第十七章杂环化合物
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有机化学---第17章 杂环化合物
、 内酯、环状酸酐等。
环为平面型共轭体系，环内π电子数符合4n+2规 则，具有一定芳香性的杂环化合物。
2
2、杂环化合物的分类
五元杂环, 如 单杂环 六元杂环, 如 杂环化合物 稠杂环 两个以上单杂环稠并
N N N H
O N
N H
S
苯环与单杂环稠并, 如 N H
N
N
3
3、杂环化合物的命名 （1）音译法 ——在同音汉字左边 + 口字旁
N ..
H2SO4,HgSO4 220℃
N
N
NO2
β-硝基吡啶
SO3H
β-吡啶磺酸
34
当吡啶环上连有供电子基团时，将有利于亲电取
代反应的发生；反之，就更难以进行亲电取代反应。
NO2
HNO3,H2SO4
H3 C N CH3
100℃
H3 C
N
CH3
吡啶环也象硝基苯一样，不能发生F―C烷基化和 酰基化反应。
吲哚具有芳香性，亲电取代反应发生在吡咯环上； 吲哚亲电取代反应的活性比苯高，但比吡咯低。 亲电取代反应的位置：
5 4 3 7
E+
1
苯 环
6
N H
2
吡咯环
26
进攻 C2 N H + E
+
进攻 C3
只有一个带有完 E N 2 H 整苯环的共振杂化体。 H 3 E 3 E H H + + N N H H
OH
6
S1
苯并呋喃
1
苯并吡咯 喹啉
N
9 7 8
苯并噻唑
N N
3
5 4
HO
N H
OH
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
第十七章 杂环化合物
重要的杂环 N
O 呋喃
furan
N H 吡咯
pyophene
N N
环
吡啶
pyridine
N
嘧啶
稠杂环
N
喹啉
嘌呤
杂环化合物的命名方法有两种：译音法和系统命名法。最常用的是译音法。
O
N H
S
N
furan
呋喃
pyrrole
吡咯
thiophene
噻吩
pyridine
吡啶
有取代基时，将杂原子编为１号，或与杂原子相邻的碳原子编为α，依次 为α，β，γ······
3
溶于水， pKa=8.9，弱碱 性
O
N
嘌呤
NH2 N N
鸟嘌呤
CH3 N
H3C O
N N CH3
N
N
咖啡碱，存在于茶 叶和咖啡中
作业p574
（一） （五）(2)(5)(7)(9)(11)(12)
（十）
（十五）
17.2 五元杂环化合物 17.2.1 五元杂环化合物的化学性质 1、亲电取代反应 相当于苯酚或苯胺的活性——反应主要发生在α-位 硝化
N H
O + H3C C ONO2
乙醇 -10℃
N H SO 3H
N H NO 2
-硝基吡咯
磺化
N H
+ SO3
吡啶 100℃
-吡咯磺酸
O
卤化
O
+ Br2
O 0℃
α –溴代呋喃 (90%)
O
Br
S
+ Br2 AcOH
室温
Br S α –溴代噻吩
Friedel–Crafts酰基化
第十七章杂环化合物
H
H
N
H
N
H
H
图17.2 吡啶的轨道结构
N
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，所以这一对孤对电子 很容易给出去从而表现出碱性。
0.140 nm
0.139 nm
N
0.134 nm
C–N: 0.147 nm C=N: 0.128 nm
吡啶的键长有较大程度的平均化。
E
XH E H
X
E XH
亲电试剂进攻 2 位的中间体稳定，反 应主要发生在 2 位上 。
呋喃、噻吩、吡咯的制备（不讲）
Paal–Knorr合成法
γ –二羰基化合物在酸催化下脱水或与 氨或硫化物作用
TsOH
甲苯,△ H3C O CH3
H3C O O CH3
P2S5 170℃
H3C S CH3
NH3 甲苯,△
它们在亲电取代反应中，使用温和的 试剂。
(1) 硝化 一般采用硝酸乙酰脂 CH3COONO2
作硝化剂。
S
+
CH3COONO2
Ac2O–AcOH －0℃
S
NO2 +
NO2 S
2–硝基噻吩(66%) 3–硝基噻吩(10%)
(2) 磺化 吡咯、呋喃通常采用吡啶与SO3的加
合物。
N + SO3
N·SO3
HNO3,H2SO4
N
0oC
50%
NO2
48%
+
N
N
NO2
17.3.3 嘌呤（不讲）
习题
（一）（1）（3） （三） （五）（1）（4）（7）（11）（12）（13） （六）
【全文】杂环化合物
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
