有机化学第十五章 杂环化合物
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第十五章-杂环化合物(D)
O
S
indole
吲哚
benzofuran
苯并呋喃
benzothiophene
苯并噻吩
N
quinoline （喹啉）
N H
O
S
carbazole 咔唑
dibenzofuran 二苯并呋喃
dibenzothiophene 二苯并噻吩
2. 取代杂环的命名 以杂环为母体，将杂环上的原子编号。
1）单杂环：一般从杂原子开始，将杂原子编为1，
O
N
六元环
2. 按环的数目和连接方式分为： ①单杂环：
O
S
呋喃
噻吩
②稠杂环 :单杂环与苯环稠合而成 喹啉
N
（二）命名（其他国家多用习惯法 我国：音译法。同音汉字加“口”字）
1. 杂环母体的命名
O furan 呋喃
N H
S
pyrrole 吡咯
thiophene 噻吩
N pyridine
吡啶
N H
R4N OH > H2N
+
NH2
+
-
>
N
> 9.3
N .
4.7
_
8.8
N H
> (CH3)2NH > CH3NH2 > NH3 > CH3 > NH2 > O 2N
NH2
a. 与无机强酸成盐
+ HCl N
+
Cl
N H
b. 与卤烷成季铵盐
+ CH 3 I N
+
I
N CH 3
2)亲电取代（不如苯活泼，活性类似于硝基苯发生
2பைடு நூலகம்物理性质： 无色液体，具有恶臭味。 与水混溶，与水形成共沸物
有机化学基础知识点杂环化合物的合成与反应
有机化学基础知识点杂环化合物的合成与反应有机化学是研究含碳的化合物以及其反应机理的学科。
杂环化合物是其中一类重要的有机化合物，由多个不同的原子构成的环状结构赋予其特殊的性质和活性。
本文将重点介绍杂环化合物的合成与反应。
一、杂环化合物的合成1. 环状结构的直接合成直接合成是指通过无需过多中间步骤，直接将杂环结构形成的方法。
最常见的有两种：环内缩合与环外缩合。
环内缩合是通过分子内的反应实现环状结构的形成。
例如，可以通过两个官能团的内部反应，如酰胺和酰胺之间的内酰胺化反应，形成含有杂环结构的化合物。
环外缩合是通过分子间的反应实现环状结构的形成。
例如，可以通过偶氮化物和亲电试剂的反应，形成含有杂环结构的化合物。
2. 环状结构的间接合成间接合成是指通过多步反应，将不同的官能团转化为杂环结构。
这种方法更加灵活，可以根据具体需求选择不同的反应路径。
常见的方法有：(1) 拉曼反应：通过烷基金属物与芳香酮之间的反应，将芳香酮上的羰基还原成羟基，形成杂环结构。
(2) 脱水环化反应：通过脱水反应形成环状结构。
最常见的是使用酸催化剂将醇或酸上的羟基与相邻的官能团上的氢原子进行消除反应，形成杂环结构。
(3) 杂环化合物的可溶性和稳定性增大，可使用催化剂或光催化反应进行合成。
二、杂环化合物的反应1. 变性反应杂环化合物可以通过一系列的变性反应进行官能团的转换。
例如，通过酸催化或碱催化的酯水解反应，将酯转化为醇或酸；通过羟胺或胺与酸酐或酰氯的反应，形成酰胺或酰脲。
2. 变位反应变位反应是杂环化合物中常见的反应之一，通过杂环结构上的元素进行位置的变化。
例如，通过环内亲电试剂的攻击，实现环内碳-氧的位置变化，形成环内醇或环内醚。
3. 开环反应通过开环反应，可以将杂环化合物打开，形成更加简单的化合物。
其中最常见的是酸性水解和碱性水解反应，将杂环结构上的官能团裂解成独立的官能团。
综上所述，杂环化合物的合成与反应是有机化学中重要的研究领域。
有机化学第十五章 杂环化合物
+
N
N
NO 2
N
N S O 3H
Br
B r2/H 2 S O 4
H+
+
N
N
B r 2 /CCl 4
OH -
Br Br
N
K MnO 4 /H +
CO 2 H
N
CO 2 H
H 2/P t N H
易发生亲电取代和氧化
5
8
N
易发生亲核取代和还原3
N +C3 H I
N
+ N C3 H I N
N
Br
+Br2 NH 2 N
1、亲电取代——困难：发生在β 位
混 酸 P hH室 温 P hN2O
混 酸
N2O
3 0 0 ℃ /1 天
N
N
H2SO4/H+g
220℃
N
N
SO3H
C3H N
H 2SO 4/K N3 O
100℃
C3H
C3H N
N2 O C3H
Br2/HcA Br NH 2 N
N—氧化物 δ+
NH 2 N
δ+
N
N+
吡唑和咪唑的分子聚合和互变异构：
b.p
水溶性
N
188
N
H N 263
N H
11 易溶
N
N
H
H
N
N
二聚体
N HN
N HN
N N
H
多聚体
嘌呤
N
N
N
NH
N
N
H 9—H
NH2
N
杂环化合物
3.1 呋喃、噻吩和吡咯的结构
