第12章 杂环化合物
第12章杂环化合物和生物碱
嘌呤(purine)
2、系统命名法
① 从杂原子开始 1，2，3，4……（或用希腊字母α、β、 γ…… ） ② 当环上含有两个或两个以上相同的杂原子时，应使杂原子 所在位次的数字最小 ③ 不止一个杂原子，按O，S，N顺序编号
第十二章 杂环化合物和生物碱 5
4
3
H3C 5 O 2 CH3 1
4 COOH 3 5 2 6 N 1
第十二章 杂环化合物和生物碱 25
嘌呤
N H
N N
N
N
NH2 N N N H
N H
O HN H2N N N H N
N H
Purine
腺嘌呤（ A） Carbazole
鸟嘌呤（G）
嘌呤有（Ⅰ）和（Ⅱ）两种互变异构体：
N N N H
N
N N N
NH
（I）9H-嘌呤
（II）7H-嘌呤
第十二章 杂环化合物和生物碱 26
2． 亲核取代 由于氮的吸电子作用，使得吡啶环上电子云密度减低， 不易进行亲电取代，但却有利于亲核取代。例如它与氨基 钠作用，生成α-氨基吡啶。
+ NaNH2 N
-H2 H2O
N
NHNa
N
NH2
3．酸碱性 呋喃、噻吩为中性；吡咯具有弱碱性。吡咯属仲胺，似乎应具 有较强的碱性，但由于氮原子的孤对电子参与形成闭合的共轭体 系，氮原子上的电子密度有所降低，吸引质子的能力降低，因此 吡咯的碱性（pKb=13.6）非常微弱，不但比脂肪族仲胺弱得多， 而且比芳香胺还弱，以至它与酸不能生成稳定的盐；另一方面， 氮原子上的氢原子离解为离子的倾向增大，这就使吡咯反而有弱 酸性，其酸性介与乙醇和苯酚之间，可与固体KOH（或与金属 15 第十二章 杂环化合物和生物碱 K，Na）共热，形成不稳定的盐，遇水即分解。
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
有机化学第12章 杂环化合物
生物碱
存在于植物体内的一类碱性含氮有机化合物称为生物碱。
HO O
CH3 N H O-C-CH 952年确定结构。）
H O-C H
C H3O
颠茄碱（阿托品）
CH=C H2
N N CH3
N 金鸡纳碱（奎宁）
烟碱（尼古丁）
有芳香性
有芳香性
12.3 五元杂环化合物
12.3.1 呋喃
存在于松木焦油中，为无色液体，难溶于水，易溶于有机溶剂。其蒸汽遇 有被盐酸浸过的松木时，即呈绿色（叫松木反应，鉴别呋喃的存在）。
工业上用糠醛（-呋喃甲醛）制备：
（1）呋喃的制备
• 实验室采用糠酸加热脱羧制得：
（2）化学性质
呋喃具有芳香性，较苯活泼，容易发生取代反应；还有一定程度的不饱和 化合物的性质(发生加成反应)。
芳香性强弱的次序
苯 > 噻吩 呋喃 112 离域能：152
取代反应活性的次序
>
吡咯
>
88
62 KJ/mol
位电子 云密度 -0.10
• 吡咯 > 呋喃 > 噻吩 > 苯 -0.03 -0.06 0 (不一致)
（2）六元杂环化合物——吡啶
氮原子与碳原子处在同一平面。 吡啶的结构与苯相似，符合休克尔规则，具有芳香性。
第12章 杂环化合物
一般把除碳以外的成环原子叫杂原子，常见的杂原子有氧、硫和氮：
• 环系中可含一个、两个或多个相同或不同的杂原子。
•环可以有三元环、四元环、五元环、六元环或更大，可以 是稠合的环。
• 杂环化合物种类繁多，约占全部已知有机化合物的 三分之一。
• 已经学过的杂环化合物：
• 本章介绍的是具有不同芳香性的杂环化合物（简称芳杂 化合物）。
大学有机化学 第二版 叶非 袁光耀主编 课后习题答案第12章
第 12 章 杂环化合物
(1) α-呋喃乙酸 (2) α-噻吩磺酸 (3) 4-甲基咪唑 吡咯 > 呋喃 > 噻吩 > 苯 > 四氢吡咯>吡啶>苯胺>吡咯 习题
12-1 (1) 2,4-二甲基噻唑 (2) N-甲基吡咯 (3) 5-溴-2-呋喃甲酸 (4) 3,5-二甲基吲哚 (5) 3,5-二溴吡啶 (6) 8-羟基喹啉 (7) 6-氨基嘌呤 (8) 2,3-吡啶二甲酸 (9) 2-氨基嘧啶 12-2
