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第十六章杂环化合物

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第十六 章杂环化合物

第十六 章杂环化合物

P2S5
Δ
CH3
S
CH3
五、卟啉化合物
CH CH3 N Fe CH3 N N CH3 CH2CH2COOH CH2CH2COOH N CH2 CH3 CH CH2
血红素
1853年分离得到晶体，1929年Fischer人工合成。
31
CH CH3 N
CH2
R CH2CH3 N
Mg N CH3 CH2 C O CH2 N CH3
（3）、磺化：
+ －
N
SO3
N H
+ －
N H
N SO 3
SO3H
O
H 2SO4 , 25℃
O
SO 3H
S
S
SO3H
18
（4）酰化：
N H
+ (CH3 CO)2 O
150 ～ 200℃
N H
BF3 －10 ℃
H 3PO4
COCH3
O
+ (CH3CO)2O
O
COCH3
S
+ (CH 3CO) 2O
S
O
CHO
3-甲基吡啶
2-呋喃甲醛
5
含有两种以上杂原子时：
则依照O,S,N 次序编号，编号时杂原子的位次之和应最小 。
4 3 4 2 5 3 4 2 5 3
N
5
N O
1
口恶 唑
N
2
S
1
N1 H 咪唑
噻唑
有些稠杂环化合物的原子编号是固定的。
5 6 7 8 1 4 3
1 6 5
N2 异喹啉
N N
3 4
CH3 CH3 CH2CONH 2 CH2CH2CONH 2 NC N Co +

第十六章 杂环化合物

第十六章 杂环化合物

双烯合成。
O
OO
=
=
O+
O
△
O 90%
=
=
O 顺丁烯二酸酐
O
吡咯也可以与苯炔、丁炔二酸发生类似的反应
N-H
△
N-H +
C-COOH N-H +
△
C-COOH
N-H -COOH -COOH
噻吩芳香性强不发生反应
3. 吡咯的酸碱性
吡咯表面上 是个仲胺，但实 际上吡咯是一个 很弱的碱，碱性 比苯胺弱得多， 基本可以认为其 无碱性
S
+ (CH3CO)2O
H2PO4 或SnCl4
S
-COCH3 70%
2-乙酰基噻吩
呋喃、噻吩、吡咯进行烷基化反应很难得到一烷基取 代物。
呋喃、噻吩、吡咯亲电取代以α-位为主
2. 加成反应
呋喃、噻吩、吡咯分子中都有一个顺丁二烯型结构， 因此它们又具有不饱和性质：
稳定性增加
共振能
S
N
O
（KJ / mol）152 125.5 90.4 71.1 12.6
① 碱性和亲核性 碱性：叔胺 >> 吡啶 > 吡咯
叔胺
N
pKb: ~ 4
8.8
N
NH2
H
9.37
~ 14
碱性增强
+ HCl N
· Cl -
N+ H 吡啶盐酸盐
吡啶氮原子还可以作为亲核试剂与R-X、Br2等亲电 试剂反应形成吡啶盐
+ Br2 N
· Br N+ Br
② 亲电取代反应
亲电取代反应似硝基苯。
常见芳香性六元杂环化合物（单环、稠环）

第十六章 杂环化合物、生物碱

第十六章 杂环化合物、生物碱

第十六章杂环化合物、生物碱第十六章杂环化合物、生物碱杂环化合物的定义：在环状有机化合物中，构成环的原子除了碳原子外还含有其他原子，这环状种化合物就叫做杂环化合物（heterocyclic compound）。

除碳以外的其他原子叫做杂原子。

常见的杂原子有：氮、氧、硫。

第一节杂环化合物的分类和命名一、分类按照环的大小和环的数目可分为：五元环单杂环OSN六元环H杂环N苯环与单杂环的稠合杂环(苯并杂环)稠杂环N两个或两个以上单杂环的稠合杂环NNNNH二、命名1、音译法：根据外文译音，选用同音汉字，加“口”字旁表示杂环。

ONS呋喃噻吩furanpyrrole吡咯HthiopheneN吡啶N咪N啶NHpyridinepyrimidineindole吲哚?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。

⑤稠杂环是特定的母体和固定的编号。

4CH354463CH3N3N512NH12C5N32H5S213-甲基吡啶4-甲基咪唑5-乙基噻唑2、根据结构命名：1即根据相应于杂环的碳环来命名，把杂环看作是相应的碳环中的碳原子被杂原子置换而形成的。

