第13章杂环化合物
《有机化学》第13章 杂环化合物和生物碱
4-甲基嘧啶
4-甲基噻唑
⑶ 连有取代基的杂环化合物命名时，也可将杂环作为取代基，以侧链为母体来命名。
4-嘧啶磺酸
β-吲哚乙酸（3-吲哚乙酸）
2-苯并咪唑甲酸乙酯
⑷ 为区别杂环化合物的互变异构体，需标明杂环上与杂原子相连的氢原子所在的位 置，并在名称前面加上标位的阿拉伯数字和大写H的斜体字。
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⑴ 卤代反应
在室温条件下，吡咯、呋喃和噻吩能与氯或溴发生激烈反应，得到多卤代物。将反应 物用溶剂稀释并在低温下进行反应时，可以得到一氯代物或一溴代物。碘化反应需要 在催化剂存在下进行。例如：
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6
（2）硝化反应
在低温条件下，吡咯、呋喃和噻吩能与比较缓和的硝化剂硝酸乙酰酯（CH3COONO2） 发生硝化反应，主要生成α-硝基化合物。例如：
3. 颜色反应
生物碱能与一些试剂发生颜色反应，比如钒酸铵的浓硫酸溶液、浓硝酸、浓硫酸、 甲醛、氨水等，利用此性质可鉴别生物碱。比如莨菪碱遇1％钒酸铵的浓硫酸溶液显 红色，可待因遇甲醛-浓硫酸试剂显紫红色等。
二、重要的生物碱 1. 烟碱 又叫尼古丁，主要以苹果酸盐及柠檬酸盐的形式存在于烟草中。其结构式
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13
血红素是卟啉环与Fe2+形成的配合物；叶绿素是卟啉环与Mg2+形成的配合物，它们的 结构式如下：
血红素在体内与蛋白质结合形成血红蛋白，存在于红细胞中，是人和其他哺乳动物 体内运输氧气的物质。叶绿素是植物进行光合作用不可缺少的物质。
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二、呋喃衍生物
呋喃甲醛是最常见的呋喃衍生物，又称为糠醛，它是一种无色液体，沸点为161.7℃， 在空气中易氧化变黑，是一种良好的溶剂。 糠醛是合成药物的重要原料，通过硝化可制得一系列呋喃类抗菌药物，如治疗泌尿 系统感染的药物呋喃坦丁、治疗血吸虫病的药物呋喃丙胺等。
有机化学 理论篇 第五版 第13章 杂环化合物
β-吲哚乙酸
呼吸系统疾病专家钟南山医生说：“大家都 知道防范新型冠状病毒的严重威胁，但别忘了， 吸烟和二手烟也是呼吸系统疾病主要的危险因素 之一，对于控烟，我们应该更加坚决。”人们往 往是在生命受到威胁的时候，才会更加重视健康 。但如果早一点看到威胁和其带来的后果，并采 取行动，就可以避免生命过早受到威胁或不可逆 了解吸烟有害健康的的病科变学和道死理亡，。知吸晓烟吸就烟是损最人好害的己例，子增。强自觉抵制 香烟诱惑的意识。远离香烟，营造清新的无烟世界；拒绝烟草，更好 地拥抱健康！
有机化学(理论篇)
第13章 杂环化合物
第13章 杂环化合物
有机化学(理论篇)
【课程思政】
拒绝烟草 拥抱健康
国家卫生健康委和世卫组织 共同发布的《中国吸烟危害健康 报告2020》报告显示，我国吸烟 人数超过3亿人，每年使我国100 多万人失去生命。烟草几乎损害 人体的所有器官，报告中充分列 举了吸烟及二手烟与四大慢性病 即慢性恶性肿瘤、呼吸疾病、心 血管疾病及糖尿病之间的关联，
13.3.1 呋喃 13.3.2 糠醛 13.3.3 噻吩 13.3.4 吡咯 13.3.5 噻唑、吡唑、咪唑及其衍生物 13.3.6 吲哚
13.4 六元杂环化合物
13.4.1 吡啶 13.4.2 喹啉和异喹啉
第十一章,第十二章,第十三章,第十四章有机化学名词解释
名词解释第十一章1.振动光谱——分子振动能级间的能量差比同一振动能级中转动能级之间能量差大100倍左右，他们大多在近红外区域内，因此称为红外光谱。
2.转动光谱——分子转动能级之间的能量差很小，转动光谱位于电磁波谱中的远红外及微波区域内。
3.红外吸收峰的位置——分子振动的频率决定分子所吸收的红外光频率。
4.红外吸收光谱——分子吸收红外光引起的振动和转动能级跃迁产生的信号。
5.红外光谱产生的条件——当一定频率的红外光照射物质时，如果分子中某一基团的振动频率正好与其相同，物质就能吸收这一频率的红外光从低能级跃迁到较高的能级，产生红外吸收光谱。
6.叁键和累积双键区——2500~2000 cm-1各种叁键基团和累积双键的伸缩振动区域7.氢键区——4000~2500cm-1含氢基团的伸缩振动区。
8.双键区——2000~1500 cm-1各种双键基团包括共轭双键以及苯基伸缩振动区域。
9.特征吸收峰——用于鉴定官能团存在的吸收峰。
