杂环化合物
大学有机化学第十七章杂环
杂环化合物也可以发生还 原反应，如喹啉可以还原 为二氢喹啉。
还原反应通常涉及还原剂 对杂环的攻击，导致电子 转移和还原产物的生成。
杂环化合物在有机合成中的
06
应用
作为合成子构建复杂分子结构
01 杂环化合物作为合成子
杂环化合物具有丰富的反应性和多样的结构，可 以作为合成子用于构建更复杂的分子结构。
02 杂环合成策略
在天然产物的全合成中，杂环的合成是关键步骤 之一。通过设计合理的合成路线，可以实现杂环 的高效构建。
03 实例分析
以某些具有代表性的天然产物为例，阐述杂环化 合物在天然产物全合成中的应用。
在药物设计和合成中的应用
药物分子的结构特点
许多药物分子都含有杂环结构，这些结构对于药物与靶标 的相互作用具有重要影响。
咪唑
由两个氮原子和三个碳原子组成的五元杂环化合物，具有芳香性。咪唑及其衍生物在医药和农药等领域有重要应 用，如抗真菌药物克霉唑、抗寄生虫药物甲硝唑等。
噻唑
由一个硫原子、一个氮原子和三个碳原子组成的五元杂环化合物，具有芳香性。噻唑及其衍生物在染料、农药和 医药等领域有广泛应用，如杀菌剂稻瘟灵、抗癫痫药物卡马西平等。
大学有机化学第十七 章杂环
目录
• 杂环化合物概述 • 五元杂环化合物 • 六元杂环化合物 • 杂环化合物的合成方法 • 杂环化合物的反应与机理 • 杂环化合物在有机合成中的应用
01
杂环化合物概述
定义与分类
定义
杂环化合物是指分子中含有杂原子（非碳原子）的环状 有机化合物。
分类
根据杂原子的种类和数量，杂环化合物可分为单杂环和 多杂环两大类。其中，单杂环又分为含氮杂环、含氧杂 环和含硫杂环等。
呋喃
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）
第十二章 杂环化合物
当环上连有烷基、硝基、卤素、羟基、氨基等取代基时，以杂环为母体； 当环上连有醛基、羧基、磺酸基时，将杂环作为取代基，取代基位置用 数字编号，杂原子编号应最小。
CHO O
2-呋喃甲醛 2-furancarboxaldehyde
NO2
S
3-硝基噻吩 3-nitrothiophene
CH3
N
4-甲基吡啶 4-methylpyridine
N 吡啶 Pyridine
含二个杂原子
N
N 嘧啶 Pyrimidine
O 吡喃 pyran
N
N 吡嗪
pyrazine
2
五元杂环与 苯环稠合
O
苯并呋喃 benzofunan
稠杂环
六元杂环与 苯环稠合
N
喹啉 quinoline
杂环与杂 环稠合
N
N
N
N
H
嘌呤 purine
N H
吲哚 indole
N
S 苯并噻唑 benzothiophene
苯炔
H2, Pd
N H
N H
H2 , MoS2
S
S
H2 , Ni
15
3、呋喃、吡咯和噻吩环的制法
呋喃容易从糠醛去羰基得到：
O
CHO ＋ H2O
ZnO-Crபைடு நூலகம்O3 400℃
+ CO2 + H2O O
噻吩可以用丁烷或丁烯与硫磺加热反应得到：
CH3CH2CH2CH3+ 4S 600℃
＋ 3H2S S
以氧化铝为催化剂，可以实现呋喃、吡咯和噻吩环的互变 （Yuyev反应）
E H
E H +N H
《有机化学》杂环化合物
N H Pyrrole
吡咯
N
N H Imidazole
咪唑
N O Isoxazole
异噁唑
N N H Pyrazole
吡唑
S
Thiophene
噻吩
N
S Thiazole
噻唑
N S Isothiazole
异噻唑
4
六元环
含一个杂原子：
N Pyridine
吡啶
OБайду номын сангаас
Pyran
吡喃
含两个杂原子：
N N Pyridazine
在所有的杂环母核中，凡是具有共轭双键体系的五 元环和六元环，都具有芳香性。
五个原子分享六个π电子，电子离域使环上各碳原 子的电子云密度相对升高，这类杂环进行亲电性取 代比苯容易。
呋喃
噻吩
吡咯
11
六元杂环化合物：吡啶 •氮原子sp2杂化 •构成芳香体系的是π-π共轭。 •由于氮原子的电负性较强，使 环上碳原子的电子云密度相对 降低，亲电性取代反应比苯要 难，主要在间位。
N
300 oC
H2SO4, SO3 N 230 oC, 24 h
Br
N
-溴吡啶
SO3H
N
-吡啶磺酸