呋喃、噻吩和吡咯组成环的五个原子都位于 同一平面上，四个碳原子和一个杂原子都为sp2 杂化状态，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 是在p轨道上，这五个p轨道垂直于环所在的平面 并相互重叠形成闭合共轭体系。这个共轭体系是 由五个原子上的六个p电子组成的，其p电子数符 合休克尔4n＋2规则。因此具有芳香性。
N N 四四 puinoline S 四甲 thiazole
N N H 甲甲 imidazole N 吲吲 indole
环上有取代基的杂环化合物，命名时以杂环为母体，从杂原子开始 将环上的原子编号。当环上含有两个或两个以上相同杂原子时，应使杂原 子所在位次的数字最小。当环上的杂原子不同时，按O、S、N的次序编号。
- 封封 I 300℃ N . HI
+
CH3 N . HI
+
N
C6H5COCl
石石石 －20℃ N+
Cl
-
良好的酰 化剂
COC6H5
取代反应
氮原子的电负性比碳原子大，所以氮原子附近电子 密度较高，环上碳原子的电子密度有所降低。因此，吡 啶与硝基苯相似，亲电取代比苯困难，并且主要发生在 β位上，反应条件要求较高。另外，吡啶不能进行付氏 反应。
维生素B 维生素 6是蛋白质代谢过程中的必需物质
1 杂环化合物的分类 2 杂环化合物的命名 3 五元杂环化合物 4 六元杂环化合物 5 生物碱
1 杂环化合物的分类
杂环化合物的成环规律和碳环一样，最 稳定和最常见的也是五元环和六元环。有的 环只有一个杂原子，有的环含有多个或多种 杂原子。杂环化合物一般按环的大小分成五 元环和六元环两大类。
基础有机化学王兴明主编十五章杂环答案
15 杂环化合物习题参考答案1.N HSSO 3H H NCH 2COOHNCH 3H 3CI -+NCOOHCOOHONN CH 3NNH 2N OH(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)2.(1) 苯并吡嗪 (2) 5-羟基嘧啶 (3) N-甲基吡咯(4) 2-噻吩磺酸 (5) 4-氯-6-甲氧基-8-氨基喹啉 (6) 2-噻吩乙酮 3.N COOHCOOHNC C ON HN H 3CCH 3I +OCOCH 3(1)(2)(3)OONCH 3NC O (4)KMnO 4NCOOHNCOClNCNH 2NNH 2NCOClPCl 5NH 3NaOH+Br 2+AlCl 3+HClO OOOH (5)+Br 2CH 3COOH室温O OOBrMgBrOMgBrH 2OO无水乙醚Mg4.OCHO+催化剂400-415℃O OH 2/Ni(1) HX(2)NaOH/H 2OHOOHCH 3COOEt EtONaCH 3COCH 2COOEt(1)EtONa(2)I 2P 2S 3OO EtO 2C H 3CCO 2EtCH 3(1)OH /H 2O(2)H +/OO H 3CCH 3SCH 3H 3CSNCOCH 3Cl++SCH 3OCH 3MgClS H 3COH CH 3S H 3COMgCl CH 3H 2O(1)(2)(3)H 2CCH 2CH 2COOC 2H 5CH 2CH 2COOC 2H 5ClCH 2CCH 3CH 2OCH 3C 2H 5ONaCOOC 2H 5OH 2O H +O 3Zn,H 2OP 2O 5OCH 3O C 2H 5ONaO COOC 2H 5CH 3CH 2O CH 3CH 2(4)OCHO400-415℃H 2O Zn-Cr 2O 3-MnO 2OH 2NiO浓HCl2NaCN140℃,0.4MPaH 2Ni H 3+On H 2N CH 2NH 2n CH 2HOOC COOHH NH CH 2NHCOCH 2CO OH(n-1)H 2OCH 2CH 2CN CH 2CH 2CN6H 2N CH 2NH 2CH 2HOOC COOH64+催化剂缩聚4n+(5)645.(1) 在两者中分别加入浓硫酸，在室温下溶于浓硫酸者为噻吩，不溶者为苯。
第十五章 杂环化合物与生物碱
Kb： 2.5×10-15
2×10-4
15.3 六元杂环化合物
六元杂环化合物包括环中有1个杂原子的六元 杂环(如吡啶等)；环中有多个杂原子的六元杂环 (如嘧啶等)；以及稠杂环(如喹啉、嘌呤等)。 一、吡啶(C5H5N) 吡啶存在于煤焦油、骨焦油中，其衍生物广泛 存在于自然界。工业上主要从煤焦油的轻油部分提 取吡啶。 吡啶是具有特殊臭味的无色液体， bp115.5℃ ， 可与水、乙醇、乙醚等混溶。
1. 吡啶的结构
结构似苯，也是平面六边形分子(但不是正六边形)。 分子中 C—C键长139pm(与苯的相等)，C—N键长137pm， 介于一般的 C—N 单键 (157pm) 与 C=N 双键 (128pm) 之间。
139pm
139pm
137pm Pyridine Benzine
H
H
H
环中的N和C都 以 sp2 杂化轨道相互 以s 键相连。每个原 子余下的 p 轨道相互 平行重叠，形成环 闭共轭体系， p 电子 数为6，具有芳香性.