5
N H
N 1
2
吡唑(pyrazole)
4 N3
5
2
N H
1
咪唑(inidazole)
4 N3
5
2
S1
噻唑(thiazole)
六元杂环化合物
γ 4
5
3β
6 N 2α 1
吡啶(pyridine)
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：
O NH
NO H
NH2 N
NO H
O
H3C
NH
NO H
尿嘧啶(U) 胞嘧啶(C) 胸腺嘧啶(T)
二 嘌呤的两个重要衍生物
NH2
6 1N
5N
2
N 3
4
N H
腺嘌呤(A)
(6-氨基嘌呤)
OH
6 1N
5N
H2N
2
N 3
4
N H
鸟嘌呤(G)
(2-氨基-6-羟基嘌呤)
第十七章 杂环化合物
以吡咯为例 ，①参与成环的五个原子处于同 一平面，②碳原子和杂原子都是sp2杂化 。
孤电子对 在p轨道
SP2 2P 吡咯 N：sp2
杂原子上的孤对电子参与共轭，形 成共轭体系，其π电子数符合休克尔规则 （π电子数 = 4n+2），所以有芳香性。 吡咯是富电子环，取代反应比苯容易。
呋喃与噻吩有相似的结构。
67
从离域能的大小可以看出，三种五元杂环化合物
的芳香性强弱次序为： 苯 > 噻吩 > 吡咯 > 呋喃
2．六元杂环化合物的结构
以吡啶为例 ，①碳原子和氮原子处于同 一平面， ②每个原子都是sp2杂化。
孤电子对在 sp2杂化轨道
SP2 2P
吡啶 N：sp2
六元杂环是缺电子环，取代反应比苯难。
三、杂环化合物的化学性质
7
1
4
5
3
6
2
7
N1 H
例如：
CHO O
2-呋喃甲醛(糠醛）
O2N
O
CHO
5-硝基-2-呋喃甲醛
CH3 COOH
N
4-甲基-2-吡啶甲酸
CH2COOH
N H
3-吲哚乙酸
(2)含有两个或两个以上相同杂原子
从连有氢或取代基的杂原子开始编号，并且使
杂原子位次之和最小。
4
3
5
N
N
1
2
H
4 N3
5
2
N H
CH3
4
N3
5
HOCH2CH2
2
S
1
4-甲基-5-(2,-羟乙基)噻唑
（4）嘌呤环的编号
6
7
1N
5N
1
孤电子对 在p轨道
SP2 2P 吡咯 N：sp2
杂原子上的孤对电子参与共轭，形 成共轭体系，其π电子数符合休克尔规则 （π电子数 = 4n+2），所以有芳香性。 吡咯是富电子环，取代反应比苯容易。
呋喃与噻吩有相似的结构。
67
从离域能的大小可以看出，三种五元杂环化合物
的芳香性强弱次序为： 苯 > 噻吩 > 吡咯 > 呋喃
2．六元杂环化合物的结构
以吡啶为例 ，①碳原子和氮原子处于同 一平面， ②每个原子都是sp2杂化。
孤电子对在 sp2杂化轨道
SP2 2P
吡啶 N：sp2
六元杂环是缺电子环，取代反应比苯难。
三、杂环化合物的化学性质
7
1
4
5
3
6
2
7
N1 H
例如：
CHO O
2-呋喃甲醛(糠醛）
O2N
O
CHO
5-硝基-2-呋喃甲醛
CH3 COOH
N
4-甲基-2-吡啶甲酸
CH2COOH
N H
3-吲哚乙酸
(2)含有两个或两个以上相同杂原子
从连有氢或取代基的杂原子开始编号，并且使
杂原子位次之和最小。
4
3
5
N
N
1
2
H
4 N3
5
2
N H
CH3
4
N3
5
HOCH2CH2
2
S
1
4-甲基-5-(2,-羟乙基)噻唑
（4）嘌呤环的编号
6
7
1N
5N
1
第十七章杂环化合物
70%
-NO2 S
5%
③ 磺化反应 吡咯、呋喃不能直接用硫酸磺化，因为它们在浓硫酸中 不稳定，会发生聚合，通常用一种温和的磺化剂—— 吡啶 三氧化硫进行磺化。
+ SO3
+
吡啶
N
N 吡啶三氧化硫 SO3
100 ℃
+ N H
HCl
N SO3 -SO3H +
90%
+
N H 90% Cl
-SO3 ·
-
N+ H
4 - 甲基 - 5 - ( 2' -羟乙基 ) 噻唑
N O 苯并呋喃 S 苯并噻唑
3) 根据相应碳环母核命名
把杂环当作是相应的碳环中碳原子被杂原子置换而形 成的，命名时在碳环母体名称前加“某杂” （杂原子的名 称）两字，以表示其中的杂原子。 N 氮（杂）茂 N
苯（碳环母核）
茂（碳环母核）
O 氧（杂）茂
150 ℃~160 ℃
N N H H 2-乙酰基吡咯 呋喃与酸酐或酰氯在催化剂作用下发生酰基化反应。 + (CH3CO)2O
BF3
-COCH3 60%
-COCH3 75%~92%
O
（或CH3COCl）
H2PO4
或SnCl4
O 2-乙酰基呋喃
噻吩酰化反应要用磷酸或氯化锡作催化剂。
S
+ (CH3CO)2O