10.特征谱带区——氢键，双键，叁键区的特征性强，所以4000~1500 cm-1的区域称为官能团特征频率区。
11.核磁共振谱——记录原子核对射频区电磁波的吸收，简称NMR。
12.质子磁共振谱——氢原子核共振谱，简称PMR。
13.化学位移——由于化学环境所引起的核磁共振信号位置的变化。
14.自旋偶合——相邻碳上氢核的相互影响。
15.硝基化合物的还原——硝基苯在强酸介质中，用金属还原时，总是得到苯胺，用催化加氢也可得到同样的结果。
16.胺的碱性——胺与氨相似，氮原子上的未共用电子对能与质子结合，形成带正电的铵离子。
17.胺——可看作氨的衍生物，即氨分子中的氢原子被烃基取代的产物。
18.胺的烃基化——与卤代烃（通常为伯卤代烃和具有活泼卤原子的芳卤化物），醇等烃基化试剂作用，胺基上的氢原子被烃基取代。
19.胺的酰基化——伯胺和仲胺作为亲核试剂可与酰卤，酸酐等酰基化试剂反应，生成N-取代酰胺和N,N-二取代酰胺。
第十三章 杂环化合物
三种杂环具有一定程度的芳香性， 原子电负性大小： 三种杂环具有一定程度的芳香性，杂原子电负性大小： 芳香性 电负性大小
O (3.5) ＞ N (3.0) ＞ S (2.5)
对外层电子吸引力 电负性 , 对外层电子吸引力 , 孤电子离域 所以：芳香性与稳定性 所以：芳香性与稳定性: ＞ S π电子密度： 电子密度： 电子密度 稳 定 性： 芳 香 性： 反 应 活 性： ＞ N 杂环 ＞ 苯环 杂环 ＜ 苯环 杂环 ＜ 苯环 杂环 ＞ 苯环 ＞ O , 故芳香性 。
O Furan
N H Pyrrole
S Thiophene
呋喃
N O Oxazole
吡咯
N N H Imidazole
噻吩
N S Thiazole
含多个杂原子
噁唑
O N
咪唑
N H Pyrazole N
噻唑
S N
Isoxazole
Isothiazole
异噁唑
吡唑
异噻唑
8
4.按杂原子的不同分 按杂原子的不同分
··
吡啶的偶极矩与吡咯方向相反： 吡啶的偶极矩与吡咯方向相反： 方向相反
N
N µ= 0 D µ= 2.26 D
N H µ= 1.81 D
这是由于杂环上氮原子作用不同，吡啶环上的N 是吸 这是由于杂环上氮原子作用不同，吡啶环上的 电子作用。（电负性 作用。（ ），在发生亲电取代反应时比苯 电子作用。（电负性 N > C ），在发生亲电取代反应时比苯 。（相当于环上有一个吸电子基 相当于环上有一个吸电子基） 难。（相当于环上有一个吸电子基） 吡咯环上的N 把电子转移给环， 吡咯环上的 把电子转移给环，亲电取代反应时比苯容 相当于环上有一个供电子基） 易（相当于环上有一个供电子基） 21
第13章杂环化合物3
100－150℃
用强碱性的亲核试剂(氨基钠 用强碱性的亲核试剂 氨基钠NaNH2、有 氨基钠 机锂（ 机锂（RLi）)，能在吡啶的 位直接发生亲 ） ，能在吡啶的α位直接发生亲 核取代
当吡啶α-位 或 位 具有优良的离去基团 当吡啶 位(或γ-位)具有优良的离去基团 卤素） （如：卤素）时，较弱的亲核试剂也可取代
HNO3,H2SO4 N KNO3, 300℃
20%
因氮原子的电负性比碳大， 因氮原子的电负性比碳大，故亲电取代反 应比苯难。取代基进入β位 应比苯难。取代基进入 位。
3、吡啶的亲核取代反应 、
吡啶中氮原子的吸电子作用， 吡啶中氮原子的吸电子作用，使吡啶环可 发生亲核取代反应，发生在α位或 位或γ位 发生亲核取代反应，发生在 位或 位
180－200℃ － ℃
4、吡啶的氧化与还原反应 、 （1）烷基吡啶的氧化 ） H3
β－吡啶甲酸 －
吡啶比苯难氧化
γ－吡啶甲酸 －
或 25℃，0.3MPa ℃
H
哌啶 六氢吡啶） （六氢吡啶） 由于吡啶分子中氮原子的吸电子作 造成分子的对称性降低， 用，造成分子的对称性降低，及分子偶 极增加等一系列分子结构上的不均匀性， 极增加等一系列分子结构上的不均匀性， 吡啶比苯易加氢还原
碱性:四氢吡咯＞苯胺＞ 碱性 四氢吡咯＞苯胺＞吡咯 四氢吡咯
NH2 N H Kb 3.8 × 10-10 2.5 × 10-14 N H 2 × 10-4 原因： N 上的未共用电子对 参与了环的共轭体系， 减弱了与H 的结合力。
三、吡啶的结构和性质
（一）结构：
sp2轨道
环上氮原子和碳原子以sp 环上氮原子和碳原子以 2杂化轨道重叠 形成σ键 各有一个电子的p轨道相互重叠 轨道相互重叠， 形成 键，各有一个电子的 轨道相互重叠， 形成一个闭合的共轭体系,π电子数 电子数＝ 吡 形成一个闭合的共轭体系 电子数 ＝ 6,吡 啶中的氮原子令环上电子云密码降低， 啶中的氮原子令环上电子云密码降低，形 成“缺π”芳杂环 芳杂环
第十三章 杂环化合物
2.呋喃、吡咯、噻吩的化学性质 (1)亲电取代反应