3-呋喃甲醛
12-3
12-4 (1) 六氢吡啶>氨>吡啶>吡咯 (2) 甲胺>γ-甲基吡啶>吡啶>苯胺 12-5 (1) 加入盐酸，吡啶与盐酸成盐，过滤后得甲苯 (2) 加苯磺酰氯，与六氢吡啶生成沉淀，过滤后得吡啶 (3) 加入浓硫酸，与噻吩生成噻吩磺酸而溶于硫酸中，分液得苯 12-6
12-8 2-呋喃甲醛 或
第十二讲 杂环化合物
S
1 2 a
O
O
基本环环边编号
N O N H N
基本环
N N
N N
O
噻吩并[3,2b]吡咯
呋喃并[3,2b]吡喃
吡唑并[4,5d]恶唑
吡嗪并[2,3d]哒嗪
二、六元杂环化合物
（一）吡啶：
H H H N
吡啶分子 中的键
H H
吡啶分子 中的p轨道
N
吡啶分子中 的共轭体系
吡啶键长平均化程度较高，有芳香性。 吡啶环亲电取代比苯难。 取代基进入间位，且收率偏低。
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
α-吡喃 α-吡喃酮 γ-吡喃 γ-吡喃酮 香豆素
O
H
+
色酮
OH
O
O
γ -吡喃酮的徉盐是芳香体系。
CH=CHPh N PhCH=CH N CH=CHPh
羟醛缩合型
CH3 N H3C N CH3
PhLi
CH2Li N H3C N CH3
C H3I
CH2CH3 N H3C N CH3
烷基化反应
嘧啶的合成
由-二羰基化合物（或类似物）与1,1-二胺类 化合物合成
常用的1,1-二胺类化合物：
H2N O H2N
N
-甲基吡啶
COOH
N
H
N
-呋喃甲醛 3-呋喃甲醛
-吡啶甲酸 3-吡啶甲酸
-吡咯甲酰胺 2-吡咯甲酰胺
-吡啶甲酸 3-吡啶甲酸
互变异构
H N H3C N N H N
H3C
Br
H N N Br
N NH
第十二章杂环化合物
第十二章杂环化合物【学习目标】1、说出杂环化合物的概念；2、能按照IUPAC（1979）原则对杂环化合物进行命名；3、掌握简单杂环化合物的结构特点，了解其性质和应用；4、认识常见的杂环化合物的衍生物，了解它们的应用。
在有机化合物中，除碳、氢以外的其他元素的原子通常被称为杂原子，而在环状化合物中，如果其环中除碳原子外，还含有杂原子，则该环即为杂环，该化合物称为杂环化合物，杂环中所含杂原子一般为氮、氧、硫等。
杂环化合物在自然界中分布广泛，例如，植物中的叶绿素和动物血红蛋白中的血红素同属卟啉类的杂环化合物，由于其结构中心的金属离子不同而显不同颜色，叶绿素为镁卟啉显绿色，血红素为铁卟啉显红色；此外，其他如核酸中含嘌呤、嘧啶等杂环化合物等等。
在现代药物体系中，含杂环结构的药物也占了相当大的比例，例如增强胃动力的多潘立酮（又称吗丁啉）结构中含有两个苯并咪唑杂环，再如人类发现的第一个抗生素——青霉素也含有杂环结构，还有常用于治疗肠道感染的氟哌酸结构中含有喹啉杂环结构，诸如此类含有杂环结构的药物数不胜数。
因此，杂环化合物在有机化合物中占有非常重要的地位，学好本章内容是我们步入药学学科领域的关键一步。
内酯、内酰胺和环醚等化合物都属于杂环化合物，但这些化合物的性质与其同类的开环化合物基本相同，因此，本章不再对其重点介绍，本章着重讨论芳香性杂环化合物，亦称其为芳（香）杂环化合物（aromatic heterocycles）。
第一节分类和命名一、分类杂环化合物有多种分类方法，按含杂原子数目分为含一个、两个或多个杂原子的杂环；按环的形式可分为单杂环和稠杂环；还可以按照环的大小分为五元杂环和六元杂环。
二、命名杂环结构纷繁复杂，其命名亦如是。
按照IUPAC（1979）（国际纯粹应用化学联合会）原则的规定，保留45个杂环化合物的俗名并以此作为命名的基础。
我国则对这45个俗名进行音译，并以此为基础对其他的杂环化合物进行命名。
这些被保留下来的俗名主要有：命名的注意事项有：（1）以上杂环的俗名已表明杂环含有最多数目的非积累双键，结构中的饱和氢原子被称为“指示氢．．．”或“标氢”。