例如，吡啶可看作是苯环上一个碳原子被氮原子置换而成的，所以叫做氮杂苯。

NHO 茂(环戊二烯)氮茂S氧茂硫茂NNN苯氮苯1,3-二氮苯第二节一杂五元杂环化合物含有一个杂原子的典型五元杂环是呋喃、噻吩、吡咯。

OSNH一、呋喃、噻吩、吡咯的结构1、据现代物理方法证明：①呋喃、噻吩、吡咯都是一个平面的五元环结构，即成环的四个C原子和一个杂原子都是以SP2杂化轨道成键的。

②环上每个碳原子的P轨道有一个电子，杂原子P轨道上有两个电子。

③ P轨道垂直于五元环的平面，互相侧面重叠而形成一个与苯环相似的闭合共轭体系。

第十六章 杂环化合物

第十六章 杂环化合物

第十六章杂环化合物♦杂环化合物的分类和命名；♦五元、六元杂环化合物的结构和性质；♦稠杂环化合物，喹啉的制法；♦了解生物碱；了解毒品的种类与危害。

♦呋喃、吡咯、噻吩的结构和性质；♦吡啶、喹啉的结构和性质。

环状酸酐、内酯、内酰胺等，由于它们的环容易打开，性质和开链化合物相似，习惯上不看作杂环化合物。

杂环化合物是一大类有机物，占已知有机物的三分之一以上，广泛存在于自然界中。

⏹植物中的叶绿素和动物中的血红素，都含有杂环结构；⏹石油、煤焦油中，有含硫、含氮及含氧的杂环化合物；⏹生物的遗传，是核酸链上的嘌呤和嘧啶碱基在起作用。

⏹许多杂环化合物用作医药、农药、染料等。

杂环化合物的内容非常丰富，无论在理论研究或实际应用方面都很重要，本章只限于几类常见的杂环化合物。

sp2杂化轨道p轨道红外光谱：呋喃、吡咯、噻吩的C—H伸缩振动比苯的频率高，位于3077~3303cm-1处。

⏹吡咯的N—H伸缩振动：❒非极性稀溶液中在3495cm-1有一尖锐的峰；❒浓溶液中在3400cm-1出现一宽峰。

⏹环伸缩振动(骨架振动)，和苯的骨架振动吸收位置接近，在1600~1300cm-1处出现2~4个峰，但峰的形状不同。

(3) 亲电取代反应呋喃、吡咯、噻吩环上的6个π电子分布在5个原子上，电荷密度比苯大。

⏹杂原子对环上电子的贡献为：N最多，O其次，S最少。

⏹亲电取代反应的活性为：吡咯>呋喃>噻吩>苯。

❒吡咯的反应活性和苯胺或苯酚相当，噻吩活性较差，但也比苯快得多。

由于呋喃、吡咯、噻吩环上的π电子云分布不匀，亲电取代反应主要发生在α-位上。

芳香性对亲电取代的影响：⏹噻吩、吡咯的芳香性较强，所以易取代而不易加成；⏹呋喃的芳香性较弱，更像二烯醚，亲电取代往往是通过加成-消除的方式进行的。

环的稳定性对亲电取代的影响：⏹吡咯在强酸性溶液中容易聚合或开环，因此亲电取代反应不能在强酸性溶液中进行。

⏹噻吩对酸不如吡咯和呋喃敏感，可以用硫酸磺化，用混酸硝化。

第十六章--杂环化合物

第十六章--杂环化合物
青霉素是一类抗菌素旳总称，已知旳青霉素大 一百多种，它们旳构造很相同，均具有稠合在一起 旳四氢噻唑环和β- 内酰胺环。
HOOC
N CO
CH3 CH3
S
CH NH C R O
R = CH2
为青霉素 G
R = CH2 O
为青霉素 V 常用青霉素
R = CH CH CH2 S CH3 为青霉素 O
青霉素具有强酸性(pKa≈2.7),在游离状 态下不稳定(青霉素O例外)，故常将它们变成 钠盐、钾盐或有机碱盐用于临床。
0
0
0
0
0
0
- 0.02
- 0.03
O
+ 0.1
- 0.04
- 0.06
S
+ 0.20
- 0.06
- 0.10
N H
+ 0.32
五元杂环具有芳香性，但其芳香性不如 苯环，因环上旳π电子云密度比苯环大，且 分布不匀，它们在亲电取代反应中旳速率也 比要苯快得多。
亲电取代反应旳活性为：
吡咯 > 呋喃 > 噻吩 > 苯，主要进入α-位。
四、 呋喃、噻吩、吡咯旳制备
试验室制备 1、帕尔-诺尔(Paal, C.-Knorr, L.)合成法
t-Bu
Bu-t
OO
H2SO4-H2O, HAc TsOH, 甲苯, △
t-Bu
Bu-t
OH O
t-Bu
P2S5, 170℃
H
OH -H2O
t-Bu
O Bu-t
O
t-Bu
Bu-t (~40 %)
S
Bu-t
五元杂环 六元杂环
呋喃
O N
噁唑

第十六章 杂环化合物

第十六章 杂环化合物

N N pyrazine 吡嗪
5 6 7 8
4 3 6 7 2
5
4 3
4
6 3 2 1N 2
N
N2
8 1
5 6
5
7 8
1
7
quinoline 喹啉
isoquinoline 异喹啉
N1 H indole 吲哚
N 4 N9 H 3 purine 嘌呤
杂环化合物分类：
第一类：无芳香性的杂环化合物：
O 例： O 四氢呋喃 O 丁二酸酐 O N H 四氢吡咯 N H 六氢吡啶
CO2Et H2C COCH3 Et2NH CO2Et C COCH3
H2 C O
+
CH2
第二步：发生迈克加成
CH2
CO2Et C COCH3
+
H2 C
CO2Et COCH3
Et2NH
EtO2C H3C OO
CO2Et CH3
第三步：关环，生成二氢吡啶环
EtO2C H3 C OO
CO2Et CH3
KNO3 , H2SO4(SO3) N 300℃ Br N N
NO2 3-硝基吡啶
Br2 , HOAc N NH2 20℃
NH2
E N
E
H N
E
H N
E
H N
E N
E H E N N E H or N+
16.1.4 吡啶环上亲核取代反应 亲核取代是吡啶环特有的反应，苯系化合物没有类似的反应。 吡啶环 2, 4, 6 位上的卤素容易被亲核试剂取代。
N2
2
thiazole
oxazole
2 六元杂环
N N pyridine 吡啶 N pyrimidine 嘧啶 N pyridazine 哒嗪 N N N pyrazine 吡嗪