70%
NO2 NO2 S
5%
磺化: 95%H2SO4 25℃
(69%~76%)
S
SO3H
噻吩-2-磺酸
溴代: Br2 (或I2) 乙醇(稀释)/0℃
Br Br
Br Br
产物均为 四卤吡咯
硝化: CH3CO2NO2 乙酸酐/5℃
NO2 NO2 51% 13%
吡咯
磺化：吡啶.SO3 100℃
SO3H
吡咯-2-磺酸
亲电取代反应主要在2-位发生；若2、5两个位 置已有基团存在，则亲电取代在b位发生。
-0.06 -0.10 +0.32
这些杂环进行亲电取代反应时， 须用缓和的试剂在温和的条件下进行。
杂环化合物和生物碱-有机化学
溶解1份吡咯、呋喃及噻吩，分别需要17、 35、700份的水。 当五元杂环上连有羟基时，溶解度增大。
如： O
H3C O OH
S
S
OH
(1:35)
(1:20)
(1:700)
(1:16)
3. 杂环化合物的化学性质 (1)、亲电取代反 应
N H O S
HNO3
I2 NaOH
吡咯、呋喃、噻吩 α位取代
I
第四节 稠杂环化合物
稠杂环化合物是指苯环与杂环稠合或杂环与杂环稠合在一起的化 合物。常见的有喹啉、吲哚和嘌呤。
泳衣品牌
3 2 d ★ c
N
a b
N
1
N
★ b 2 a 3
N1
S
N
吡啶并[2,3-d]嘧啶
咪唑并[2,1-b] 噻唑
第二节
五元杂环化合物
五元杂环化合物包括含有1个杂原子的五元杂 环和含2个杂原子的五元杂环。 一、含1个杂原子的五元杂环化合物 1.结构
4 5 1N 3 2
4 5 3 2 4 5 3 2
OH
2．亲电取代反应
Cl2, AlCl 3 100 ℃ Br2, 浮石催化 300 ℃ 气相
Cl
3 氯吡啶
N
Br
3 溴吡啶
N
NO2
N
浓 H2SO4 HgSO4 催化， ℃ 220 混酸 300 ℃
3 硝基吡啶
N
SO3H
吡啶 3 磺酸
N
3．氧化还原反应
（1）氧化反应
COOH N β 吡啶甲酸（烟酸） HNO 3 N COOH N α 吡啶甲酸
由于吡啶环的N上在环外有一孤对电子，故吡啶环上的电荷分布不均。
有机化学第十五章杂环化合物
第十五章 杂环化合物 糠醛经催化加氢转化为四氢糠醇，具有醇和醚的性 质，是优良的溶剂。
糠醛用KMnO4的碱溶液或用Cu或Ag的氧化物为催化 剂，用空气氧化生成糠酸。
糠醛作为溶剂，可选择性地从石油、植物油中萃取其中的 不饱和组分和含硫化合物。如从润滑油中萃取芳香烃等以精致 润滑油。在合成橡胶工业中用于提纯丁二烯和异戊二烯。
第十五章 杂环化合物 六元单杂环吡啶的结构与苯环很相似，氮原子与碳原子 处在同一平面上，原子间是以sp2杂化轨道相互交盖形成六个 σ键，键角为120°。环上每一原子还有一个电子在p轨道上， p轨道与环平面垂直，相互交盖形成包括六个原子在内的分 子轨道。π电子分布在环的上方和下方。每个碳原子的第三 个sp2杂化轨道与氢原子的s轨道交盖形成σ键。氮原子的第三 个sp2杂化轨道上有一对未共用电子对。 由于这些杂环化合物都是闭合的 共轭体系，所以环中的单、双键都不 同程度地趋向平均化，单键比普通单 键短，双键比普通双键长。
第十五章 杂环化合物 教学指导 杂环化合物的分类和命名法 杂环化合物的结构 杂环化合物的性质
第十五章 杂环化合物 教学目的： 了解一些常见的重要杂环化合物物理和化学性质； 熟悉杂环化合物命名规则； 掌握呋喃、吡咯及其衍生物的物理和化学性质。 教学难点：
杂环化合物命名规则；
呋喃、吡咯及其衍生物的物理和化学性质。 教学重点： 呋喃、吡咯及其衍生物的物理和化学性质。
第十五章 杂环化合物 2.吡咯及其衍生物 吡咯与呋喃相似，亲电取代也必须在缓和的条件下 进行，在酸性条件下同样极易发生开环、聚合反应。 溴化：
第十五章 杂环化合物 根据环数的多少分为单杂环和多杂环；单杂环又可根据 成环原子数的多少分为五元杂环及六元杂环等；多杂环可分 为稠杂环、桥杂环及螺杂环，其中以稠杂环较为常见。
15章杂环化合物
第十五章 杂环化合物
第一节 分类与命名
一、分类 1、按环的大小分：五元与六元芳杂环 2、依环的形式分：单杂环与稠杂环 二、命名：
保留特定的45个杂环化合物的俗名和 半俗名,采用“音译法”。
（一）特定杂环的命名规则
1、含一个杂原子的五元单杂环
43
5
2
O
1
呋喃
furan
β
β
α S
噻吩
3β 2α N H 吡咯
1、基本环的选择原则
① 芳环和杂环组成的稠环，选杂环为基本环;
② 杂环和杂环组成的稠环，按照 N→O→S
顺序选为基本环，且所选基本环应最大. ③ 杂原子数目以及杂原子种类应最多.
O
苯并呋喃
H N S
噻吩并吡咯
O O
呋喃并吡喃
N NN
吡啶并嘧啶
2、稠合边表示方法
① 基本环各边：1-2原子之间为a； 2-3原子 之间为b； 3-4原子之间为c 等等。 ② 附加环: 用1、2、3………标注各原子
thiophene pyrrole
2、含两个杂原子的五元单杂环 (按照 O > S > -NH- > -N= 顺序编号)
4 N3
5
2
O1
恶唑
3
N
2
S1
噻唑
N3
2
N H
1
咪唑
3
N2
N H
1
吡唑
3、含一个杂原子的六元单杂环
N2 O
1
异 恶唑
4
5
3
6
2
N1
吡啶
4
5
3
6 O2
1 2H-吡喃
4、含2个杂原子的六元单杂环
第一节 分类与命名
一、分类 1、按环的大小分：五元与六元芳杂环 2、依环的形式分：单杂环与稠杂环 二、命名：
保留特定的45个杂环化合物的俗名和 半俗名,采用“音译法”。
（一）特定杂环的命名规则
1、含一个杂原子的五元单杂环
43
5
2
O
1
呋喃
furan
β
β
α S
噻吩
3β 2α N H 吡咯
1、基本环的选择原则
① 芳环和杂环组成的稠环，选杂环为基本环;
② 杂环和杂环组成的稠环，按照 N→O→S
顺序选为基本环，且所选基本环应最大. ③ 杂原子数目以及杂原子种类应最多.
