14-1 芳香杂环化合物
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+ HCl N + SO3 CH2Cl2 室温 N HCl NH3 N
此
在
N
N SO3 (90%) 吡啶三氧化硫络合物 是常用的缓和磺化剂
12
生
(三) 亲电取代和亲核取代
吡啶的亲电取代比苯难? 在β位?
原因: 电子云密度比苯低, N结合质子或
Lewis酸, 环上电子云密度更低.
β-硝基吡啶
H2 SO4, SO3 SO3 H
139pm
3、 Π 5 ,环上电子云密度比苯环大, 亲电取代活性更高 20
6
二、吡咯、呋喃和噻吩的化学性质
（一）吡咯的酸碱性 吡咯的碱性？ (N孤电子对接受H+的能力) 吡咯的酸性？
(N孤电子对参与共轭, N-H键极性增强)
+ + K OH △ K OH + K OH + +H2O O - + H2O H2 NN N K+ + K+ K
鸟嘌呤guanine(G) (2-氨基-6-羟基嘌呤)
O
几种代谢产物
H N
O N N N
H N O
N N N H
H 次黄嘌呤 (6-氧嘌呤)
黄嘌呤 (2，6-二氧嘌呤)
28
尿酸的酮式和烯醇式互变
O HN O N H N H
尿酸（烯醇式） (2，6，8-三羟基嘌呤)
OH NH O HO N N N NH OH
α位亲核取代
10
β位
亲电取代
二、吡啶的性质 (一) 水溶性
极性分子,孤电子对与水形成氢键 环上有-OH或-NH2, 水溶性降低??
原因: 分子间氢键阻碍了与H2O的缔合,导
致分子中-OH或-NH2越多,水溶性越低!
水溶度 ∞
1:1
1:1
微溶
11
(二) 碱性
吡啶显弱碱性,比苯胺强,比脂肪胺和氨弱?
温和的硝化剂
(乙酸酐+硝酸)
温和的磺化剂
N H SO 3 . N
(吡啶+三氧化硫)
N H
SO 3H
24
三、吡咯衍生物-卟吩
CH CH CH2 2 CH
α位
4个次甲基
HH3C C 3
CH3 3 CH CH CH CH2 2 CH
H NN H NN
NN Fe Fe NN
NN
NN HH N N
NN
HH3C C 3 CH2 2 CH CH2 2 CH COOH COOH CH2 2 CH CH2 2 CH
喹啉(quinoline)
异喹啉(isoquinoline)
吖啶(acridine)
杂环并杂环
6 1N 2 7 5 N 8 N 4 N9 H 3
嘌呤(purine)
7
Nomenclature：
1. 音译名（同音汉字加“口”字旁） 2. 以杂环为母体 （醛基, 羧基 , 磺酸基除外） 3. 环上原子的编号顺序 ① 从杂原子开始 1，2，3…或α,β,γ…) ② 不止一个杂原子, 按O, S, N顺序编号 ③ 取代基位次之和最小原则 ④ 稠杂环和稠环芳烃同, 少数特殊
N
230℃, 24h
N
β-吡啶磺酸
13
吡啶可发生亲核取代? 在α位?
原因: N的电负性, 电子云密度比苯低,
为缺点子共轭体系, 较易亲核取代.
α 位有易离去基团时, 亲核反应更易发生
14
(四) 侧链氧化反应
电子云密度较低, 对氧化剂更稳定, 易被还原.
β-吡啶甲酸(烟酸) 六氢吡啶(哌啶) 六氢吡啶(哌啶), 类仲胺, pKb=2.8, 碱性 比吡啶强得多? 与水互溶.
按杂原子数目分:
一个、两个或多个杂原子的杂环
按环的形式分:
单杂环和稠杂环
按环的大小分:
五元杂环和六元杂环 小于五元或大于六元的杂环??