有机化学第十六章杂环

有机化学第十六章杂环
取代基顺序
按照英文字母顺序排列取代基，并按照取代基的数目和位置进行编 号。
编号顺序
按照取代基的编号顺序进行编号，取代基的编号越小，优先级越高。
分类方法
1
根据杂环母核的环状结构分类：分为单环、双环 和多环杂环化合物。
2
根据杂环母核中杂原子的种类分类：分为含氧、 含氮、含硫和含磷等杂环化合物。
3
根据杂环母核中碳原子和杂原子的成键情况分类： 分为碳-碳键和碳-杂原子键杂环化合物。
杂环化合物的特点
01
02
03
稳定性
杂环化合物通常比相应的 碳环化合物更加稳定，因 为杂原子可以提供额外的 电子，增加环的稳定性。
芳香性
有些杂环化合物具有芳香 性，其特点是具有特殊的 电子分布和化学性质。
反应性
杂环化合物的反应性取决 于其结构和取代基的性质， 有些杂环化合物容易进行 亲电或亲核反应。
THANKS
感谢观看
随着科学技术的发展，杂环化合物在 未来的应用将更加广泛和深入。
同时，随着人们对环境保护和可持续 发展的重视，开发环境友好型的杂环 化合物合成方法和技术也将成为未来 的重要研究方向。
未来发展的方向包括开发新的杂环化 合物合成方法、研究杂环化合物的生 物活性与作用机制、探索杂环化合物 在其他领域的应用等。
杂环化合物的取代反应机理通常涉及亲核和亲电取代反应。
详细描述
杂环化合物的取代反应机理通常涉及亲核和亲电取代反应。在亲核取代反应中，亲核试剂进攻杂环上 的碳原子，形成负离子中间体；在亲电取代反应中，亲电试剂进攻杂环上的碳原子，形成正离子中间 体。这些中间体可以进一步发生重排或水解，最终形成取代产物。
05
在材料科学中的应用
杂环化合物在材料科学中也有广泛的应用，如高分子材料、功能材料和复合材料等。

第十六章杂环化合物

第十六章杂环化合物
我国的新药研制发展趋势：
创制具有自主知识产权的新型化学合成药物
新化学实体药研究与开发的重要环节：
先导化合物的发现
EWG
EWG
EWG
R2
R
R
5
NH
6
R6R5N
O
R4
R2
R1S SR1
R1S O R4
OH
EWG = 吸电子基
R2 R8
R7
O
R
2-芳基苯并呋喃类化合物的合成：
OH
O
R1 R2
R4 R5
R3
R3
O
R6
R10
R8 R7
R9 R4
O
R5
R8
R6
R7
R3
R9 R4
RS O
R5
R8
R6
R7
Stemofurans A～K
3
5
环境友好无气味代硫醇试剂
硫醇类化合物是重要的精细有机化工产品:
O R1 R2
+ RSH
RS SR R1 R2
羰基保护试剂
O
R1
R2 + RSH
SR O
R1
R2
硫醚的合成
H3C OCH3
N HO
呋喃衍生物
O2N
O
CNN
H
O
O
痢特灵
速尿：利尿药物，用于治疗浮肿
O HN
COOH
Cl SO2NH2
甲氰咪胍：抗溃疡药物
S N
CH3 N H
HH NN
N CN
发莫替丁：抗溃疡药物
吡啶衍生物
烟酸和烟酰胺：维生素B族中的一种，能促进细胞的 新陈代谢

第十六章-杂环化合物精选全文完整版

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Ag(NH3)2OH
O CHO
O
糠醛具有典型的无α－H的醛的性质：
+ Ag COONH4
浓 NaOH O CHO
+
O COONa
O CH2OH
NaOAc
O CHO + (CH3CO)2O
O
C C COOH HH
糠醛在醋酸存在下遇苯胺呈亮红色，可用于鉴别 26
二、吲哚
N H 吲哚为白色片状晶体，熔点52.5℃，具有极臭的气味，但纯粹的 吲哚在极稀时有素馨花的香味，可作香料。
中性
N pKb=2.7 H
pKb=3.42
N
◆ 未共用电子对参与共轭的情况不同：
pKb=8.8
N
NH2 pKb=9.3
N
H
pKb=13.6
含氮化合物碱性强弱顺序: 脂肪胺 > 氨 > 吡啶 > 苯胺 > 吡咯
29
(2) 亲核性 吡啶与叔胺相似，也可与卤代烷作用生成季铵盐。
+ C15H31Cl N
+ N C15H31 Cl 氯化十五烷基吡啶
H
OO O + H3C C O C CH3
BF3
O N C CH3 H
O O C CH3
OO S + H3C C O C CH3
H3PO4
O S C CH3
由于呋喃、噻吩、吡咯很活泼，故傅-克烷基化反应往往得到多烷
基取代混合物，甚至不可避免产生树脂状物质，用处不大。
21
◆ 取代呋喃、噻吩、吡咯的定位效应：
HNO3 N
COOH NH3
N
CH3
N
CONH2 N
尼古丁（烟碱） 尼古丁酸（烟酸） 尼古丁酰胺（烟酰胺）

