第十八章杂环化合物[目的要求]：1、掌握杂环化合物的分类和命名；2、掌握五元杂环化合物的结构和化学性质，了解它们的制法；3、掌握糠醛的性质，了解一些含五元杂环化合物的用途；4、掌握吡啶的结构和化学性质，了解一些含六元杂环化合物的用途；5、了解生物碱的一般性质和提取方法。
[教学内容]：第一节杂环化合物的分类和命名第二节五元杂环化合物第三节六元杂环化合物第四节生物碱什么是杂环化合物？组成：除C原子外，还含有其它原子。
结构：具有芳香性（闭环共轭体系）。
§18－1 杂环化合物的分类和命名一、分类杂环单杂环五元环六元环苯环与单杂环的稠合杂环(苯并杂环)两个或两个以上单杂环的稠合杂环O S NH稠杂环NNNN NHN二、命名1．音译法 以口字旁为杂环标志。
2．系统命名法3．取代杂环的命名① 杂环的编号从杂原子起依次1,2,3 ……（或：α,β,γ……）。
② 如环上不止一个杂原子时，则从O 、S 、N 的顺序依次编号。
③ 有两个相同杂原子的，应从连有H 原子或取代基的开始编号。
④ 编号时注意杂原子或取代基的位次之和最小。
表18-1杂环的结构和名称。
§18－2 五元杂环化合物 ——吡咯、呋喃、噻吩一、结构OSN H吡咯呋喃噻吩吡啶NpyrrolefuramthiophenepyridineNSNH 2H 3C512432-氨基-4-甲基噻唑N HN 12345N N 12345CH 3吡唑1-甲基咪唑OSN HN茂(环戊二烯)氮茂氧茂硫茂NN苯氮苯1,3-二氮苯1．经典结构2．分子结构据现代物理方法证明：① 呋喃、吡咯、噻吩是一个平面结构。
② 环上的C 原子和杂原子都是以SP 2杂化轨道成键的。
③ 五个没有杂化的P 轨道垂直于环平面，形成闭合共轭体系。
④ 属于富电子芳环。
⑤ 环形π电子分布于杂环平面的上、下两方。
⑥ 共轭能3．芳香性① 符合休克尔规则，π电子数为6。
② 芳香性比较（易取代、难加成、难氧化）：O SNHO呋喃O ：1S 2 2S 2 2P4噻吩sS: 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 4N H吡咯N: 1S 2 2S 2 2P 3苯＞噻吩＞ 吡咯＞呋喃③ 解释环的稳定性：苯 ＞ 噻吩 ＞ 吡咯 ＞ 呋喃二、化学性质1．亲电取代反应 ① 卤代OSN0.1383nm0.1371nm0.1431nm0.1423nm0.1371nm0.1714nm0.1429nm0.1370nm0.1383nmOSNSN1.73D1.90D1.58D1.81D0.51D0.70D非芳香性的杂环化合物只有诱导效应。
芳香体系的杂环化合物有诱导效应和共轭效应。
OOOOCl BrCl+呋喃与卤素反应激烈，卤素稍过量，常得到多卤化物。
Cl80%SClCl SCl ClCl Cl+78%36%14%加成产物13%N H从偶极矩来看，N 的供电性强，使吡咯上C 原子电子云密度增加的多。
极易取代 。
80%S95% H 2SO 4S SO 3H 噻吩-2-磺酸② 硝化乙酰硝酸酯是较为温和的砂化剂，用时临时制备。
③ 磺化噻吩在室温下可直接磺化，生成溶于水的α-噻吩磺酸。
这个反应常用来除去粗苯中的噻吩。
吡咯和呋喃对酸敏感，吡咯在酸性条件下易聚合；呋喃遇酸要开环，故需与吡啶三氧化硫为磺化剂。