特点：活性比苯大, 吡硌>呋喃>噻吩>>苯。 亲电试剂主要进入α-位。 遇强酸或氧化剂时容易使环破坏。
a.卤化
呋喃、噻吩、吡咯的卤化反应活性与苯胺和苯酚相 似，在室温与氯或溴反应很激烈，得到多卤代物。为了 避免多取代，反应一般在低温和稀溶液中进行。
吡啶比苯容易还原，在常温常压下可催化加氢得六 氢吡啶（哌啶，Piperidine）。
吡啶
六氢吡啶
六氢吡啶为无色具有特殊臭味的液体，沸点106°C， 熔点−7°C，具有一般二级胺的碱性，碱性比吡啶强，易 溶于水，常用作溶剂及有机合成原料。
(2)卟吩环系化合物
卟吩环是由四个吡咯和四个次甲基(-CH）交替相联组 成的共轭体系。卟吩环呈平面结构，环的中央空穴可以共 价键、配位键和不同的金属结合。在叶绿素中与镁结合， 血红素中与铁结合，维生素中与钴结合。
卟吩环 血红素
三、六元杂环化合物 1.吡啶结构与芳香性
结构特征：a.平面结构 b.成环的六个原子都为sp2杂化，杂原子上的 孤对电子在sp2杂化轨道不参与共轭构成。 c.π电子数符合休克尔规则，具有芳香性。
150-200℃
e.取代呋喃、噻吩、吡咯的定位效应
邻、对位定位基 间位位基
练习：P343，17.10
(2)加成反应
呋喃、吡咯、噻吩催化加氢，得饱和的杂环化合物。
200-250℃
四氢吡咯(有机碱)
50℃
四氢呋喃(有机溶剂)
四氢噻吩
(3)双烯合成
呋喃、吡咯、噻吩具有共轭双烯的性质，与亲双烯 体可进行Diels-Alder反应。
(4)吡咯的酸碱性
吡咯的碱性极弱（pKb=13.6），这是因为氮原子中 的未成键电子对参与了环的共轭，不能再与酸结合。
有机化学答案(高占先版)—第13章 杂环化合物
---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 有机化学答案（高占先版）—第13章杂环化合物第 13 章杂环化合物 13-1 命名下列化合物或写出结构式。
（1） 4-甲基-2-乙基噻唑（2） 2-呋喃甲酸（3） N-甲基吡咯（4） 2,3-吡啶二甲酸（5） 3-乙基喹啉（6） 5-异喹啉磺酸（7） 3-吲哚乙酸（8） 6-氨基嘌呤（9） 4-甲基-2-乙基咪唑知识点：杂环化合物的命名。
13-2 下列化合物是否是极性分子？若是，请标出分子偶极矩的方向。
它们都是极性分子，偶极矩方向如下：NHONHONH2N芳香结构知识点：偶极矩的判断。
13-3 下列化合物有无芳香性？（1）、（2）、（4）、（5）和（6）有芳香性；（3）无芳香性。
知识点：杂环化合物的芳香性判据。
13-4 指出下列各组化合物的碱性中心，按碱性由强到弱排列成序。
（1）氮原子为碱性中心， C＞B＞D＞A。
（2） A 的两性氮均为碱性中心； B 氮原子为碱性中心； C 中双键氮为碱性中心。
1 / 7A＞C＞B， B 由于孤对电子参与芳香性大键，故碱性极弱。
知识点：含氮化合物碱性比较。
13-5 判断下列化合物中每个氮原子的杂化状态并比较氮原子的碱性强弱。
NClNHCH2CH2CH2CH2N(CH3)2NNCH2CH2NH2HNNCH3CH3CH3OCOH3CHNABCABCABC (1)(2)(3) （1） A． sp3杂化 B. sp2 杂化 C.sp3杂化；碱性：C＞B＞A。
（2） A． sp2杂化 B. sp2 杂化 C.sp3杂化；碱性： C＞A＞B。
（3） A． sp2杂化 B. sp3 杂化 C.sp3杂化；碱性： C＞B＞A。
知识点：杂化类型判断，碱性判断。
有机化学第13章杂环化合物
2）若环内不止一个杂原子时，则按O、S、N的顺序编 号。若杂原子相同，则使杂原子的编号尽可能小。如：
N
CH3 S 5-甲基噻唑
二、五元杂环化合物 1、结构和芳香性
X = O : 2s22p4 X X = S : 3s23p4
X = NH : 2s22p3 所有原子均为sp2 杂化，杂化轨道表示为：
O：
分子具有平面结构，
S：
有Π56大Π键。所以
N：
有芳香性。
杂化轨道
未杂化轨道
2、鉴别 呋喃蒸汽遇被盐酸浸过的松木片呈绿色； 噻吩在浓硫酸存在下，与靛红加热显示蓝色； 吡咯蒸汽遇被盐酸浸过的松木片呈红色。
3、化学性质 1）芳香性
分子中存在Π56大Π键，Π电子云密度比苯大， 所以它们亲电取代反应的活性比苯高。
第十三章 杂环化合物
一、杂环化合物的分类和命名
1、分类
五元杂环
单杂环 六元杂环
稠杂环 ：苯与一个或多个单杂环稠并而成。
2、命名（音译法）
—— 将外文单词音译，用带“口”字旁的同音汉字表示 如：
O 呋喃
furan
S 噻吩
thiophen
N H 吡咯
pyrrole
N 吡啶 pyridine
N 喹啉
N
H 吲哚
2、性质
1）碱性：
<
N H
NH2
<
.N.