有机化学：16章 杂环化合物

有机化学：16章 杂环化合物

异喹啉Isoquinoline
H N
吲哚 Indole
编号从杂原子开始，尽可能使取代基的位次较小。遇两
相同杂原子, 则由带取代基(或H)的杂原子开始。含多个
不同杂原子, 则按 O
S
N 顺序编号。
CH3
C2H5 O CH3 N
O2N O CHO
S CH2CH2OH
2-甲基5-乙基呋喃
4-甲基吡啶
5- 硝 基 -2呋喃甲醛
高效杀菌剂
H3C N
NaO3SH2C
CH3
O
N CH3
N
C6H5
退热药安乃近
N
H2N
SO2NH
S
抗菌药磺胺噻唑
近70年前的第一宗二甘醇杀人事件就与“磺胺‘药有关，1937年 ，美国田纳西州的马先吉尔药厂推出了“磺胺酏----马先吉尔” （酏剂是以酒精作溶剂的一种药物剂型），这种配制成又甜
又香消炎药水主要是给小孩服用的。
两个互变异构体的平衡体系
6
1N
5
7
N
2
98
N4 N
3
H
N N
NH N
9H-嘌呤
7H-嘌呤
核酸中存在的嘌呤环系：
NH2
O
N
N
HN
N
NN H
腺嘌呤
H2N N
N H
鸟嘌呤
NH2
N
N
HOCH2 O N
N
HH
H
H
OH OH
腺嘌呤核苷（腺苷）
3. 喹啉、异喹啉
1) 亲电取代反应
N
试推测亲电试剂进入的位置 ----位
1、结构和芳香性
呋喃 furan

第十六章杂环化合物ppt课件

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NH2
O 醛（酮）
H
R' R
H R' R
N NH H
N HN H 2
R' R
NN H
H R' R N HN2 H 2
H R' R - NH4
O
O
+ Br2
O 0℃
O Br
α–溴代呋喃
(90%)
(4)
S
+Br2
AcOH 室 温
Friedel–Crafts酰基化
α–S溴 代 B 噻 r 吩
催化剂：OS+ nC(C lH 4,3C BO F)23O 等BF3
O O C CH3 2–乙 酰 基 呋 喃
(75% ~92% )
O
N +(CH3CO)2O150~200℃ N C CH3
benzomidazole benzoxazole benzothiazole purine
喹啉N
N
异喹啉
quinoline isoquinoline
N
吖啶
acridine
• 杂环的编号一般从杂原子开始，含多个
杂原子时按O、S、N的次序编号。
43
4 N 3
4
5
N 3
52
O 1
C H 35S12
C H 3 C O 6
六氢吡啶
(哌啶)
有机碱催化剂、环氧树脂的固化剂
氧化： 吡啶与过氧化氢作用生成吡啶–N–氧化物：
NO2
NO2
H2O2,AcOH
HNO3,H2SO4
PCl3,CHCl3
N
65℃
90℃
N
N
△
N

有机化学第十六章 杂环化合物

有机化学第十六章 杂环化合物
Al2O3
450℃
+ H2O N H
2CH CH + NH3 N H
+ H2
18
二、反应： 呋喃、噻吩、吡啶具有芳香性的共轭体系，因此可发生亲 电取代反应，反应顺序是： > N H O > S >
苯
因为氮和三个σ键相连，中性的氮有较强的给电子能力。
19
据反应形式分为两大类： （a）硝化反应 （1）亲电取代反应
可可碱 （3，7-二甲基黄嘌呤）
咖啡碱 （1，3，7-三甲基黄嘌呤）
6
γ δ
β
α
O
O=
O =O
N H
O
O
O
N H 己内酰胺
O
δ—戊内酯
丁二酰亚胺
丁二酰酐
但是内酯、内酰胺、环氧化合物与相应的脂肪族性质相近。 因此通常不将它们归于杂环化合物中。 我们主要讨论具有芳香性的杂环化合物（简称芳杂环化合 物）。
§17.2 杂环化合物的结构和芳香性
1.五元环
O
呋喃
N H
吡咯
S
噻吩
N H
H
H N H
参与大π键生成 H 的p轨道中的电子
H
sp2 –杂化
图17.1 吡咯的轨道结构
11
●●
●●
O
N
●●
H
S
呋喃、噻吩、吡咯π电子数符合休克尔规 则（4n+2），因此具有芳香性。
12
在呋喃、噻吩、吡咯分子中，是由 5 个原子， 6 个π电子组成的共轭体系，使环上碳原子的电子云 密度增加，所以称为富电子芳杂环或多π电子芳杂 环。 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。