O
苯并呋喃
H N S
噻吩并吡咯
O O
呋喃并吡喃
N NN
吡啶并嘧啶
2、稠合边表示方法
① 基本环各边：1-2原子之间为a； 2-3原子 之间为b； 3-4原子之间为c 等等。 ② 附加环: 用1、2、3………标注各原子
thiophene pyrrole
2、含两个杂原子的五元单杂环 (按照 O > S > -NH- > -N= 顺序编号)
4 N3
5
2
O1
恶唑
3
N
2
S1
噻唑
N3
2
N H
1
咪唑
3
N2
N H
1
吡唑
3、含一个杂原子的六元单杂环
N2 O
1
异 恶唑
4
5
3
6
2
N1
吡啶
4
5
3
6 O2
1 2H-吡喃
4、含2个杂原子的六元单杂环
有机化学精品课件——杂环化合物
11
▪ 取代位置
E+ A
+
A
E
α-取代
▪反应中间体的相对稳定性 主要产物
E
A
β-取代
E+
A
取代
E+
A
β-取代
AE
E A
AE
H
A E 三个主要共振式稳定
贡献最大 （满足八隅体）
E H
二个主要共振式不稳定
A
贡献最大
（满足八隅体） 12
▪ 亲电取代反应举例 注意：五员杂环较活泼，遇酸不稳定
A
（吡咯，呋喃，噻吩）
ONa
CO2 加压
OH
CO2
H+
OH
CO2H
Kolbe-Schmitt反应
OH CHCl3
OH
OH
CHO +
O OC R
AlCl3
O OH RC
OH
Reimer-Tiemann反应
CHO OH
+ C
OR
Fries重排
39
5. 呋喃、吡咯和噻吩环的制法
呋喃、吡咯和噻吩环的制备方法，常采用1,4-二羰 基化合物为原料。
起作用
• 三个共振式 • 推电子基使
稳定
22
(ii) 位有吸电子基
43
5
A
W
E+
进入5位
E+ 进入3位
E AW
E+ 进入4位
E
不稳定
A
W
最稳定
E
A
W
E
A
W
• 二个共振式 • 吸电子基使
不稳定
• 二个共振式 • 吸电子基未
▪ 取代位置
E+ A
+
A
E
α-取代
▪反应中间体的相对稳定性 主要产物
E
A
β-取代
E+
A
取代
E+
A
β-取代
AE
E A
AE
H
A E 三个主要共振式稳定
贡献最大 （满足八隅体）
E H
二个主要共振式不稳定
A
贡献最大
（满足八隅体） 12
▪ 亲电取代反应举例 注意：五员杂环较活泼，遇酸不稳定
A
（吡咯，呋喃，噻吩）
ONa
CO2 加压
OH
CO2
H+
OH
CO2H
Kolbe-Schmitt反应
OH CHCl3
OH
OH
CHO +
O OC R
AlCl3
O OH RC
OH
Reimer-Tiemann反应
CHO OH
+ C
OR
Fries重排
39
5. 呋喃、吡咯和噻吩环的制法
呋喃、吡咯和噻吩环的制备方法，常采用1,4-二羰 基化合物为原料。
起作用
• 三个共振式 • 推电子基使
稳定
22
(ii) 位有吸电子基
43
5
A
W
E+
进入5位
E+ 进入3位
E AW
E+ 进入4位
E
不稳定
A
W
最稳定
E
A
W
E
A
W
• 二个共振式 • 吸电子基使
不稳定
• 二个共振式 • 吸电子基未
有机化学第15章
（抗癌药） HO O
SS
H2O
SS
TTF
HgOH
NaO
O
O
Br 红汞
Br CO2Na
Br
NaO
O
O
Br 曙红 （红墨水）
Br CO2Na
杂环化合物的类型
芳香杂环
N
O
S
N H
N H
H
NN
N
N
N
N
N
N
普通杂环
O
O
O
N
OO O
O
H
环醚，内酰胺，环状酸酐，内酯等
OO
§15.1 杂环化合物的分类、命名
杂环分类:
+
S
（Hale Waihona Puke 量） 反应快H2SO4 r. t.
S SO3H 溶解于硫酸中
（3）五员芳杂环的Friedel-Crafts反应
(CH3CO)2O
N H
(CH3CO)2O
O
BF3
(CH3CO)2O
S
SnCl4
COCH3 N H
2-乙酰基吡咯
COCH3 O
2-乙酰基呋喃
COCH3 S
2-乙酰基噻吩
2）五员芳杂环的加成反应
H3C 4
3
N
5
2
N1
H
4-甲基咪唑
10
3. 含两个不同的杂原子：按O, S, N顺
3
N
4 序编号
2 S 5 CH3 5-甲基噻唑
1
4. 特殊编号
5 6
4 3
7
2
N
8
1
喹啉
Quinoline
5 6
有机化学杂环化合物
活性部位
02
由于杂原子的存在，亲核取代反应也可能发生在杂原子位置，
形成新的杂环化合物。
反应机理
03
亲核试剂首先与杂环化合物形成σ络合物，然后进行质子转移，
生成取代产物。
加成反应
01
电性影响
杂环化合物的电性受其杂原子的电负性和电子云密度影响，使得加成反
应在杂环化合物中具有特定的选择性。
02
加成位置
加成反应一般发生在杂环的电子云密度较高区域，通常是杂原子的邻位
配位化学：杂环化合物 中的非碳原子可提供孤 对电子，与金属离子形 成配位键，因此可作为 配体应用于配位化学和 金属有机化学中。
总之，杂环化合物是一 类具有丰富多样性结构 和性质的有机化合物， 其研究不仅有助于深化 对有机化学基本规律的 认识，还能为相关领域 提供广泛的应用前景。
02
五元杂环化合物
呋喃（furan）
嘧啶（pyrimidine）
结构特征
嘧啶是一个含有两个氮原子的六元杂环化合物，其分子内具有共轭 双键体系。
合成与应用
嘧啶类化合物可通过多种合成方法获得，如Pinner反应等。嘧啶及 其衍生物在生物医药领域具有广泛应用，如抗病毒药物、抗癌药物 等。
生物活性
许多嘧啶类化合物具有显著的生物活性，可作为核酸碱基的类似物 ，干扰核酸的合成与代谢，从而发挥治疗作用。
芳香性
