芳香杂环化合物
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chap14-1 杂环(芳香族)化合物
A
聚合 分解 反应剧烈
（吡咯，呋喃，噻吩）
硝化：HNO3/H2SO4 磺化：H2SO4
用温和试剂代替
（1） 五员杂环的硝化反应 硝化试剂
AcONO2 AcO + NO2
• 吡咯和噻酚发生正常亲电取代反应
NO2 AcONO2 N H Ac2O,10 C
o
N H 51%
NO2
+ N H 13% NO2
N
N
N
N
N
环上每个位置的负 电荷密度均增大
吡咯的性质与苯酚类似，具有酸性，但吡咯的酸性比苯 酚小。吡咯与苯胺也有类似性质。
OH
OH-
O
N H
Na 或 K 或浓NaOH
N K+
pKa =10
pKa≈ 17.5
吡咯成盐后，使环上电荷密度增高，亲电取代反应更 易进行。
3.1 五员芳杂化合物的亲电取代反应
第十六章
杂环（芳香族）化合物
构成环的原子除碳原子外还有O、S、N、 P 等杂原子的一类环状化合物称为杂环化合物。 O、N、S
杂原子
酸酐、环氧、内酯、内酰胺不属杂环化合物。
通常，杂环化合物是指含有杂原子构成环的、比 较稳定、有一定芳香性的环状化合物。
O
N
S
核酸碱基 ：
O HO P O OH B O
取代位置
E
+
E
+
A
A
E
A
-取代 主要产物 反应相对活性
-取代
>
N H O
>
S
>
5 109 1
3
1018
6
1011
对取代位置的解释（分析反应中间体的相对稳定性）
聚合 分解 反应剧烈
（吡咯，呋喃，噻吩）
硝化：HNO3/H2SO4 磺化：H2SO4
用温和试剂代替
（1） 五员杂环的硝化反应 硝化试剂
AcONO2 AcO + NO2
• 吡咯和噻酚发生正常亲电取代反应
NO2 AcONO2 N H Ac2O,10 C
o
N H 51%
NO2
+ N H 13% NO2
N
N
N
N
N
环上每个位置的负 电荷密度均增大
吡咯的性质与苯酚类似，具有酸性，但吡咯的酸性比苯 酚小。吡咯与苯胺也有类似性质。
OH
OH-
O
N H
Na 或 K 或浓NaOH
N K+
pKa =10
pKa≈ 17.5
吡咯成盐后，使环上电荷密度增高，亲电取代反应更 易进行。
3.1 五员芳杂化合物的亲电取代反应
第十六章
杂环（芳香族）化合物
构成环的原子除碳原子外还有O、S、N、 P 等杂原子的一类环状化合物称为杂环化合物。 O、N、S
杂原子
酸酐、环氧、内酯、内酰胺不属杂环化合物。
通常，杂环化合物是指含有杂原子构成环的、比 较稳定、有一定芳香性的环状化合物。
O
N
S
核酸碱基 ：
O HO P O OH B O
取代位置
E
+
E
+
A
A
E
A
-取代 主要产物 反应相对活性
-取代
>
N H O
>
S
>
5 109 1
3
1018
6
1011
对取代位置的解释（分析反应中间体的相对稳定性）
芳香杂环化合物的定义
芳香杂环化合物的定义
芳香族化合物是一类具有芳环结构的化合物。
它们结构稳定，不易分解，可能会对环境造成严重的污染。
历史上曾将一类从植物胶中取得的具有芳香气味的物质称为芳香族化合物。
芳香族化合物一般是指分子中至少含有一个离域键的环状化合物，但现代芳香族化合物存在不含有苯环的例子。
芳香族化合物均具有“芳香性”。
芳香族化合物分类
一切具有芳香性苯环或杂环的碳氢化合物的总称。
可分为两类
：①苯烃或单苯芳烃，具有一个苯环的化合物及其衍生物。
如苯、苯酚、卤代苯、甲苯等;
②多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbon，PAH)，具有苯环或杂环共有环边的多环碳氢化合物。
如萘、蒽、䓛、苝、苯并芘等。
如其中由两个或两个以上的苯环与杂环以共有环边形成的多环化合物，称为苯稠杂环化合物，如吲哚、喹啉、芴等。
炼焦、石油化工、染料、制药、农药、油漆等工业及化石燃料的燃烧排放物是环境中芳香烃主要的人为来源。
自然界有些植物、细菌等也能产生这类化合物，如丁香酚、冬青油等。
许多芳香烃都是环境中的有害物，尤其是多环芳烃的污染会引起致突变、致癌性，已引起全世界的重视。
芳香杂环化合物
抗菌活性
抗菌活性
部分芳香杂环化合物具有抗菌活性，如喹啉、异喹啉等。这些化合物主要通过抑制细菌生 长、破坏细菌细胞壁或影响细菌基因表达等方式发挥抗菌作用。
抑制细菌生长
芳香杂环化合物能够抑制细菌生长，通过干扰细菌代谢和/或抑制细菌酶的活性来达到抗 菌效果。
破坏细菌细胞壁
一些芳香杂环化合物能够破坏细菌细胞壁，导致细菌细胞内容物外泄，从而达到杀菌效果 。
其他应用
高分子材料
芳香杂环化合物在合成高分子材料中也有应用，如聚酰亚胺、聚醚醚酮等，这 些高分子材料具有优良的耐高温、绝缘、耐腐蚀等性能。
电子化学品
芳香杂环化合物在电子化学品如液晶材料、光电材料等的合成中也有应用，这 些材料在显示技术、光电子器件等领域有广泛应用。
03
芳香杂环化合物的生物活性
抗癌活性
抗炎活性
抗炎活性
部分芳香杂环化合物具有抗炎活性，如吲哚、呋喃等。这些化合物 主要通过抑制炎症介质产生、降低炎症反应等方式发挥抗炎作用。
抑制炎症介质产生
芳香杂环化合物能够抑制炎症介质的产生，通过干扰炎症信号传导 和/或抑制炎症基因表达来减轻炎症反应。
降低炎症反应
一些芳香杂环化合物能够降低炎症反应，通过抑制炎症细胞的活化和 /或减少炎症细胞的募集来减轻炎症症状。
杀菌剂