① 卤代反应 像苯酚和苯胺一样，吡咯、呋喃、噻吩很容易发生卤代 反应。 氯代、溴代不但不需催化剂，而且为避免多取代物，往 往采用温和条件，如用溶剂稀释和采用低温。 吡咯反应活性最大，在低温下进行，一般得多卤产物。 Br-Br C2H5OH + Br2 Br-Br 0℃ N N
-NO2 S
5%
③ 磺化反应 吡咯、呋喃不能直接用硫酸磺化，因为它们在浓硫酸中 不稳定，会发生聚合，通常用一种温和的磺化剂—— 吡啶 三氧化硫进行磺化。
+ SO3
+
吡啶
N
N 吡啶三氧化硫 SO3
100 ℃
+ N H
HCl
N SO3 -SO3H +
90%
+
N H 90% Cl
-SO3 ·
-
N+ H
4 - 甲基 - 5 - ( 2' -羟乙基 ) 噻唑
N O 苯并呋喃 S 苯并噻唑
3) 根据相应碳环母核命名
把杂环当作是相应的碳环中碳原子被杂原子置换而形 成的，命名时在碳环母体名称前加“某杂” （杂原子的名 称）两字，以表示其中的杂原子。 N 氮（杂）茂 N
苯（碳环母核）
茂（碳环母核）
O 氧（杂）茂
150 ℃~160 ℃
N N H H 2-乙酰基吡咯 呋喃与酸酐或酰氯在催化剂作用下发生酰基化反应。 + (CH3CO)2O
BF3
-COCH3 60%
-COCH3 75%~92%
O
（或CH3COCl）
H2PO4
或SnCl4
O 2-乙酰基呋喃
噻吩酰化反应要用磷酸或氯化锡作催化剂。
S
+ (CH3CO)2O
① 卤代反应 像苯酚和苯胺一样，吡咯、呋喃、噻吩很容易发生卤代 反应。 氯代、溴代不但不需催化剂，而且为避免多取代物，往 往采用温和条件，如用溶剂稀释和采用低温。 吡咯反应活性最大，在低温下进行，一般得多卤产物。 Br-Br C2H5OH + Br2 Br-Br 0℃ N N
[理学]第十七章杂环_OK
![[理学]第十七章杂环_OK](https://img.taocdn.com/s3/m/dd7d768b1711cc7930b71658.png)
CH2COOH N H
15
3-吲哚乙酸
§17-2 杂环化合物的结构和物理性质
一、结构与芳香性
H
H
O
H
H
H
H
S
H
H
2P2
呋喃 O：sp2
3P2
16
噻吩 S：sp2
H H
H
NH H
2P2
吡咯 N：sp2
1.五元杂环化合物 以上三种五元杂环化合物的结构均符合休
克尔规则，都有一定程度的芳香性和较高的热
力学稳定性。
18
2.六元杂环化合物 吡啶的结构也符合休克 尔规则，和以上三种五元杂环化合物类似，也 有一定程度的芳香性和较高的热力学稳定性。 但氮原子上电子的排布与吡咯不同，孤电子对 处于sp2杂化轨道，没有参与共轭。
H
H
H
N
H
H
2P1
吡啶 N：sp2 19
二、结构与性质 五元和六元杂环化合物偶极矩方向及数 值（10-30 C · m）如下：
N
§17-5 重要杂环化合物
一、嘧啶衍生物 尿嘧啶互变异构
HO N
ON H
亚胺醇式
O
HN
ON H
49
酰胺式
NH2 N HO N
HO
NH2 N
ON H
O
胞嘧啶 互变异构
N
CH3
HN
CH3
HO N
ON
H
50
胸腺嘧啶互变异构
二、嘌呤衍生物
NH2
腺嘌呤
N
N
NN
H
HO
O
N
N
HN
N
H2N N N
H2N N N
15
3-吲哚乙酸
§17-2 杂环化合物的结构和物理性质
一、结构与芳香性
H
H
O
H
H
H
H
S
H
H
2P2
呋喃 O：sp2
3P2
16
噻吩 S：sp2
H H
H
NH H
2P2
吡咯 N：sp2
1.五元杂环化合物 以上三种五元杂环化合物的结构均符合休
克尔规则，都有一定程度的芳香性和较高的热
力学稳定性。
18
2.六元杂环化合物 吡啶的结构也符合休克 尔规则，和以上三种五元杂环化合物类似，也 有一定程度的芳香性和较高的热力学稳定性。 但氮原子上电子的排布与吡咯不同，孤电子对 处于sp2杂化轨道，没有参与共轭。
H
H
H
N
H
H
2P1
吡啶 N：sp2 19
二、结构与性质 五元和六元杂环化合物偶极矩方向及数 值（10-30 C · m）如下：
N
§17-5 重要杂环化合物
一、嘧啶衍生物 尿嘧啶互变异构
HO N
ON H
亚胺醇式
O
HN
ON H
49
酰胺式
NH2 N HO N
HO
NH2 N
ON H
O
胞嘧啶 互变异构
N
CH3
HN
CH3
HO N
ON
H
50
胸腺嘧啶互变异构
二、嘌呤衍生物
NH2
腺嘌呤
N
N
NN
H
HO
O
N
N
HN
N
H2N N N
H2N N N
有机化学杂环化合物
在非强酸性条件下，有些亲电试剂也可以在吡 啶环上进行。