第十二章 杂环化合物
S
N H
O
C、S、N、O中电负性是O > N >S >C 因此芳香 性的强弱为以上排列。
(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：
1. 五元杂环化合物
4 3 2
Z
C
C2
C3
C3
C4
呋喃 吡咯 噻吩
0 .1 3 6 (0 .1 4 3 ) 0 .1 3 7 0 (0 .1 4 7 ) 0 .1 7 1 4 (0 .1 8 2 )
0 .1 3 6 1 0 .1 3 8 3 0 .1 3 7 0 C =C 0 .1 3 4
0 .1 4 3 0 0 .1 4 1 7 0 .1 4 2 3 C C
发生部分α位。富电子五员杂环与吡咯相似。
O + C H 3C O O N O 2 硝酸乙酰酯
-5 ~ 3 0 ℃ __
O
0℃ 乙酸或乙酐
-1 0 ℃ 乙酐
4
N O 2 + C H 3C O O H
S
+ C H 3C O O N O 2
__
S
__
N O 2 + C H 3C O O H
N H
+ C H 3C O O N O 2
S 四氢噻吩
N H
+ 2H 2
Ni 200℃
N H 四氢吡咯
+ H2 N
Pt C H 3C O O H
N H
碱性强弱：六氢吡啶 > 吡啶 （仲胺） （叔胺）
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【学习⽬标】1、说出杂环化合物的概念；2、能按照IUPAC（1979）原则对杂环化合物进⾏命名；3、掌握简单杂环化合物的结构特点，了解其性质和应⽤；4、认识常见的杂环化合物的衍⽣物，了解它们的应⽤。
在有机化合物中，除碳、氢以外的其他元素的原⼦通常被称为杂原⼦，⽽在环状化合物中，如果其环中除碳原⼦外，还含有杂原⼦，则该环即为杂环，该化合物称为杂环化合物，杂环中所含杂原⼦⼀般为氮、氧、硫等。
杂环化合物在⾃然界中分布⼴泛，例如，植物中的叶绿素和动物⾎红蛋⽩中的⾎红素同属卟啉类的杂环化合物，由于其结构中⼼的⾦属离⼦不同⽽显不同颜⾊，叶绿素为镁卟啉显绿⾊，⾎红素为铁卟啉显红⾊；此外，其他如核酸中含嘌呤、嘧啶等杂环化合物等等。
在现代药物体系中，含杂环结构的药物也占了相当⼤的⽐例，例如增强胃动⼒的多潘⽴酮（⼜称吗丁啉）结构中含有两个苯并咪唑杂环，再如⼈类发现的第⼀个抗⽣素——青霉素也含有杂环结构，还有常⽤于治疗肠道感染的氟哌酸结构中含有喹啉杂环结构，诸如此类含有杂环结构的药物数不胜数。
因此，杂环化合物在有机化合物中占有⾮常重要的地位，学好本章内容是我们步⼊药学学科领域的关键⼀步。
内酯、内酰胺和环醚等化合物都属于杂环化合物，但这些化合物的性质与其同类的开环化合物基本相同，因此，本章不再对其重点介绍，本章着重讨论芳⾹性杂环化合物，亦称其为芳（⾹）杂环化合物（aromatic heterocycles）。
第⼀节分类和命名⼀、分类杂环化合物有多种分类⽅法，按含杂原⼦数⽬分为含⼀个、两个或多个杂原⼦的杂环；按环的形式可分为单杂环和稠杂环；还可以按照环的⼤⼩分为五元杂环和六元杂环。
⼆、命名杂环结构纷繁复杂，其命名亦如是。
按照IUPAC（1979）（国际纯粹应⽤化学联合会）原则的规定，保留45个杂环化合物的俗名并以此作为命名的基础。
我国则对这45个俗名进⾏⾳译，并以此为基础对其他的杂环化合物进⾏命名。
第十二章 杂环化合物
0.1431 0.1361
0.1362 O 0.70D
0.1423 0.1370
0.1714 S 0.51D
芳香性：苯 ＞ 噻吩 ＞ 吡咯 ＞ 呋喃
N H
1.58D
键长
0.1429
0.1371
0.1383 N H
1.81D
8
2、吡咯、呋喃、噻吩的化学性质 （1） 亲电取代反应（Electrophilic Substitution）
N S