2
3
五元杂环
4 5
N 1H
3β 2α
4 5
S 1
3β 2α
4 5
O 1
3β 2α
吡咯(pyrrole)
噻吩(thiophene)
呋喃(furan)
吡唑(pyrazole)
4-甲基咪唑
5-甲基咪唑
26
§4 稠杂环化合物
嘌呤及其衍生物:
6 1N 2 5 6 1N 2 5
N H N
9 8
7
7
N N9 H
8
N
3
4
N
3
4
7H - 9H互变异构
白色固体, 易溶于水(中性), 可与酸或碱成盐
27
核酸的碱基
N
NH2 N N N H
OH N NH2 N N H N
腺嘌呤adenine(A) (6-氨基嘌呤)
尿酸（酮式） (2，6，8-三氧嘌呤)
白色晶体, 难溶于水, 弱酸性, 与强碱成盐存在于 体内尿结石?
29
CH3 3 CH
4个吡咯环
卟 吩 卟 吩
COOH COOH
血 红 素 血 红 素
含卟吩结构的化合物还有维生素B12和叶绿素等
25
四、咪唑的结构与功能
6 Π5
具有一定的芳香性
sp2杂化, 孤对电子不参与共轭 具有碱性(pKb=6.8) 具有酸性
结论: 咪唑环同时是质子供体和质子受体
咪唑分子存在互变异构
8
CH3 H3C N O CHO CH2COOH N H
4-甲基吡啶 5-甲基-2-呋喃甲醛 3-吲哚乙酸
4 5 1 3 2 2 1 3 4 5
4-甲基咪唑
5-甲基噻唑
9
§2 芳香六元杂环
一、吡啶的结构
Π
6 6
等(缺)电子 共轭体系
孤对电子: 碱性
0.87
N
1.01 0.84
1.43 相对电子云密度
Chap14 芳香杂环化合物
(Aromatic Heterocyclic Compounds) §1 Classification and Nomenclature §2 芳香六元杂环 §3 芳香五元杂环
§4 稠杂环化合物
1
§1 Classification and Nomenclature
Classification ：
一、吡咯的结构
Π
6 5
富电子共轭体系
亲电取代
α
N
H
碱性消失
弱酸性
18
呋喃和噻吩的结构
Π
6 5
富电子共轭体系
结论
π电子数符合Hückel的4n+2规则,具有芳香性
19
证据
1HNMR:
环上H的NMR信号在低场 (6~8)
吡咯、呋喃和噻吩芳香性的特征
1、杂原子(N/O/S)的电负性大, 环上π电子云密度不均匀 2、键长的平均化程度较差
15
三、嘧啶及其衍生物
4 5 6 1 3 2
环上电子云密度比吡啶更低, 亲电取代更困难 易溶于水, 弱碱性(pKb=11.30) 嘧啶衍生物
N O N H O NH2 HN N H
16
O CH3
胞嘧啶(C)
胸腺嘧啶 (T)
嘧啶衍生物有酮式和烯醇式互变பைடு நூலகம்构体 如尿嘧啶:
酮式
烯醇式
17
§3 芳香五元杂环
N NN
HH H
21
（二）亲电取代反应
1、亲电取代的难易程度? 原因? 2、取代位置?
结论: 亲电取代比苯易, 取代位置在α位
22
α-位取代：
三种共振形式, 正电荷分布在四个原子上
β-位 取代：
两种共振形式, 正电荷分布在两个原子上 23
问题: 1、苯及同系物硝化、磺化反应的条件? 五元杂环的硝化、磺化反应? 原因? 吡咯和呋喃杂原子易质子化, 芳香大π键被破坏
咪唑(imidazole)
噻唑(thiazole)
4
六元杂环
γ 4 5 6 3β
5 6 O 1 γ 4 3β 2α
2α N 1 吡啶(pyridine)
吡喃(pyran)
5 6
4 N N 1
4
3 2
4
5 6 N 1
N3 2
5 6 N 1
3 N2
吡嗪(pyrazine)
嘧啶(pyrimidine)
哒嗪(pyridazine)
5
稠杂环
五元杂环苯并体系
4 5 6 7 O 1 3 2 5 6 7 S 1 4 3 2
5 6 7 N H1 4 3 2
苯并呋喃 (benzofuran)
苯并噻吩 (benzothiophene)
苯并吡咯 吲哚 (indole)
6
六元杂环苯并环系
5 6 7 8 N 1 4 3 2 6 7 8 1 5 4 3 N2
此
在
N
N SO3 (90%) 吡啶三氧化硫络合物 是常用的缓和磺化剂
12
生
(三) 亲电取代和亲核取代
吡啶的亲电取代比苯难? 在β位?