第十六章 杂环化合物

第十六章 杂环化合物

.. N H
氮上孤电子 对参与环内 共轭，不能 再与酸结合。
吡咯表面上是个仲胺，但实际上吡咯是一个很弱的碱，碱 性比苯胺弱得多，它只能慢慢地溶解在冷的稀酸溶液中。 酸性： pka： 10 -OH ＞ N 15 H ＞
R-OH
18
+ KOH N H + RMgX N H
△
+ H 2O NK + 吡咯钾盐 + RH
在碱性介质中, 硝基苯被还原成两分子缩合的产物。
O 葡萄糖，NaOH N N
NO2 2
100 ℃
氧化偶氮苯
Zn(2mol)，NaOH CH3OH
N N 偶氮苯
Zn(3mol)，NaOH CH3OH
N H
N H
氢化偶氮苯
联苯胺重排应用实例 （合成偶氮染料）
联苯胺重排应用实例 （合成偶氮染料）
第十六章
Cl O
Cl + O
Cl
Cl2 -40℃ O
O
Br2, 0℃
Br O 稀释 O
(86 %)
Br2 AcO H
Br S
(78 %)
S
I2, HgO C6H6, 0℃
碘不活泼，要用催化剂才能发生
I S
一元取代
Br Br N H
Br Br
Br2, 0℃ EtO H SOCl2 (1 mol)
N H
Et2O, 0℃
偶联反应
重氮盐在弱碱、中性或弱酸性溶液中与酚或芳胺等 反应，生成有颜色的偶氮化合物，这个反应称为偶 合反应或偶联反应。
Ar N N Ar N N
（1）与酚偶联（弱碱性条件，pH=7~9）
（2）与芳胺偶联（与芳胺偶联条件，弱酸性， pH=4~7）

第16章 杂环化合物

第16章 杂环化合物

+ N H
2H2
Pd N H 四氢吡咯
呋喃、吡咯还可作为双烯体，与亲双烯体，如丁烯二酸酐，发生环加成反应， 生成相应的产物，噻吩在加压下才能与亲二烯体加成。例如： O O
O + O O O O O
练习16.1 写出下列反应的主要产物。
(1) O (2) S (3) O (4) N H + CH3MgI + Br2 二噁烷 25℃ + H2SO4 25℃ (CH3CO)2O BF3
+ O
CH3COONO2
吡啶 -5-30º C O NO2
+
CH3COOH
+ S
CH3COONO2
(CH3CO)2O -10º C S NO2
+
CH3COOH
+ N H
CH3COONO2
(CH3CO)2O 5º C N H NO2
+
CH3COOH
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。
(3) 噻吩与苯共存于煤焦油中，是无色的有特殊气味的液体，熔点-38℃，沸点 84℃。在浓硫酸存在下，与靛红一同加热显示蓝色，反应灵敏。它们都易溶于有机 溶剂，不易溶于水。
下面是五元杂环芳香体系与相应的非芳香体系的偶极矩值。在非芳香体系 中只有诱导效应，由于O，S，N的电负性均比C大，故分子具有极性。相应的 芳香体系中除有诱导效应外，杂原子的一对p电子的部分电荷向环上转移，使 极性降低。特别是吡咯的偶极矩方向与四氢吡咯相反，说明氮上孤电子对向 环上移动。
2 ． 物理性质 (1) 吡咯存在于煤焦油和骨焦油中，是无色液体，有弱的苯胺气味，熔点-23℃， 沸点131℃。吡咯蒸气或其醇溶液，能使浸过浓盐酸的松木片呈现红色。

第十六章 杂环化合物

第十六章 杂环化合物
呋喃的芳香性比吡咯小，与亲电试剂往往得到加成产物，即便得到取代产物，也可能是 由于加成产物转变而来。 例：
Br2,CS2 -50℃
H Br O
Br + H
H Br O
H Br
-HBr
O 呋喃
Br O 2－溴呋喃
又例：
+ O (C H3C O ) O 2
B F3
CO CH 3 O
O O
O O O H H O + O
β 4 3 β α 5
O 1
2α
S
N H
furan 呋喃
thiophene 噻吩
pyrrole 吡咯
五元环中含两个或两个（至少有一个氮原子）以上的
杂原子的体系称唑。
4 3
4
2
3
例：
N N1 H
5
4 5
N
2
5
3
4
N
2
3
5
N1 H
N2
S1
O1
imidazole
pyrazole
thiazole
oxazole 噁唑
无芳性：如 :
O
(四氢呋喃)
O
(二噁烷)
O
有芳性：如 :
N H
(吡咯)
N
(吡啶)
芳杂环的数目很多，可根据环大小、杂原子的多少以 及单环和稠环来分类。 常见的杂环为五元、六元的单杂环及稠杂环。 稠杂环是由苯环及一个或多个单杂环绸合而成。
命名：采用外文名的音译，用带“口”字旁的同音汉字表示。 1. 五元杂环
C6H5 C HC N
Cl
N
Cl
N
KNH2
N
液 NH3