KNO3 + H2SO4
NO2
N
Fe, 300 oC
N -硝基吡啶
16
亲核取代比苯容易，主要发生在α位上。
了解
N
＋ NaNH2 100℃
N
H2O NHNa
N NH2
当α 或 γ位上有易离去基时，较弱的亲核试剂就能 发生亲核取代反应。
代基的杂原子编号为１，并使另一个杂原子的编号
杂环化合物
+ H2SO4 S
2）H2 ）
25℃
S
SO3H
S
4. 用途：合成药物 用途：
H2 MoS2
S
（四）吡咯
N H
含氮化合物的碱性取决于氮原子上未共用 电子对与H 结合能力。 电子对与 +结合能力。 1.物理性质：无色油状液体， 131℃,难溶于 1.物理性质：无色油状液体，b.p 131℃,难溶于 物理性质 易溶于醚或醇中。 水，易溶于醚或醇中。 鉴别：盐酸松片反应呈红色。 鉴别：盐酸松片反应呈红色。
N H
O
S
2. 吡啶
sp2杂化 共平面 大π键 π电子数为6，符合休克尔规则（4n+2）。 电子数为 ，符合休克尔规则（ ）。 具有芳香性（比苯小） 具有芳香性（比苯小） 电负性： 电负性：N>C，环上碳原子的电子云密度降 ， 亲电取代比苯困难，且主要为β 位 比苯困难 低，亲电取代比苯困难，且主要为β-位。 比较容易发生亲核取代，且主要在α 位 比较容易发生亲核取代，且主要在α-位。 容易发生亲核取代 碱性。 N上有未共用电子对，容易接受质子，具有碱性。 上有未共用电子对，容易接受质子，具有碱性
CHO
α-呋喃甲醛 呋喃甲醛
HO CH CH OH H CH C H CHO OH OH
戊糖
稀HCl
O
CHO + 3H2O
2. 物理性质 无色液体，b.p 161.7℃，在光、热空气 无色液体， ℃ 在光、 中，很快产生树脂状聚合物 黄→褐→黑 鉴别方法： 鉴别方法： 遇苯铵醋酸盐溶液呈深红色， 遇苯铵醋酸盐溶液呈深红色，也能鉴别戊糖
7
N N N N H
2 4 8 3 9
5
O
苯并吡喃(氧杂萘) 苯并吡喃(氧杂萘)
第十二章 杂环化合物
N S O3
S O 3H
NO2
（二）喹啉和异喹啉
N
N
1. 物理性质: 喹啉为无色油状液体，有特殊气体， 沸点238 ℃。异喹啉为无色油状液体，沸点243℃， 熔点26.5℃。它们微溶于水，易溶于有机溶剂。
2. 化学性质:
N O2 浓 H NO3
N
浓 H2S O4
+
N
N O2
N
浓 H 2S O4
N
+
N
H Cl
+
Cl
N H
+
N
B F3
+
B F3
N
+
N
S O3
+
N S O3
+
N
C H 3I
I
+
N
CH3
(2)亲电取代反应 比苯难进行亲电取代反应,主要取代 -位 H。
Br2 Br
N
浓HNO
300℃
N
3
浓H
2 SO 4
N O2
N
浓H
300℃,24h
N
4
2 SO 4
HgSO
S O 3H
N
220℃
C O OH
N
H2
Ni
N
N H
五、稠杂环化合物
（一）吲哚
N H
1. 物理性质：吲哚为白色晶体，熔点52℃，沸点 235℃。加热至沸点时，有分解现象。吲哚可溶于 热水、乙醇及乙醚，有极臭的气味，吲哚能使浸有 盐酸的松木片显红色。
2. 化学性质
+
N H
+
Br2
0℃ N H
杂环化合物
吡咯 —无色液体，b.p. 130～131℃，有弱的苯胺气味 —松木片反应：遇盐酸浸湿的松木片呈红色
二、吡啶的物理性质
▪ 吡啶为具有特殊臭味的无色液体, b.p. 115.5℃, 密度 0.982, 可与水、乙醇、乙醚任意混合
▪ 化学性质稳定 可作溶剂（碱性）
三、五员杂环化合物的化学性质
1.亲电取代反应 反应活性顺序：吡咯>呋喃>噻吩>苯
(1) 卤化 呋喃、噻吩在温和条件下(如溶剂稀释及低温)反应 可得一卤代产物；
Br2, 0℃
O Br O O
Cl2
O
-40℃
+ O Cl Cl O Cl
80%
吡咯卤化常得四卤化物，唯有2－氯吡咯可直接卤化制
得。
Br
Br
Br N Br H
Br2, 0℃
AcONO2
O
-5~-30℃
HNO3/(CH3CO)2O
N H
H O NO2
N NO2 H
AcOPyridine
S
H
H
AcO O NO2
O NO2 35%
混酸
S NO2
(3)磺化
呋喃、噻吩和吡咯常用较温和的磺化试剂－吡 啶与三氧化硫加合物进行反应
SO3, CH2Cl2
N
r. t.