浓H2SO4,SO3
N S
1，2-唑取代 在4-位
Br
N
Br2
N AcOH-H2O
H
N N H
N
O2N N
HNO3,H2SO4
N
N
H
H
O2N NH 咪唑环取代在4-位
N
N 发烟H2SO4
S
HgSO4, 250℃ HO3S
N
噻唑环取代以5-位为主
S
25
唑的烷基化或酰基化通常发生在氮原子上。
N CH3I S
碱性：
NH O pKa -2.03
H N O 1.3
H N S 2.4
NH N H 2.5
1,2-唑与1,3-唑的亲电取代反应的活性顺序有：
H N N H 7.0
1,2-唑 1,3-唑
N＞
N H
N ＞
N H
N＞
N
S
O
N
＞ S
N O
24
亲电取代反应
N HNO3,H2SO4 O
O2N N
O
HO3S
H2S
O
NH
3
H2O
H 2S
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-全
H C H CH C CH A H H
N H
O
A
• 杂原子的性质 • 杂原子对环的影响
S
含一个杂原子的五元单杂环
吡咯、呋喃、噻吩的一般性质 1. 亲电取代反应
Π56共轭体系，因此亲电取代反应速率比要苯快得多 亲电取代反应发生的位置： α-位 取代位置
E
E+ +
稠杂环 有固定的编号顺序，通常从一端开始依次编号 嘌呤除外 共用C一般不编号 杂原子尽可能取小编号，并遵守杂原子的优先顺序
4 5 6 7 N1 H 3 2
5 6 7 8
4 3 N 1 2
6 7
5
4 3 N2
6 1N 2
5
7 NH 8
8
1
N 4 N 9 3
吲哚(indol)
喹啉(quinoline)
异喹啉(isoquinoline)
引言 已经学过的杂环化合物
这些化合物的性质与相应的脂肪族化合物相近。
本章介绍的是具有不同程度芳香性的杂环化合物 ----芳杂化合物
主要学习内容
1. 含一个杂原子的五元芳杂化合物 （吡咯、呋喃、噻酚） 2. 含一个杂原子的六元芳杂化合物 （吡啶） 3. 含一个杂原子的双环芳杂化合物 （吲哚、喹啉、异喹啉）
基础： 按照IUPAC（1979）保留45个杂环的俗名与半俗名 我国多采用“音译法” 特定杂环的命名规则
单杂环 从杂原子开始顺着环编号；环上只有一个杂原子时，有时也把 靠近杂原子的位置叫α位，其次为β位，再次为γ位 五元单杂环 六元单杂环
4 5
O 1
3β
4
S 1
3β 2α
4 5 1N H
大学无机化学 第十二章 杂环化合物
γ-吡喃酮 (γ-pyrone)
α-吡喃酮 (α-pyrone)
2-氯-5-甲基吡啶
2-甲氧基-4-硝基吡喃
（2）六元杂环苯并环系
5 6 7 8
喹啉
4 3 N 1 2
异喹啉
(quinoline)
5 6 7 8 O 1 4 3 2
(isoquinoline)
O
O
苯并--吡喃酮 (benzo--pyrone)
O Pyran
吡啶
吡喃
六元环
N N N
Pyrazine
含两个杂原子：
N
N
N
Pyrimidine
Pyridazine
哒嗪
嘧啶
吡嗪
N N
Quinoline Isoquinoline
N N N N
N
喹啉
异喹啉
蝶啶
丫啶
稠杂环
N N H
Indole
N N N H
N H
Purine
Carbazole
吲哚
嘌啉
咔唑
单环 含一个杂原子
O
N H
Pyrrole
S
Thiophene
Furan
五元环
呋喃
N O
Oxazole
吡咯
N N H
lmidazole
噻吩
N S
Thiazole
噁唑
咪唑
噻唑
含两个杂原子
O N N H N S N
Isoxazole
Pyrazole
Isothiazole
异 噁唑
吡唑
异噻唑
含一个杂原子：
N Pyridine
催化加氢 -CHO + H2
第十二章 杂环化合物(08)
以上反应说明吡啶比苯稳定(惰性),难以氧化.
