂环、含两个杂原子的单杂环等。 杂环化合物的命名在我国有两种方法：一种是译音命名法；另一种是系统命名法。 译音法是根据 IUPAC 推荐的通用名，按外文名称的译音来命名，并用带“口”旁的同 音汉字来表示环状化合物。例如： 呋喃 咪唑 吡啶 嘌呤 furan imidazole pyridine purine 杂环上有取代基时，以杂环为母体，将环编号以注明取代基的位次，编号一般从杂原子 开始。含有两个或两个以上相同杂原子的单杂环编号时，把连有氢原子的杂原子编为 1，并 使其余杂原子的位次尽可能小；如果环上有多个不同杂原子时，按氧、硫、氮的顺序编号。 例如： 2,5-二甲基呋喃 4 –甲基咪唑 4,5–二甲基噻唑 当只有 1 个杂原子时，也可用希腊字母编号，靠近杂原子的第一个位置是α-位，其次 为β-位、γ-位等。例如： O N N N N H N N H N O H3C CH3 N N H H3C N S H3C H3C 1 2 4 3 5 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 α β γ α β O CHO N CH3
a-呋喃甲醛 Y-甲基吡啶 当环上连有不同取代基时,编号根据顺序规则及最低系列原则。结构复杂的杂环化合 物是将杂环当做取代基来命名。例如 COOH CHO 2-甲基-5-乙基呋喃 4-吡啶甲酸5-硝基-2-呋喃甲醛2-乙酰基吡咯 稠杂环的编号一般和稠环芳烃相同,但有少数稠杂环有特殊的编号顺序。例如: H HO 异喹啉 嘌呤 2,6,8-三羟基嘌呤 系统命名法是根据相应的碳环为母体而命名,把杂环化合物看作相应碳环中的碳原子 被杂原子取代后的产物。命名时,化学介词为“杂”字,称为“某杂某”例如,五元杂 环相应的碱为,定名为“茂”,则称为氧杂茂;茂中的“戊”表示五元环,草 头表示具有芳香性。系统命名法能反映出化合物的结构特点。 17.2杂环化合物的结构 1.呋喃、噻吩、吡咯 五元杂环化合物中最重要的是呋喃、噻吩、吡咯及它们的衍生物。 呋喃 噻吩 吡咯 从这三种杂环化合物的结构式上看,它们似乎应具有共轭二烯烃的性质,但实验表明 它们的许多化学性质类似于苯,不具有典型二烯烃的加成反应,而是易发生取代反应 近代物理方法证明:组成呋喃、噻吩、吡咯环的5个原子共处在一个平面上,成环的 4个碳原子和1个杂原子都是sp2杂化。环上每个碳原子的p轨道中有1个电子,杂原子 的p轨道中有2个p电子。5个原子彼此间以s杂化轨道“头碰头”重叠形成σ键。4个 碳原子和1个杂原子未杂化的p轨道都垂直于环的平面,p轨道彼此平行,“肩并肩”重叠 形成1个由5个原子所属的6个电子组成的闭合共轭体系。如图所示。由于π电子数符 合休克尔( Huckel)规则(4n+2),因此呋喃、噻吩、吡咯表现出与苯相似的芳香性
α-呋喃甲醛 γ-甲基吡啶 当环上连有不同取代基时，编号根据顺序规则及最低系列原则。结构复杂的杂环化合 物是将杂环当 做取代基来命名。例如： 2-甲基-5-乙基呋喃 4-吡啶甲酸 5-硝基-2-呋喃甲醛 2-乙酰基吡咯 稠杂环的编号一般和稠环芳烃相同，但有少数稠杂环有特殊的编号顺序。例如： 吲哚 异喹啉 嘌呤 2,6,8-三羟基嘌呤 系统命名法是根据相应的碳环为母体而命名，把杂环化合物看作相应碳环中的碳原子 被杂原子取代后的产物。命名时，化学介词为“杂”字，称为“某杂某”。例如，五元杂 环相应的碳环为 ，定名为“茂”，则 称为氧杂茂；茂中的“戊”表示五元环，草 头表示具有芳香性。系统命名法能反映出化合物的结构特点。 17.2 杂环化合物的结构 1．呋喃、噻吩、吡咯 五元杂环化合物中最重要的是呋喃、噻吩、吡咯及它们的衍生物。 