④ 乙酰化OCH 3CO 2NO 2OH NO 2H CH 3COO 235%加成物S+322SNO 2SNO 270%5%O22ON +SO 3-呋喃-2-磺酸吡啶盐3H41%N HN HN H+SO 3-H3H吡咯-2-磺酸吡啶盐90%NH83%11%HONO 2+N HNO 2N HNO 2O乙醚0℃3OCOCH 3N H乙酐N HCOCH 3N H3CH 3CO+60%SS+⑤ 亲电取代反应小结a.亲电取代反应的活性 吡咯 ＞ 呋喃 ＞ 噻吩 ＞＞ 苯 溴化相对速度： 3*1018 6*1011 5*1011 1 P ．555表18-2b. 亲电基团一般进入杂原子的邻位静态时，α-位上的电子云密度较其它位大。
2邻位的电子云密度丰富所以取代发生在α位。
OS34SCOCH 370%乙酐N H-0.06-0.10+0.32O -0.02-0.03+0.10S -0.04-0.06+0.20呋喃加成反应的较容易。
3．特征反应 ① 呋喃的双烯特征② 吡咯的弱酸性和弱碱性弱酸性 吡咯N 原子上的H 原子都有微弱的酸性 酸性比较： 苯酚 ＞ 吡咯 ＞ 乙醇 Ka 1.3*10-10 10-15 10-18 弱碱性苯胺 ＞ 吡咯 K b 3.8*10-10 2.5*10-144．鉴别反应① 呋喃使盐酸浸过的松木片显绿色。
② 噻吩和吲哚醌在硫酸作用下发生兰色反应。
O+Br OBr HBrH OOCH 3HH 3COH CH 3OH-50℃O顺丁烯二酸酐30℃+外型（主）内型NH- K +C 6H 5COCl CH 3I甲苯110℃N-COC 6H 53N H吡咯红树脂化△噻吩在浓硫酸的作用下与松木片能呈现兰色反应。
③ 浸盐酸的松木片遇吡咯蒸气显红色。
三、糠醛（α-呋喃甲醛）1．制备2．化性 ① 催化加氢② 氧化顺丁烯二酸酐③ 歧化④ 安息香缩合⑤ 合成四氢呋喃作为溶剂甘蔗渣、花生壳等(C 5H 8O 4)n 戊多糖稀酸nH 2O, 3~5%稀硫酸水解戊糖OCHOCCH 稀酸△-3H 2OCHO+H 2CuO,Cr O OCH 22OHOCHOOCOOH4中性或碱性氧化OCHOOO+320℃2O 2V 2O 5-MoO 3O OCHO+ 浓NaOH 2OHOCOOH+OOCH OC OH OKCN 溶液ONi 催化脱羰基OHClNaCN3．糠醛遇苯胺醋酸盐溶液显深红色。
4．用途：①糠醛是良好的溶剂；②广泛用于油漆及树脂工业； ③合成苯酚糠醛塑料。
四、呋喃、噻吩、吡咯的制备帕尔-诺尔合成法：用1,4-二酮合成。
五、噻唑和咪唑1．噻唑：是稳定的环，在空气中不会自动氧化。
H 2C CH 2CH 2CNCH 2已二醇还原OCHO Ni 催化脱羰基O650℃CH 3CH 2CH 2CH 3+SSCH 3CH=CHCH 3CH 3CH 2CH=CH 2+SO 2SO+NH 3Al 2O 3N HO ORRP O O R SRN HRRNs12345N NC N sNH 3 ClCH 3C H 2CH 3CH 2CH 2OH嘧啶环噻唑环维生素B 1+-+Cl -N S 12345噻 唑 或1,3-硫氮茂青霉素G 中四元环内酰胺很不稳定，对酸、碱都很敏感，特别容易被酸水解。
口服后在胃中水解，β内酰胺的四元环打开而失效，现口服青霉素就是将其中-CH 2C 6H 5换为 2．咪唑① 碱性比噻唑强。
可与强酸生成稳定的盐。
② 有微弱的酸性。
③ 易发生亲电取代反应。