11-12
3. 还原：
O
N H
N
N
S
Na+C2H5OH 催化氢化
S
噻吩对催化剂有 毒性,需用化学法 还原成四氢噻吩
O
N H
四氢呋喃 (THF)
四氢吡咯 (吡咯烷)
N H 六氢吡啶 (哌啶)
N H
四氢喹啉,说明杂 环比苯环易还原
11-13
4. 吡咯与吡啶的酸碱性 ⑴ 吡咯：弱酸性 原因： N 未共用电子对参与共轭 , 失去 了与H+结合的能力,同时减弱了N-H键, 使得H解离,显弱酸性.表现为可与NaOH ，KOH成盐，而不与HCl及弱酸成盐。 ⑵ 吡啶：显碱性 原因： N 未共用电子对不参 与共轭, N的吸电子诱导作用 增强了电子密度,显碱性.可与 酸成盐（相当于叔胺）
N N
N N
卟啉环内可结合金属离子.
叶绿素是含Mg2+的衍生物 血红素是含Fe2+的衍生物
维生素B12是Co2+的衍生物
卟吩(porphine)骨架 也称卟啉环
11-16
3.吡啶 叔胺，弱碱性，好的溶剂，可与水混溶，可溶于乙醇 、乙醚、苯等有机溶剂中。 维生素PP, B12和雷米封(抗结核药物)都是吡啶的衍生物
O C N NH2
COOH
N
β-吡啶甲酸 烟酸
β-吡啶甲酰胺 烟酸胺
11-17
4. 吲哚 吲哚是吡咯环与苯环稠和而成，为白色晶体，熔点52.25℃ ，沸点 254℃ . 可溶于热水、易溶于醇醚等有机溶剂。弱酸 性，有松木片反应。是臭气的成分,但纯吲哚在极稀浓度时 有香气,用于配制香料.
4 5 6 7 吲哚 吲哚
《有机化学(第二版)》第12章：杂环化合物与生物碱
OH Br2 / CCl4 HO HO
Br N
OH Br
NH2
20℃
NH2
OH
N
室室
+
N
Br HO
N
19:46
③亲核取代反应
发生在α位 发生在 位
19:46
④氧化与还原反应
氧化难、 氧化难、还原易
19:46
（哌啶）
19:46
4、重要的衍生物 、 ①维生素pp 维生素
维生素pp促进组织新陈代谢，降低血中胆固醇。 维生素 促进组织新陈代谢，降低血中胆固醇。体内缺 促进组织新陈代谢 乏维生素pp时 乏维生素 时，可引起糙皮病
19:46
②异烟肼（雷米封） 异烟肼（雷米封）
治疗结核病的良好药物
19:46
③维生素B6 维生素
维生素B 维生素 6是蛋白质代谢过程中的必需物质
N
H O
H
19:46
3、化学性质 、 ①碱性
19:46
碱性大小：脂肪族胺＞ 碱性大小：脂肪族胺＞氨＞吡啶＞苯胺 吡啶＞
(CH3)3N > NH3
> N
> N
NH2
19:46
②亲电取代反应
发生在β位 发生在 位
19:46
若吡啶环上有第一类定位基时， 若吡啶环上有第一类定位基时 ， 能使吡啶环 活化， 能使亲电取代反应较容易进行， 并且取代 活化 ， 能使亲电取代反应较容易进行 ， 位置由第一类定位基决定。 位置由第一类定位基决定。
19:46
N H
吲哚
N H
咔唑
19:46
Br2
0℃ N H
Br
+
《有机化学》第十二章 杂环化合物
第十二章杂环化合物杂环化合物指分子结构中含有除碳原子外，其他原子共同组成的环状化合物。
杂环中除碳原子外的其他原子称为杂原子，常见的杂原子有N、O、S等。
杂环化合物广泛存在于自然界中，数量庞大，大多具有一定的生理活性，是许多生物体的重要组成部分。
如植物体中的叶绿素、动物体中的血红素、核苷酸中的碱基等都含有杂环化合物。
杂环化合物对生物体的生长、发育、繁殖和衰亡等过程都起着非常重要的作用。
杂环化合物的应用范围非常广泛，在生物材料、分子器件、医药、染料及农药等领域均十分常见。