呋喃 噻吩 吡咯 从这三种杂环化合物的结构式上看，它们似乎应具有共轭二烯烃的性质，但实验表明， 它们的许多化学性质类似于苯，不具有典型二烯烃的加成反应，而是易发生取代反应。 近代物理方法证明：组成呋喃、噻吩、吡咯环的 5 个原子共处在一个平面上，成环的 4 个碳原子和 1 个杂原子都是 sp 2 杂化。环上每个碳原子的 p 轨道中有 1 个电子，杂原子 的 p 轨道中有 2 个 p 电子。5 个原子彼此间以 sp 2 杂化轨道“头碰头”重叠形成σ键。4 个 碳原子和 1 个杂原子未杂化的 p 轨道都垂直于环的平面，p 轨道彼此平行，“肩并肩”重叠 形成 1 个由 5 个原子所属的 6 个π电子组成的闭合共轭体系。如图所示。由于π电子数符 合休克尔（Hückel）规则（4n+2），因此呋喃、噻吩、吡咯表现出与苯相似的芳香性。 呋喃 噻吩 吡咯 O C2H5 CH3 N COOH O O2N CHO N C H CH3 O O O S N .. .. H .. .. .. O S N H . . . . 9 8 7 9 8 6 5 4 3 2 1 H N N N N7 H 7 6 5 4 3 2 N1 8 6 5 4 3 2 1 7 N 6 5 4 3 2 1 H N N HO OH N N OH
呋喃、噻吩、吡咯的结构 在呋喃、噻吩、吡咯分子中,由于杂原子的未共用电子对参与了共轭体系(6个π电 子分布在由5个原子组成的分子轨道中),使环上碳原子的电子云密度增加,因此环中碳 原子的电子云密度相对地大于苯中碳原子的电子云密度,所以此类杂环称为富电子芳杂环 或多π电子芳杂环。 杂原子氧、硫、氮的电负性比碳原子大,使环上电子云密度分布不象苯环那样均匀, 所以呋喃、噻吩、吡咯分子中各原子间的键长并不完全相等,因此芳香性比苯差。由于杂 原子的电负性强弱顺序是:氧>氮>硫,所以芳香性强弱顺序如下:苯>噻吩≯吡咯>呋喃 2.吡啶 六元杂环化合物中最重要的是吡啶。吡啶的分子结构从形式上看与苯十分相似,可以 看作是苯分子中的一个(H基团被N原子取代后的产物。根据杂化轨道理论,吡啶分子中5 个碳原子和1个氮原子都是经过s杂化而成键的,象苯分子一样,分子中所有原子都处 在同一平面上。与吡咯不同的是,氮原子的三个未成对电子,两个处于s2轨道中,与相 邻碳原子形成σ键,另一个处在p轨道中,与5个碳原子的p轨道平行,侧面重叠形成 个闭合的共轭体系。氮原子尚有一对未共用电子对,处在sD2杂化轨道中与环共平面。如 图所示。吡啶符合休克尔规则,所以吡啶具有芳香 吡啶的结构 在吡啶分子中,由于氮原子的电负性比碳大,表现出吸电子诱导效应,使吡啶环上碳 原子的电子云密度相对降低,因此环中碳原子的电子云密度相对地小于苯中碳原子的电子 云密度,所以此类杂环称为缺电子芳杂环或缺π电子芳杂环 富电子芳杂环与缺电子芳杂环在化学性质上有较明显的差异 17.3杂环化合物的化学性质 呋喃、噻吩、吡咯都是富电子芳杂环,环上电子云密度分布不象苯那样均勺,因此, 它们的芳香性不如苯,有时表现出共轭二烯烃的性质。由于杂原子的电负性不同,它们表 现的芳香性程度也不相同。吡啶是缺电子芳杂环,其芳香性也不如苯典型 1.亲电取代反应 富电子芳杂环和缺电子芳杂环均能发生亲电取代反应。但是,富电子芳杂环的亲电取 代反应主要发生在电子云密度更为集中的α-位上,而且比苯容易:缺电子芳杂环如吡啶 的亲电取代反应主要发生在电子云密度相对较高的β-位上,而且比苯困难。吡啶不易发 生亲电取代,而易发生亲核取代,主要进入a-位,其反应与硝基苯类似 (1)卤代反应呋喃、噻吩、吡咯比苯活泼,一般不需催化剂就可直接卤代 1口4-口口口口 a-溴代呋喃