第十六章 杂环化合物

第十六章 杂环化合物

Organic Chem
哒嗪
嘧啶
吡嗪
Organic Chem
N N Quinoline N Isoquinoline N
N N N
pteridine
acridine
喹啉
异喹啉
N N N H
蝶啶
吖啶
稠杂环
N N H N H
Indole
Purine
Carbazole
吲哚
嘌呤
咔唑
Organic Chem
二、命名：
杂环化合物的命名常用音译法：根据外文 译音选用同音汉字加“口”字旁表示
有 机 化 学
第十六章
杂环化合物 Heterocyclic compounds
University
of
Science
and
Technology
of
China
环状化合物，环上除碳，还有杂原子（N、O、S等） 环具有芳香结构和一定的稳定性（闭合共轭体系）
核酸碱基 ：
O HO P O OH B O
O
NH2 NH N N N N
O O O + O O 30 ℃ O O 外式 + O 内式 (90%) O O O O
Organic Chem
（2）吡咯的酸性 吡咯虽然是一个仲胺，但由于氮上的电子对参 与共轭，故不易与H+结合，基本上无碱性，而显弱 酸性，例如：
O + KOH N H N K RX N MgX N R N H R R Cl N O + RMgX R N H R O
磺化 N H + N SO3
100OC HCl N SO3 H 90% Organic Chem

第16章 杂环化合物

第16章 杂环化合物

SO3H N NO2 N
b、亲核取代
吡啶环比较容易发生亲核反应，而苯不易发生。反 应点在α-位(反应历程见p419)。
+ NaNH2
N
RLi
H N N R Li N R
N
NH2
齐齐巴宾(Chichibabin)反应
0.87 1.01 0.84
N
N
Cl
+
KOH
N
OH
+
KCl
1.43
电子云密度
4、还原
N H
C6H5 NO2 N
N [O] H NN H
C6H5NO 2 N H N
第三节 嘧啶
又称间二嗪，1，3-二嗪。 碱性：pKa1=1.3，小于吡啶。pKa2=-6.3 亲核性：一烃基化容易，二烃基化较难P424 亲电性：不发生亲电取代 亲核加成开环：P424 核酸的组成成分：
OH N HO N
第十六章 杂环化合物

杂环化合物—构成环的原子除碳原子外还有其它原子


常见的杂环有五元环和六元环及稠环。
常见的杂原子有O，S，N等。
内酯、内酰胺、环氧化物等属于杂环化合物，但由于其 性质与相应链状酯、酸酐、酰胺、环醚等性质相似，分 别放在相关章节内讲述。

O O
O O
N
O
O
N H
O
O
O

本章主要讨论芳香性杂环化合物—见P415
3、取代反应 a、亲电取代——活性低于苯环， 相当于硝基苯 取代位置：β-位 (p418)
Br2 300℃
Br N
0.87 1.01 0.84
N