< NH3 < 脂肪胺
pKb: 13.6 9.5
8.8 4.75 3.2
2）成盐
N + HCl
N*HCl （或
+ NHCl ）
NH3
应用：分离提纯吡啶。
3）亲电取代反应
杂环化合物
第13章杂环化合物本章重点介绍杂环化合物的分类和命名；五元杂环化合物的结构特点、芳香性、亲电取代反应，六元杂环化合物的结构特点、芳香性、亲核取代反应；五元、六元杂环化合物的衍生物及其生物活性；稠杂环化合物的结构特点等。
在环状有机化合物中，构成环系的原子除碳原子外，还含有一个或多个非碳原子时，叫做杂环化合物（heterocyclic compound）；环上除碳以外的原子称为杂原子，常见的杂原子有氧、硫、氮等。
大多数杂环化合物具有不同程度的芳香性，环也比较稳定。
因此，杂环化合物是有机化合物中数量最庞大的一类，约占总数的三分之二以上。
自然界中最具有强烈生物活性的天然有机化合物，绝大多数正是杂环化合物。
例如：对核酸（nucleic acid）的活性起决定作用的碱基就是嘌呤（purine）和嘧啶（pyrimidine）的衍生物。
又如叶绿素（chlorophyll）、氨基酸（amino acid）、维生素（vitamin）、血红素（haeme）、核酸（nucleic acid）、生物碱（alkaloid）等，大多数都在生命的生长、发育、遗传和衰亡过程中起着关键作用。
在现有的药物中，杂环类化合物占了相当大的比重。
它们应用于各种疾病和医疗领域，其数量之大和种类之多，是难以想象的，比如我们非常熟悉的青霉素（benzylpenicillin）、头孢菌素（先锋霉素cephalosporin）、喹喏酮（Quinolone）类以及治疗肿瘤的5–Fu（5–Fluorouracil）、喜树碱（comptothecin）、紫杉醇（Taxol）等，都是含有杂环的化合物。
内酯、交酯、环状酸酐、内酰胺性质上与相应的开链化合物相似，它们不列入杂环化合物中讨论。
本章将着重讨论五元和六元具有芳香性的化合物。
你在学完本章后，应该能回答以下问题：1．你能写出一些常见杂环化合物的结构和名称吗？2．为什么吡咯有一定的酸性而吡啶却显碱性？3．为什么吡啶可以任意比例溶于水，同时又能溶于其它有机化溶剂？4．为什么吡啶既能起亲电取代反应又可进行亲核取代反应？5．你能写出青霉素、头孢菌素、咖啡因、尼群地平、雷米封等常用药物的结构及英文名称吗？13．1 杂环化合物的分类和命名法杂环化合物的分类是以杂环的骨架为基础，按环的形状分为单杂环和稠杂环，最有意义的是五元杂环和六元杂环，详见表13–1。
13-杂环
N9 H 嘌呤 purine
N3
N 10
4
蒽
吖啶 acridine
二、命名
杂环化合物的命名，包括基本环和环上取代基 两部分，取代基的命名与一般化合物大体一致。
1.杂环基本环的命名
简单的杂环(看作杂环的基本环)都有一特 定的名称，按英文音译名选择相应的汉字，旁 边加“口”，表示环状化合物：
+ 2 HCl O H2 己 二胺 H2O 己 二酸 Cl(CH2)4Cl NaCN NC(CH2)4CN
二、α-呋喃甲醛（糠醛）
1. 制备
C5 H8O4 + n H2O n 稀HCl n C5 H10O5
戊聚糖
HO CH CH OH H
戊醛糖
HC HC O CH C CHO + H2O
H CH HO C OH
氧化硫的加合化合物。
+ SO3 N
CH2Cl2 室温
N SO3
(固体，含量90 %)
噻吩比较稳定，既可以直接磺化（产率稍低）， 也可以用温和的磺化试剂磺化。
O
ClCH2CH2Cl
SO3-
N H
O
+
N SO3
r. t. 3 days N H
-
O3 S
O
SO3-
N H
ClCH2CH2Cl
Ba(OH)2
CH2 CH2 CH3 CH3 + 4S 600~650 oC + 3 H2S S
2 HC CH + S
2 HC CH + H2S
300 oC S
Al2O3 400 oC S +
H2
3.鉴别：
第13章 杂环化合物习题
(C2H5)3N , C2H5OH , 75 C
N ICH3
14. 喹啉和异喹啉的亲核取代反应主要分别发生在 C2 和 C1 上，为什么不分别以 C4 和 C3 为主? 15. 2,3-吡啶二甲酸脱羧生成β -吡啶甲酸，为什么脱羧反应发生在α 位? 16．溴代丁二酸乙酯与吡啶作用生成不饱和的反丁烯二酸乙酯。吡啶在这里起什么作用?它比 通常使用的氢氧化钾乙醇溶液有什么优点? 17．为什么吡啶进行亲电溴化反应时不用 Lewis 酸，例如 FeBr3? 18．如何鉴别和提纯下列化合物? (1) 区别萘、喹啉和 8-羟基喹啉 (3) 除去混在苯中的少量噻吩 (5) 除去混在吡啶中的少量六氢吡啶 19．奎宁是一种生物碱，存在于南美洲的金鸡纳树皮中，也叫金鸡纳碱。奎宁是一种抗疟药， 结构式如下：
CH2=CH H
(2) 区别吡啶和喹啉 (4) 除去混在甲苯中的少量吡啶
HO CH3O
H H C
N
N
奎宁分子中有两个氮原子，哪一个碱性大些?