含芳香杂环化合物的杀菌剂如三 唑酮、戊唑醇等，通过抑制病原 菌的生长或干扰其代谢来发挥杀 菌作用。
染料合成
偶氮染料
芳香杂环化合物在偶氮染料的合成中扮演重要角色，如苯胺 、苯酚等，这些染料广泛应用于纺织、皮革、纸张等行业的 染色。
荧光染料
一些荧光染料也含有芳香杂环化合物结构，如荧光素、荧光 黄等，这些染料在生物医学、化学和物理等领域有广泛应用 。
第十四章芳香杂环化合物
环化合物。如果N4上的氢原子被其他基团取代时，将降低 甚至丧失其抗菌作用。但如果N4 上的取代基在体内能被 分解而恢复原来的游离氨基时，则仍具有原来的抑菌作用。
磺胺的抑菌作用是由于其结构与细菌生长所必须的对氨基
苯甲酸（PAPB）的结构极为相似，能产生竞争性拮抗， 干扰细菌的酶系统对PAPB的利用。
临床上使用的药物：
N
N
发烟 H2SO4
250oC
N
NO2
亲电取代发生在 SO3H β位。
齐齐巴宾反应
亲核取代发生 在α位。 当α位上有易离 去基团时，与 较弱的亲核试 剂就能发生亲 核取代反应
（4）、吡啶类化合物侧链氧化反应 氧化难、还原易（抗氧化性比苯强）
N KMnO4 HOOC
N
N HNO3
COOH NH3
N
全饱和时可不标明位置。例如：
N H
N H
O
1,2,3,4-四氢喹啉 2,5-二氢吡咯 四氢呋喃
含活泼氢的杂环化合物及其衍生物,可能存在着互变异 构体,命名时需按上述标氢的方式标明之。例如：
N
N
H
N
N
N
N H
NN
9H-嘌呤
7H-嘌呤
第二节、芳香五元杂环化合物
一、吡咯、呋喃和噻吩 1、结构与芳香性
sp2
O
H2N
N SO2NH
N
磺 胺 嘧 啶 （ SD）
F HN
5-氟 尿 嘧 啶
O
N H
（ 5-FU）
抗肿瘤药
第四节 稠杂环化合物
嘌呤及衍生物
嘌呤 两个互变异构体的平衡体系
6
1N
5
7
N
2
98
磺胺的抑菌作用是由于其结构与细菌生长所必须的对氨基
苯甲酸（PAPB）的结构极为相似，能产生竞争性拮抗， 干扰细菌的酶系统对PAPB的利用。
临床上使用的药物：
N
N
发烟 H2SO4
250oC
N
NO2
亲电取代发生在 SO3H β位。
齐齐巴宾反应
亲核取代发生 在α位。 当α位上有易离 去基团时，与 较弱的亲核试 剂就能发生亲 核取代反应
（4）、吡啶类化合物侧链氧化反应 氧化难、还原易（抗氧化性比苯强）
N KMnO4 HOOC
N
N HNO3
COOH NH3
N
全饱和时可不标明位置。例如：
N H
N H
O
1,2,3,4-四氢喹啉 2,5-二氢吡咯 四氢呋喃
含活泼氢的杂环化合物及其衍生物,可能存在着互变异 构体,命名时需按上述标氢的方式标明之。例如：
N
N
H
N
N
N
N H
NN
9H-嘌呤
7H-嘌呤
第二节、芳香五元杂环化合物
一、吡咯、呋喃和噻吩 1、结构与芳香性
sp2
O
H2N
N SO2NH
N
磺 胺 嘧 啶 （ SD）
F HN
5-氟 尿 嘧 啶
O
N H
（ 5-FU）
抗肿瘤药
第四节 稠杂环化合物
嘌呤及衍生物
嘌呤 两个互变异构体的平衡体系
6
1N
5
7
N
2
98
第十四章芳香杂环化合物
键长：
0.144 nm 0.1354 0.1371 0.1352 0.1455 nm 0.1371 0.1429 nm
O
0.1718
S
0.1383
N H
饱和化合物
C C O: 0.143 nm C: 0.154 nm C N: 0.147 nm C S: 0.182 nm
C=C: 0.134 nm
NH3 Cl
+
Cl+
N CH3 N
嘧啶环
C N H2 s
C CH3 CH2CH2OH
噻唑环
N
维 素 1 生 B
5
s
2
1
噻唑为无色有吡啶气味的液 体，b.p. 117oC, 与水混溶. 环上的 氮原子有碱性, 化学性质稳定，不 易发生亲电取代反应。
N CO 青霉素G中四元环内酰胺很不 HOOC 稳定，对酸、碱都很敏感，特 CH3 CH-NH-CO-CHC6H5 别容易被酸水解。口服后在胃 2 CH3 s 中水解，β内酰胺的四元环打 氢化噻唑环 开而失效，现口服青霉素就是 青 素 霉 G 将其中-CH2C6H5换为
吡啶又称氮杂苯。最初由干馏动物的骨骼得到，其衍生物 广泛存于自然界，例维生素PP、维生素B6。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。一些 生物碱中常含有吡啶或氢化吡啶环。
CO2CH3
N N CH3 N N CH3
NCH3
OCOC6H5
烟碱
新烟碱
古柯碱(可卡因)
吡啶的重要衍生物有维生素、异烟肼（抗结核药物）等。
第十四章 芳香杂环化合物和维生素
Ａromatic ｈeterocycles and vitamin
《芳香杂环化合物》课件
代表性化合物
苯并噻嗪类、苯并咪唑类等具有较好的抗炎 效果，在抗炎药物研发中具有一定的应用前 景。
抗病毒活性
抗病毒活性
芳香杂环化合物具有抑制病毒复制和传播的 作用，可预防和治疗病毒感染，其机制可能 与干扰病毒生命周期、抑制病毒酶活性等有 关。
代表性化合物
苯并呋喃类、苯并吡嗪类等在抗病毒药物研 发中具有一定的应用价值。
特性
芳香杂环化合物具有芳香性，即具有 特殊的稳定性，不易发生氧化、还原 等化学反应，且具有特殊的物理和化 学性质。
分类与命名
分类
根据杂环母核的不同，芳香杂环化合物可以分为吡啶类、嘧啶类、喹啉类、吲哚类等。
命名
芳香杂环化合物的命名通常采用系统命名法，根据杂环母核的名称和取代基的数目、位置和名称来命 名。
