第12章 杂环化合物

①单杂环以杂原子为起点 ②两个及两个以上相同杂原子的杂环编号之和最小 ③不同杂原子，按照O,S,NH,N的顺序编号 ④稠杂环的编号按照相应的芳环母体（嘌呤特殊）
命名步骤：①确定杂环母体名称 ②编号
③取代基的名称连同位置编号以词头或词尾 的形式加在杂环名前或后
3 CH3 β 5 α 2 3-甲基 吡咯 N1 H 4
（1）碱性 唑类分子中2-位或3-位氮有孤对电子，呈碱性 碱性： 咪唑＞噻唑 ＞噁唑 (2）亲电取代反应 唑类分子中2-位或3-位氮有吸电子性，使环电子云密 度降低,亲电反应比苯难. N N N > > N > N O S N H H
亲电反应活性降低，对氧化剂、对酸不敏感.
发烟 HNO3
N
发烟 HNO3
1
④取代稠杂环化合物的命名
首先对环编号，确定取代基位置，原则与单环相似，共用
杂原子编号，共用碳原子一般不编号，如需编号时，则根 据其前面相连碳原子号X以Xa标示（如2a,3a)
7
N
6 5 4
aS b Nc
3 1
1 2
5-苯基咪唑并［2,1 -b］噻唑
Ph
aO e b d
H
5
N1
N
3 2
2 3N
O
H N6
N
7 8
6 7 8 9
5
4 3 2 1
N
10
S
吩嗪
N 10 H
吩噻嗪
请务必熟练掌握以下16个杂环化合物！
O 呋喃
S 噻吩
N H 吡咯
N N H
咪唑
N
N O
噁唑
N H 吡唑
N
S
噻唑
O
N
异噁唑
N
N
N
吡啶
N
N H 吲哚
N
N
N
嘧啶
N
N
吡嗪
哒嗪
N
N H 嘌呤
N
喹啉 异喹啉
N
（二）取代杂环化合物的命名 编号原则：
附加环
O
基本环 苯 并 呋喃 原则(1)杂环为基本环 （2）大环为基本环
（3）N.O.S顺序 （4）杂原子数多 （5）杂原子种类多 （6）编号小的
命名步骤：①确定基本环和附加环（原则） ②附加环用1,2,3· · · · · · 标注各原子 ③基本环用a,b,c· · · · · · · 表示各边
1
N H
哌嗪
1,4-环 已 二 烯 1,4-cyclohexadiene
O
O
O
O
α--吡喃
γ--吡喃
α--吡喃酮
γ--吡喃酮
3、稠杂环
4 5 6 7 N1 H 3 2
吲 哚(indole)
茚
7 N 1N 8 2 N 4 N H9 3 5
5 6 7 8 N 1 4 4 3 2
6
嘌 呤(purine)
喹 啉(quinoline)
5 6 7 8
3 N2 1
异 喹 啉(isoquinoline)
5 6 7 8 9
4 3 2 1
6 7
5
4 3 2
8
9 H
N
1
wk.baidu.com
芴（fluren)
5 6
6 5 4 3 2 9 10 1
咔唑（ carbazole)
10 4 3 2
N
丫啶
6 7 8 9 5 4 3 2 1
7 8 9 1
NO2 N H N
N H
N N H SO3H
N
4-硝基吡唑
1,2-二唑亲电取代位置
N H N
N H
N N H
NO2
5-硝基咪唑
发烟 H2SO4
思考:
S
N
O
N
亲电取代反应发生在几号位?
(3)互变异构现象
CH3 N
CH3 NH
N N 3(5)甲基吡唑 H 3-甲基吡唑 5-甲基吡唑
N CH3 N H 4(5)-甲基咪唑
杂环化合物在自然界分布很广，如叶绿素、血红素、 花色素、核酸等。生物碱、维生素、抗生素中大多含有杂环， 不少合成药物（磺胺、吡唑酮、呋喃类）、染料中也含有杂 环。
CH2CONH N
青霉素G
S
CH3 CH3 COOH
O
一、杂环化合物的分类
五元环 （1） 按环的大小分 六元环
N O
O
S
N H
单环 （2） 按环的数目分 稠环
N N H CH2 CHCOOH 脱羧 NH2
N5
4
f h g
a b c ed
N c 4
6H- 吡唑并［4,5 -d］噁唑
9-甲基苯并［h］异喹啉
三、五元杂环化合物 （一）结构 与芳香性