杂环一般包括脂环和芳环，其中，脂环易开环，其性质与开链化合物类似，因此，一般不把它们放在杂环化合物中讨论，本章主要讨论的是性质稳定也具有一定芳香性的杂环化合物。
一、杂环化合物的分类根据杂环母环的结构中所含环的数目，可将杂环化合物分为单杂环和稠杂环化合物两大类。
最常见的单杂环化合物中，根据原子的数目不同，可分为五元环和六元环。
根据杂原子的种类和数目，可分为1个、2个或以上杂原子的杂环化合物。
另外，稠杂环按稠合环的形式分为苯杂环化合物和杂环稠环杂环化合物。
常见杂环化合物的结构和名称见表12-1。
表12-1 一些常见杂环化合物的母环和分类二、杂环化合物的命名杂环化合物的命名比较复杂，目前在我国主要有两种方法：一种是音译法；另一种是系统命名法。
在命名时，杂环化合物的名称包括杂环母核及环上的取代基，其中，对杂环母核的命名一般采用音译法，对取代基的命名与前述章节基本一致。
音译法是按照1979年规定的IUPAC 命名原则所推荐的通用名，按外文发音来汉化命名，名称带“口”字旁。
例如：吡啶（pyridine ）吲哚 （indole ）N N HO S 呋喃（furan ）噻吩（thiophene ）当杂环上有取代基时，以杂环为母体，需先将杂环母环编号，以注明取代基的位次。
编号一般从杂原子开始，若含有2个或2个以上相同杂原子构成单杂环进行编号时，从连接有氢原子的杂原子开始编号，例如：4-甲基嘧啶2345O N N 16 25 341H 3C H 3C 4,5-二甲基呋喃CH 3当只有1个杂原子时，从杂原子开始用阿拉伯数字编号，也可用希腊字母编号，以靠近杂原子的第一个的碳原子为α-位，其次用β、γ等编号。
n-第十二章-杂环化合物改
（3）、吡咯旳酸碱性
.. N
H
PKa＝16.5
从构造上看，吡咯是环状仲胺，但因为N上旳未用电子对 参加了茂环共轭，N上电子云密度 , 所以具弱酸性 （PKa＝16.5），相当于低档醇，N上旳H轻易被金属取代。
ex:
+-
液氨
KNH2
N H
+ NH3 N
K 吡咯钾
干醚 C2H5MgBr N H
CH3CH3 N MgBr
音译法命名：
O
furan 呋喃
N H pyrrole
吡咯
S
thiophene 噻吩
N
pyridine 吡啶
N
quinoline 喹啉
如环上有取代基，以杂环为母体，环上原子进行编号，杂原子 编号最小。
' 4
3
2.5－二甲基呋喃
' H3C 5 O 2 CH3 （orα，α’一二甲基呋喃）
1
杂原子相同：杂原子编号和最小
进行水蒸气蒸馏得到，为无色液体，b.p 162℃，在空气中变 色，性质和苯甲醛相同。
(C5H8O4)n
H3O
Δ
聚戊糖
CHO (CHOH)3
H3O Δ
CH2OH
戊糖
氧化
中性 or碱性KMnO4
CHO + 3H2O O
糠醛
COOH （糠酸）
O
CHO O
还原
H2/Cu, CrO3, 100－200℃
O
CH2OH （糠醇）
部分：尿嘧啶、胸腺嘧啶、胞嘧啶。5－氟尿嘧啶能够干扰核酸
旳功能和合成，用作抗癌药，V－B1含嘧啶环。
O
OH
O
NH2
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O的电负性大于N，使呋喃环上C周围的电子云密 度小于吡咯。 S的原子半径明显大于C，使大π 键共轭得不好，环 上C周围的电子云密度小。
α >β
在酸的作用下质子化，主要在α位
H N H N H
H H