1.43
电子云密度

16杂环化合物

16杂环化合物
+
+
z
H E
z
H E
z
+
H E
β-取代 取代
z
H
H
E +
+E
+
E
z
z
+
*亲电取代反应的活性顺序： 亲电取代反应的活性顺序： 亲电取代反应的活性顺序 吡咯 > 呋喃 > 噻吩 > 苯 2）加成反应（催化加氢、 —阿反应 阿反应） （2）加成反应（催化加氢、狄—阿反应） 共轭二烯性： 共轭二烯性：呋喃 > 吡咯 > 噻吩
能与强酸成盐，与酰氯等生成鎓盐。 能与强酸成盐，与酰氯等生成鎓盐。p615
2. 吡啶环上的亲电取代 •吡啶 吡啶 杂环， 比苯难亲电取代， 杂环，故比苯难亲电取代，和硝基苯相似
π
6 吸电子能力较强）， 缺电子芳 吸电子能力较强 6 （N吸电子能力较强）， 为缺电子芳
*亲电取代反应主要在 位（β-位）发生； 亲电取代反应主要在3-位 亲电取代反应主要在 位 发生； *只有在极强的条件下才能发生硝化、磺化及卤 只有在极强的条件下才能发生硝化、 只有在极强的条件下才能发生硝化 化反应。但不发生F-C烷基化、酰化反应； 烷基化、 化反应。但不发生 烷基化 酰化反应； *吡啶环上有烷氧基，氨基等给电子基时，有助 吡啶环上有烷氧基，氨基等给电子基时， 吡啶环上有烷氧基 于亲电取代反应的进行， 于亲电取代反应的进行，但反应活性仍低于相 应的苯系化合物； 应的苯系化合物；
2
α NH N N HN γ
1
4
δ
8
β
5
7
6
16.5 吲哚
4 5 6 3 N1 2 H
吲哚的化学性质
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醇和糠酸钠(Cannizzaro反应)。
第十六章
20
呋喃在镍催化下，加氢可得四氢呋喃。四氢呋喃沸点65.5℃，
是良好的溶剂，也是有机合成的原料。从四氢呋喃可得到己二酸和
己二胺，它们是制造尼龙—66的原料。
第十六章
21
尽管呋喃在温和条件下容易发生亲电取代反应，但由于它的芳
香性较弱，呋喃及其衍生物可以容易地进行Diels—Alder反应和一般
合物。最常见的和最稳定的杂环化合物可分为五元杂环和六元杂环 两大类，在每一类中又根据杂原子种类、数目、单环或稠环等再分 类。
第十六章
4
第十六章
5
第十六章
6
杂环化合物的命名采用英文名称的音译，一般在同音汉字的左
边加一“口”旁。对于含一个杂原子的杂环也可把靠近杂原子的位
置叫做α位，其次为β位和γ位。
沸点162℃。糠醛在醋酸存在下遇苯胺呈亮红色，可用来定性检验 糠醛。糠醛可由农副产品如燕麦壳、玉米芯、棉子壳等原料来制取。 这些原料中含有戊醛糖的高聚物 (戊聚糖)。戊聚糖用盐酸处理后， 先解聚变为戊醛糖，然后再失水而成糠醛。
第十六章
19
糠醛是一个很好的溶剂，也是有机合成的原料。糠醛的化学性
质同苯甲醛类似，例如糠醛与约50％氢氧化钠水溶液作用可生成糠
第十六章
7
16.1.2 结构和芳香性
呋喃、噻吩和吡咯是含一个杂原子的五元杂环化合物，组成环
的五个原子位于同一平面上，彼此以 σ键相连接，每个碳原子还有
一个电子在p轨道上，杂原子的未共用电子对也在p轨道上，这五个 p轨道都垂直于环所在的平面。
第十六章
8
呋喃、吡咯和噻吩的离域能分别为67 kJ· mol-1、88 kJ· mol-1和
子构成芳香π体系。在氮原子上还有一对未共用电子，它们在sp2杂化 轨道中，并不与π体系发生作用，如图所示。
第十六章
12
氮原子上过多的负电荷表现在吡啶的偶极矩上，事实上吡啶
的偶极矩比六氢吡啶(吡啶的非芳香同类物)的偶极矩大，因为吡啶 环上的共轭效应同诱导效应的方向一致。从吡啶的核磁共振谱来 看，环上质子的核磁共振信号移向低场，由于氮原子的诱导效应， α-H的δ值最大。
机溶剂。在浓硫酸存在下，噻吩与靛红一同加热即发生靛吩咛反应， 显出蓝色，反应很灵敏，可用来检验噻吩的存在。
第十六章
23
噻吩的亲电取代反应比苯容易进行，在室温时同浓硫酸作用即
可磺化，生成α-噻吩磺酸，后者能溶于浓硫酸。利用这个反应，可 把粗苯中的噻吩除去。 噻吩可被催化加氢成四氢噻吩(沸点118～119℃)。如果用Raney 镍作催化剂，镍可以把硫从噻吩分子中除去，主要产物是正丁烷。
第十六章
13
16.2 五元杂环化合物
16.2.1五元杂环化合物的化学性质
呋喃、吡咯和噻吩是最常见的五元杂环化合物。对于亲电取代
反应来说，杂原子都分别使环上碳原子的电子云密度升高并使环活
化，它们都比苯活泼(吡咯>呋喃>噻吩>苯)，其活泼性同苯酚、苯胺 相似。它们都可以进行通常的亲电取代反应，如硝化、磺化、卤化 和Friedel—Crafts反应。
第十六章
47
第十六章
35
由于氮的电负性比碳大，吡啶环上的电子云密度较低，且α位
的电子云密度比 β位的低。因此，吡啶与硝基苯类似，一般要在强
烈条件下才能发生亲电取代反应，且主要在β位。
第十六章
36
第十六章
37
第十六章
38
嘧啶的熔点为22℃，沸点为124℃，易溶于水和醇；其亲电取代 反应比吡啶更困难。嘧啶的衍生物广布于自然界。
第十六章 杂环化合物
构成环的原子除碳原子外还有其它原子的一类环状化合物称为
杂环化合物。这些其它原子称为杂原子，最常见的杂原子有 O，S， N等。
第十六章
1
16.1杂环化合物的分类、命名和结构
16.1.1分类和命名
非芳香性杂环 杂环 芳香性杂环