合成方法
合成方法
芳香杂环化合物的合成方法主要有亲电取代反应、亲核取代反应、氧化还原反 应等。其中，亲电取代反应是最常用的合成方法之一，通过向芳香杂环化合物 中引入不同的取代基来合成不同的化合物。
合成实例
以苯胺为例，通过重氮化反应和还原反应可以合成吡啶。具体过程如下：将苯 胺与硫酸和亚硝酸钠反应生成重氮盐，再将其与氢气还原得到吡啶。
总结词
新类型芳香杂环化合物的研究有助于发现新的药物和材料。
详细描述
除了对已知的芳香杂环化合物进行深入研究外，研究者们还在探索新的、具有特殊结构和性质的芳香 杂环化合物。这些新化合物可能具有潜在的药物活性或材料性能，为新药研发和材料科学提供新的可 能性。
生物活性的深入研究
总结词
深入了解芳香杂环化合物的生物活性是药物研发的关键。
苯并吡喃
无色晶体，有特殊气味。用作染料、农药和医药的中间体 。
第14章杂环化合物
43
5 12
S
NH2
5 43 61 2
N
CH3
Br
Br
' 43
5 12
Br ' N
Br
H
2-氨基噻吩 3-甲基吡啶 (氨基噻吩) (甲基吡啶)
2,3,4,5-四溴吡咯 (,,,-四溴吡咯)
2.环上有两个或两个以上相同的杂原子时，应 使杂原子位次之和最小，并将连有氢原子或取 代基的杂原子编号定为1。如环上有不同杂原子 时，按O、S、-NH-和-N=的顺序编号。
sp2杂化轨道上，伸向环平面外侧，未参与
共轭，可结合质子，因此吡啶具有弱碱性。
H
H
H
N
H
H
吡啶的分子轨道示意图
d+
d-
d-
d+ N
d+
d-
电子云的 交替极化
吡啶环上电子云密度的分布不平均，氮原 子上的电子云密度较大，碳原子的电子云 密度较低，尤其是氮原子邻位、对位的电 子云密度降低得比间位多，所以吡啶的亲 电取代反应比苯难，并且主要发生在间位 （即位）上。像吡啶这类环碳上的电 子云密度比苯低的芳杂环亦称为“缺” 芳杂环。吡啶是一个极性分子；氮原子的 诱导效应和共轭效应的方向一致。
3.尿酸(urate)：2，6，8-三氧嘌呤称为尿 酸
O HN ON
H
NH NO H
OH
N
N
HO N
N OH H
2，6，8-三氧嘌呤（酮型） 2,6,8-trioxypurine
2，6，8-三羟基嘌呤（烯醇型） 2,6,8-trihydroxypurine
第二节 维生素
维生素是维持人体正常代谢机能不可缺少的微 量有机化合物. 脂溶性维生素: 维生素A、D、K、E 水溶性维生素: B族 维生素，维生素C，维生 素P等
第十四章--芳香杂环化合物
Professor: Zhang Yan-Bing, E-mail: zhangyb@
噻唑及其衍生物
噻唑是无色有臭味的液体,沸点117℃,易与水 互溶,有弱碱性.它的一些衍生物在医药上极为 它的一些衍生物在医药上极为 重要,如维生素B 及青霉素都含有噻唑环. 重要,如维生素 1及青霉素都含有噻唑环.
有机化学
郑州大学化学系
Professor: Zhang Yan-Bing, E-mail: zhangyb@
第十四章 芳香杂环化合物
环状有机化合物中,组成环的原子除碳原子以外 还有其它元素的原子的化合物叫做杂环化合物 杂环化合物 其它元素的原子叫做杂原子 杂原子,常见的杂原子为为 杂原子 O,S,N等. , , 内酯,交酯,环状酸酐,内酰胺 内酯,交酯,环状酸酐,内酰胺等容易开环形成 开链化合物,性质也与开链化合物相似,通常这 些化合物不列入 不列入杂环化合物的范围. 不列入 杂环化合物指的是环系比较稳定,在结构上与芳 杂环化合物指的是环系比较稳定, 香环相似,具有闭合的共轭体系, 香环相似,具有闭合的共轭体系,同时具有不同 程度芳香性的环状化合物. 程度芳香性的环状化合物.这类环状化合物常称 为芳杂环.
S N CH3 CH3 COOH Cl N H3C N N NH2
维生素B1
RCONH O
CH3 CH2CH2OH
青霉素(基本结构)
Professor: Zhang Yan-Bing, E-mail: zhangyb@
咪唑及其衍生物
咪唑是无色固体,熔点88～89℃,易溶于水和乙 醇,不溶于石油醚,具有碱性. 咪唑环可发生互变异构现象 咪唑环可发生互变异构现象,4-甲基咪唑和5-甲 基咪唑就是两个互变异构体.如果咪唑氮上的氢 被其它原子或基团取代时,就不能发生这种互变 异构现象.
噻唑及其衍生物
噻唑是无色有臭味的液体,沸点117℃,易与水 互溶,有弱碱性.它的一些衍生物在医药上极为 它的一些衍生物在医药上极为 重要,如维生素B 及青霉素都含有噻唑环. 重要,如维生素 1及青霉素都含有噻唑环.
有机化学
郑州大学化学系
Professor: Zhang Yan-Bing, E-mail: zhangyb@
第十四章 芳香杂环化合物
环状有机化合物中,组成环的原子除碳原子以外 还有其它元素的原子的化合物叫做杂环化合物 杂环化合物 其它元素的原子叫做杂原子 杂原子,常见的杂原子为为 杂原子 O,S,N等. , , 内酯,交酯,环状酸酐,内酰胺 内酯,交酯,环状酸酐,内酰胺等容易开环形成 开链化合物,性质也与开链化合物相似,通常这 些化合物不列入 不列入杂环化合物的范围. 不列入 杂环化合物指的是环系比较稳定,在结构上与芳 杂环化合物指的是环系比较稳定, 香环相似,具有闭合的共轭体系, 香环相似,具有闭合的共轭体系,同时具有不同 程度芳香性的环状化合物. 程度芳香性的环状化合物.这类环状化合物常称 为芳杂环.