20．用浓硫酸在 220～230℃时使喹啉磺化，得到喹啉磺酸(A)。把(A)与碱共熔，得到喹啉的 羟基衍生物(B)。(B)与应用 Skraup 法从邻氨基苯酚制得的喹啉衍生物完全相同。 (A)和(B) 是什么? 喹啉在进行亲电取代反应时，苯环活泼还是吡啶环活泼?
(1)
CH3O S
HNO3 H2SO4
CH3O O2N
CH3O
S
NO2
(2) CH3O
S
HNO3 H2SO4
S
3
HNO3
(3) CH3O
S
NO2
CH3 H2SO4
Br2
O2N CH3O
S
NO2
CH3
(4)
有机化学-第十三章
3.命名
取代基位号及名称加上母环的名称即为杂环化合物的 名称，例如：
课堂练习
1、命名下列杂环化合物： （1）
Br
(2)
CH3
N
O
NO2
2 – 硝基 – 4 –溴呋喃
3 – 甲基吡啶
杂环化合物的结构与芳香性
一、五元单杂环化合物的结构和芳香性
五元单杂环如呋喃、噻吩、吡咯，在结构上，都符 合 Huckel 的关于芳香性的规则，即环上原子共平面，彼 此以 σ 键相连接，四个碳原子各有一个电子在 p 轨道 上，杂原子有两个电子在 p 轨道上，这些 p 轨道都垂直 于σ 键所在的平面，相互重叠形成大 π 键——闭和的 共轭体系，π 电子数目为4n+2。结构如图所示：
亲电取代反应主要发生在 α 位上
二、定位规律
对五元杂环的亲电取代反应环上取代基有一定的定位 作用，以噻吩为例，说明如下： （1）当 α 位上有邻对位定位基(x)时，亲电试剂(E)主 要进入 5 位，3 位次之：
（2）当 α 位上有间定位基（Y）时，则 E 主要进入 4 位，少量进入 5 位：
近年发现不少天然存在的呋喃或氢化呋喃衍生物，具 有明显的生物活性或药用价值。例如，从重斑病感染的薯 类植物块根中分离的苦味成为含多种呋喃衍生物，如3-呋 喃甲酸，巴他酸（bacatic acid）,番薯酮等
二、α-呋喃甲醛
1.来源与制备 呋喃甲醛最初是从米糠中得来，故俗称糠醛，因为这 些农副产品中都含有戊聚糖，在稀酸作用下水解成戊醛糖 ，再进一步脱水环化，得到糠醛:
4）综上所述，它们的芳香性由强到弱的顺序为：
二、六元单杂环化合物的结构和芳香性
吡啶具有六元单杂环的典型结构和苯的结构很相似， 是苯中的一个碳原子被氮原子代替，氮原子以 sp2 杂化 轨道和两个相邻碳原子的 sp2 杂化轨道形成两个 σ 键 。环上每个原子均有一个 p 轨道垂直于环的平面，组成 闭合的6电子大 π 轨道，因此，吡啶环也有芳香性。吡 啶的结构如图所示：
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
有机化学 第13章 杂环化合物
-5-30℃
O 2—硝基呋喃（35 ％)Fra bibliotekNO2
3.磺化
O
SO3—吡啶 CH2Cl—CH2Cl
O SO3H
2—呋喃磺酸 （41％)
4.傅瑞德尔—克拉夫茨酰基化
+ (CH3CO)2O
O
BF3 CH3COOH
O
C O
CH3
2—乙酰基呋喃 （75—92％)
（二）加成反应 1.催化加氢
2.1, 4-加成反应（狄尔斯—阿尔德反应：D-A反应）
H N N H3C O N
O
CH3 N
N CH3
咖啡碱
N
核酸分子中有腺嘌呤和鸟嘌呤。
习题1
(1)
习题2
O CHO (2) O CH2OH
（1）2—甲基呋喃； （2）5—甲基—2—呋喃甲酸； （3）2—噻吩磺酸； （4）N—甲基吡咯 （或1—甲基吡咯）； （5）3—硝基吡啶； （6）2，3—吡啶二甲酸； （7）2—甲基喹啉； （8）8—羟基喹啉。
（二）化学性质 1.弱碱性 与强酸可成盐。 2.亲电取代反应 发生在苯环上。
NO2
HNO3,H2SO4
N
0℃
+
N NO2 N
3.亲核取代反应
发生在吡啶环上。
NaNH2 液NH3
NH2
N
N
4.氧化反应
苯环先被氧化。
KMnO4 100℃
COOH COOH
N
2，3-吡啶二甲酸
N
△ _ CO 2
COOH N
（四）几种常见稠杂环。
第13章 杂环化合物
第13章13.1 基本要求●●13.2 基本知识点13.2.1由碳原子和非碳原子所构成的环状有机化合物称为杂环化合物，环中的非碳原子称为杂原子，最常见的杂原子有氧、硫、氮等。