亲核取代反应
喹啉和异喹啉也可以发生亲核取代反应。喹啉 在2位C， 4位C较少。异喹啉主要在1位C，几乎没有 3位C的产物。
氧化反应
衍生物
喹啉的衍生物是许多生物碱的母体结构
H
CH3O H
HO
N H
CH3O
N
N 奎 宁 (金 鸡 纳 霜 )
1
嘧啶pyrimidine mp 22oC
4
5 N3
6
2
N
1
吡嗪pyrazine
mp 57oC
4
5
N3
6 N2 N
1
1, 2, 3-三嗪
4
5N 3
6 N2 N
1
1, 2, 4-三嗪
4
5N
3
N
6
2
N
1
1, 3, 5-三嗪
都有弱碱性，但比吡啶碱性弱。
最重要的衍生物是嘧啶衍生物，在生理和药理上 有重要地位：
黄样离子
CH3 HO
CH3
O CH3
O 黄酮
VE
第三节 稠杂环
一、苯并五元杂环
N
O
S
N
茚
H 吲哚
苯并呋喃
苯并噻吩 异 吲 哚
mp52oC bp173~175oC bp221oC
N
N
N
N H
O
S
苯 并 咪 唑 苯 并 恶 唑 苯 并 噻 唑
N
N N
N N
H
H
吲 唑 苯 并 三 唑
吲哚有一定的酸性，可以与碱反应生成盐。
制备：甘蔗渣、花生壳、高粱杆、棉子壳等含 有戊多糖，将它们打碎放入反应釜，加入稀硫 酸，通入水蒸气加热，戊多糖水解为戊糖，戊 糖失水成糠醛。
有机化学 第十七章杂环化合物
第十七章杂环化合物(heterocyclic compounds)在环状化合物的环中含有碳以外的杂原子，这类化合物统称为杂环化合物。
常见的杂原子是: O, N, S1芳杂环的数目很多，可根据环的大小、杂原子的多少以及单环和稠环来分类。
•常见的杂环为五元、六元单杂环及稠杂环。
稠杂环是由苯环及一个或多个单杂环稠合而成的。
317.2 杂环化合物的命名杂环化合物的命名采用外文名的译音，用带“口”字旁的同音汉字表示。
编号从杂原子开始，用阿拉伯数字(1,2,…) 表示顺序，也可以将杂原子旁的碳原子依次用α、β、γ表示。
417.3 结构和芳香性呋喃、噻吩、吡咯是最重要的含一个杂原子的五元杂环化合物。
呋喃、噻吩、吡咯都是平面结构，环上所有原子都是sp2杂化，各原子均以sp2杂化轨道重叠形成σ键。
9碳未杂化的p 轨道中有一个电子，杂原子的p轨道中有一对电子，p 轨道相互平行重叠，形成闭合的共轭体系,具有芳香性。
下表中给出的1H NMR数据可证实这一点，环上质子的化学位移在7ppm左右与苯类似。
1011表17-1 五元芳杂环的物理性质分别存在于木焦油、煤焦油和骨焦油中αβαβαβ17.4 五元杂环化合物4.1 五元杂环化合物的化学性质呋喃、噻吩、吡咯具有芳香性，容易进行亲电取代反应。
杂原子的大小及电负性不同，它们的活性有差异，但它们的活性都比苯大，顺序为：吡咯> 呋喃> 噻吩> 苯12（丙）吡咯和吲哚•吡咯的物理性质和鉴定•无色油状液体，沸点131℃，微溶于水，易溶于有机溶剂。
•吡咯蒸气遇浸过盐酸的松木片呈红色，可用来检验吡咯。
•吡咯环不如苯环稳定，易被氧化呈褐色并发生树脂化。
2017.5 六元杂环化合物5.1 吡啶和嘧啶吡啶存在于煤焦油和骨焦油中，工业上用无机酸从煤焦油的轻油部分中提取。
吡啶的衍生物广泛存在于自然界中，许多药物也含有吡啶环。
23一、吡啶的物理性质及结构吡啶是一个无色有恶臭的液体b.p. 115.5℃，m.p.-42℃，d: 0.9819与水及许多有机溶剂如乙醇，乙醚等混溶它是良好的溶剂25吡啶的结构与苯的相似吡啶环上的氮以sp2杂化成键，一个p电子参与共轭，形成具有6个p电子的闭合的共轭体系，具有芳香性。
有机化学-第十七章 杂环化合物
N H
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）
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）
第十七章 杂环化合物
thiazole噻唑 噻唑
H3C N H
pyrazole吡唑 吡唑
N N H
imidazole咪唑 咪唑
NO2
4-甲基咪唑 甲基咪唑
3-硝基吡咯 硝基吡咯
常见的六元单杂环化合物
4 5 6 3 2 5 6 4 3 5 6 4
N3
2
N
1
N
1
N2
N
1
pyridine吡啶 吡啶
Br N
pyridazine哒嗪 哒嗪
(2) 亲电取代
例： N N N + Br2
300 C 以上
。
Br N
β−溴代吡啶
+ H2SO4 + 混酸
350 C
。 。 N
SO3H NO2 N
O
CHO
KMnO4,OH-
O
H2/Ni