S N CH3 CH3 COOH Cl N H3C N N NH2
维生素B1
RCONH O
CH3 CH2CH2OH
青霉素(基本结构)
Professor: Zhang Yan-Bing, E-mail: zhangyb@
咪唑及其衍生物
咪唑是无色固体,熔点88～89℃,易溶于水和乙 醇,不溶于石油醚,具有碱性. 咪唑环可发生互变异构现象 咪唑环可发生互变异构现象,4-甲基咪唑和5-甲 基咪唑就是两个互变异构体.如果咪唑氮上的氢 被其它原子或基团取代时,就不能发生这种互变 异构现象.
芳香杂环化合物名词解释
芳香杂环化合物名词解释芳香杂环化合物，也称有机饱和杂环化合物，是指具有特殊香味和芳香的有机化合物的总称。
这类物质通常是六原子的平面环状，并且其中必须有一个或多个双键（也称双烯烃）。
可以说，只要满足上述条件，只要具有特殊的香味和芳香，它就是芳香杂环化合物。
芳香杂环化合物是众多有机化合物中最重要的部分，它不仅以芳香味而闻名，还有很多其他有用的特性，比如能够抵抗环境污染物、具有辐射吸收功能、可以用作催化剂和药物等。
因此，芳香杂环化合物在日常生活中占据着重要的地位。
芳香杂环化合物有很多种，可以分为芳香烃类、芳吡喃烃类、芳苯并烃类等几大类，其中各自属于不同的类别，这些类别的不同是由其不同的结构引起的。
芳香烃类的特征是环内一个氢原子被另外五个原子替代，形成独特的二元环，而芳吡喃烃类则以三角形三元环为特征，芳苯并烃类则以四边形四元环为特征。
芳香杂环化合物有着丰富的应用前景。
它们不仅在食物和化妆品中被广泛应用，而且还可以用作染料、农药和润滑剂。
此外，芳香杂环化合物还可以用来制备材料，例如发泡剂、塑料化合物和聚合物。
在化学领域，芳香杂环化合物还有重要的研究价值。
由于具有非常稳定的结构，芳香杂环化合物成为化学家们研究有机反应机理的重要课题。
从科学上讲，芳香环是有机反应机理的关键部分，这是由于其特定的结构所决定的。
芳香杂环化合物具有多种应用，从表面现象上看，它们都具有独特的香味和芳香，这种香味来自于它们的结构，比如双烯烃等。
芳香杂环化合物的重要性之所在，就是其多样的特性，可以用于食品、医药和化学工业中。
总之，芳香杂环化合物对现代社会具有重要的意义，它们是现代社会发展的不可或缺的部分。
第十四章芳香杂环化合物
(6) 吡啶的氧化和还原反应。 吡啶环对氧化剂较苯更为稳定。当环上连有烷基侧链时,侧链可被氧化 成羧酸,保留吡啶环。
吡啶较苯易被还原, 用金属钠和乙醇或催化加氢, 均可使吡啶还原成 六氢吡啶。
六氢吡啶又称哌啶(pKb=2.8), 是仲胺化合物, 碱性较吡啶强106倍。
二、吡啶衍生物
吡啶的衍生物在医药上有着重要的作用。 维生素PP ：包括β-吡啶甲酸(烟酸)和β-吡啶甲酰胺(烟酰胺),烟酸是白色
2-呋喃甲醛(糠醛) 3-吡啶甲酸(烟酸)
2-furaldehyde (furfural) 3-pyridine carboxylic acid (nicotinic acid)
7）含有“饱和原子”的杂环化合物的命名
在杂环化合物中，当杂环上含有一个“饱和”原子时，往往存在互变异 构体，为了区别异构体，在命名时要将“饱和”原子上的氢原子的位置
血红素是卟吩以共价键及配位键与亚铁原子所形成的配合物, 同时在吡咯 环的β-位置还有不同的取代基。血红素与蛋白质结合称为血红蛋白, 存在 于人和动物的红血细胞中, 是运输氧气的物质。
卟吩
血红素
二、咪唑的结构与功能
1、咪唑 吡咯3-位的CH被氮原子取代的化合物称为咪唑。
咪唑3-位的氮也是以sp2杂化轨道形成 σ -键； 但与1-位氮不同，不是 以一对p电子，而是以一个p电子参与环状共轭大π-键; 因此，大π键 中仍是六个π电子，符合Hückel规则，具有一定的芳香性。
用阿拉伯数字表示出来，并同大写斜体“H”一起写在词首，作为环系
名称的一部分；在编号尚有选择时，要给“饱和”原子以最低编号。
4H-吡喃 4H-pyrane
2H-吡喃 2H-pyrane
7H-嘌呤 7H-purine
芳香杂环化合物
+ CH3I N + N CH3 碘化N-甲基吡啶 . Cl + N COPh 氯化N-苯甲酰基吡啶 . I-
+ PhCOCl N
15
3. 亲电取代反应 氮原子的电负性较大，所以π电子云向氮原子发 生共轭偏移,表现在性质上： 亲电取代困难，与硝基苯相当,主要在β位 亲核取代容易，主要在α位和γ位
0.87 γ 1.01 0.84 N 1.43
+ N O
34
吡啶环可优先被还原。
H2,Pt,H2O N 或H2,RaneyNi H2,Pt,HOAc N 或Sn-HCl,或 Na,EtOH N H N H 十氢喹啉 1,2,3,4-四氢喹啉
（三）喹啉及其衍生物的合成（重点）
喹啉及其衍生物的合成方法 有多种，广为人知的方法是 Skraup合成法。该法由捷克化 学家Zdenko Hans Skraup的 名字命名。
N
喹啉 quinoline
第一节 六元杂环化合物
一、吡啶：苯环的一个CH换成氮原子 • 具有特殊臭味的无色液体。 • 其衍生物是许多天然药物、染料、维生素和生 物碱的基本组成部分。 • 从煤焦油和骨焦油中可分离得到吡啶及其衍生 物
9
（一）、命名：
母体的命名是外文名称的音译，并加口字旁， 表示为环状化合物，命名时杂环上各原子的 编号自杂原子开始，作为1。也可以将杂原子 旁的碳原子依次编α、β来命名。
+ N PhLi N + Ph LiH
Chichibabin反应