遇强酸，破坏了芳香体系，容易发生开环、氧化、 聚合等反应。另外呋喃和吡咯电子云密度高，对 氧化剂敏感，因此，其亲电取代反应应避免强酸、 强氧化剂，选择较为温和的反应条件。Βιβλιοθήκη （1）从杂原子开始；
N H CH2CH3
O CHO
N
COOH
2-乙基吡咯 α-
2-呋喃甲醛 α-
3-吡啶甲酸 β-
（2）如有两个杂原子，按O、S、NH、N的顺序确定最 小编号位置，并使另一个杂原子的编号尽可能小；
CH3 N N H
S N CH2CH3
N N OH
4-甲基咪唑
4-乙基噻唑
5-羟基嘧啶
卤代：
O
O O
+
Br2 0℃
Br2 Br
O
Br
Br Br
N H
0℃
Br
N H
硝化：
N H
O + CH3CONO2
NO2 Ac2O 50℃ N H 83％ NO2 + N H 17％
磺化：
+ N H N 100℃
.
N H
SO3
.
HCl N H N H
SO3H
SO3
+ S
H2SO4 96%
25℃ S 69~76% SO3H
共振能 ※
呋喃：68kJ·mol-1 吡咯：90kJ·mol-1 噻吩：122kJ·mol-1 苯：150kJ·mol-1 稳定性顺序为： 苯＞噻吩＞吡咯＞呋喃
2. 化学性质
（1） 亲电取代反应
-0.02 -0.04 -0.06 -0.06 -0.08 -0.10 +0.32
O
S
N H
α 位电子云密度高，易受亲电试剂进攻 活性顺序： 吡咯＞呋喃＞噻吩＞苯
H H H
富电子，易亲电取代 等性sp2杂化
H N H
N H
H
H
所有成环原子sp2杂化；
H
H
C、N未杂化的5个p轨道相互平行重叠成闭合 的共轭体系，π电子数为6，具有芳香性
吡喃、噻吩结构与吡咯相似 O、S、N的电负性比C的大，使键长和电子云密度 没有达到完全平均化，芳香性不及苯。
143.1pm 136.1pm O 136.2pm 142.3pm 137.0pm S 171.4nm 142.9pm 137.1pm N 138.3pm H
H
有成环原子都以sp2杂化轨道 π电子数为6，具有芳香性
2. 吡啶的化学性质
（1） 吡啶的碱性与亲核性 •吡啶氮原子上的未共用电子对未参与共轭，
**碱性： 叔胺(pKb=3-4)﹥氨﹥吡啶﹥ (pKb=8.8)﹥
苯胺(pKb=9.12)﹥吡咯(pKb=13.6)
+ HCl
N
氮原子上的未共用电子对具有一定的亲核性
五、重要的生物杂环化合物 1、嘧啶杂环
O N N N H NH O N H NH2 N O H3C N H O NH O
嘧啶
尿嘧啶(U)
胞嘧啶(C) 2-氧-4-氨基嘧啶 胸腺嘧啶(T)
2，4-二氧嘧啶
2，4-二氧-5-甲基嘧啶
嘧啶杂环的结构互变
O NH N H O
NH2 N N H O
O H3C N H NH O H3C N
若环上连有钝化基，可用强酸
COOH O 混酸 NO2 COOH O
（2） 吡咯的酸碱性
碱性: pKb=13.6 酸性: pKa=15
+ KOH
N H
比苯胺弱 比苯酚弱，比醇强
固体 △ N + K + H2O
H2O
3. 吡咯的重要衍生物——血红素
CH=CH2 CH3 N Fe N CH3 HOOCH2CH2C N CH3 CH2CH2COOH N CH3 CH=CH2
+ CH3I
N H+Cl-
N
N I CH3
（2） 亲电取代反应
+0.18 +0.05 +0.15
β位电子云密度相对高，亲
电试剂进攻的位置
+ Br2 300℃ N Br
N
-0.58
N
+ HNO3 N
浓H2SO4，KNO3 350℃
HgSO4 200℃ N
NO2 N
SO3H
+ H2SO4(SO3) N