COOH
还原：
O
CHO
O
CH2OH
(2) 噻吩
80％ Br2 ,0oC O
S
Br
O
O
S
o
Br2 HOAc
+
S
NO2 S 10%
Br
78%
CH3COONO2 (CH3O)2O 0 C S NO2 60%
S
98%H2SO4 室温
H2O S SO3H 69~76% S
(3) 吡咯和吲哚 吡咯的弱碱性和弱酸性
N H sp sp
2
参与环体系共轭 离域于整个共轭体系 难以表现出碱性
2
N H p
吡咯分子中氮原子上虽然带有孤对电子， 吡咯分子中氮原子上虽然带有孤对电子，但是由于其 6 参与了环状 π 5 的共轭，为整个环状共轭体系所共享， 的共轭，为整个环状共轭体系所共享， 从而使氮上电子云密度降低， 从而使氮上电子云密度降低，孤对电子难以给出去而 表现碱性。所以，吡咯的碱性很弱， 表现碱性。所以，吡咯的碱性很弱，甚至于大大弱于 苯胺的碱性。 苯胺的碱性。 碱性：苯胺（ 吡咯（ 碱性：苯胺（Kb=3.8×10-10）>>吡咯（Kb=2.5×10-14） × 吡咯 ×
第十七章 杂环化合物
第十七章 杂环化合物学习要求：1．掌握各类常见杂环化合物的结构和命名。
2．掌握呋喃、噻吩、吡咯、吡啶、吲哚、喹啉的化学性质。
3．认识核酸组成中的重要碱基——嘧啶、嘌呤；了解叶绿素、血红素等卟啉环化合 物；了解生物碱的有关知识。
杂环化合物是指组成环的原子中含有除碳以外的原子(杂原子——常见的是N 、O 、 S 等)的环状化合物。
杂环化合物不包括极易开环的含杂原子的环状化合物，例如：本章我们只讨论芳香族杂环化合物。
杂环化合物是一大类有机物，占已知有机物的三分之一。
杂环化合物在自然界分布 很广、功用很多。
例如，中草药的有效成分生物碱大多是杂环化合物；动植物体内起重 要生理作用的血红素、叶绿素、核酸的碱基都是含氮杂环；部分维生素，抗菌素；一些 植物色素、植物染料、合成染料都含有杂环。
§17.1 杂环化合物的分类和命名 分类 （略）NH O ,,,OO O O OO杂环化合物非芳香杂环芳杂环（符合休克尔规则的杂环）如如OO NH NN HO,…………,,命名杂环的命名常用音译法，是按外文名词音译成带“口”字旁的同音汉字。
当环上有取代基时，取代基的位次从杂原子算起依次用1,2,3,… (或α,β,γ…)编号。
如杂环上不止一个杂原子时，则从O 、S 、N 顺序依次编号。
编号时杂原子的位次数字 之和应最小。
例见P 552§17.2 五元杂环化合物含一个杂原子的典型五元杂环化合物是呋喃、噻吩和吡咯。
含两个杂原子的有噻 唑、咪唑和吡唑。
本节重点讨论呋喃、噻吩和吡咯，简单介绍一下噻唑、咪唑和吡唑。
呋喃、噻吩、吡咯杂环的结构呋喃、噻吩、吡咯在结构上具有共同点，即构成环的五个原子都为sp 2杂化，故成环的五个原子处在同一平面，杂原子上的孤对电子参与共轭形成共轭体系，其π电子数 符合休克尔规则（π电子数 = 4n+2），所以，它们都具有芳香性。
N H O S N N N (pyrrole)(furan)(thiophene)(pyridine)(pyrimidine)NNN N H NN H (quinoline)(indole)(purine)吡咯呋喃噻吩吡啶嘧啶喹啉吲哚嘌呤OSN Π56π为共轭体系电子= 6符合4n + 2具有芳性富电子芳环呋喃、噻吩、吡咯的性质（一）存在与物理性质 P 554（二）光谱性质 P 554（三）化学性质1．亲电取代反应从结构上分析，五元杂环为Π56共轭体系，电荷密度比苯大，如以苯环上碳原子的电荷密度为标准（作为0），则五元杂环化合物的有效电荷分布为：五元杂环有芳香性，但其芳香性不如苯环，因环上的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的速率也比要苯快得多。
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=
O + O
30℃
O
O H H
28
=
=
O
O
O
=
1,4-加成
+ O Br2
CH3COOK CH3OH
H Br
O
H Br
CH3OH
H C H3O
O
H O CH 3
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。
H2 / Ni HCl 140℃ H2O/H+
O
O
C l (C H 2)4C l
BF3
O C CH3 O 2–乙酰基呋喃
(75%~92%)
O
+ (CH3CO)2O
O N H + (CH3CO)2O
150~200℃
N
C
CH3