④ 互变异构现象⑤ 自然界中的咪唑环六、吲哚N sHOOCCOCH-NH-CO-CH 2C 6H 5氢化噻唑环青霉素GCH 3CH3N N H12345HCl N NHNHCl NH+-NH N H Cl -+-N N HNH NaNH2N N-Na +N N Na +-N N H12345NH N12345CH 3CH 34-甲基咪唑5-甲基咪唑N N CH 3C 2H 5-CH-CH-CH 2OO毛果芸香碱N N H多菌灵NH-COOCH 3NHCl ClCH-OCH 31．结构靛蓝为蓝色固体，熔点391℃，不溶于水，是我国古代使用得很广泛的一种蓝色染料。
医药上可用作清热解毒剂，治疗腮腺炎。
由于靛蓝不溶于水，因此染色时应先用保险粉(Na 2S 2O 4)将它还原为靛白，靛白能溶于碱溶液，对纤维有很强的亲和力，可以附着于织物上。
将浸过靛白溶液的织物，取出晾干，靛白在空气中很容易被氧化成靛蓝，并牢固地附着在织物纤维上。
靛蓝现已由苯胺为原料合成。
2．性质 与吡咯相似 ① 弱碱性② 也有松木片反应呈红色。
③ 在空气中颜色变深，渐渐变成树脂状。
④ 亲电取代反应（β位）β位的电子云密度较α位大，故进β位 吡咯亲电取代是进入α位。
N H3H 2O70%H97%H NON HCH 3N HON HCH 2COOHβ甲基吲哚β-吲哚乙酸靛蓝（反式）N H-0.065-0.041+0.28七、卟吩化合物1．结构2．衍生物① 叶绿素a 、b ，中心离子为Mg 2+② 维生素B 12，中心离子为Co 。
维生素B 12为深红色晶体，存在于肝脏中，能抗恶性贫血。
1954年从肝脏中提取得到，伍德沃和霍夫曼经过十多年的研究，于1972年完成了维生素B 12的全合成，并从中总结出分子轨道对称守恒原理。
，是迄今为止人工合成最复杂的非高分子化合物，是有机合成艺术的一次大胜利。
③ 血红素，中心离子为Fe 2+。
血红素存在于哺乳动物的红血球中，它与蛋白质结合成为血红蛋白质。
血红蛋白质的功能是运载氧气，1g 血红蛋白质在0℃，0.1Mpa 时吸收1.35LO 2，结合成为氧合血红蛋白质，在肺部，氧的分压高，血红蛋白质与氧结合，血液运到组织中，则因氧的分压低，氧合血红蛋白质便分解为血红蛋白质和氧，氧为组织吸收供新陈代谢。
一氧化碳会使人中毒，其原因之一是因为它与血红蛋白质结合的能力强于氧，这样就阻止了血红蛋白与氧的结合。
§18－3 六元杂环化合物一、吡啶1．吡啶的来源和制取吡啶存在于煤焦油、页岩油、骨焦油中。
吡啶的衍生物广泛存在于自然界。
例维生素PP 、维生素B 6。
辅酶Ⅰ及辅酶Ⅱ也含有吡啶环。
工业上从煤焦油提取吡啶和甲基吡啶。
N NNN 1324657δ8αγβ工业上大量的合成：重要的实验室合成法：（汉茨施Hantzsch合成法）2．结构吡啶的键合情况和苯相似。
它们的碳原子和氮原子都认为是sp2杂化的，吡啶环中五个碳原子和一个氮原子各供一个p电子，它们的p轨道与环的平面垂直，互相重叠而成闭合共轭体系。
3．性质①碱性及其成盐吡啶＞吡咯三甲胺＞吡啶＞苯胺PK b 4.2 8.8 9.4苯胺分子中的氮原子上的未共用的电子对和苯环产生p-π，使N原子上的电子云密NN1.17D2.22D3KMnO4O2OHNH3NNH3NCH≡CH+CH2OHOCH3+Al2O3-SiO2CCHROOCCH3OHNHHHCOHHCH COORCH3HO乙酸乙酯甲醛氨乙酸乙酯NHCOORCH3ROOCCH324HNO3N CH3ROOCCH3N+CH3N+CH3I290~300℃NHCH3+I-+NH+I-CH3度减小，而吡啶分子中N 原子上的未共用的电子对，不参与环上的共轭体系，所以吡啶的碱性比苯胺强。
由于吡啶分子中氮原子的未共用的电子对处于sp 2杂化轨道上，而脂肪胺分子中氮原子的未共用的电子对处于sp 3杂化轨道上。