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：
S
N
O
N
H
§16-4 杂环化合物的性质
一、呋喃、噻吩、吡咯的物理性质
▪ 呋喃 ▪ —无色液体，b.p. 31.36℃，有氯仿气味 —松木片反应：遇盐酸浸湿松木片呈绿色
有机化学---第17章 杂环化合物
NO2
+
NH2 OH
H2 C CH
CHO
N OH
有利于亲电取代反应的 发生,且主要发生在5, 8 -位。
有利于亲核取代反应的
活化环
N ..
碱性
发生, 且主要发生在2 - 位。
钝化环
39
(1) 碱性 与吡啶相似，具有弱碱性(pkb=9.15)。 (2) 亲电取代反应
NO2
H2SO4 220℃
0.136(0.143) 0.1370(0.147) 0.1714(0.182)
0.1361 0.1383 0.1370 C =C 0.134
0.1430 0.1417 0.1423 C C 0.154
Z Z = O、NH、S
结 论：
① 五元杂环化合物分子中的键长一定程度上发生了平
12
均化，且具有一定程度的不饱和性及环的不稳定性。
N SO3H
N
HNO3 H2SO4
N
+
Br
Br2 , H2SO4 Ag2SO4 ,
② 芳香性较弱，具有部分共轭二烯的性质，因而呋
喃及其衍生物容易进行Diles-Alder反应和一般的亲电
加成反应。
O
O
O
30℃
O H O H
18
+
O O
O
+
O
Br2
CH3 COOK CH3OH
H Br O
H Br
呋喃在Ni催化下，易于加氢生成四氢呋喃(THF) ——良好的溶剂和重要的有机合成原料。
的许多衍生物在医药上具有重要意义，特别是抗疟类
药物。 喹啉及其衍生物通常用Skraup合成法来合成。
杂环化合物定义
杂环化合物定义杂环化合物是一类含有至少一个杂原子（指不是碳原子的原子）的碳氢化合物。
它们的分子结构通常包括一个或多个环，并含有不同的杂原子，如氮、氧、硫等，这赋予了它们独特的化学性质和功能。
一、杂原子1.1 氮杂环化合物其中最常见的是咪唑和嘧啶。
在咪唑中，氮原子是在环上的。
它使它在一些细胞信号转导、 RNA 与 DNA 的生物合成中扮演重要角色。
而嘧啶含有两个氮原子，一个位于环中，另一个则连接着杂环。
1.2 氧杂环化合物这类化合物通常包括呋喃、吡咯烷酮、吡喃等。
多用于制药、农药、染料等领域。
1.3 硫杂环化合物例如噻吩和二恶硫。
其中噻吩可以作为一些染料、润滑油和药物的原料，因为它具有防腐和抗氧化的作用。
二、杂环的特点2.1 可通过不同的杂原子以及相对排列方式制造出种类繁多的化合物。
2.2 杂环化合物具有多种多样的化学和生物活性，因此成为了广泛应用的重要原料。
2.3 杂环亦能改变化合物的分子形状和分子间的各种不同相互作用，从而加强添加物的分子间相互作用力，其作用值得深入挖掘。
三、杂环的应用3.1 杂环化合物广泛应用于医药领域，如抗生素、抗肿瘤药物、心血管药物等的制造。
3.2 在新型材料的研究中，杂环化合物作为一种功能性的化合物，拥有广泛的应用前景。
3.3 杂环化合物也被用于新型铀和镎的萃取分离和控制核材料的制备。
结语杂环化合物是一类特别的有机化合物，以其多样的结构和广阔的应用领域而被广泛使用。
期望在未来，随着人们对其的进一步研究，可以开发出更为优异的化合物及其应用。
有机化学第十六章杂环
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10章杂环化合物
第10章杂环化合物第10章杂环化合物§杂环化合物的分类和命名分类1、按照环的多少分类单杂环：常见的是五元杂环和六元杂环，环上的杂原⼦有⼀个或两个。
五元杂环：六元杂环：吡喃没有芳⾹性，⽣成盐后则具有芳⾹性。
稠杂环：由苯环与单杂环或两个以上单杂环稠合⽽成的。
命名常见的基础杂环多数是具有芳⾹性的，命名时作为杂环化合物的母核。
1、⾳译法中⽂名称采⽤⾳译法，⽤带⼝字旁的同⾳汉字表⽰。