第12章
杂环化合物的定义
杂环化合物
*在环状化合物中，构成环的原子除碳原子外还 含有非碳原子的化合物 *杂原子：（O、S、N） *芳香杂环 *杂环化合物 *非芳香杂环 *下列化合物为非芳香杂环化合物
CH2 O C CH2 C O O
CH3 O O O O CH3
O
O
O
易开环，性质与链状相似，不划归入杂环
O2
CH=CH2 CH3 N N Fe N CH3 N CH2CH2COOH NH N CH3 HOOCH2CH2C
蛋白质
CH3 CH=CH2
N NH
HN N
卟吩
三、含一个杂原子的六元杂环化合物 1. 吡啶（C5H5N）的结构
不等性sp2杂化
H H H H N H
H N
缺电子，不易亲电取代
H H
H
一、分类和命名 1. 五元杂环
吡咯
N H
N N H
呋喃
O
N O
噻吩
S
N
S
咪唑
N O N
噁唑
噻唑
N H
吡唑
异 噁唑
2. 六元杂环
N N O N
吡啶
吡喃
嘧啶
N N N N H
3. 稠杂环
N H N
吲哚
喹啉
嘌呤
杂环化合物的命名
音译法：英文发音写成中文，并加“口”字旁。 与芳香族化合物相似 若环上连有取代基，需对环进行编号，原则如下：
(pKa=5.75)，可与碱成盐。尿酸是鸟类和爬虫类
动物体内蛋白质的代谢产物，由尿排出。人的血 液和尿液中含量较少，在代谢发生障碍时，尿液
中的尿酸量增加而形成尿结石，血液中的尿酸含
量过高时，可沉淀在关节外形成痛风石。
H H N N
吡咯中的N
H H
吡啶中的N
咪唑的酸碱两性
CH3 N N H N CH3 NH
酶蛋白中组氨酸残基的咪唑基pKa为
7.35，在生理条件下（pH=7.35-7.45）咪
唑的质子化状态和未质子化状态同时存在， 既可以作为质子的受体，又可以作为质子 的供体，在酶促反应中具有酸和碱的功能， 这在生理过程中十分重要。
（3）存在异构体时，标氢（H）区别。
O O N
4H-吡喃 2H-吡喃 （4）稠杂环固定编号
6 1 2
3H-吲哚
5 4 3 8
NH2
5 4 9
N N
3
N7 N H
8
6 7
N OH
1
2
8-羟基喹啉
6-氨基嘌呤
4 5
COOH
3 2
Br
6
7
N1 H
6-溴-3-吲哚甲酸
二、含一个杂原子的五元杂环化合物
1.结 构 吡咯：C4H5N
NH2 N N H N N N N H
NH NH N
腺嘌呤(A) (6-氨基嘌呤)
OH N N H N N NH2 N N H N O NH NH2
鸟嘌呤(G) (2-氨基-6-羟基嘌呤)
3、尿酸
OH N HO N N H N OH HN O N H N H O NH O
尿酸为白色晶体，难溶水，具有弱酸性
（3） 氧化还原反应 氧化反应：比苯难
CH3 KMnO4 /H N △ N COOH
N
KMnO 4
N
COOH
KMnO 4 N N
COOH COOH
还原反应：环上电子云密度低，比苯易
H2/Pt 25℃ /0.3MPa
N
N H
四、含两个杂原子的五元杂环化合物
－－－咪唑的结构 五元环中含有两个或两个以上杂原子其中 至少有一个是氮原子的杂环化合物叫唑。
OH N N OH
NH2 N N OH
OH N OH
2、嘌呤杂环
N N H N N
N N N N N H N H N N
嘌呤环系
9H-嘌呤
7H-嘌呤
嘌呤易溶于水，其水溶液显中性，能 与强酸或强碱成盐。其酸性(pKa=8.9)比 苯酚(pKa=10)强，碱性(pKb=11.6)比吡啶 (pKb=8.8)弱。在水溶液中易于发生互变 异构。