呋喃、噻吩、吡咯的结构 在呋喃、噻吩、吡咯分子中，由于杂原子的未共用电子对参与了共轭体系（6 个π电 子分布在由 5 个原子组成的分子轨道中），使环上碳原子的电子云密度增加，因此环中碳 原子的电子云密度相对地大于苯中碳原子的电子云密度，所以此类杂环称为富电子芳杂环 或多π电子芳杂环。 杂原子氧、硫、氮的电负性比碳原子大，使环上电子云密度分布不象苯环那样均匀， 所以呋喃、噻吩、吡咯分子中各原子间的键长并不完全相等，因此芳香性比苯差。由于杂 原子的电负性强弱顺序是：氧>氮>硫，所以芳香性强弱顺序如下：苯＞噻吩＞吡咯＞呋喃。 2．吡啶 六元杂环化合物中最重要的是吡啶。吡啶的分子结构从形式上看与苯十分相似，可以 看作是苯分子中的一个 CH 基团被 N 原子取代后的产物。根据杂化轨道理论，吡啶分子中 5 个碳原子和 1 个氮原子都是经过 sp 2 杂化而成键的，象苯分子一样，分子中所有原子都处 在同一平面上。与吡咯不同的是，氮原子的三个未成对电子，两个处于 sp 2 轨道中，与相 邻碳原子形成σ键，另一个处在 p 轨道中，与 5 个碳原子的 p 轨道平行，侧面重叠形成一 个闭合的共轭体系。氮原子尚有一对未共用电子对，处在 sp 2 杂化轨道中与环共平面。如 图所示。吡啶符合休克尔规则，所以吡啶具有芳香性。 吡啶的结构 在吡啶分子中，由于氮原子的电负性比碳大，表现出吸电子诱导效应，使吡啶环上碳 原子的电子云密度相对降低，因此环中碳原子的电子云密度相对地小于苯中碳原子的电子 云密度，所以此类杂环称为缺电子芳杂环或缺π电子芳杂环。 富电子芳杂环与缺电子芳杂环在化学性质上有较明显的差异。 17.3 杂环化合物的化学性质 呋喃、噻吩、吡咯都是富电子芳杂环，环上电子云密度分布不象苯那样均匀，因此， 它们的芳香性不如苯，有时表现出共轭二烯烃的性质。由于杂原子的电负性不同，它们表 现的芳香性程度也不相同。吡啶是缺电子芳杂环，其芳香性也不如苯典型。 1．亲电取代反应 富电子芳杂环和缺电子芳杂环均能发生亲电取代反应。但是，富电子芳杂环的亲电取 代反应主要发生在电子云密度更为集中的α-位上，而且比苯容易；缺电子芳杂环如吡啶 的亲电取代反应主要发生在电子云密度相对较高的β-位上，而且比苯困难。吡啶不易发 生亲电取代，而易发生亲核取代，主要进入α-位，其反应与硝基苯类似。 （1）卤代反应 呋喃、噻吩、吡咯比苯活泼，一般不需催化剂就可直接卤代。 α-溴代呋喃 .. . . N . . . . . N. . O O 室室 Br 1室4-室室室室 + Br2 + HBr HAc S S Br + + Br2 HBr
溴代噻唑 吡咯极易卤代,例如与碘-碘化钾溶液作用,生成的不是一元取代产物,而是四碘吡 4I2 2,3,4,5-四碘吡咯 吡啶的卤代反应比苯难,不但需要催化剂,而且要在较高温度下进行。 β-溴代吡啶 (2)硝化反应在强酸作用下,呋喃与吡咯很容易开环形成聚合物,因此不能象苯 那样用一般的方法进行硝化。五元杂环的硝化,一般用比较温和的非质子硝化剂—乙酰 基硝酸酯(CH3CO0NO2)和在低温度下进行,硝基主要进入α一位 t ChRONO NO, CH3COOH Ch3COONO2 CH C0)-20[NO+ CH-gCOOH 口10口 +c0o04 No ch3COoh 吡啶的硝化反应需在浓酸和高温下才能进行,硝基主要进β一位。 O2 H20 (3)磺化反应呋喃、吡咯对酸很敏感,强酸能使它们开环聚合,因此常用温和的 非质子磺化试剂,如用吡啶与三氧化硫的加合物作为磺化剂进行反应 [+( N-sos ChEcH 室温三天 a-呋喃磺酸 3 CHCh SO3H 吡咯磺酸 噻吩对酸比较稳定,室温下可与浓硫酸发生磺化反应