通常将环系比较稳定，具有一定程度的芳香性，且符合H ückel 规则的杂环化合物称为芳杂环。
杂环化合物按环的数目不同，可分为单杂环和稠杂环两大类。
单杂环按环的大小不同又可分为五元杂环和六元杂环。
稠杂环通常由苯与单杂环或单杂13.2.2杂环化合物的命名比较复杂，目前我国常使用“音译法”，即按英文的读音，用同音汉字（1） 五元杂环:（2） 六元杂环 （3） 稠杂环环上有取代基的杂环化合物的名称是以杂环为母体，并注明取代基的位置、数目和名称，杂环编号，除个别稠杂环外，一般从杂原子开始，顺环编号，环上有不同杂原子时，按O ，S ，O5234S 5234N5234111S 52341N N 52341N N 52341 噻吩thiaphene吡咯pyrrole噻吩thiazole 吡咯pyrrole咪唑imidazole呋喃furanN 123456N N 234561N N 234561N N234561O 123456吡啶pyridine哒嗪pyridazine嘧啶pyrimidine吡嗪pyrazine吡喃pyranN 12345678喹啉quinolineN 234567异喹啉isoquinoline （编号特殊）吲哚indole N N 123105678 吖啶 acridine （编号特殊）N N 1234567 嘌呤 purine （编号特殊）N N 89942NH ，N 的顺序编号；某些杂环可能有互变异构现象，为区别各异构体，需用大写斜体“H ”及其位置编号标明一个或多个氢原子所在的位置。
例如：13.2.3.1. 吡咯、呋喃、噻吩的结构和性质吡咯、呋喃和噻吩均为五原子六电子的富电子闭合共轭体系，符合H ǖckel 的4n +2规则，具有芳香性（芳香性的强弱次序为：苯＞噻吩＞吡咯＞呋喃）。
有机合成：杂环化合物
学
性
质 利用此反应可分离、提纯吡啶，也可用吡啶
吸收反应中所生成的酸。
36
1. 碱性和成盐反应
吡 啶 吡啶还可以与三氧化硫和三氧化铬形成复合物：
的
3
3
化
学
3
温合的磺化试剂，也可用作氧化剂
性
质
3
3
温合的氧化剂，可使羟基氧化在醛的阶段
37
2.与卤代烃/酰卤/酸酐反应
吡
啶
与卤代烃反应成季铵盐
的
化
学
1.选择基本环。 附加环［数字-英文字母］噻唑 2.标注基本环的稠合边。附加环［数字-d］噻唑 3.标注附加环原子。 附加环［1,2-d］噻唑 4.写上附加环。 苯并［1,2-d］噻唑
1 cN db 2 Sa
苯并［d］噻唑 【苯环稠合边可略去】
24
2. 标识稠合边 附加环［数字-英文字母］基本环
1.选择基本环。 附加环［数字-英文字母］呋喃 2.标注基本环的稠合边。附加环［数字-b］呋喃 3.标注附加环原子。 附加环［2,3-b］呋喃 4.写上附加环。 噻吩并［2,3-b］呋喃
15
①从杂原子开始编号，杂原子位次为1。当环上只有一个
杂原子时，也可把与杂原子直接相连的碳原子称为α位， 其后依次为β位和γ位。
2-呋喃甲醛（糠醛）
8-羟基喹啉
(α-呋喃甲醛)
（不叫8-喹啉酚）
16
②若含有多个相同的杂原子，则从连有氢或取代基的杂 原子开始编号，并使其他杂原子的位次尽可能最小。
（4-甲基咪唑）
1. 选定基本环
2. 对稠合边进行表征
3. 对周边（整体分子）
1
进行编号
3
2
21
《医用有机化学》课后习题答案
医用有机化学课后习题答案（冯敬骞）第1章 绪 论习 题7 指出下列结构中各碳原子的杂化轨道类型 解：第2章 链 烃习 题1 用IUPAC 法命名下列化合物或取代基。
解：（1）3，3-二乙基戊烷 （2）2，6，6-三甲基-5-丙基辛烷 （3）2，2-二甲基-3-己烯 （4）3-甲基-4-乙基-3-己烯 （5）4-甲基-3-丙基-1-己烯 （6）丙烯基 （8）2，2，6-三甲基-5-乙基癸烷 （9）3-甲基丁炔3 化合物2，2，4-三甲基己烷分子中的碳原子，各属于哪一类型（伯、仲、叔、季）碳原子？ 解：4 命名下列多烯烃，指出分子中的π—π共轭部分。
解：（1） 2–乙基–1，3–丁二烯 （3） 3–亚甲基环戊烯 （4） 2.4.6–辛三烯 （5） 5–甲基–1.3–环己二烯 （6） 4–甲基–2.4–辛二烯 8 将下列自由基按稳定性从大到小的次序排列： 解：（3）>（2）>（1）>（4）9 按稳定性增加的顺序排列下列物质，指出最稳定者分子中所含的共轭体系。