N + NaNH2 NH3 N + H2 H2O + NHNa N NH2
21
（4）α-位或γ-位存在好的离去基团(如-Cl, -Br, -NO2等)时，可与较弱的亲核试剂（NH3,OH,MeO- 等)反应。
+ PhCOCl N
15
3. 亲电取代反应 氮原子的电负性较大，所以π电子云向氮原子发 生共轭偏移,表现在性质上： 亲电取代困难，与硝基苯相当,主要在β位 亲核取代容易，主要在α位和γ位
0.87 γ 1.01 0.84 N 1.43
+ N O
34
吡啶环可优先被还原。
H2,Pt,H2O N 或H2,RaneyNi H2,Pt,HOAc N 或Sn-HCl,或 Na,EtOH N H N H 十氢喹啉 1,2,3,4-四氢喹啉
（三）喹啉及其衍生物的合成（重点）
喹啉及其衍生物的合成方法 有多种，广为人知的方法是 Skraup合成法。该法由捷克化 学家Zdenko Hans Skraup的 名字命名。
N
喹啉 quinoline
第一节 六元杂环化合物
一、吡啶：苯环的一个CH换成氮原子 • 具有特殊臭味的无色液体。 • 其衍生物是许多天然药物、染料、维生素和生 物碱的基本组成部分。 • 从煤焦油和骨焦油中可分离得到吡啶及其衍生 物
9
（一）、命名：
母体的命名是外文名称的音译，并加口字旁， 表示为环状化合物，命名时杂环上各原子的 编号自杂原子开始，作为1。也可以将杂原子 旁的碳原子依次编α、β来命名。
+ N PhLi N + Ph LiH
Chichibabin反应
N + NaNH2 NH3 N + H2 H2O + NHNa N NH2
21
（4）α-位或γ-位存在好的离去基团(如-Cl, -Br, -NO2等)时，可与较弱的亲核试剂（NH3,OH,MeO- 等)反应。
芳香杂环化合物
芳香杂环化合物
芳香杂环化合物在化学及材料科学领域拥有重要地位，在中国也有广泛的应用
和研究。
芳香杂环化合物是一种具有特殊化学特性的分子，具有各种圆环结构的共轭环状化合物，以其独特的结构、稳定、光学性质等而被称为“自然的图案”。
芳香杂环化合物具有高的稳定性，例如，由六个碳原子和一组氧原子以共轭的
方式构成的芳香环酰胺大多具有稳定的结构，可以长时间地存在于环境中不被腐蚀但又可以易于在特定条件下分解。
芳香杂环化合物具有良好的热稳定性，可以在常温下较长时间保持其稳定性，
有时甚至可以在极高温度下也能保持稳定性。
然而，由于芳香杂环采用共轭环链结构，避免了碳链上大多数稳定基团的反应，因此它们在常温下的反应率往往较低。
芳香杂环化合物常被应用于许多行业，如农业、医药、化学和材料科学等。
在
农业上，它们常被用作农药，高效杀灭害虫；在医药方面，它们常用于制作药剂，如抗生素，以及用于治疗肿瘤等疾病；在化学领域上，它们被用于合成各类有机材料，如光耦和取向聚酰胺等；在材料科学领域上，它们可以被用于生产高精度微粒，如芳香分子筛等。
总之，芳香杂环化合物的优异构象与性质，使它们具有多用途的应用可能，在
中国的各个行业中备受瞩目，研究活动也不断增加，将大有裨益。
芳香杂环化合物记忆口诀
芳香杂环化合物记忆口诀学习药化并不难，基团和环是关键；
结构变化是主线，药物作用抓特点；
体外变化看一看，体内变化是重点；
构效关系很重要，实际工作紧相连。
2基团和环
认识基团和杂环，考过药化很简单；
氟氯溴碘很重要，中枢作用吸收好；
羧基羟基亲水团，中枢作用影响小；
季铵带个正电荷，中枢作用无一点；
酯键重要要掌握，体内代谢醇和酸；
前药特征常考试，结构修饰好药物；
贝诺酯刺激性减，丙酸睾酮作用长；
硫有一氧是亚砜，两个氧的名叫砜；
肼基和脲还有胍，要把他们区分开。
杂原子有氧氮硫，放到环里叫杂环，
五环一氮是吡咯，五环一氧是呋喃；
噻吩环里是个硫，两氮相邻是吡唑；
两氮分开是咪唑，三唑四唑最好认；一硫一氮是噻唑，一氧一氮是恶唑；六元杂环要认清，今年考试肯定有；一氮三键是吡啶，没有双键叫哌啶；两氮相对是吡嗪，没有双键叫哌嗪；两氮分开是嘧啶，苯并吡啶叫喹啉；嘧啶咪唑环相并，他是嘌呤要认清；七元环他称卓环，甾烷他有四个环；雌一雄二孕有三，敬请考生记心间。
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O N H + Ac2O C N CH3
吡咯和呋喃遇强酸时,杂原子质子化, 吡咯和呋喃遇强酸时,杂原子质子化,使大π
键破坏,因此硝化和磺化时需用较温和的非质子 键破坏,因此硝化和磺化时需用较温和的非质子 型试剂. 型试剂.
O N H + CH3 C ONO2 Ac2O 5 C
O
NO2 N H NO2 + N H
HNO3+H2SO4 N Fe,300 OC N
NO2
较易进行亲核取代反应,主要生成 位 较易进行亲核取代反应,主要生成α位 亲核取代反应 取代产物. 取代产物.
+
N NaNH2 100 OC N NHNa H2O N NH2
环上有较易离去的基团,弱亲核试剂就能反应. 环上有较易离去的基团,弱亲核试剂就能反应.
Cl 180~200 OC N NH2 + 2NH3 N
4,吡啶类化合物侧链氧化反应 环上连有烷基侧链时,侧链可被氧化成羧酸. 环上连有烷基侧链时,侧链可被氧化成羧酸.
CH3 KMnO4 N N COOH
5,还原反应
Na+C2H5OH 或H2/Pt
(六氢吡啶) 六氢吡啶)
N
N
六氢吡啶又称哌啶,性质与脂肪族伯胺相似, 六氢吡啶又称哌啶,性质与脂肪族伯胺相似, 碱性较吡啶强,与水互溶. 碱性较吡啶强,与水互溶.
