第十二章杂环化合物
12 杂环化合物《有机化学》
Br
（80%）
O
O Cl2
-40℃ ， CH3COOH
Cl
O
（64%）
Br2
CH3COOH
Br
S
（78%）
S Cl2
50℃
Cl
S
（36%）
I2,HgO C6H6, 0℃
I
S
（70%）
吡咯极易卤化生成四卤吡咯。
（2）硝化
呋喃和吡咯很易被氧化，遇无机酸容易发生聚合， 因而不能用硝酸硝化。通常用比较温和的非质子硝化试 剂，如用硝酸乙酰酯
离域能 呋喃、吡咯和噻吩的离域能分别为： 67 kJ·mol-1、 88 kJ·mol-1和117 kJ·mol-1 比苯的离域能（150.5 kJ·mol-1 ）低，但比大多数共 轭二烯烃的离域能（约12～28 kJ·mol-1 ）要大得多。
芳香性：苯>噻吩>吡咯>呋喃
2、 呋喃、噻吩和吡咯化学性质
有机化学 第12章 杂环化合物
基本要求：
• 1.掌握呋喃、吡咯、噻吩、吡啶、嘧啶、 喹啉、吲哚、嘌呤及其衍生物的命名。
• 2.掌握呋喃、吡咯、噻吩、吡啶的结构 与芳香性的关系，结构与亲电取代反应 活性的关系。
• 3.掌握吡咯和吡啶的酸碱性，呋喃、吡 咯、噻吩、吡啶的亲电取代反应(卤代、 磺化)，还原反应，吡啶侧链的氧化反应。
COOH
(烟酸 )
N
HNO3
COOH
COOH
N
△
COOH △
N
N
吡啶可被催化加氢或用乙醇和钠还原而成为六氢吡啶。
Na + C2H5OH
N
或 H2/Pt ,0.3MPa,25℃
N H
常见吡啶衍生物
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。
(2012)有机化学第十二章杂环
N
2
1
6
5
NH
8
7
N
2
6 5
N
8
7
N
3
4
N
9
N
3
4
H N
9
H 7
嘌呤
9H
嘌呤
• 在杂环母环名称确定后，就可以参照芳香 族化合物的命名方法命名。例如：
3 N 2 4 1
C H C H C O O H 2 N H 2
6 5
N
2 3
N 1 H
5
C O N ( C H ) 2 5 2
4
• α-氨基-β-(4-咪唑基)丙酸
• 二、命名（母核） • 杂环化合物的命很复杂。主要讨论最 常用的译音法，即将杂环母核根据国 际通用英文译音，选同音汉字再加 “口”字旁命名。例如：
O
呋喃 F u r a n
S 噻吩 T h i o p h e n e
吡咯 P y r r o l e
H N
N O 恶 唑
N S 噻 唑 N H N
第十二章 杂环化合物
N H 2 N ON H
O H N ON H
O H 3 N C H ON H
• 胞嘧啶
尿嘧啶
胸腺嘧啶
N H 2 N N N N H
• 腺嘌呤
O H N N H NN N 2 H
鸟嘌呤
• 杂环化合物是指成环的原子除碳以外还有 其它元素的原子（即杂原子）的化合物， 常见的杂原子有O、S、N等。但下述化合 物容易开环，性质与脂肪族的化合物相似， 不属于杂环化合物范畴。
二、化学性质
• 1．酸碱性 吡咯分子中氮要上的未共用电 子对参与了形成环状共轭体系，氮上的电 子云密度降低，故不能接受质子。相反， N-H的极性增强，表现出一定的弱酸性。
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）。
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。
第十二章杂环化合物
NN
N
N
喋啶
pteridine
苯稠杂环
5 6
4 3
7 8
2
N
1
喹啉
quinoline
5 6
4 3
7 8
N2
1
异喹啉
isoquinoline
43
5 6
7
12
N H
吲哚
indole
命名
β CH3 S α Br
N
口丫啶
acridine
3-甲基-2-溴噻吩 （β-甲基-α-溴噻吩）
COOH β-吡啶甲酸（烟酸、尼克酸）
N
SO3H
结论 亲电取代反应易 难：
吡咯、呋喃、噻吩 > 苯 > 吡啶
（α位）
（β位）
氧化与还原反应
CH3
+ KMnO4
N
COOH
N
β-吡啶甲酸
+
N
pKb=8.8
3 H2
Pt
仲胺
室温
N
H
pKb=2.8
六氢吡啶（哌啶）
第四节 生物碱
一、概念—存在于自然界植物中的 含氮有机化合物，具有 显著生理活性。
OH N
H3C N
ON N
CH3 生物碱
嘌呤
N N
CH3
生物碱
茶碱（存在于茶叶中）
烟碱（尼古丁）
O
OH -
O
+N
bò
小檗碱（存在黄连中）
OCH3
生物碱
OCH3
异喹啉
RO
存在罂粟（鸦片）中
R
R’
O R' O
H N
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
有机化学课件——Chapter 12 杂环化合物
CH3CH2CH2OH
HN HN
CH3CH2CH2CH3 + H2S S S
29
+ S
第12章 杂环化合物
6. 吡咯的酸碱性
吡咯的N上孤对电子参与p-π共轭, 碱性极弱, pKb＝13.6, N上的 H有酸性, pKa＝17.5. 吡咯的性质与苯酚和苯胺类似, 同时具有酸碱性, 酸性比苯酚小, 碱性比苯胺弱. 吡咯成盐后, 使环上电荷密度增高, 亲电取代反应更易进行.