H 2–乙酰基吡咯(60%)
24
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-位可用共振论 + 解释： E E E
NaCN
NC (C H N 2)C 4
HO O C (C H 2)C O O H
4
NC (C H N 2)C 4
H2 / Ni
H2N(C H 2)6NH2
29
呋喃甲醛又称糠醛，是呋喃的重要衍生物。
(C5H8O4)n 戊多糖
H2SO4
+ nH2O 水蒸气
3~5% H2SO4
nC5H10O5 戊醛糖 戊糖
H
然而，由于氮原子的吸电子作用，使得吡咯会显示出 一定的酸性，但其酸性较弱，需在强碱下方可成盐。
N H + KO H(NaNH2) N K (Na) + H2O (NH3)
33
H2, Pd
(具有脂肪仲胺的性质)
N H
N H
吡咯容易发生亲电取代反应，其反应活性与苯胺类似。 如：
I
I2 + NaOH
I N H I ( 卤代 ) (偶合)
浓 NaOH
A
A: O
CH2OH O
CHCH2COCH3 OH
CHCN OH
COONa
CH3COCH3， 稀 OH
B
B: O
C: O
O
CHO
HCN (CH3CO)2O CH3COOK
C D
D: O
CH=CHCOOH
糠醛是良好的溶剂和重要的有机合成原料。
31
( 3 )吡咯 吡咯为无色油状液体，b.p131℃，微溶于水，易溶于 有机溶剂。吡咯能使浸过盐酸的松木片显红色(松木片反 应)，这是鉴定吡咯的定性方法。 吡咯的酸碱性： 由于氮上的未共用电子对参与了共轭 体系，难以与H+结合，故基本不显碱 N 性(pkb=13.6)。
Z + E+ H Z H 正电荷可在三个原子上离域 E Z
+ +
Z +
H
Z
= ( NH、O、S )
Z
E H Z +
H
正电荷只能在两个原子上离域
由此可见，进攻2 – 位所形成的共振杂化体比进攻3 – 位 所形成的共振杂化体稳定。
25
二、五元杂环化合物亲电取代反应的定位规律 (1) α- 位上有取代基
35
CH3 N
烟碱(尼古丁)
咖啡碱
一、吡啶的化学性质
γ
δ
亲核试剂进攻部位
δ
亲电试剂进攻部位
δ
β
N
α
碱性与成盐
36
1. 碱性与成盐：
NH2 C H3NH2 NH3 N
N
pkb
3.36
4.75
8.8
9.3
H
13.6
sp
3
N H
N
C H3 C ≡N
sp
2
sp
37
吡啶既然是一个碱，遇酸便形成稳定的盐。
O
Y
27
三、常见的五元杂环化合物 1. 呋喃和糠醛 呋喃为无色液体，难溶于水而易溶于有机溶剂，b.p 为32℃。呋喃能使浸过盐酸的松木片显绿色(松木片反
应)，这是鉴定呋喃的定性方法。
尽管呋喃在较温和的条件下就可发生亲电取代反应， 但因其芳香性较弱，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。如：
β α
δ 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。
19
N
17.2 五元杂环化合物
（一）五元杂环化合物的化学性质
1、亲电取代反应 杂原子具有+C效应，活化杂环 亲电取代反应活性顺序： 吡咯 > 呋喃 > 噻吩 > 苯。
20
1、亲电取代反应
X2/ 低温 X2=Cl2、 B r 2 CH3COONO2 。 -5 ~ -30 C
Z Z
X NO2 H N
+
N-磺酸吡啶 吡啶与SO3的加合物
Z
= ( NH、O、S )
Z
N+ SO3ClCH 2CH2Cl (CH3CO)2O SnCl4
HCl
S O3 Z ( Z = NH、O ) Z
+ HCl N N Cl H
+ SO3 N SO3 N·
N-磺酸吡啶 温和的磺化试剂
38
2. 吡啶环上的亲电取代反应
如前所述，吡啶的亲电取代反应比较困难，需在较强
N H
O
S
亲电取代反应的活性:吡咯 >呋喃 >噻吩>苯
18
2. 六元杂环化合物
0.140
4 3 2
0.139 0.147 单 0.134 0.128 双
N
吡啶环的键长也发生了较大程度 的平均化，C ―C键虽与苯相似， 但C―N键变化很大，因此，其芳 香性也比苯差。
γ
δ δ δ δ δ
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
HNO3
S O3H Z 噻吩可直接用 H2S O4 磺化。
CO CH 3
O CH3CONO2 O + CH3COH
O O CH3COCCH3 +
乙酰基硝酰酯
受无机酸的作用,容易发生环的破裂.