解：（1）d ＞b ＞c ＞a （2）d ＞c ＝b ＞a (3)d ＞c ＞b ＞a (4) d ＞c ＞b ＞a 12下列化合物有无顺反异构现象？若有，写出它们的顺反异构体。
解：（1）无 （2）有（3）有 （4）有 （6）有14 经高锰酸钾氧化后得到下列产物，试写出原烯烃的结构式。
解：（1）CH 2=CH —CH =CH 2 （2） （3） （4）CH 3CH 2CH=CHCH 2CH 3 （5） 15 完成下列反应式解：（1）CH 3CH 3C CH 2CH 3CH 3CH 2C CHCH 2CH 3（3）CH 3CH 2C(Br)2CHBr 2 （5） CH 3CH 2CH=CHBr17 试给出经臭氧氧化，还原水解后生成下列产物的烯烃的构成式。
解：（1）CH 3CH 2CH 2CH =CH 2 （2） （3） （4）21 用化学方法鉴别下列各组化合物 （1）1–庚炔 1.3–己二烯 庚烷 （3）丙烷 丙炔 丙烯 解：（1） （3）24 解：（1） CH 3CHC ≡CH （2）CH 2＝C —CH ＝CH 225 解：A ．CH 3CH 2CH =CHCH 2CH 3 B ．CH 3CH 2CH(Br)CH(Br)CH2CH 3 C ．CH 3CH 2C ≡CCH 2CH 3 D ．CH 3CH =CH —CH =CHCH 3 E. CH 3CH 2COOH26 解：CH 3CH 2C ≡CCH 2CH 3第3章 环 烃习 题1 命名下列化合物：解： （1）2-甲基-5-环丁基己烷 （2）反-1，3-二乙基环丁烷（3）1-甲基-3-乙基环戊烷 （5）2，6-二甲基二环[2.2.2]辛烷 （6）1，6-二甲基螺[3.4]辛烷 5 写出下列反应的产物： 解：(5)CH 3CH 2CH(Cl)CH 3 6 写出下列芳香烃的名称：解： （1）甲苯 （2）对异丙基甲苯 (1-甲基-4-异丙基苯) （3）2，4-二硝基甲苯9 根据Hückel 规则判断下列化合物是否具有芳香性：解：Hückel 规则：π电子数为4n +2。
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有醛15℃
——制备呋喃方法
如反应：
H+
13.3.2 噻吩
存在于煤焦油的粗苯中，含量 ~0.5%，有臭味， 沸点84℃(与苯接近，直接分离难) 室温下溶于浓H24中，分离，再水解得噻吩：
鉴定方法：在浓H24存在下与靛红共热呈蓝色
噻吩的反应
(1) 亲电取代反应 (比苯容易)
杂原子N上的一对孤对电子处于2轨道，相当于 –2连在芳环上的作用，亲电取代比苯难, 取代基主要进 入β-位；亲核取代进入α,γ-位。
13.3 重要的五元杂环化合物 13.3.1 呋喃
存在于松木焦油中，沸点32℃ 鉴定方法：遇浓浸过的松木片呈绿色反应
1. 呋喃的亲电取代反应 (比苯容易)
Cl2 , -40℃
8 91
7
2
6 5
N10 4 3
吖啶
acridine
环上取代基的位置编号：
(1) 从杂原子开始, 定位1，依次2，3……, 或杂原子 相邻的碳原子为α，依次β, γ……。
(2) 当环上有两个或多个杂原子时, 应使杂原子的位 号最低, 不同杂原子按O, S, N的次序编号。
(3) 环上有不同取代基时，编号按最低系列原则和顺 序规则。
环上电子云密度：
>
>
S
N
O
H
芳香性大小顺序： 苯 > 噻吩 > 吡咯 > 呋喃
离域能(kJ·mol-1) ：150.5 117 88
67
13.2.2 六元单杂环
吡啶： H
H
b
a
H
g
N
0.140nm
N 0.134nm
ba
H
H
0.139nm
环有芳香性；环上电子云密度较苯低，电子云分布 不均匀；键长不相等。
3.α-呋喃甲醛 (糠醛)
(1) 制备
稀HCl
(C5H8O4)n + nH2O 戊聚糖
nC5H10O5 戊醛糖
_ _
__ __
HO _CH —— CH_OH H_CH HO_C—H
△
HC — CH
HC C
+ 3H2O
OH
CHO
O CHO
戊醛糖
糠醛
——重要的化工原料
3.α-呋喃甲醛 (糠醛)
(2) 反应 水解：
Br2
CH3COOH
CH3COONO2 , 0℃
ClCH2CH2Cl
HCl
HCHO + HCl
ZnCl2 , 0℃