原因: 电子云密度比苯低, N结合质子或
Lewis酸, 环上电子云密度更低.
β-硝基吡啶
H2 SO4, SO3 SO3 H
139pm
3、 Π 5 ,环上电子云密度比苯环大, 亲电取代活性更高 20
6
二、吡咯、呋喃和噻吩的化学性质
（一）吡咯的酸碱性 吡咯的碱性？ (N孤电子对接受H+的能力) 吡咯的酸性？
(N孤电子对参与共轭, N-H键极性增强)
+ + K OH △ K OH + K OH + +H2O O - + H2O H2 NN N K+ + K+ K
鸟嘌呤guanine(G) (2-氨基-6-羟基嘌呤)
O
几种代谢产物
H N
O N N N
H N O
N N N H
H 次黄嘌呤 (6-氧嘌呤)
黄嘌呤 (2，6-二氧嘌呤)
28
尿酸的酮式和烯醇式互变
O HN O N H N H
尿酸（烯醇式） (2，6，8-三羟基嘌呤)
OH NH O HO N N N NH OH
α位亲核取代
10
β位
亲电取代
二、吡啶的性质 (一) 水溶性
极性分子,孤电子对与水形成氢键 环上有-OH或-NH2, 水溶性降低??
原因: 分子间氢键阻碍了与H2O的缔合,导
致分子中-OH或-NH2越多,水溶性越低!
水溶度 ∞
1:1
1:1
微溶
11
(二) 碱性
吡啶显弱碱性,比苯胺强,比脂肪胺和氨弱?
温和的硝化剂
(乙酸酐+硝酸)
温和的磺化剂
N H SO 3 . N
(吡啶+三氧化硫)
N H
SO 3H
24
三、吡咯衍生物-卟吩
CH CH CH2 2 CH
α位
4个次甲基
HH3C C 3
CH3 3 CH CH CH CH2 2 CH
H NN H NN
NN Fe Fe NN
NN
NN HH N N
NN
HH3C C 3 CH2 2 CH CH2 2 CH COOH COOH CH2 2 CH CH2 2 CH
喹啉(quinoline)
异喹啉(isoquinoline)
吖啶(acridine)
杂环并杂环
6 1N 2 7 5 N 8 N 4 N9 H 3
嘌呤(purine)
7
Nomenclature：
1. 音译名（同音汉字加“口”字旁） 2. 以杂环为母体 （醛基, 羧基 , 磺酸基除外） 3. 环上原子的编号顺序 ① 从杂原子开始 1，2，3…或α,β,γ…) ② 不止一个杂原子, 按O, S, N顺序编号 ③ 取代基位次之和最小原则 ④ 稠杂环和稠环芳烃同, 少数特殊
N
230℃, 24h
N
β-吡啶磺酸
13
吡啶可发生亲核取代? 在α位?
原因: N的电负性, 电子云密度比苯低,
为缺点子共轭体系, 较易亲核取代.
α 位有易离去基团时, 亲核反应更易发生
14
(四) 侧链氧化反应
电子云密度较低, 对氧化剂更稳定, 易被还原.
β-吡啶甲酸(烟酸) 六氢吡啶(哌啶) 六氢吡啶(哌啶), 类仲胺, pKb=2.8, 碱性 比吡啶强得多? 与水互溶.
按杂原子数目分:
一个、两个或多个杂原子的杂环
按环的形式分:
单杂环和稠杂环
按环的大小分:
五元杂环和六元杂环 小于五元或大于六元的杂环??