第十六章
2
非芳香性杂环化合物具有与相应脂肪族化合物相类似的性质，
第十六章
17
16.2.2常见的五元杂环化合物
1.呋喃和糠醛
呋喃是无色液体，沸点32℃，难溶于水，易溶于有机溶剂。 呋喃能使浸过盐酸的松木片显绿色，这个现象可用来检验呋喃的 存在。呋喃由呋喃甲醛在催化剂(ZnO—Cr2O3—MnO2)存在下脱去 羰基而得。
第十六章
18
呋喃甲醛又称糠醛，是呋喃的重要衍生物。糠醛是无色液体，
117 kJ· mol-1，比苯的离域能(150.5 kJ· mol-1)低，但比大多数共轭
二烯烃的离域能(约12～28 kJ· mol-1)要大得多。
第十六章
9
它们还容易发生亲电取代反应。它们的各原子间的键长都有一
定程度平均化，如表所示。这些证据均表明它们具有芳香性。许多
实验结果表明，芳香性按苯、噻吩、吡咯、呋喃的次序递减。
4 5
3 2
第十六章
10
环上的氢受离域电子环流的影响，它们的核磁共振信号都出 现在低场，这也是它们具有芳香性的一种标志。由于杂原子的诱
导效应，α-H的δ值较大(环戊二烯则正相反)。
第十六章
11
吡啶是典型的芳香杂环化合物，环是平面型的，五个碳原子和
一个氮原子均以sp2杂化轨道形成σ键构成环，环上有4n+2(n=1)个p电
第十六章
39
第十六章
40
16.3.2 喹啉和异喹啉
喹啉在常温时是无色油状液体，熔点为-15.6℃, 沸点为238℃；
异喹啉的熔点为26℃，沸点为243℃。喹啉和异喹啉都存在于煤焦
油和骨油中，许多生物碱是它们的衍生物。它们都难溶于水，易溶 于有机溶剂。
第十六章
41
与 吡 啶 相 似 ， 它 们 都 有 弱 碱 性 ( 喹 啉 pKb=9.15， 异 喹 啉
砜，再加氢而得。
第十六章
25
3.吡咯和吲哚
吡咯存在于煤焦油、骨油和石油(少量)中。它是无色油状液体， 沸点131℃，微溶于水，易溶于有机溶剂。吡咯环不如苯环稳定，易 被氧化，在空气中吡咯逐渐被氧化而成褐色并发生树脂化。吡咯蒸气
遇浸过盐酸的松木片显红色，这个特性反应可用来检验吡咯。
第十六章
26
吡咯碱性极弱 (pKb=13.6)，这是因为氮原子上的未共用电子 对参与了共轭体系之故。此外，吡咯还表现出很弱的酸性，能与 金属钠或钾、固体氢氧化钠或氢氧化钾作用，生成吡咯的盐吡咯 的钠盐或钾盐遇水又形成吡咯。
的亲电加成反应。吡咯只能和极活泼的亲双烯体发生Diels—Alder反 应，而噻吩则难于发生Diels—Alder反应和一般的亲电加成反应。 例如，呋喃作为双烯体可以很容易同顺丁烯二酸酐发生 Diels— Alder反应。
第十六章
22
2.噻吩
噻吩是无色液体，沸点84℃, 熔点-38.2℃，不溶于水，溶于有
第十六章
24
噻吩分子是芳香共轭体系，硫原子的未共用电子对参加到整个
共轭体系中，因此噻吩没有硫醚的性质，不容易被氧化成亚砜或砜。 四氢噻吩则不含共轭体系，具有硫醚的性质，可被过量的过氧化氢、 高锰酸钾或硝酸氧化成环丁砜。环丁砜沸点287℃，熔点28℃，是 一种重要的溶剂。工业上用二氧化硫与1，3—丁二烯作用经环丁烯
第十六章
44
喹啉和异喹啉的亲电取代反应 (如硝化、磺化、溴化等)比吡
啶容易进行，亲电试剂主要进攻喹啉或异喹啉分子中的苯环部分，
例如：
第十六章
45
16.3.3 嘌呤
嘌呤是由一个咪唑环和一个嘧啶环稠合而成的一类重要化合
物，环中含有四个氮原子。
第十六章
46
嘌呤是无色晶体，熔点为217℃。嘌呤本身并不存在于自然界， 但它的羟基和氨基衍生物在自然界分布很广。例如茶碱、咖啡碱、 可可碱、尿酸等分子中都有嘌呤环。嘌呤同核酸有着密切关系。
第十六章
14
第十六章
15
由于它们的高度活泼性以及呋喃和吡咯对于无机强酸的敏感
性，其亲电取代反应需要比较温和的条件。例如呋喃和吡咯进行 磺化时要用吡啶—三氧化硫加成物；如用硫酸，环将被打开。
第十六章
16
对于呋喃和噻吩，进行酰基化时要用四氯化锡为催化剂，它比
三氯化铝温和；而吡咯进行酰基化时可以不用催化剂。
碱含有吡啶环。生物碱一般是指从植物中得来
的、具有碱性的、对于人和动物有强烈生理作 用的一类有机含氮化合物，例如烟碱、颠茄碱、 麻黄碱、吗啡碱、咖啡碱等。
第十六章
30
第十六章
31
第十六章
32
第十六章
33
第十六章
34
吡啶是有特殊臭味的无色液体，沸点 115 ℃，可与水、乙醇、
乙醚等混溶。吡啶是一种很好的溶剂，能溶解多种有机物和无机盐。 与吡咯不同，吡啶氮原子上的未共用电子对不参与 π体系，这对电 子可与质子结合，因此吡啶的碱性 (pKb=8.8) 较吡咯强，也比苯胺 (pKb=9.3)略强。
例如四氢呋喃和1, 4–二氧六环(1, 4–二氧杂环己烷)都是比较稳定的醚，
环氧乙烷则因环的张力作用而变得相当活泼。四氢吡咯和六氢吡啶 是仲胺，桥环化合物奎宁环(1–氮杂二环[2.2. 2]辛烷)是叔胺。
第十六章
3
本章讨论的杂环化合物，主要是指环为平面型， π 电子数符合
4n+2 规则，有一定程度芳香性的较稳定的杂环化合物，即芳杂环化
pKb=8.86)。喹啉的许Leabharlann 衍生物在医药上具有重要意义，特别是抗
疟类药物。
第十六章
42
喹啉氧化时，由于吡啶环上电子云密度较低，苯环易被氧化；
喹啉还原时，则是吡啶环优先被还原。
第十六章
43
2, 3–吡啶二甲酸脱羧则成β-吡啶甲酸，β–吡啶甲酸也叫烟酸，因