对于⽆特定名称的杂环化合物，中国化学会1980年颁布的有机化学命名原则规定：采⽤“杂”字作介词，把杂环看作是相应的碳环母核中碳原⼦被杂原⼦置换后的衍⽣物来命名。
国外现在采⽤的Hantzsch-Widman系统，规范了10元以下⼀般杂环的词尾词⼲的书写格式。
为了正确表明取代基位置，需将杂环母核编号，编号规则主要有：（1）含⼀个杂环原⼦的单杂环，从杂原⼦开始编号。
有时也使⽤希腊字母，把靠近杂原⼦的位置叫做α位，其次是β位，再其次是γ位。
（2）含两个及以上相同杂环原⼦的单杂环，编号从连有氢原⼦的杂原⼦开始，并使另⼀杂原⼦所在位次保持最⼩。
（3）含两个及以上不同杂环原⼦的单杂环，编号从价数⼩杂原⼦开始，价数相同时则从原⼦序数⼩的开始。
因此，常见杂原⼦编号优先顺序为O、S、N。
⼀般常见的稠杂环有特定的编号，或是沿⽤习惯。
§五元杂环化合物结构和物理性质1、结构这三种杂环上的原⼦都是sp2杂化，为平⾯结构。
每个碳原⼦垂直于环平⾯的p轨道有⼀个电⼦，杂原⼦垂直于环平⾯的p轨道有⼆个电⼦。
三种杂环π电⼦数都是6个，符合休克尔规则，都具有⼀定的芳⾹性。
结构特点：杂原⼦sp2杂化，未成键电⼦对在2p轨道上，参与共轭。
从吡咯的共振式看出，杂原⼦氮上部分负电荷分布到了碳原⼦上。
杂原⼦共轭效应是推电⼦的，诱导效应是吸电⼦的。
由于6个π电⼦分布于5个原⼦上，整个环的π电⼦⼏率密度⽐苯⼤，是富电⼦芳环。
因⽽⽐苯环活泼，亲电取代反应⽐苯快得多。
第15章 杂环化合物
54
6
3
7
N2
81
异喹啉
isoquinoline
[命名] 音译名
（Imidazole）
H N
（ Thiophene）
O
S
S
H
H
N
NN
N
N
吡咯 呋喃
（Pyrrole）（Furan）
噻吩 噻唑 咪唑 吡唑
（ Thiazole）
（Pyrazole）
N N
N
吡啶Pyridine
喹啉Quinoline
异喹啉Isoquinoline
CH3COONO2
O
- 5~30oC
O NO2
(35%)
CH3COONO2
N H
OH-,5oC,Ac2O
N NO2 + H (83%)
NO2
N H
(7%)
当呋喃或吡咯环上连有吸电子基团时，环的稳定性
增 加，可用一般方法硝化。
O2N
N H
CCH3 O
HNO3 H2SO4
O2N
N H
CCH3 + O
N H
吡啶N
P
N
SP2
N 吡咯N
P
H
SP2
C
呋喃O(噻吩S)
P
P
SP2
SP2
“多π”芳杂环———六个电子由五个原子分配，每个碳 原子的电子云密度比苯环高，故亲电取代比苯容易。
H
O
S
N
2.33 10-30C.m 1.70 10-30C.m 6.03 10-30C.m
N原子
给电子共轭>> 吸电子诱导。
吡啶N：吸电子诱导+吸电子共轭
有机化学-第十七章 杂环化合物
氮杂-2,4,6-环庚三烯
二、命名 1、音译法命名：根据英文音义，用带口字旁的同音汉字
N H (pyrrole) 吡咯
O (furan) 呋喃
N
N (pyrimidine)
嘧啶
N
(quinoline) 喹啉
S (thiophene)
噻吩
N H (indole) 吲哚
N (pyridine)
吡啶
S
α-噻吩磺酸
呋喃和吡咯对及氧化剂都比较敏感，应使用特殊的试 剂乙酰硝酸酯进行硝化，使用吡啶三氧化硫进行磺化。
+
－
N SO3
SO3H
O
O
α-呋喃磺酸
O
CH3 C ONO2
N
(CH3CO)2O,－10℃
N
NO2
H
H
α-硝基吡咯
吡啶比苯难发生亲电取代反应，反应条件要求和硝基 苯差不多；在发生反应时取代基主要进入β-位。
1 α-呋喃甲醛
HO CH CH OH H2SO4
H CH C H Δ CHO
OH OH
+ 3H2O O CHO
糠醛是没有α-氢的醛，化学性质和苯甲醛相似。
浓 NaOH
+
O CHO
O CH2OH O COOH
2 卟啉化合物
卟啉化合物是一类广泛存在于自然界中的化合物，它
们的分子中都含有卟吩环。
2α314 NhomakorabeaNH
N
δ
β
N
HN
8
5
7
γ
6
卟吩环