5
N3
1 2
O2N
4
N3
1 2
N H 5 - 甲基咪唑
5
CH3
O 4 - 硝基恶唑
CH3 4 N3 S
1 2
HOCH2CH2
4 - 甲基 - 5 - ( 2' -羟乙基 ) 噻唑 羟
稠杂环的编号一般与稠环芳烃相同, 稠杂环的编号一般与稠环芳烃相同,但有 例外, 例外,如
5 6 7 8 1 4 3 N2 1N 2 6 5 7 N 8 8 7 6 5 N 10 4 9 1 2 3
嘌呤为白色固体,熔点216～217℃ 嘌呤为白色固体,熔点216～217℃,易溶 216 于水,水溶液呈中性,能分别与酸或碱生成盐. 于水,水溶液呈中性,能分别与酸或碱生成盐. 存在互变异构现象. 存在互变异构现象.
N N N H N N N N NH
9H-嘌呤 嘌呤
NH2 N N N H N H2N
indole
吲哚
purine
嘌呤
(2)杂环及环上取代基的编号: 杂环及环上取代基的编号:
A, 母体杂环的编号:杂原子的编号为"1".杂 , 母体杂环的编号:杂原子的编号为" . 编号. 原子邻位的碳原子也可依次用α 原子邻位的碳原子也可依次用 ,β,γ…编号. 编号
CH3
2 α
N H
1
α
O
CHO
2 - 甲 基吡 咯 α - 甲 基吡 咯
N 4 N 3 H
异喹啉
嘌呤
吖啶
O O2N CHO O N C-N(C2H5)2
CH3CO N N H NH2
第二节
一,吡啶的结构
芳香六元杂环
环中的五个碳原子和一个氮原子均以sp 环中的五个碳原子和一个氮原子均以 2杂化 轨道相互重叠形成σ键 每个原子提供一个p轨道 轨道相互重叠形成 键,每个原子提供一个 轨道 相互平行形成大π键 相互平行形成大 键. 符合Hückel规则,具有芳香性.由于 的电负 规则,具有芳香性.由于N的电负 符合 规则 性较强,电子云密度分布不均匀. 性较强,电子云密度分布不均匀.
COOH
β
2 - 呋 喃甲 醛 α - 呋 喃甲 醛
β
COOH
S 3 - 噻吩 甲酸 β - 噻吩 甲酸
N COOH 2, 3 - 吡啶二甲酸 α , β - 吡啶 二甲 酸
α
B,当环上有两个或两个以上相同杂原子,要使杂 ,当环上有两个或两个以上相同杂原子, 相同杂原子 原子编号最小; 不同杂原子时, 原子编号最小;含不同杂原子时,按O→S→N的次 的次 编号.从含有氢的杂原子开始编号. 序编号.从含有氢的杂原子开始编号.
则,具有芳香性. 具有芳香性.
碱性比吡咯强(3位氮的孤电子对未参加 碱性比吡咯强( 既是质 共轭),水溶度也较吡咯大. ),水溶度也较吡咯大 共轭),水溶度也较吡咯大. 子供体 咪唑存在互变异构. 咪唑存在互变异构. 又是受 N N H 体
CH3 N H CH3 N
5-甲基咪唑
4-甲基咪唑
第四节
稠杂环化合物
三,嘧啶及其衍生物
结构: 结构:
N N
pKb=11.30
嘧啶是无色固体,熔点22℃ 易溶于水, 嘧啶是无色固体,熔点22℃,易溶于水,具 22 有弱碱性(比苯胺还弱). 有弱碱性(比苯胺还弱). 环上电子云密度比吡啶还低,亲电取代反应 环上电子云密度比吡啶还低, 更困难. 更困难. 衍生物: 衍生物:
N O N H NH2 HN O N H O HN O N H O CH3
胞嘧啶 (cytosine)
尿嘧啶 (uracil)
胸腺嘧啶 (thymine)
第三节
芳香五元杂环
一,吡咯,呋喃和噻吩的结构 吡咯,
每个原子都是sp 杂化, 每个原子都是 2杂化,杂原子提供两个 电子形成六电子大π键 符合Hückel规则,具 规则, 电子形成六电子大 键,符合 规则 有芳香性,但比苯弱.(由于杂原子N, , .(由于杂原子 有芳香性,但比苯弱.(由于杂原子 ,O,S 电负性比碳大,环上电子云密度不均匀) 电负性比碳大,环上电子云密度不均匀)
二,吡啶的性质
1,水溶性 与水互溶, 与水互溶,引入的羟基或氨基的数目越多 水溶性越低.(氢键缔合) .(氢键缔合 水溶性越低.(氢键缔合) 2,碱性 较苯胺强,比氨和脂肪氨弱, 较苯胺强,比氨和脂肪氨弱,与无机酸 生成盐. 生成盐.
+
N HCl + N H Cl-
3,亲电取代与亲核取代反应 吡啶环上碳原子的电子云密度较苯低, 吡啶环上碳原子的电子云密度较苯低, 亲电取代反应较难,主要进入β位 亲电取代反应较难,主要进入 位.
(1)命名较复杂,常采用音译法: 命名较复杂,常采用音译法: 口字. 在同音汉字左边 + 口字. N
N
O
N H
S
N
S
H
furan
呋喃
pyrrole
吡咯
thiophene
噻吩
N
thiazole imidazole
噻唑
N
N H
咪唑
N N N H
O
N
N
pyran
吡喃
pyridine pyrimidine
吡啶 嘧啶
第十四章
芳香杂环化合物
(aromatic heterocycles)
【内容提要】 内容提要】
第一节 第二节
芳香杂环化合物的分类与命名 芳香六元杂环
一,吡啶的结构 二,吡啶的性质 三,嘧啶及其衍生物
第三节
芳香五元杂环
一,吡咯,呋喃和噻吩的结构 吡咯, 二,吡咯,呋喃和噻吩的性质 吡咯, 三,吡咯衍生物 四,咪唑的结构
第一节
芳香杂环化合物的分类与命名
1,杂环化合物的分类 杂环化合物的分类
按杂原子数目分为一个,两个或多个杂 杂原子数目分为一个, 原子的杂环; 原子的杂环;按环的形式分为单环和稠环两 单环又可分为五元杂环和六元杂环. 类,单环又可分为五元杂环和六元杂环.
