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
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
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
第十六章杂环化合物2005
1.81D
N+ K
N+ K
+KOH（固）
.. N H
+NH - 液 NH3 +K 2
+
H2 O
+ NH3
+RMgX
N
+ RH
12
MgX
第三节 六元杂环化合物的化学性质 一、吡啶的化学性质
亲核试剂进攻部位
δ
γ
δ δ
亲电试剂进攻部位
β α
N
碱性与成盐
1. 碱性与成盐：
13
NH2 CH3NH2 NH3 N
+
Z
Z
N+ S O3
-
HC l
= ( NH、O、S )
C l C HC H2C l 2 (C H3C O ) O 2 S n C4 l
SO3 Z ( Z = NH、O ) Z
SO3H Z 噻吩可直接用 H2SO4 磺化。
COCH 3
五元杂环化合物进行亲电取代反应的特点是：使用较 为温和的试剂或反应条件。 五元杂环化合物亲电取代反应发生在α-位可用共振 9
(2) 五元杂环化合物是富电子体系，而苯环为等电子 体系，故环上的电子云密度比苯高，其亲电取代反应比苯 容易，尤其易发生在α- 位。杂原子的存在相当于在环上 引入了― NH2、―OH、 ―SH 等活化基团而使环活化， 故进行亲电取代反应的活泼顺序是：
N H
0.140
4 3
O
S
2. 六元杂环化合物 吡啶环的键长也发生了较大程度
pkb
3.36
4.75
8.8
9.3
N
N
CH3 C ≡N
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
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
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
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
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16章 杂环化合物
Br2 300℃ 气 相 (产率 39%)
Br2 发烟 H2SO4 130℃ (产率 86%)
0.87 1.01
0.84
N
1.43
电子云密度
Br
N
H2SO4
N
350℃
SO3H
浓 H2SO4 22℃(产率 70%)
N
混酸 300℃ 24h (产率 6%)
NO2 N
b、亲核取代
7.50
N
7.87 9.15
异喹啉
二、化学性质
1、碱性 异喹啉 pKa=5.4
喹啉
吡啶
pKa=4.94
pKa=5.2
2、取代反应
（1）亲电取代——发生在苯环 (5-或8-位)上
NO2
浓 H2SO4 浓 HNO3
0℃ N
+
N
N
NO2
NO 2
HNO 3,H2SO4 N
+
N
N
NO 2
（2）亲核加成——发生在吡啶环上1,2-位加成
100 82 67 45 43 37 12
呋喃和噻吩均为无色液体。
1HNMR
δ 6.99 δ 7.18
S
δ 6.24 δ 7.29
O
二、化学性质 1、亲电取代 噻吩：对酸敏感性较低
S
呋喃
Br2 CH3COOH
HNO3 (CH3CO)2O
H2SO4
SnCl2 CH3COCl
Br S
S
NO2
S
SO3H
轭酸）=5.2]，比苯胺强
(pKa=4.7)，比脂肪胺弱。
+ HCl
Cl-
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
.. 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
+ 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
§15.2 杂环化合物的结构和芳香性
§15.3呋喃、噻吩、吡咯的制备及反应
1
定义：成环的原子含有非碳原子的环状化合物。该非碳
原子也称杂原子。 例如：
O
S
N
N
H 杂环化合物和生物碱广泛存在于自然界中，在动植物 体内起着重要的生理作用。
2
γ δ
β
α
O
O=
=O O N H
18
O
O
SO3H
+
S + N SO3 N H
C2H4Cl2
H+
S
SO3H
N H
SO3H
+ H2SO4
S (环稳定)
25℃
H2 O
S 噻吩—2—磺酸 69~76%
SO3H
+ H2O
S
19
（C）卤化： + 2Br2 O + Br2 S Br + 2Br2 N H
0℃
Br
CH3COOH
O
Br
低温
S
Br Br
N3
2 CHO 6
N 1
2—呋喃甲醛
3—吡啶甲酸
H 4—甲基咪唑
S 1
2
5—甲基噻唑
5
4
5 CH3 O 1 2
3
CH3 N H β—吲哚乙酸
CH2COOH
CH3 γ
β N
α
2,5—二甲基呋喃 α,α’ —二甲基呋喃
γ —甲基吡啶 (4—甲基吡啶）
(3 —吲哚乙酸)
N 苯 氮(杂)苯 萘
N 1—氮(杂)萘
N pyridine 吡啶
第十六章 杂环化合物
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
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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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。