CH CH2
吡咯的酸性极弱，介于醇和酚之间。
Δ + KOH（固）
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。
第十四章 杂环化合物
异噁唑 isoxazole
(2) 含两个杂原子的五元单杂环
噻唑 thiazole
异噻唑 isothiazole
(2) 含两个杂原子的五元单杂环 Ø 母核确定后，编号从杂原子开始，选择杂原子顺 序为：
-O- > -S- > -NH- > -N=
Ø 同时使其他杂原子编号位次尽可能小; Ø 在此基础上，若有取代基，使其位次尽可能小。
吡啶-4-甲酸 2-甲基吡啶 2-methylpyridine pyridine-4-carboxylic acid γ-吡啶甲酸 γ-pyridinecarboxylic acid
(4) 含两个杂原子的六元单杂环
哒嗪 pyridazime
嘧啶 pyrimidine
吡嗪 pyrazine
(4) 含两个杂原子的六元单杂环 Ø 例：
N H
5、根据杂环中碳原子电子云密度： 富π电子杂芳环和缺π电子杂芳环 Ø 五元杂芳环富电子 Ø 六元含氮杂芳环缺电子
N
吡啶
O
呋喃
（二）杂环化合物的命名 命名原则： 按IUPAC命名原则规定，保留特定45个杂环化合物的 俗名和半俗名并作为命名的基础。以此原则为准，我 国多采用“音译法”，即按英文名称的读音，选用同 音口字旁的汉字（“口”字旁表示为杂环），对杂环 化合物进行命名。 注意：命名时需要记住母环名称，编号时不同的母环 有不同的编号方法。
Ø 具有生物活性的杂环骨架化合物：
一、杂环化合物的分类和命名 （一）杂环化合物的分类 1、根据环的大小： 五元杂环和六元杂环
N
吡啶
O
呋喃
2、根据环中所含杂原子种类：N、O、S
O
呋喃
N H
吡咯
第十二章杂环化合物
第⼗⼆章杂环化合物第⼗⼆章杂环化合物⼀、定义和分类分⼦中含有由碳原⼦和其它原⼦共同组成的环的化合物称为杂环化合物。
杂环中的⾮碳原⼦称为杂原⼦，最常见的杂原⼦有N 、O 、S 等。
象环醚、内酯、环酐及内酰胺等似乎也应属于杂环化合物。
但是，由于这些环状化合物容易开环形成脂肪族化合物，其性质⼜与相应的脂肪族化合物类似，因此，⼀般不放在杂环化合物中讨论。
本章讨论的是环系⽐较稳定，并且在性质上具有⼀定芳⾹性的杂环化合物。
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；多杂环稠杂环、桥杂环及螺杂环，其中以稠杂环较为常见。
⼆、命名杂环化合物的名称包括杂环母体及环上取代基两部分。
杂环母环的命名有⾳译法和系统命名法2种。
⾳译法：是⽤外⽂谐⾳汉字加“⼝”偏旁表⽰杂环母环的名称。
如呋喃等。
系统命名法：是把杂环看作杂原⼦转换了相应碳环中的碳原⼦，命名时以相应的碳环为母体，在碳环名称前加上杂原⼦的名称，称为“某（杂）某”。
如吡啶称为氮（杂）苯，喹啉称为1-氮（杂）萘。
杂环母环的编号规则（1）含1个杂原⼦的杂环，从杂原⼦开始⽤阿拉伯数字或从靠近杂原⼦的碳原⼦开始⽤希腊字母编号。
（2）如有⼏个不同的杂原⼦时，则按O 、S 、-NH-、-N=的先后顺序编号，并使杂原⼦的编号尽可能⼩。
（3）有些稠杂环母环有特定的名称和编号原则。
杂环的命名如下：2-硝基吡咯 4-甲基吡啶 2-甲基-5-苯基噻唑α-硝基吡咯γ-甲基吡啶3-甲基-8-羟基喹啉 1-甲基-7-氯异喹啉 1-甲基-2-巯基咪唑 2-呋喃甲醛（糠醛） 2-噻吩磺酸 3-吡啶甲酰胺α-呋喃甲醛α-噻吩磺酸β-吡啶甲酰胺N H NO 2N CH 3N S C 6H 5CH 3N CH 3CH 3N Cl N CH 3N SH O CHO S SO 3H N CONH 2三、五元杂环化合物（⼀）吡咯、呋喃和噻吩1、结构与芳⾹性吡咯环的4个碳原⼦和1个氮原⼦都以SP 2杂化轨道成键。
杂环化合物
杂环化合物杂环化合物是由碳原子和非碳原子共同组成环状骨架结构的一类化合物。
这些非碳原子统称为杂原子，常见的杂原子为氮、氧、硫等。