呋喃具有芳香性，由于其分子中 含有一个氧原子，使得其电子云 密度分布较为均匀，呈现出特殊
的稳定性。
合成与应用
呋喃可以通过多种合成方法得到， 并在有机合成中作为重要的中间体 。它可以发生诸多反应，如亲电取 代反应、加成反应等。
物理性质
呋喃为无色液体，具有特殊的气味 ，微溶于水，易溶于有机溶剂。
有机化学复习-杂环化合物
N + SO3 CH2Cl2
N SO3
（2）吡啶的亲核性 吡啶的烷基化
N + CH3I
+ N CH3
I
N甲基吡啶盐 • N-甲基吡啶盐的重排
NaOH 300 C I 重排
o
+ N CH3
N H CH3
I CH3
N CH3 NaOH
CH3
I N H N
2) 亲电取代反应
取代位置和反应活性
PhN2 X N H
N H
N N Ph
环上已有取代基对亲电取代取向的影响
Electron Donating Group
E
A EDG
+ p
E
A
EDG
HNO3//Ac Ac2O O HNO 3 2 CH S S CH3 3 (AcONO2)) (AcONO 2 O O2N N
2
S S 70%
NO2
S 85%
NO S2
85%
+ + O N NO2 2
S O2 N
NO S 2
E
A
EWG
15% 15%
EWG
EWG
E
+ m
COOH COOH
Br2 Br 2 CHCOOH COOH CH 33 Br Br SS
COOH COOH
A
E
A
SS
2）五员芳杂环的其它反应
（i）还原成饱和杂环化合物（催化氢化）
5 4 4 3 3 65 7 6 8 7
4
2
6 7
3
5N 6
77
O21 N1
N SO3
（2）吡啶的亲核性 吡啶的烷基化
N + CH3I
+ N CH3
I
N甲基吡啶盐 • N-甲基吡啶盐的重排
NaOH 300 C I 重排
o
+ N CH3
N H CH3
I CH3
N CH3 NaOH
CH3
I N H N
2) 亲电取代反应
取代位置和反应活性
PhN2 X N H
N H
N N Ph
环上已有取代基对亲电取代取向的影响
Electron Donating Group
E
A EDG
+ p
E
A
EDG
HNO3//Ac Ac2O O HNO 3 2 CH S S CH3 3 (AcONO2)) (AcONO 2 O O2N N
2
S S 70%
NO2
S 85%
NO S2
85%
+ + O N NO2 2
S O2 N
NO S 2
E
A
EWG
15% 15%
EWG
EWG
E
+ m
COOH COOH
Br2 Br 2 CHCOOH COOH CH 33 Br Br SS
COOH COOH
A
E
A
SS
2）五员芳杂环的其它反应
（i）还原成饱和杂环化合物（催化氢化）
5 4 4 3 3 65 7 6 8 7
4
2
6 7
3
5N 6
77
O21 N1
化学有机杂环化合物
化学有机杂环化合物化学有机杂环化合物指的是由碳与非碳原子构成的环状分子结构，其中包含了不同种类的非碳原子，如氮、氧、硫等。
这类化合物在有机合成和药物研究领域具有重要的地位和应用。
本文将从化学有机杂环化合物的定义、分类、合成方法以及应用方面进行探讨。
一、化学有机杂环化合物的定义化学有机杂环化合物是指由碳与非碳原子构成的环状分子结构。
它们常常具有复杂的分子结构和多样的物理化学性质，因此引起了广泛的研究兴趣。
非碳原子的引入赋予了这类化合物特殊的化学活性和生物活性，使其在药物研究、材料科学和有机合成等领域具有广泛的应用前景。
二、化学有机杂环化合物的分类化学有机杂环化合物可以按照非碳原子的种类进行分类。
常见的杂环化合物有：氮杂环化合物、氧杂环化合物、硫杂环化合物等。
1. 氮杂环化合物氮杂环化合物是指其中含有氮原子的有机杂环化合物。
常见的氮杂环化合物有：吡咯、咪唑、嘧啶等。
这些化合物常常具有较强的碱性和生物活性，广泛应用于药物合成和农药研究等领域。
2. 氧杂环化合物氧杂环化合物是指其中含有氧原子的有机杂环化合物。
常见的氧杂环化合物有：呋喃、吡喃、噻吩等。
这些化合物具有丰富的电子云分布，因此在有机催化和光电材料等方面有着广泛的应用。
3. 硫杂环化合物硫杂环化合物是指其中含有硫原子的有机杂环化合物。
常见的硫杂环化合物有：噻吩、噻二唑等。
这些化合物在药物合成和有机电池领域具有重要的应用价值。
三、化学有机杂环化合物的合成方法化学有机杂环化合物的合成方法多种多样，常见的有以下几种途径：1. 环状化合物的构建法环状化合物的构建法是指通过环状反应构建有机杂环化合物的合成方法。
常见的环状反应有，烯烃咯化反应、亲核试剂与二烯的环加成反应等。
这些反应可有效地构建含杂原子的环状结构。
2. 杂原子引入法杂原子引入法是指通过对已有化合物进行原子替代或加成反应，引入杂原子的方法。
常见的杂原子引入法有，醚化反应、胺化反应、硫化反应等。
这些反应能够在已有的环状结构中引入非碳原子，实现有机杂环化合物的合成。
第十五章 杂环
第十五章 杂环化合物—五元环性质
O B r2 O 0℃ 8 0% O C l2 - 4 0℃ O C H3 C O O N O 2 O Cl Br
+
Cl O Δ or Py O N O2 Cl
H - 5 ℃ - 3 0℃ C H C O O 2
-
H O N O2 H Cl
N
+
S O3 O S O3 -
O
S O3 H
（ C H3 C O ）2 O 0℃ B F3 E t2 O O C O C H3
第十五章 杂环化合物—五元环性质