(2) 催化加氢
Pd
噻吩衍生物中许多是重要的药物
13.3.3 吡咯
存在于骨油中，沸点131℃ 鉴定方法: 蒸气或其醇溶液能使浸过浓的 松木片显红色
吡咯的反应
NaNH2 KOH(固)
4I2 + NaOH
□有机化学
杂环化合物
杂环化合物的定义
广义：构成环的原子除碳原子外还有其它原 子的一类环状化合物。
常见的杂原子是O、 S 、 N 。 前面学过的环氧化物、内酸酐、内酰胺、内 酯等虽然也有含氧或含氮的环，由于它们的环容 易打开，性质上又与开链化合物关系密切，一般 不放在杂环化合物的范围内讨论。 狭义：具有42个π电子的闭合共轭体系的 芳香杂环化合物。
13.2 结构与芳香性
1. 分子中键长平均化，但不如苯完全平均，芳香性 较苯差，有一定的不饱和性及环不稳定性。
2. 杂原子有一对电子共轭，有给电子性能, 环上电 子云密度较苯为高, 其作用相当于环上连有–、–、 –2等给电子基, 亲电取代比苯易, 尤易发生在α-位。
3. 杂原子给电子能力：S > N > O (电负性顺序相反)
Br2 , 25℃
CH3COONO2 , -5~-30℃
ClCH2CH2Cl
HCl
(CH3)2C=CH2
ZnCl2
(CH3CO)2O
SnCl4
(硝化、磺化使用较缓和的非质子试剂)
2. 呋喃的加成反应
呋喃具有共轭双键的性质, 可发生双烯合成反应：
30℃
催化加氢，生成四氢呋喃()：
Ni
100℃,5MPa
H
H
H
H
H
H
H O
呋喃
HH
HH S
H N
噻吩
H
吡咯
13.2 结构与芳香性
这些结构均具有芳香性。键长数据为：
0.144nm 0.135nm
0.142nm 0.137nm
0.143nm 0.137nm
O 0.137nm
呋喃
S 0.171nm
噻吩
N 0.138nm
吡咯
正常典型键长(单位：nm)： C C 0.154； C O 0.143； C S 0.182； C N 0.147 C=C 0.134； C=O 0.122； C=S 0.160； C=N 0.128
弱酸性 亲电取代
Zn CH3COOH
H2 , Ni
200℃
——加氢还原
吡咯的重要衍生物有叶绿素、血红素等
13.3.5 五元杂环亲电取代反应定位规律 1. α-位有邻对位定位基(X)
3 5
(主)
2. β-位有邻对位定位基(X)
2
5
(主)
13.3.5 五元杂环亲电取代反应定位规律
杂 环
杂
六 环元
杂 环
碳环母核 环戊二烯
苯
4
3
5 O2
1
重要的杂环
4
5
S
N
H
N3 4
25
S1
N3
N H
1
2
呋喃 噻吩 吡咯 噻唑 咪唑
furan
thiophene
pyrrole
imidazole thiazole
4 5
3
4 5
3
4
5 N3
5 N4 3
6 N1 2
6 N1N2
6 N1 2
6
2
N1
吡啶 哒嗪 嘧啶 吡嗪
例：
N
N H
COCH3 CH3
S
O2N O CHO
2-乙酰基吡咯
5-甲基噻唑
5-硝基-2-呋喃甲醛
α-乙酰基吡咯
α ′-硝基-α-呋喃甲醛
(4) 稠杂环的编号一般和稠环芳烃相同，但有少数
稠杂环另有一套编号顺序(如嘌呤)。
13.2 结构与芳香性
13.2.1 五元单杂环
呋喃、噻吩和吡咯：C、杂原子均为2杂化, 环上的 5个原子处于同一平面；5个p轨道都垂直于环所在的平 面且相互平行；p轨道的相互交盖形成闭合的共轭体系, 体系中有6个π电子。
13.1 分类与命名
13.1.1 分类
按环大小分类：五元杂环和六元杂环 按环的多少分类：单杂环和稠杂环 按杂原子的种类和数目分类
13.1.2 命名
杂环化合物的命名，包括基本母环和环上取 代基两部分，母环的命名常用音译法，取代基的 命名与一般化合物大体一致。
13.1 分类与命名
实例:
杂环分类
五
元
单
pyridine pyridazine pyrimidine pyrazine
杂环分类
稠 杂 环
碳环母核 萘 茚 蒽
重要的杂环
54
6
3
7 8
N1 2
喹啉
quinoline
54
6
3
7
N2
81
异喹啉
isoquinoline
4
5
3
6 7
NH1 2
吲哚
O
苯并呋喃
1N 6 5 N7
2
4
N3
嘌呤
N H
9
8
indole benzofuran purine