S
CH2Cl
CH2O + HCl ZnCl2, 25oC
ClH2C
S
CH2Cl
有机化学课件
28
第12章 杂环化合物
6. 氢化反应
O Ni/H2, 125OC 100atm H2/Pd HN Zn/AcOH/H2O H2/Ni, rt S H2/MoS3 Na/C2H5OH
有机化学课件
O
H2, Pt/AcOH
AcONO2 O H AcO O -5 - -30oC H NO2 O + Pyridine N H NO2 H NO2
有机化学课件
21
第12章 杂环化合物
2. 磺化反应
吡咯、呋喃不太稳定, 所以须用温和的磺化试剂磺化. 常用的温和的非质子的磺化试剂有: 吡啶与三氧化硫加合物. 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.
N O b.p. 95℃ S 113℃ N N N H 188℃ (m.p.70℃) N N H N N N H N b.p. 70℃ 117℃ 263℃ (m.p.90℃) H N NH
N O S
N N H
N
分子间形成氢键，b.p.(m.p.)高
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。
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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如：
N
H
pyrrole
吡咯
2.系统命名法：
五元杂化为：戊 +“草字头” = 茂
氧杂茂
氮杂茂 硫杂茂
O
N
S
H
★ 3. 杂化化合物的编号规则：
① 环中杂原子为“1”号。杂原子邻位为“α”位。 ② 两个以上相同的杂原子，编号尽可能小。 ③ 不同杂原子优先顺序按：
O、S、NH、N 编号。
④ 稠杂环编号：按稠杂环规则或有特殊编号。
血红素 + 蛋白质 血红蛋白存在于红细胞中
叶绿素+ 蛋白质
存在于叶绿体中
N HN NH N
卟吩
1.血红素
配位键与亚铁原子 形成配合物。
CH=CH 2 CH 3
H3C
N
N
CH=CH 2
Fe
H3C
NN CH 3
HOOCCH 2CH 2
CH 2CH 2COOH
R
H3C
N
N
Mg 2.叶绿素
H3C
N
N
CH3
H
N K+
+ H2O
（二）吡咯、呋喃和噻吩的亲电取代反应
均为 π电56 子体系，亲电取代反应活性大于苯环。
（强酸易使杂原子，质子化、大π键受破坏） 用较温和的非质子性试剂： 1.吡咯的硝化:(硝酰乙酸酯)
N +C3H O CONO O乙 5。 C酸酐 N N2O +H 2O.
H
H
2.吡咯的磺化
+
1. 100OC
（一）吡咯的酸碱性：
碱性：胺 > 吡咯 电子结构： N原子上未共电子对参与环的共轭。 导致结果:
1. 比咯氮不与H+结合（不水合，无碱性反应） 2. N 原子上未共电子对参与环的共轭，
电子云密度减少, 接受质子能力弱. N-H 键极性增加，表现出弱酸性(pka=17.5)
无水条件： ★
+ KOH N
（二）吡啶具有碱性（pkb=8.8）
含氮化合物碱性比较：
★ 季铵碱 > 脂肪胺 > 氨 > 吡啶 >苯胺
与无机酸能形成盐：
★
+ HCl
N
+ Cl N
H
吡啶盐酸盐
（三）吡啶的亲电取代反应
电子云密度较低，不易进行亲电取代反应 ★ 亲电取代活性：
吡咯 ＞苯 ＞ 吡啶
稳定性： 苯环 > 吡啶 ＞ 吡咯
KN3+OH 2SO4
例: 环上只有一个杂原子时，杂原子为“1”号
(常以希腊字母αβγ编号,相邻碳为“α”)
4
5O 1
(α) 2-甲基呋喃
3
2 CH 3
(β)
CH 2 CH 2 CH 3
4
5
3
6
2
N
1
(γ)
4- 丙基吡啶
CH 2 CH 3
N 1 3-乙基吡啶
O Cl
α-氯呋喃
CH 2CH 3
N
β-乙基吡啶
CH2COOH N
β-吲哚乙酸
6
嘌呤的特殊编号: 1 N
5