Br 2 Cl 2 CH 3 COOH r， t 50 ℃ 36% S CH 3 COONO 2 S 95%H 2 SO 4 （ CH 3 CO） 2 O H 3 PO 4 25 ℃ S S -10 ℃ S 78% S Br + Cl Cl Cl + Cl Cl S 14% NO 2 + 70% S 67-76% S Cl 13% Cl NO 2 5%
第十五章 杂环化合物—概述 2、理论意义： 杂环化学中贯穿了大量的电子理论，是验证 电子学说和其它有关理论的园地 3、研究现状： （1）教学方面：作为选修课。 （2）研究方面： 杂环化学的研究目前主要集中在其生理活性 及其药用价值。此外，在非生物领域的应 用研究也取得很大进展，如：胶片的敏化 剂、橡胶工业的抗氧剂、硫化促进剂等， 多性能催化作用以及一些特殊性能的研究 都取得很大进展。
第十五章 杂环化合物—五元环性质 §15.3五元杂环化合物 一、呋喃、噻吩、吡咯的结构 成键特性：
第十五章 杂环化合物—五元环性质
分子 苯 噻吩
S
吡咯
N H
呋喃
O
有机合成：杂环化合物
学
性
质 利用此反应可分离、提纯吡啶，也可用吡啶
吸收反应中所生成的酸。
36
1. 碱性和成盐反应
吡 啶 吡啶还可以与三氧化硫和三氧化铬形成复合物：
的
3
3
化
学
3
温合的磺化试剂，也可用作氧化剂
性
质
3
3
温合的氧化剂，可使羟基氧化在醛的阶段
37
2.与卤代烃/酰卤/酸酐反应
吡
啶
与卤代烃反应成季铵盐
的
化
学
1.选择基本环。 附加环［数字-英文字母］噻唑 2.标注基本环的稠合边。附加环［数字-d］噻唑 3.标注附加环原子。 附加环［1,2-d］噻唑 4.写上附加环。 苯并［1,2-d］噻唑
1 cN db 2 Sa
苯并［d］噻唑 【苯环稠合边可略去】
24
2. 标识稠合边 附加环［数字-英文字母］基本环
1.选择基本环。 附加环［数字-英文字母］呋喃 2.标注基本环的稠合边。附加环［数字-b］呋喃 3.标注附加环原子。 附加环［2,3-b］呋喃 4.写上附加环。 噻吩并［2,3-b］呋喃
15
①从杂原子开始编号，杂原子位次为1。当环上只有一个
杂原子时，也可把与杂原子直接相连的碳原子称为α位， 其后依次为β位和γ位。
2-呋喃甲醛（糠醛）
8-羟基喹啉
(α-呋喃甲醛)
（不叫8-喹啉酚）
16
②若含有多个相同的杂原子，则从连有氢或取代基的杂 原子开始编号，并使其他杂原子的位次尽可能最小。
（4-甲基咪唑）
1. 选定基本环
2. 对稠合边进行表征
3. 对周边（整体分子）
1
进行编号
3
2
21
第15章 杂环化合物
(β) (α)
4 5 3
O
1
2
(β) (α)
(β) 4 (α ) 5
3
S
1
2
(β) (α)
(β) (α)
4 5
3
N H
2
(β) (α)
1
furan（呋喃）
thiophene（噻吩）
pyrrole（吡咯）
(β) (α ) 6
5
4 (γ) 3 2
N
1
(β) (α )
4 5
N3 N H
2 1
4 5
N3 S
9
8
7
6
5 δ
4
3
2
1
0
吡啶的 1H NMR谱
从它们核磁共振图谱上的化学位移可知，呋喃、吡咯、噻吩 和吡啶上的π电子产生很强的磁各向异性效应。它们的质子都 是位于与外加磁场方向一致的去屏蔽区。它们环上质子的化 学位移与苯环上的质子相当。
15.4 五元杂环化合物的性质 15.4.1 呋喃的性质
呋喃是一种无色液体，在酸性条件下不稳定，容易发生 开环等反应。所以呋喃的硝化反应和磺化反应要在特殊条件 下进行。呋喃蒸汽遇到被盐酸浸过的松木片时呈深绿色，利 用此反应可检验呋喃的存在。 （1）呋喃的取代反应 （A）卤代反应 呋喃进行卤代反应比苯活泼，它的氯代反应在常温下进 行时会生成二氯代物，即使在低温下进行，也难避免二氯代 物的生成。溴代反应通常也要加溶剂稀释，以降低反应活性， 防止反应剧烈而使呋喃环破坏。
构成环状化合物的原子，除了碳原子以外，还包含有 其它原子的化合物叫杂环化合物，这些其它原子被称为 杂原子，最常见的杂原子是O、S、N等。例如，下列化 合物都是杂环化合物：
O O N H S O N H O
4 5 3
O
1
2
(β) (α)
(β) 4 (α ) 5
3
S
1
2
(β) (α)
(β) (α)
4 5
3
N H
2
(β) (α)
1
furan（呋喃）
thiophene（噻吩）
pyrrole（吡咯）
(β) (α ) 6
5
4 (γ) 3 2
N
1
(β) (α )
4 5
N3 N H
2 1
4 5
N3 S
9
8
7
6
5 δ
4
3
2
1
0
吡啶的 1H NMR谱
从它们核磁共振图谱上的化学位移可知，呋喃、吡咯、噻吩 和吡啶上的π电子产生很强的磁各向异性效应。它们的质子都 是位于与外加磁场方向一致的去屏蔽区。它们环上质子的化 学位移与苯环上的质子相当。
15.4 五元杂环化合物的性质 15.4.1 呋喃的性质
呋喃是一种无色液体，在酸性条件下不稳定，容易发生 开环等反应。所以呋喃的硝化反应和磺化反应要在特殊条件 下进行。呋喃蒸汽遇到被盐酸浸过的松木片时呈深绿色，利 用此反应可检验呋喃的存在。 （1）呋喃的取代反应 （A）卤代反应 呋喃进行卤代反应比苯活泼，它的氯代反应在常温下进 行时会生成二氯代物，即使在低温下进行，也难避免二氯代 物的生成。溴代反应通常也要加溶剂稀释，以降低反应活性， 防止反应剧烈而使呋喃环破坏。
构成环状化合物的原子，除了碳原子以外，还包含有 其它原子的化合物叫杂环化合物，这些其它原子被称为 杂原子，最常见的杂原子是O、S、N等。例如，下列化 合物都是杂环化合物：
O O N H S O N H O
第十五章杂环化合物
唑的化学性质
y 碱性
>
>
>
>
1,3-唑 > 1,2-唑
唑的化学性质
y 亲电取代活性