21
(1) 卤化
采用溶剂稀释、低温
O
O
+ Br2
O 0℃
α –溴代呋喃 (90%)
O
Br
S
+ Br2 AcOH
3
O NH NH2
CH CH2 H 3C N Fe N H3C HOOCCH2CH2 N CH3 CH2CH2COOH N CH3
H H N
S
·H2O
O
CH3 COOH
头孢氨苄(先锋霉素IV)
CH CH2
血红素(heme)
4
S CH3 N H
O CH3
R
OH O O H3 C CH3 OH O Epothilone B ( R=CH3 )
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
键长只是有一定程度的平均化
16
(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：
N N N N H purine 嘌呤
S
N
furan
呋 喃
thiophene
噻 吩
pyridine
吡 啶
N
N H indole 吲 哚
N quinoline 喹 啉
N pyrimidine 嘧啶
9
2.母环的编号规则
(1) 母体杂环的编号：杂原子的编号为“1”。 •对于含一个杂原子的杂环也可把靠近杂原子的位置
1
第十七章 杂环化合物
【本章重点】
呋喃、吡咯、噻吩和吡啶的结构与化学性质。
【必须掌握的内容】
1. 杂环化合物的命名方法。
2. 呋喃、吡咯、噻吩和吡啶的结构与芳香性。
3. 呋喃、吡咯、噻吩和吡啶的化学性质
2
杂环化合物的涵义：
成环原子除碳以外，还有其它如O、N、S、P等 杂原子的环状化合物，统称为杂环化合物。 杂环化合物是一大类有机物，占已知有机物的三 分之一。杂环化合物在自然界分布很广、功用很多。 例如，中草药的有效成分生物碱大多是杂环化合物； 动植物体内起重要生理作用的血红素、叶绿素、核酸 的碱基都是含氮杂环；部分维生素，抗菌素；一些植 物色素、植物染料、合成染料都含有杂环。
X = o、 p - 定位基
3 5
Y = m - 定位基 (主) (次)
5 4
(次 ) X
(主 )
S
S
Y
(2) β- 位上有取代基
X = o、 p - 定位基 X (次)
5
Y = m - 定位基 Y
S
2
(主)
S 5 - 位被占, 则进入4 - 位, 而不进入2 - 位
26
(主 )
5
2-取代呋喃不管是邻位或是间位定位基,第二个基 团均进入C-5位.因芳香性低,易形成2,5-加成产物.
室温
S α –溴代噻吩
Br
(2) 硝化
S
一般采用乙酰基硝酰酯CH3COONO2作硝化剂
NO2 Ac2O–AcOH + CH3COONO2 －0℃ NO2 + S S 2–硝基噻吩(66%) 3–硝基噻吩(10%)
O + O
30℃
O
O H H
28
=
=
O
O
O
=
1,4-加成
+ O Br2
CH3COOK CH3OH
H Br
O
H Br
CH3OH
H C H3O
O
H O CH 3
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。
H2 / Ni HCl 140℃ H2O/H+
O
O
C l (C H 2)4C l
BF3
O C CH3 O 2–乙酰基呋喃
(75%~92%)
O
+ (CH3CO)2O
O N H + (CH3CO)2O
150~200℃
N
C
CH3
H 2–乙酰基吡咯(60%)
24
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-位可用共振论 + 解释： E E E
NaCN
NC (C H N 2)C 4
HO O C (C H 2)C O O H
4
NC (C H N 2)C 4
H2 / Ni
H2N(C H 2)6NH2
29
呋喃甲醛又称糠醛，是呋喃的重要衍生物。
(C5H8O4)n 戊多糖
H2SO4
+ nH2O 水蒸气
3~5% H2SO4
nC5H10O5 戊醛糖 戊糖
H
然而，由于氮原子的吸电子作用，使得吡咯会显示出 一定的酸性，但其酸性较弱，需在强碱下方可成盐。
N H + KO H(NaNH2) N K (Na) + H2O (NH3)
33
H2, Pd
(具有脂肪仲胺的性质)
N H
N H
吡咯容易发生亲电取代反应，其反应活性与苯胺类似。 如：
I
I2 + NaOH
I N H I ( 卤代 ) (偶合)
浓 NaOH
A
A: O
CH2OH O
CHCH2COCH3 OH
CHCN OH
COONa
CH3COCH3， 稀 OH
B
B: O
C: O
O
CHO
HCN (CH3CO)2O CH3COOK
C D
D: O
CH=CHCOOH
糠醛是良好的溶剂和重要的有机合成原料。
31
( 3 )吡咯 吡咯为无色油状液体，b.p131℃，微溶于水，易溶于 有机溶剂。吡咯能使浸过盐酸的松木片显红色(松木片反 应)，这是鉴定吡咯的定性方法。 吡咯的酸碱性： 由于氮上的未共用电子对参与了共轭 体系，难以与H+结合，故基本不显碱 N 性(pkb=13.6)。
Z + E+ H Z H 正电荷可在三个原子上离域 E Z
+ +
Z +
H
Z
= ( NH、O、S )
Z
E H Z +
H
正电荷只能在两个原子上离域
由此可见，进攻2 – 位所形成的共振杂化体比进攻3 – 位 所形成的共振杂化体稳定。