α-溴代噻唑 吡咯极易卤代，例如与碘-碘化钾溶液作用，生成的不是一元取代产物，而是四碘吡 咯。 2,3,4,5-四碘吡咯 吡啶的卤代反应比苯难，不但需要催化剂，而且要在较高温度下进行。 β-溴代吡啶 （2）硝化反应 在强酸作用下，呋喃与吡咯很容易开环形成聚合物，因此不能象苯 那样用一般的方法进行硝化。五元杂环的硝化，一般用比较温和的非质子硝化剂——乙酰 基硝酸酯（CH3COONO2）和在低温度下进行，硝基主要进入α-位。 吡啶的硝化反应需在浓酸和高温下才能进行，硝基主要进β-位。 （3）磺化反应 呋喃、吡咯对酸很敏感，强酸能使它们开环聚合，因此常用温和的 非质子磺化试剂，如用吡啶与三氧化硫的加合物作为磺化剂进行反应。 α-呋喃磺酸 α-吡咯磺酸 噻吩对酸比较稳定，室温下可与浓硫酸发生磺化反应。 N Br N 300室 + Br 室 H2SO4 + HBr 2 4 N I I I I H KI I2 H N + 4 + HI + CH3COONO2 + CH3COOH S S 室10室 NO2 (CH3CO)2O + CH3COONO2 + CH3COOH (CH3CO)2O N H N H 5 c . -NO2 N SO3 N N 100 H N SO3H H + - C2H4Cl2 室 + + N N H NO2 2SO4 300℃ 浓 + + HNO3 H2O O SO3H O N SO3 N + - C2H4Cl2 室温三天 + + -5 ~ -30 C + CH3COONO2 o + CH3COOH 吡啶 O O NO2
H2SO4 H20 α-噻吩磺酸 吡啶在硫酸汞催化和加热的条件下才能发生磺化反应。 HgSOa H2 SO3H β-吡啶磺酸 (4)傅-克反应傅氏酰基化反应常采用较温和的催化剂如SnCl4、BF3等,对活性较 大的吡咯可不用催化剂,直接用酸酐酰化。吡啶一般不进行傅氏酰基化反应 +(CH3CO)20 BF3 COCH3+ CH_COOH a乙酰基呋喃 COCH3+ CH3COOH a-乙酰基吡咯 2.加成反应 呋喃、噻吩、吡咯均可进行催化加氢反应,产物是失去芳香性的饱和杂环化合物。呋 喃、吡咯可用一般催化剂还原。噻吩中的硫能使催化剂中毒,不能用催化氢化的方法还原, 需使用特殊催化剂。吡啶比苯易还原,如金属钠和乙醇就可使其氢化。 四氢呋喃 四氢噻吩 2 H 四氢峨咯(吡咯烷) Na+ CH_OH 喹啉催化加氢,氢加在杂环上,说明杂环比苯环易被还原 H2
α-噻吩磺酸 吡啶在硫酸汞催化和加热的条件下才能发生磺化反应。 β-吡啶磺酸 （4）傅-克反应 傅氏酰基化反应常采用较温和的催化剂如 SnCl4、BF3 等，对活性较 大的吡咯可不用催化剂，直接用酸酐酰化。吡啶一般不进行傅氏酰基化反应。 α-乙酰基呋喃 α-乙酰基吡咯 2．加成反应 呋喃、噻吩、吡咯均可进行催化加氢反应，产物是失去芳香性的饱和杂环化合物。呋 喃、吡咯可用一般催化剂还原。噻吩中的硫能使催化剂中毒，不能用催化氢化的方法还原， 需使用特殊催化剂。吡啶比苯易还原，如金属钠和乙醇就可使其氢化。 四氢呋喃 四氢噻吩 四氢吡咯（吡咯烷） 六氢吡啶 喹啉催化加氢，氢加在杂环上，说明杂环比苯环易被还原。 S S SO3H 25室 + H2SO4 + H2O N N HgSO4 SO3H 室 200室 + H2SO4 H2O + O O COCH3 BF3 + (CH3CO)2O + CH3COOH H H N N H2 2 Pd + + 2 H2 MoS2 S S Ni 2 H2 O O + Pt H2 2 H N N + H H N COCH3 N + (CH3CO)2O CH3COOH 200 c。 + H N N Na+ C2H5OH