苯 > 唑 > 吡啶
>
>
>
>
N
O
常见的五元杂环化合物
y 含单个杂原子的五元杂环
吡咯
呋喃 噻吩
吲哚
y 含多个杂原子的五元杂环
咪唑
噁唑
噻唑
N
N
吡唑 O 异噁唑 S 异噻唑
嘌呤
嘌呤
6
7
1
5
8 2
49
3
9H-嘌呤
7H-嘌呤
吡咯等的化学性质：亲电取代
y 傅克酰化：使用温和催化剂
吡咯等的化学性质：还原
H2/Ni
O
O
呋喃的双烯加成
呋喃芳香性较差，可体现共轭二烯的性质 吡咯、噻吩一般条件下不发生此类反应
吲哚的化学性质
C6H5CO2NO2
N H
O
O 0oC
NO2 N H
亲电取代反应性与呋喃类似 注意取代主要发生于3-位
Br2, 300oC
Br 39%
N
吡啶的化学性质：亲电取代
CH3
CH3
H3C
N
H2SO4 / HNO3 CH3 100oC, 5h H3C
N
NO2 CH3
93%
吡啶的化学性质：亲核取代
Cl
OMe
NaOMe/MeOH
N
N
吡啶的化学性质：亲核取代
(Chichibabin反应)
吡啶的化学性质：还原
常见的五元杂环化合物
第十五章杂环化合物
虽与苯相似，但C-N键变化很大，因此，其芳香性也比苯差。
10
吡啶和苯虽然都属等电子体系，但因氮原子的电负性较 大，从而使环上的电子云密度降低 ，故其亲电取代反应性能 不但比苯差，且亲电取代反应发生在电子云密度较高的β-位。 这一特性很类似于硝基苯。
综上所述，五元、六元杂环化合物虽然都具有芳香性， 但其环上的电子云的密度是不同的，其电子云密度由高到 低的顺序是：
此外，根据环上各键的键长并不相等，说明杂环中的电子密 度没有完全平均化芳香性弱于苯环。其电子密度的变化情况类似
7
于苯胺。
2、缺电子体系—六元杂环 A. 吡啶是典型的六元杂环化合物，环原子以sp2方式杂化。 B. 每个原子的未参加杂化p轨道上均只有一个单电子，组成 大Π键，符合4n+2休克尔规则，六元杂环化合物同样具有 芳香性。
B r2/C H 3C O O H
S
00C
S Br
15
D. Friedel-Crafts反应 主要是酰基化反应，烷基化反应得到混合物。
结论：五元杂环化合物的亲电取代反应活性高，所以，
一般选用弱的亲电试剂、在低温条件下、采用溶剂稀释
时反应，以防止五元杂环化合物氧化或聚合。
16
2、加成反应 A. 亲双烯加成反应 （了解内容）
8
二、杂环化合物的芳香性 具有闭合环结构，具有环多烯结构，具有共平面或近似平
面结构，π电子数符合4n+2规则。符合休克尔规则，因此具有 芳香性。 具有芳香性的杂环与苯环的异同点 1、五元杂环化合物
(1) 由此可见，苯分子中的键长完全平均化，而五元杂环化合 物分子中的键长只是有一定程度的平均化。因此，五元杂环化 合物的芳香性比苯差。其芳香性次序是：
康尼查罗反应
10
吡啶和苯虽然都属等电子体系，但因氮原子的电负性较 大，从而使环上的电子云密度降低 ，故其亲电取代反应性能 不但比苯差，且亲电取代反应发生在电子云密度较高的β-位。 这一特性很类似于硝基苯。
综上所述，五元、六元杂环化合物虽然都具有芳香性， 但其环上的电子云的密度是不同的，其电子云密度由高到 低的顺序是：
此外，根据环上各键的键长并不相等，说明杂环中的电子密 度没有完全平均化芳香性弱于苯环。其电子密度的变化情况类似
7
于苯胺。
2、缺电子体系—六元杂环 A. 吡啶是典型的六元杂环化合物，环原子以sp2方式杂化。 B. 每个原子的未参加杂化p轨道上均只有一个单电子，组成 大Π键，符合4n+2休克尔规则，六元杂环化合物同样具有 芳香性。
B r2/C H 3C O O H
S
00C
S Br
15
D. Friedel-Crafts反应 主要是酰基化反应，烷基化反应得到混合物。
结论：五元杂环化合物的亲电取代反应活性高，所以，
一般选用弱的亲电试剂、在低温条件下、采用溶剂稀释
时反应，以防止五元杂环化合物氧化或聚合。
16
2、加成反应 A. 亲双烯加成反应 （了解内容）
8
二、杂环化合物的芳香性 具有闭合环结构，具有环多烯结构，具有共平面或近似平
面结构，π电子数符合4n+2规则。符合休克尔规则，因此具有 芳香性。 具有芳香性的杂环与苯环的异同点 1、五元杂环化合物
(1) 由此可见，苯分子中的键长完全平均化，而五元杂环化合 物分子中的键长只是有一定程度的平均化。因此，五元杂环化 合物的芳香性比苯差。其芳香性次序是：
康尼查罗反应
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+
N
N
NO 2
N
N S O 3H
Br
B r2/H 2 S O 4
H+
+
N
N
B r 2 /CCl 4
OH -
Br Br
N
K MnO 4 /H +
CO 2 H
N
CO 2 H
H 2/P t N H
易发生亲电取代和氧化
5
8
N
易发生亲核取代和还原3
N +C3 H I
N
+ N C3 H I N
N
Br
+Br2 NH 2 N
5
7 N
6
7
N1 2 6 7 H
O1 2 6 7
N1 2 2
N 3
4
N9
8
H
H
吲哚
苯并呋喃
苯并咪唑
嘌 呤 (9-H)
4
4
5
35
3
4（ γ ）
5
3
一个杂原子6
26
2（ α 6）
2
N
O
O
1
1
1
吡啶
α -吡 喃
γ -吡 喃
(2-H)
(4-H)
4
4
4 N
六 两 个 杂 原 子 3N
55
35
3
元 杂 环
2
66
3、由于电荷分布不均匀，分子中应有偶极矩；
4、由于O、S、N上的电子均参与了共轭，因此其偶极矩应小 于吡啶，故其水溶性小于吡啶，水溶性：吡啶>吡咯>呋喃>噻吩；