25
二、五元杂环化合物亲电取代反应的定位规律 (1) α- 位上有取代基
35
CH3 N
烟碱(尼古丁)
咖啡碱
一、吡啶的化学性质
γ
δ
亲核试剂进攻部位
δ
亲电试剂进攻部位
δ
β
N
α
碱性与成盐
36
1. 碱性与成盐：
NH2 C H3NH2 NH3 N
N
pkb
3.36
4.75
8.8
9.3
H
13.6
sp
3
N H
N
C H3 C ≡N
sp
2
sp
37
吡啶既然是一个碱，遇酸便形成稳定的盐。
O
Y
27
三、常见的五元杂环化合物 1. 呋喃和糠醛 呋喃为无色液体，难溶于水而易溶于有机溶剂，b.p 为32℃。呋喃能使浸过盐酸的松木片显绿色(松木片反
应)，这是鉴定呋喃的定性方法。
尽管呋喃在较温和的条件下就可发生亲电取代反应， 但因其芳香性较弱，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。如：
β α
δ 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。
19
N
17.2 五元杂环化合物
（一）五元杂环化合物的化学性质
1、亲电取代反应 杂原子具有+C效应，活化杂环 亲电取代反应活性顺序： 吡咯 > 呋喃 > 噻吩 > 苯。
20
1、亲电取代反应
X2/ 低温 X2=Cl2、 B r 2 CH3COONO2 。 -5 ~ -30 C
Z Z
X NO2 H N
+
N-磺酸吡啶 吡啶与SO3的加合物
Z
= ( NH、O、S )
Z
N+ SO3ClCH 2CH2Cl (CH3CO)2O SnCl4
HCl
S O3 Z ( Z = NH、O ) Z
+ HCl N N Cl H
+ SO3 N SO3 N·
N-磺酸吡啶 温和的磺化试剂
38
2. 吡啶环上的亲电取代反应
如前所述，吡啶的亲电取代反应比较困难，需在较强
N H
O
S
亲电取代反应的活性:吡咯 >呋喃 >噻吩>苯
18
2. 六元杂环化合物
0.140
4 3 2
0.139 0.147 单 0.134 0.128 双
N
吡啶环的键长也发生了较大程度 的平均化，C ―C键虽与苯相似， 但C―N键变化很大，因此，其芳 香性也比苯差。
γ
δ δ δ δ δ
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
HNO3
S O3H Z 噻吩可直接用 H2S O4 磺化。
CO CH 3
O CH3CONO2 O + CH3COH
O O CH3COCCH3 +
乙酰基硝酰酯
受无机酸的作用,容易发生环的破裂.
21
(1) 卤化
采用溶剂稀释、低温
O
O
+ Br2
O 0℃
α –溴代呋喃 (90%)
O
Br
S
+ Br2 AcOH
3
O NH NH2
CH CH2 H 3C N Fe N H3C HOOCCH2CH2 N CH3 CH2CH2COOH N CH3
H H N
S
·H2O
O
CH3 COOH
头孢氨苄(先锋霉素IV)
CH CH2
血红素(heme)
4
S CH3 N H
O CH3
R
OH O O H3 C CH3 OH O Epothilone B ( R=CH3 )
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
键长只是有一定程度的平均化
16
(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：
N N N N H purine 嘌呤
S
N
furan
呋 喃
thiophene
噻 吩
pyridine
吡 啶
N
N H indole 吲 哚
N quinoline 喹 啉
N pyrimidine 嘧啶
9
2.母环的编号规则
(1) 母体杂环的编号：杂原子的编号为“1”。 •对于含一个杂原子的杂环也可把靠近杂原子的位置
1
第十七章 杂环化合物
【本章重点】
呋喃、吡咯、噻吩和吡啶的结构与化学性质。
【必须掌握的内容】
1. 杂环化合物的命名方法。
2. 呋喃、吡咯、噻吩和吡啶的结构与芳香性。
3. 呋喃、吡咯、噻吩和吡啶的化学性质
2
杂环化合物的涵义：
成环原子除碳以外，还有其它如O、N、S、P等 杂原子的环状化合物，统称为杂环化合物。 杂环化合物是一大类有机物，占已知有机物的三 分之一。杂环化合物在自然界分布很广、功用很多。 例如，中草药的有效成分生物碱大多是杂环化合物； 动植物体内起重要生理作用的血红素、叶绿素、核酸 的碱基都是含氮杂环；部分维生素，抗菌素；一些植 物色素、植物染料、合成染料都含有杂环。
X = o、 p - 定位基
3 5
Y = m - 定位基 (主) (次)
5 4
(次 ) X
(主 )
S
S
Y
(2) β- 位上有取代基
X = o、 p - 定位基 X (次)
5
Y = m - 定位基 Y
S
2
(主)
S 5 - 位被占, 则进入4 - 位, 而不进入2 - 位
26
(主 )
5
2-取代呋喃不管是邻位或是间位定位基,第二个基 团均进入C-5位.因芳香性低,易形成2,5-加成产物.
室温
S α –溴代噻吩
Br
(2) 硝化
S
一般采用乙酰基硝酰酯CH3COONO2作硝化剂
NO2 Ac2O–AcOH + CH3COONO2 －0℃ NO2 + S S 2–硝基噻吩(66%) 3–硝基噻吩(10%)