2
3
五元杂环
4 5
N 1H
3β 2α
4 5
S 1
3β 2α
4 5
O 1
3β 2α
吡咯(pyrrole)
噻吩(thiophene)
呋喃(furan)
吡唑(pyrazole)
4-甲基咪唑
5-甲基咪唑
26
§4 稠杂环化合物
嘌呤及其衍生物:
6 1N 2 5 6 1N 2 5
N H N
9 8
7
7
N N9 H
8
N
3
4
N
3
4
7H - 9H互变异构
白色固体, 易溶于水(中性), 可与酸或碱成盐
27
核酸的碱基
N
NH2 N N N H
OH N NH2 N N H N
腺嘌呤adenine(A) (6-氨基嘌呤)
尿酸（酮式） (2，6，8-三氧嘌呤)
白色晶体, 难溶于水, 弱酸性, 与强碱成盐存在于 体内尿结石?
29
CH3 3 CH
4个吡咯环
卟 吩 卟 吩
COOH COOH
血 红 素 血 红 素
含卟吩结构的化合物还有维生素B12和叶绿素等
25
四、咪唑的结构与功能
6 Π5
具有一定的芳香性
sp2杂化, 孤对电子不参与共轭 具有碱性(pKb=6.8) 具有酸性
结论: 咪唑环同时是质子供体和质子受体
咪唑分子存在互变异构
8
CH3 H3C N O CHO CH2COOH N H
4-甲基吡啶 5-甲基-2-呋喃甲醛 3-吲哚乙酸
4 5 1 3 2 2 1 3 4 5
4-甲基咪唑
5-甲基噻唑
9
§2 芳香六元杂环
一、吡啶的结构
Π
6 6
等(缺)电子 共轭体系
孤对电子: 碱性
0.87
N
1.01 0.84
1.43 相对电子云密度
Chap14 芳香杂环化合物
(Aromatic Heterocyclic Compounds) §1 Classification and Nomenclature §2 芳香六元杂环 §3 芳香五元杂环
§4 稠杂环化合物
1
§1 Classification and Nomenclature
Classification ：
一、吡咯的结构
Π
6 5
富电子共轭体系
亲电取代
α
N
H
碱性消失
弱酸性
18
呋喃和噻吩的结构
Π
6 5
富电子共轭体系
结论
π电子数符合Hückel的4n+2规则,具有芳香性
19
证据
1HNMR:
环上H的NMR信号在低场 (6~8)
吡咯、呋喃和噻吩芳香性的特征
1、杂原子(N/O/S)的电负性大, 环上π电子云密度不均匀 2、键长的平均化程度较差
15
三、嘧啶及其衍生物
4 5 6 1 3 2
环上电子云密度比吡啶更低, 亲电取代更困难 易溶于水, 弱碱性(pKb=11.30) 嘧啶衍生物
N O N H O NH2 HN N H
16
O CH3
胞嘧啶(C)
胸腺嘧啶 (T)
嘧啶衍生物有酮式和烯醇式互变பைடு நூலகம்构体 如尿嘧啶:
酮式
烯醇式
17
§3 芳香五元杂环
N NN
HH H
21
（二）亲电取代反应
1、亲电取代的难易程度? 原因? 2、取代位置?
结论: 亲电取代比苯易, 取代位置在α位
22
α-位取代：
三种共振形式, 正电荷分布在四个原子上
β-位 取代：
两种共振形式, 正电荷分布在两个原子上 23
问题: 1、苯及同系物硝化、磺化反应的条件? 五元杂环的硝化、磺化反应? 原因? 吡咯和呋喃杂原子易质子化, 芳香大π键被破坏
咪唑(imidazole)
噻唑(thiazole)
4
六元杂环
γ 4 5 6 3β
5 6 O 1 γ 4 3β 2α
2α N 1 吡啶(pyridine)
吡喃(pyran)
5 6
4 N N 1
4
3 2
4
5 6 N 1
N3 2
5 6 N 1
3 N2
吡嗪(pyrazine)
嘧啶(pyrimidine)
哒嗪(pyridazine)
5
稠杂环
五元杂环苯并体系
4 5 6 7 O 1 3 2 5 6 7 S 1 4 3 2
5 6 7 N H1 4 3 2
苯并呋喃 (benzofuran)
苯并噻吩 (benzothiophene)
苯并吡咯 吲哚 (indole)
6
六元杂环苯并环系
5 6 7 8 N 1 4 3 2 6 7 8 1 5 4 3 N2