前面已经学过的内酯、内酰胺、环醚等化合物都是杂环化合物，但是这些化合物的性质与同类的开链化合物类似，因此都并入相应的章节中讨论。
本章将主要讨论的是环系比较稳定、具有一定程度芳香性的杂环化合物，即芳杂环化合物。
杂环化合物的种类繁多，数量庞大，在自然界分布极为广泛，许多天然杂环化合物在动、植物体内起着重要的生理作用。
例如：植物中的叶绿素、动物血液中的血红素、中草药中的有效成分生物碱及部分苷类、部分抗生素和维生素、组成蛋白质的某些氨基酸和核苷酸的碱基等都含有杂环的结构。
在现有的药物中，含杂环结构的约占半数。
因此，杂环化合物在有机化合物（尤其是有机药物）中占有重要地位。
第一节分类和命名一、杂环化合物的分类芳杂环化合物可以按照环的大小分为五元杂环和六元杂环两大类；也可按杂原子的数目分为含一个、两个和多个杂原子的杂环，还可以按环的多少分为单杂环和稠杂环等。
见表14-1。
表14-1有特定名称的杂环的分类、名称和标位类别含一个杂原子的五元杂环含两个杂原子的五元杂环β432杂环母环β51βαα54132βααβ5β4132αNHαOS吡咯呋喃噻吩PyrroleFuranThiopheneβ432Nαβ51βα5413Nβ2βαα5413Nβ2βαα5β4132βα5413Nβ2αNααNHNHOOS吡唑咪唑噁唑异噁唑噻唑PyrazoleImidazoleO某azoleIo某azoleThiazole14-1五元稠杂环含一个杂原子的六元杂环含两个杂原子的六元杂环六元稠杂环4535214352164356278943N1767NH67ONHNH21吲哚苯并呋喃苯并咪唑咔唑IndoleBenzofuranBenzimdazoleCarbazoleγ456132γβα564312γβα4 56132βαNOO吡啶2H-吡喃4H-吡喃Pyridine2H-Pyran4H-Pyran45634563NN456312N12NN12N哒嗪嘧啶吡嗪PyridazinePyrimidinePyrazineN67658413267584132658413N212NN357N8N N7NN4N9H喹啉异喹啉喋啶嘌呤QuinolineIoquinolinePteridinePurine1251087376899N10514239876HN10 5123N46NS4吖啶吩嗪吩噻嗪AcridinePhenazinePhenothiazine二、杂环化合物的命名（一）有特定名称的稠杂环14-2杂环化合物的命名比较复杂。
杂环化合物
s
+
2H2
MoS2
200℃,200大气压
S
2[O]
浓HNO3
OSO
环丁砜
吲哚（结构见表10－2）是结晶固体，熔点52℃， 沸点235℃。可溶于热水、乙醇及乙醚中。它存在于 煤焦油中，蛋白质腐败时也有吲哚产生。纯吲哚在浓 度极稀时，有花香味，用于香料工业中。
N
(CH3CO)2O,-10℃
H
+ H2O
N NO2 H 51% 2-硝基吡咯
浓HNO3,浓H2SO4
300℃,24h N
NO2
N
8%
3-硝基吡啶
（3）磺化 富电子的芳杂环较易磺化。
室温
+ H2SO4(浓)
S
缺电子芳杂环磺化较难：
SO3H + H2O
S 2―噻吩磺酸
发烟H2SO4
SO3H
HgSO4,220℃
N
N
3―吡啶磺酸
2. 氧化反应 吡咯等五元芳杂环：它们是富电子的，容易与氧化
剂作用。吡咯被氧化导致环的破裂和聚合物的形成。特 别是在酸性环境中，由于H+与氮、氧、硫上的孤对电子 结合，破坏了芳香结构，使环具有环烯的性质，氧化反 应就更容易发生。吡咯和呋喃不能用浓硝酸和浓硫酸进 行硝化和磺化，就是由于它们容易被硝酸和硫酸氧化破 环的缘故。
而沉淀下来，在分析化学中用于测定这些离子。
54
6
3
8-羟基喹啉的化学结构为：
7
8 OH
N 1
2
合成药物及合成染料中多有含杂环化合物；在生 物体内有着重要生理作用的血红素、叶绿素、核酸都 是含有氮的杂环化合物；一些植物色素、植物染料、 维生素和抗菌素也都是含有杂环化合物。查一查在自 然界分布极广数量上约占整个有机物的三分之一的杂 环化合物的几个实例及应用。