5、吡咯分子中由于N原子的电子参与了共轭，降低了本身的电 子云密度，故吡咯分子应具有一定的酸性。
二、亲电取代反应：
1、硝化：
N H
O
S
2、磺化：
1、亲电取代——困难：发生在β 位
混 酸 P hH室 温 P hN2O
混 酸
N2O
3 0 0 ℃ /1 天
N
N
H2SO4/H+g
220℃
N
N
SO3H
C3H N
H 2SO 4/K N3 O
100℃
C3H
C3H N
N2 O C3H
Br2/HcA Br NH 2 N
N—氧化物 δ+
NH 2 N
δ+
N
N+
S
S
1molSO2Cl2
+ Cl
Cl S
Cl
Et2O/0℃
Cl
N
N
H
H
HgO
+I2 苯
I
S
S
75%
4、酰化：
COCH3 72~92
O
O
Ac2O
COCH3 94
S
S
COCH3 60
N
N
H
H
5、甲酰化：
CHC3 l
OH-
CHO
N
N
H
H
6、偶合：
+PhN 2+C-l N
N N Ph N
H
H
三、氧化与开环：
N NH 2
N
C H 3
N + C l
N C H 3
N 2 + C l-
C l
N NH3
N
N
+ 100℃
Cl
N Cl H2N
N Cl Cl
N
NH2
N C H 3
NN N
C H 3
NH3
160℃ H2N
N
N
NH2
一、结构：
五元杂环
C C
C
C C
C C
C
NH C
环戊二烯负离子
电子云分布状况：
吡咯
0 0
个别化合物沿用习惯命名：
891
9
10 N
1
6 1N 5 N7
N 5 10 4
吖啶
螺桥杂环的命名：
S 6 54
吩噻嘜
2
8
N4 3
N9
H
嘌呤
按通常的螺、桥环命名，把杂原子的命名放在最前面
910 1 O2
8 5 3
76 4
1 氧杂螺[4.5]癸烷
21 O
7 R
3
8
45
1 7
O 6 2
2,6 二 氧 杂 双 环 [3.2.1]— 7— R .
HN
C
H
吡咯
1、组成环上的五个原子均为SP2杂化，其中一个 N原子的2P轨 道上由2个P电子，故符合贺克尔规则。
2、两个N原子结构上存在的差异：
NH
NH
N
N
和吡咯一样
和吡啶中的氮一样
讨论：
1、由于符合贺克尔规则，因此应该具有芳香性； 2、由于环中引入了一个吸电子的N原子，所以其反应活性应小 于含有一个N原子的五元杂环，而大于吡啶；
E、以右上角最远的自由角开始按顺时针编号：
6 苯基
7
1
6
N
2
S a
2
b
1 N
3
5
4
2,3,5,6 四氢咪唑并[2,1-b]噻唑
HOCH2CH2 HOCH2CH2
N
8
7N1
N2 6
3 N
5
1 5 c N b2 N
d
a
4
N3
4
N
CH2CH2OH CH2CH2OH
2,6 双 [二 羟 乙 基 ]氨 基 4,8 双 哌 啶 基 嘧 啶 [5,4-d]并 嘧 啶
0
0 苯 -0.02
-0.03 O +0.10
+0.18
0
+0.05
0
+0.15
N
-0.58
吡啶
-0.06
-0.04
-0.10 N
H +032
-0.06
S +0.20
根据电子云的分布状况可以看出：
①环上电子云密度均有所增大；
②α—位的电子云密度大于β位。
键长状况： 1.43
1.44
1.42
说明：
1.39
4
3
N
NH>N
5 N1 2 H
4
3
N
S>N
5S2 1
4、特定名称稠杂环有特定的编号。如：
6
1
5
7
N
N
2
N4 3
N9 8
H
嘌 呤(9+1)
9 8 7
6
10 N
N 5 吩萘
1 2 3
4
5、异构体：必须标明一个或多个氢原子的位置。如：
43
43
4
5
3
5 N1 2
5 N1 2 6 O 2
H
1
1-H吡 咯 3-H吡 咯 2-H吡 喃
>
>
>
N
O
S
H
AcNO2
+ NO 2 N 51 H
NO 2 N
13 H
NO 2 O
+
NO 2
S
S
62
16
NO 2
SO3H 90
N
N
H
+N
H
SO3
O
SO3H O
S
SO3H 81 S
3、卤代：
O
B r2 B r
C 2l
-4 0 ℃
O
O
+ Cl Cl O Cl
S
B r2
C 2 l
B rH cA 5 0 ℃
1.37
N 1.38 H
1.35 O 1.37
1.37 S 1.71
1、五元杂环π电子数符合贺克尔规则，因此应该具有芳香性， 由于环上电子云密度增大，且α位增大较多，因此环上主要发生亲 电取代反应，且应在α位；
2、由于杂原子不等性杂化及其电负性的影响，其键长并没有 完全平均化，因此其稳定性不如苯环，可以开环和氧化，苯>噻吩> 吡咯>呋喃；
N 5.2
N
N
C3H
C3H H
5.1
11.2
C3H C3H N
C3H
Ph N2 H
9.8
4.6
NC ( 3 H )3 >N3 H>
>Ph N2 H
N
N
N Pka 5.2 O
+R C Cl N
N Cl C
R
N 1.3
O ROH
+R O C Cl O
N
3、互变异构：
+ CH 3I N
SO3
IN CH 3 + N SO3
N -0.58
+0.15
1.000
1.166
1.000
N 1.064
0.866
1.000 1.000
与苯环相比，N原子上的电子云密度增大，α、γ位电子云密 度降低，β位变化不大。
由分析可知：N原子具有碱性， β位克发生亲电取代，α、γ 可以发生亲核取代。总体上讲由于N原子的电负性较大，使环上的 电子云向N原子方向偏移，从而降低了环上的电子云密度，故其亲 电取代困难，而在一定条件下可发生亲核取代，即类似于硝基苯：
O
O
H+ H H2O
C
C2 H C2 H C
H
O
CH CH
O
HO 2C CO 2H
显色反应： H