有机化学中的杂环化合物|结构&性质

杂环化合物分为脂肪杂环和芳香杂环两类。分子骨架中的杂环不能体现芳香性的称为脂肪杂环化合物；反之具有与苯类似性能的杂环称为芳香杂环化合物。

== 脂肪杂环 ==

脂肪杂环的化学性质与相应的链状化合物的相似，小环类脂杂环由于张力较大、易开环，比相应的链状化合物活泼，而大环体系则相对比较惰性。

氧杂环

与链状的醚相比，环氧化合物通常具有更强的亲核能力。这是因为氧原子上的烷基由于环的作用，使其键角变小，将氧原子的孤对电子空阻减小，使得孤对电子更容易与缺电体系反应。因此，环氧化合物的基本性质就是开环的反应，其动力在于环张力的释放。孤对电子与Lewis酸的相互作用，可以被用来使醚更活泼。BF₃常被用于活化面对亲核进攻的环状醚。

氮杂环

氮杂环的基本反应和链状胺类化合物一样，主要发生亲核加成和亲核取代两类反应，环状胺中氮原子的亲核能力要比链状胺的强，其原因与氧杂环一样。随着氧杂环氮原子α位取代基的增加，氮原子的亲核能力会逐渐减弱。然而，环状结构对胺的碱性没有显著影响，因为质子足够小，其与胺的结合不易受空阻的影响。

硫杂环

与氧和氮原子相比，与硫原子相连的α位碳原子上的氢原子具有较强的酸性，这是由于硫原子可以稳定与之相连的碳负离子。与同样的氧杂环相比，不管是五元的还是六元的硫杂环化合物，在碱的作用下更容易形成负离子，发生亲核反应。

== 芳杂环 ==

电子结构

诸如呋喃、噻吩、吡咯五元杂环，杂原子的孤对电子参与了整个环系的共轭，给电子共轭效应大于吸电子诱导效应，杂环为富电子。对于六元环吡啶，氮原子上的孤对电子未参与共轭，杂环为缺电子。以上四种杂环均具有6π电子，具有芳香性。在上述芳杂环中进一步将碳原子用氮原子替换时，这些新增的氮原子均为吡啶类氮原子，使得整个环系与原先的相比变得更缺电子。

碱性

吡咯和普通的胺相比，由于氮原子上的孤对电子参与了共轭，因此吡咯的碱性显得非常弱，其在C2位电子密度较高，质子化主要发生在该位点。吡咯失去氢原子后形成的负离子离域程度更高，因此具有一定酸性，且高于类似的饱和胺。与吡咯中氮原子相比，呋喃的氧原子上有两对孤对电子，具中一对参与了共轭，另一对未参与共轭，因此呋喃在合适的条件下可以快速地发生质子化，一般仍发生在C2位上。噻吩则既可以在C2位质子化，也可以在硫原子上质子化。

在1,3唑类中，噁唑碱性最弱，咪唑最强。这是因为1,3噁唑环内氧原子具有强的吸电子诱导效应，而在咪唑中，吡咯类氮原子的给电子共扼效应较强。两个杂原子相连会导致吡啶类氮原子的碱性降低，故1,2唑类化合物比相应1,3唑类化合物碱性要弱一些。而三唑类化合物由于吡啶类氮原子较多，碱性比咪唑弱，酸性更强。

与吡咯相比，吡啶的孤对电子未参与共轭，其碱性要更强一点。但由于其氮原子为sp2杂化，而脂肪胺中氮原子为sp3杂化，吡啶要比一般的脂肪胺碱性略弱。嗪环上有两个氮原子，由于两个氮原子均有吸电效应，因此二嗪的碱性弱于吡啶的碱性。

亲电性&亲核性

含吡咯类杂原子芳杂环的芳香亲电取代反应都较易进行，一般不发生亲核取代反应，例如吡咯、呋喃、噻吩。而含吡啶类杂原子芳杂环的芳香亲电取代反应都较难进行，缺电子体系使其更容易发生亲核取代反应，例如吡啶。对于吡啶而言，只有存在给电子活化基团存在时，才能发生亲电取代，而吡啶的氮氧化物面对亲电试剂和亲核试剂都活泼。

此外，吡咯因其具有酸性可被碱拔氢生成吡咯阴离子，可以进一步与亲电试剂在氮原子上发生反应，例如吡咯与Boc酸酐反应使其氮原子被Boc保护。五元杂环还可以在 Diels–Alder 反应中可以充当双烯体。

== 苯并杂环 ==

五元杂环苯并体系如苯并吡咯（吲哚）、苯并呋喃、苯并噻吩的两个环均为平面结构，整个体系具有10π电子，具有芳香性。五元杂环上的π电子云密度比苯环上的高，因此芳香亲电取代反应优先在杂环上发生。吲哚和苯并噻吩倾向于发生在3位，苯并呋喃发生在2位。

喹啉和异喹啉的基本化学性质是吡啶和苯环的结合体。因此，它们具有碱性，可发生亲电取代和亲核取代反应。亲电取代发生在苯环上，而亲核取代发生在吡啶上。嘌呤环可看做由嘧啶和咪唑并合而成的并环体系，在我们生命中扮演着重要角色。1-羟基苯并三唑（HOBt）是重要的缩合剂，在酰胺的合成中应用广泛，详见有机合成中常用的缩合剂(Coupling reagent)。

参考资料：

[1] Jonathan Clayden etal., Organic Chemistry

[2] 邢其毅，基础有机化学