N
O
N
N H
五元单杂环
六元单杂环
稠环
2,杂环化合物的命名 杂环化合物的命名
�
N H O S
杂环上的电子密度比苯环大, 杂环上的电子密度比苯环大,容易进行亲 电取代. 电取代.
二,吡咯,呋喃和噻吩的性质 吡咯,
1,吡咯的酸碱性 吡咯氮上的孤电子对参与共轭, 吡咯氮上的孤电子对参与共轭,故碱性极 表现出弱酸性. 弱,表现出弱酸性.
+ KOH N H NK+ + H2O
2,亲电取代反应 是吡咯,呋喃和噻吩的典型反应, 是吡咯,呋喃和噻吩的典型反应,主要发 生在α位 生在 位.
7H-嘌呤 嘌呤
OH N N N H N
腺嘌呤(adenine) 腺嘌呤
鸟嘌呤(guanine) 鸟嘌呤
腺,鸟嘌呤代谢产物: 鸟嘌呤代谢产物:
O HN N N H N HN O N H N H O N HN O N H N H O N O
次黄嘌呤
黄嘌呤
尿酸
尿酸:白色晶体,难溶于水,弱酸性, 尿酸:白色晶体,难溶于水,弱酸性, 可与强碱成盐. 可与强碱成盐.存在酮式和烯醇式两种互变 异构体. 异构体.
第四节
稠杂环化合物
前言: 前言:
在环状有机化合物中, 在环状有机化合物中,成环的原子除了 碳原子之外, 碳原子之外,还含有杂原子的化合物称为杂 环化合物(heterocyclic compounds). 环化合物 . 前几章所学的内酰胺,内酯,环醚等, 前几章所学的内酰胺,内酯,环醚等, 它们易发生开环反应, 它们易发生开环反应,其理化性质与链状化 合物相似,不列入杂环化合物.本章主要讨 合物相似,不列入杂环化合物. 论的是环较为稳定, 论的是环较为稳定,且具有芳香性的杂环化 合物. 合物.
2
三,吡咯衍生物(生物活性) CH=CH 吡咯衍生物(生物活性)
H3C N NH N
CH3 CH=CH2 N
Fe NH N N H3C HOOCH2CH2C N CH3
卟吩
血红素
CH2CH2COOH
三,咪唑的结构
咪唑1位氮提供两个电子, 咪唑1位氮提供两个电子,3位氮提供一个 电子, 形成六电子大π键 符合Hückel规 电子,形成形成六电子大 键,符合 规
吡咯和呋喃遇强酸时,杂原子质子化, 吡咯和呋喃遇强酸时,杂原子质子化,使大π
键破坏,因此硝化和磺化时需用较温和的非质子 键破坏,因此硝化和磺化时需用较温和的非质子 型试剂. 型试剂.
O N H + CH3 C ONO2 Ac2O 5 C
O
NO2 N H NO2 + N H
HNO3+H2SO4 N Fe,300 OC N
NO2
较易进行亲核取代反应,主要生成 位 较易进行亲核取代反应,主要生成α位 亲核取代反应 取代产物. 取代产物.
+
N NaNH2 100 OC N NHNa H2O N NH2
环上有较易离去的基团,弱亲核试剂就能反应. 环上有较易离去的基团,弱亲核试剂就能反应.
Cl 180~200 OC N NH2 + 2NH3 N
4,吡啶类化合物侧链氧化反应 环上连有烷基侧链时,侧链可被氧化成羧酸. 环上连有烷基侧链时,侧链可被氧化成羧酸.
CH3 KMnO4 N N COOH
5,还原反应
Na+C2H5OH 或H2/Pt
(六氢吡啶) 六氢吡啶)
N
N
六氢吡啶又称哌啶,性质与脂肪族伯胺相似, 六氢吡啶又称哌啶,性质与脂肪族伯胺相似, 碱性较吡啶强,与水互溶. 碱性较吡啶强,与水互溶.
5
N3
1 2
O2N
4
N3
1 2
N H 5 - 甲基咪唑
5
CH3
O 4 - 硝基恶唑
CH3 4 N3 S
1 2
HOCH2CH2
4 - 甲基 - 5 - ( 2' -羟乙基 ) 噻唑 羟
稠杂环的编号一般与稠环芳烃相同, 稠杂环的编号一般与稠环芳烃相同,但有 例外, 例外,如
5 6 7 8 1 4 3 N2 1N 2 6 5 7 N 8 8 7 6 5 N 10 4 9 1 2 3
嘌呤为白色固体,熔点216～217℃ 嘌呤为白色固体,熔点216～217℃,易溶 216 于水,水溶液呈中性,能分别与酸或碱生成盐. 于水,水溶液呈中性,能分别与酸或碱生成盐. 存在互变异构现象. 存在互变异构现象.
N N N H N N N N NH
9H-嘌呤 嘌呤
NH2 N N N H N H2N
indole
吲哚
purine
嘌呤
(2)杂环及环上取代基的编号: 杂环及环上取代基的编号:
A, 母体杂环的编号:杂原子的编号为"1".杂 , 母体杂环的编号:杂原子的编号为" . 编号. 原子邻位的碳原子也可依次用α 原子邻位的碳原子也可依次用 ,β,γ…编号. 编号
CH3
2 α
N H
1
α
O
CHO
2 - 甲 基吡 咯 α - 甲 基吡 咯
N 4 N 3 H
异喹啉
嘌呤
吖啶
O O2N CHO O N C-N(C2H5)2
CH3CO N N H NH2
第二节
一,吡啶的结构
芳香六元杂环
环中的五个碳原子和一个氮原子均以sp 环中的五个碳原子和一个氮原子均以 2杂化 轨道相互重叠形成σ键 每个原子提供一个p轨道 轨道相互重叠形成 键,每个原子提供一个 轨道 相互平行形成大π键 相互平行形成大 键. 符合Hückel规则,具有芳香性.由于 的电负 规则,具有芳香性.由于N的电负 符合 规则 性较强,电子云密度分布不均匀. 性较强,电子云密度分布不均匀.
COOH
β
2 - 呋 喃甲 醛 α - 呋 喃甲 醛
β
COOH
S 3 - 噻吩 甲酸 β - 噻吩 甲酸
N COOH 2, 3 - 吡啶二甲酸 α , β - 吡啶 二甲 酸
α
B,当环上有两个或两个以上相同杂原子,要使杂 ,当环上有两个或两个以上相同杂原子, 相同杂原子 原子编号最小; 不同杂原子时, 原子编号最小;含不同杂原子时,按O→S→N的次 的次 编号.从含有氢的杂原子开始编号. 序编号.从含有氢的杂原子开始编号.