杂环化合物
吡
咯
的
结 构
N H
共轭效应是给电子的。 诱导效应是吸电子的。
N
孤电子对在p轨道上。
吡咯 结构: 吡咯N是sp2杂化，孤电子对参与共轭。 反应: 碱性较弱，环易发生亲电取代反应，环上相当于
有一个邻对位定位基。
呋喃、噻吩的结构与吡咯类似。
三. 呋喃、噻吩、吡咯的反应
1. 呋喃、噻吩、吡咯的亲电取代反应
（1）概述 *1 亲电取代反应的活性顺序为:
>
N H
O
>
S
>
>吡啶
*2 取代反应主要发生在α-C上；
*3 吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感, 选择试 剂时需要注意；
（2） 呋喃、噻吩、吡咯的硝化反应
呋喃, 噻吩和吡咯易氧化, 一般不用硝酸直接硝化; 通常用比较温和的非质子硝化试剂，如: 硝酸乙酰酯。 反应在低温下进行。
H
H
Na + C2H5OH S
+
S
S
四 含有一个杂原子的六元杂环体系
1. 吡啶的结构
N
=2.20D
孤电子对在 sp2杂化轨道 上。
共轭效应和诱导效应都是吸电子的
吡啶 结构: 吡啶N是sp2杂化，孤电子对不参与共轭。 反应: 碱性较强。环不易发生亲电取代反应但易发生亲核
取代反应。发生亲电取代反应时，环上N起间位定 位基的作用。
噻吩(thiophene)
4
3β
5
1
N H
2α
吡咯(pyrrole)
4
5
3
6
2
7
N H
1
苯并吡咯 吲哚 (indole)
43
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岐化：
浓NaOH
O CHO
O COONa +
糠酸钠
O CH2OH
糠醇
缩合： O
CHO + (CH3CO)2O NaOAc
+ HOAc O CH=CHCOOH
a-呋喃丙烯酸
氧化：
KMnO4,OH-
O CHO
O COOH
还原：
H2/Ni
O CHO
O CH2OH
H2/Cu, 铬铁矿
O CHO
O CH2OH
下列实验事实都说明呋喃、噻吩、吡咯具有芳香性：
① 键长数据 呋喃、噻吩、吡咯都具有一定程度的键长平均化：
注：普通C＝C键长0.133nm；普通C－C键长0.154nm。
② 环流效应 ：它们的核磁共振吸收均出现在低场：
O
③ 离域能数据
S
N H
C H2
苯 > 噻吩 > 吡咯 > 呋喃
离域能：152 117 88
N
以这一对孤对电子很容易给出，从
而表现出碱性。
Hale Waihona Puke ③ 吡啶环也有环流效应， 说明吡啶有芳香性：
N
(二) 五元杂环（呋喃、噻吩、吡咯）
1.通用化学性质
(1) 亲电取代 比苯快，新引入基上α－位。
卤代
O
+ Br2 1,245-。二C，氧7六5%环
O Br+ HBr
醋酸硝酰 ，一种弱的硝化试剂
硝化 O + CH3COONO 2 S + CH3COONO 2
呋喃 HCl- 松木片 绿色 吡咯 HCl- 松木片 红色 噻吩 靛红-H2SO4 蓝色 糠醛 醋酸－苯胺 红色
用于区别检验五元杂环
2. 吡咯的特殊性质
吡咯分子中氮原子上虽然带有孤对电子，但是由于其参与了 环电状子π云56密的度共降轭低，，为孤整对个电环子状难共以轭表体现系碱所性共。享，从而使氮上
O NO2 不用强酸，否则呋喃
或噻吩开环聚合！
S NO2
吡啶三氧化硫，一种温和的磺化剂
磺化 O
N H
C5H5N SO3 C5H5N SO3
O SO3H
N SO3H H
不能用强酸！
浓H2SO4
S
室温
（苯在室温下不能磺化 ！） S SO3H
说明：① 噻吩环芳性比呋喃环和吡咯环强，较稳定； ② 噻吩环上电子云密度比苯环大，更容易磺化。
67 KJ/mol
以上的数据或实验事实说明芳香性：
S
N
O
H
与苯的性质接近
具有部分共轭 二烯的性质
(乙) 六元杂环的结构
吡啶中氮原子采取不等性sp2杂化：
p
N sp 2 p
结果是：
N
sp 2
① 吡啶符合休克尔4n+2规则，有芳香性。但由于键长未完全平 均化，其芳香性不及苯。