7
N
2 N 4 N9 8
3
H
★常见的杂环化合物的结构和名称（表 12-1）
N
O 呋喃
N H
吡咯
N H
咪唑
N
N
吡啶
N
嘧啶
O
吡喃
N
喹啉
N
吲哚H
N
N
NN
嘌呤 H
环上有两个以上杂原子的化合物： O、 S、 NH、 N 顺序编号 (杂原子优先编号)
H 3C N
N H
CH 3 N
H O CH 2OH
O C CH
,
*喹啉异喹啉环系: 小蘖碱 (黄莲素)
O
H2C O
N+OH-
*吲哚环系:
OCH3
CH3O
利血平
N
N
HH
H
H O
CH3OC O
OC OCH3
OCH3 ,
OCH3 OCH3
OCH3 ,
第五节 与医学有关的化合物
一.吡咯衍生物
1. 叶绿素 2.血红素
骨架称卟吩,4个吡咯环+ –CH2 – 配位键与亚铁原子形成配合物。
CH 3
N
N
S CH 3
N
4-甲基咪唑 4-甲基嘧啶
5-甲基噻唑
醛.酸命名时，可将杂环作为取代基：
O CHO
2-呋喃甲醛
α-呋喃甲醛
N
3-吡啶甲酸 β-吡啶甲酸
COOH
第二节 五元杂环化合物
一、五元杂环化合物结构
1. 环内，C、N原子均为Sp2 杂化 2. p轨道垂直于环面并平行重叠，形成环状离域大π键。 3. 符合 Hückel 4n+2 规则
二章杂环化合物
结构特点： 1.分子结构的环中含有一个或多个杂原子. （常见杂原子有：O、S、N） 2.环系较稳定，应是环闭的共轭体系，有芳性. 称为非苯芳香族化合物. 3.环醚、内酯、环状酸酐、内酰胺均不属杂环范围。
第一节 杂环化合物的分类和命名
一. 分类:
单环杂环 稠杂环
五元杂化 六元杂化
★二. 命名：两种方法： 1. 音译法： 根据国际通用英文名译音为同音汉字加“口”字旁.
NO2
Fe 35。 0C
N
N
氮相当于间位定位基
（四）吡啶的氧化和还原反应
与苯相似，侧链可被氧化为羧酸
CH 3
COOH
★
KM4nO
Δ
N
N
吡啶较易被还原
β-吡啶甲酸（烟酸）
★
N
Na+2C5H OH
或 H2/Pt
N H
六氢吡啶
六氢吡啶为仲胺、碱性较吡啶强106倍。
第四节 生物碱
一.生物碱概念:
自然界植物中含氮的碱性化合物
N
+ 2. HCl
N
H
S1 O-3
N SO3H, H
3.呋喃
O
+
+
N
1C . H2C2l 2.HCl
1 S
- O 3
O SO 3H,
α-呋喃磺酸
N O H a
OC O H
+ OC 2 O H HOC O O H ,
第三节 六元杂环化合物
一、六元杂环化合物的结构 结构 ： 1.环内的 “C、N” 均为Sp2杂化。
2. “p”轨道平行重叠形成大π键 3.吡啶π电子数符合4n+2规则
结构决定性质：
1.吡啶为大π键 电子结构体系，
“N”的电负性大于“C” （环上缺电）
2.电子云密度：
苯环 > 吡啶环
★ 3. “N”未共电子对未参与共轭，
可结合质子，具有碱性。 二、六元杂环化合物的性质
（一）吡啶的水溶性 吡啶氮原子上一对共电子对 能与水形成氢键，与水互溶。
配位键与镁
H
CH2 H
CH2
H C
OO
C
H
O
3
原子形成配合物。
COO CH2
3.维生素B12 (抗恶性贫血药物)
H 2N O C H 2C H 2C H
N
O
S
H
电子结构分析：
大π键
π 吡咯
6 5
杂原供电子数
2
环上电子云密度
升高
π 呋喃
6 5
2
升高
π 噻吩
6 5
2
升高
形成环状离域大π键:
键长平均化，电子云密度平均化，
π π 电子云密度:
6 5
＞
6 6
1.稳定性及芳性： 苯 ＞噻吩 ＞吡咯 ＞呋喃
2.亲电取代活性： 五元杂化 ＞ 苯
二、五元杂环化合物的性质
中草药的有效成分
金鸡纳树皮中: 含奎宁 15%
黄莲中:
含黄莲素 9乙醇、乙醚、氯仿
其盐溶于: 水、乙醇、乙醚、氯仿
生物碱结构复杂,根据其含有的主要环系分为:
四氢吡咯环系、六氢吡啶环系、
喹啉异喹啉环系、吲哚环系、 嘌呤环系、
例:* 四氢吡咯环系、六氢吡啶环系:
莨菪碱 (阿托品)