则,具有芳香性. 具有芳香性.
碱性比吡咯强(3位氮的孤电子对未参加 碱性比吡咯强( 既是质 共轭),水溶度也较吡咯大. ),水溶度也较吡咯大 共轭),水溶度也较吡咯大. 子供体 咪唑存在互变异构. 咪唑存在互变异构. 又是受 N N H 体
CH3 N H CH3 N
5-甲基咪唑
4-甲基咪唑
第四节
稠杂环化合物
三,嘧啶及其衍生物
结构: 结构:
N N
pKb=11.30
嘧啶是无色固体,熔点22℃ 易溶于水, 嘧啶是无色固体,熔点22℃,易溶于水,具 22 有弱碱性(比苯胺还弱). 有弱碱性(比苯胺还弱). 环上电子云密度比吡啶还低,亲电取代反应 环上电子云密度比吡啶还低, 更困难. 更困难. 衍生物: 衍生物:
N O N H NH2 HN O N H O HN O N H O CH3
胞嘧啶 (cytosine)
尿嘧啶 (uracil)
胸腺嘧啶 (thymine)
第三节
芳香五元杂环
一,吡咯,呋喃和噻吩的结构 吡咯,
每个原子都是sp 杂化, 每个原子都是 2杂化,杂原子提供两个 电子形成六电子大π键 符合Hückel规则,具 规则, 电子形成六电子大 键,符合 规则 有芳香性,但比苯弱.(由于杂原子N, , .(由于杂原子 有芳香性,但比苯弱.(由于杂原子 ,O,S 电负性比碳大,环上电子云密度不均匀) 电负性比碳大,环上电子云密度不均匀)
二,吡啶的性质
1,水溶性 与水互溶, 与水互溶,引入的羟基或氨基的数目越多 水溶性越低.(氢键缔合) .(氢键缔合 水溶性越低.(氢键缔合) 2,碱性 较苯胺强,比氨和脂肪氨弱, 较苯胺强,比氨和脂肪氨弱,与无机酸 生成盐. 生成盐.
+
N HCl + N H Cl-
3,亲电取代与亲核取代反应 吡啶环上碳原子的电子云密度较苯低, 吡啶环上碳原子的电子云密度较苯低, 亲电取代反应较难,主要进入β位 亲电取代反应较难,主要进入 位.
(1)命名较复杂,常采用音译法: 命名较复杂,常采用音译法: 口字. 在同音汉字左边 + 口字. N
N
O
N H
S
N
S
H
furan
呋喃
pyrrole
吡咯
thiophene
噻吩
N
thiazole imidazole
噻唑
N
N H
咪唑
N N N H
O
N
N
pyran
吡喃
pyridine pyrimidine
吡啶 嘧啶
第十四章
芳香杂环化合物
(aromatic heterocycles)
【内容提要】 内容提要】
第一节 第二节
芳香杂环化合物的分类与命名 芳香六元杂环
一,吡啶的结构 二,吡啶的性质 三,嘧啶及其衍生物
第三节
芳香五元杂环
一,吡咯,呋喃和噻吩的结构 吡咯, 二,吡咯,呋喃和噻吩的性质 吡咯, 三,吡咯衍生物 四,咪唑的结构
第一节
芳香杂环化合物的分类与命名
1,杂环化合物的分类 杂环化合物的分类
按杂原子数目分为一个,两个或多个杂 杂原子数目分为一个, 原子的杂环; 原子的杂环;按环的形式分为单环和稠环两 单环又可分为五元杂环和六元杂环. 类,单环又可分为五元杂环和六元杂环.
N
O
N
N H
五元单杂环
六元单杂环
稠环
2,杂环化合物的命名 杂环化合物的命名
�
N H O S
杂环上的电子密度比苯环大, 杂环上的电子密度比苯环大,容易进行亲 电取代. 电取代.
二,吡咯,呋喃和噻吩的性质 吡咯,
1,吡咯的酸碱性 吡咯氮上的孤电子对参与共轭, 吡咯氮上的孤电子对参与共轭,故碱性极 表现出弱酸性. 弱,表现出弱酸性.
+ KOH N H NK+ + H2O
2,亲电取代反应 是吡咯,呋喃和噻吩的典型反应, 是吡咯,呋喃和噻吩的典型反应,主要发 生在α位 生在 位.
7H-嘌呤 嘌呤
OH N N N H N
腺嘌呤(adenine) 腺嘌呤
鸟嘌呤(guanine) 鸟嘌呤
腺,鸟嘌呤代谢产物: 鸟嘌呤代谢产物:
O HN N N H N HN O N H N H O N HN O N H N H O N O
次黄嘌呤
黄嘌呤
尿酸
尿酸:白色晶体,难溶于水,弱酸性, 尿酸:白色晶体,难溶于水,弱酸性, 可与强碱成盐. 可与强碱成盐.存在酮式和烯醇式两种互变 异构体. 异构体.
第四节
稠杂环化合物
前言: 前言:
在环状有机化合物中, 在环状有机化合物中,成环的原子除了 碳原子之外, 碳原子之外,还含有杂原子的化合物称为杂 环化合物(heterocyclic compounds). 环化合物 . 前几章所学的内酰胺,内酯,环醚等, 前几章所学的内酰胺,内酯,环醚等, 它们易发生开环反应, 它们易发生开环反应,其理化性质与链状化 合物相似,不列入杂环化合物.本章主要讨 合物相似,不列入杂环化合物. 论的是环较为稳定, 论的是环较为稳定,且具有芳香性的杂环化 合物. 合物.
2
三,吡咯衍生物(生物活性) CH=CH 吡咯衍生物(生物活性)
H3C N NH N
CH3 CH=CH2 N
Fe NH N N H3C HOOCH2CH2C N CH3
卟吩
血红素
CH2CH2COOH
三,咪唑的结构
咪唑1位氮提供两个电子, 咪唑1位氮提供两个电子,3位氮提供一个 电子, 形成六电子大π键 符合Hückel规 电子,形成形成六电子大 键,符合 规