0.140nm
0.139nm
罂粟花
根据有无芳香性，可将杂环化合物分为非芳香性杂环和芳香性 杂环。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,不在讨论之列。
甲、常见的杂环化合物如下：
五元杂环化合物：
O
呋喃 Furan
N N H
吡唑 Pyrazole
S
噻吩 Thiophene
N
N H
咪唑 Idmiazole
N O
噁唑 Oxazole
(三) 六元杂环化合物（吡啶）
吡啶的化学性质
(1) 碱性与亲核性
由于氮上孤对电子与苯环共面，不参与环体系的共轭， 所以吡啶有碱性和亲核性，且碱性大于苯胺：
第十七章 杂环化合物
(一) 杂环的分类、命名和结构 (二) 五元杂环（呋喃、噻吩、吡咯） (三) 六元杂环(吡啶） (四) 稠杂环（喹啉）
(一) 杂环的分类、命名和结构
杂环化合物种类很多，广泛存在于自然界中，与动植物的生理 作用及药物、染料等关系密切。
(1) 分类和命名
杂环化合物是指含环上有杂 原子、有一定芳香性的环状 化合物。
N H
吡咯 Pyrrole
N
S
噻唑 Thiazole
五元稠杂环化合物：
O
S
苯并呋喃 Benzofuran
苯并噻吩 Thionaphene
六元（稠）杂环化合物：
N H
吲哚（苯并吡咯） Indole
N
吡啶 Pyridine
N
喹啉 Quinoline
乙、命名：
杂环化合物的命名常用音译法。例如：
CH3
N g-甲基吡啶
4 N3 5N 2
1
咪唑 imidazole
CH2COOH N b-吲哚乙酸
O CHO a-呋喃甲醛
糠醛
（以O S N为序！）
(2) 结构和芳香性
(甲) 五元杂环的结构
呋喃、噻吩、吡咯分子中所有的原子共平面，具有与苯环类 似的结构。
吡咯( N-H )：
N:2s 22p 3 s轨道 p轨道
sp2杂化
(2) 加成
O + H2 Pd
N + H2 Pd
H
O （THF,重要溶剂）
N （吡咯烷，R2NH的性质） H
S
200H。2,CM,o2S02MPa
含硫，可使催化剂中毒!
KMnO4
S
四氢噻吩
S OO
环丁砜，重要溶剂
O
4
3 O+ O
2
1
O
O
3
4
21
O C
CO O
呋喃环具有共 轭双烯的性质！
(3) 颜色反应
利用磺化反应可分离苯和噻吩：
( b.p81。C) S。
( b.p84.C)
浓H2SO4 室温
付氏酰基化： N
H
（苯层）
分液
S SO（3H酸层）
蒸馏 无噻吩苯
+(CH3CO)2O
150-200。C
60%
N COCH3 H
取代反应活性的次序 吡咯 > 呋喃 > 噻吩 > 苯
芳香性 苯 > 噻吩 > 吡咯 > 呋喃
N 0.134nm
0.140nm 0.140nm
正常值(单位：nm) C-N C=N C=C 0.147 0.128 0.133
C-C 0.154
吡啶分子的偶极矩数据(D＝7.4×10-30C•m ) 也表明吡啶分子中 电子云不是完全平均分布的。
② 由于吡啶环中氮原子上的一对
孤对电子与苯环共平面（填入sp2轨 道中），不参与环状共轭体系，所
p 轨道 sp2轨道
p轨道
NH
呋喃( O )：
O:2s22p 4
s轨道
p 轨道
sp2杂化
p 轨道 sp2轨道
p轨道
sp2杂化轨道
O
噻吩( S )具有与呋喃相似的结构。
杂原子上的一对p电子与σ平面垂直，与未参与杂化的p轨道平行， 形成 π56的大π键，这种大π键符合休克尔4n+2规则的要求，它们 具有一定的芳香性；由于环上的5 个原子共享6个π电子，电子 云密度比苯环大，发生亲电取代反应的速度也比苯快得多。
所以，吡咯的碱性弱于苯胺的碱性。吡咯（pKa=17）的酸性 远远小于酚(pKa=10)。
碱性：苯胺 >> 吡咯
能与强酸成盐
不能与强酸成盐，遇酸分解
N + KOH(S) H2O
H
N- + H2O
K+
3. 糠醛（α－呋喃甲醛）的特殊性质
构造： O CHO
最初由米糠与稀酸共热而得，故名糠醛。 糠醛具有典型的无α－H的醛的性质：