O

O

环上所有原子都采取sp2杂化； 各原子以sp2轨道相互形成σ键；




S

6 5
三种杂环均具有芳香性
S


4-甲基咪唑
H N N
CH3
5-甲基咪唑
3.吡唑及其重要衍生物 吡唑无色针状晶体，熔点70℃ CH3 嘧吡唑 N 解热镇痛消炎药 CH3O N
N CH3O N CH3
4-甲基-2-（3-甲基-5-甲氧基吡唑基）-6-甲氧基嘧啶
O
+
H3 C
安乃近（罗瓦尔精） Na O S CH2
O
N N
CH3 N CH3
Ac2O 低温
N H
+ CH3COONO2
N H
NO2
O
+ CH3COONO2
Ac2O 低温
O NO2
③磺化
CH2Cl2
室温
吡咯、呋喃对强质子酸不稳定。
N SO 3
+
非质子磺化剂
N H
100℃
N H
SO 3
N H
HCl
+
α-吡咯磺酸吡啶盐
N H
SO3H
+
α-吡咯磺酸
N H 盐酸吡啶盐
+
Cl
N N H
N
N H
N
N S
O
N
S
O
N
噁唑 吡唑 异噁唑 噻 唑 异噻唑 咪唑 (imidazole) (pyrazole) (thiazole)(isothiazole) (oxazole) (isooxazole)
唑的分子结构：
sp2 p


N

碱性
N
H
咪唑
1.物理性质 分子极性增加，熔沸点较高，水溶性增加(与水有氢键） 2.化学性质
噻吩 (thiophene )
N1 H
5 α
吡咯 (pyrrole )
五元杂环中含两个或两个（至少含有一个氮原子）以上 的杂原子的体系称唑(azole) 编号按O,S,NH,N的顺序编号
N3 4 3 2 N2 5 5 N1 N1 H H 咪唑 吡唑 (imidazole ) (pyrazole )
N
2H-吡咯
O
α
O
α
α--吡喃 2H-吡喃
γ--吡喃 4H-吡喃
N
N H
N
N N N H
N N N H
9H-嘌呤
1H-吲哚
3H-吲哚
N
7H-嘌呤
②杂环不含有最多数目的非累积双键时，多出的氢 原子为外加氢，要指明外加氢的位置和数目。
N H
2,5-二氢吡咯
O
四氢呋喃 THF
③无特定名称的稠杂环命名：将两个单杂环 合并在一起， 在此基础上命名。
（3）催化加氢
呋喃、吡咯、噻吩催化加氢后，失去芳香性，得到饱和的杂环化合物。
N H
H 2 Ni 200℃
四氢吡咯 有机碱
N H
O
H 2 Ni 50℃
O
四氢呋喃 THF 性质类似环醚 重要溶剂
S
H2 MoS2
四氢噻吩
S
3、吡咯及其重要衍生物
（1）性质 无色液体，苯胺味，难溶于水，易溶于有机溶剂，易 氧化，颜色变深，遇酸易聚合成树脂状。 （2）重要衍生物---血红素、叶绿素
1,3,7-三甲基嘌呤-2,6-二酮
SO3H
7-溴-8-羟基喹啉-5-磺酸
Br OH N
命名时，这些问题需要注意：
①杂环含有最多数目的非累积双键时，常含互变异构体，
饱和氢原子（“指示氢”或“标氢”）的位置不相同。 常用位号加“H”作词头（斜体）表示标氢位置不同的异 γ γ 构体。 β
β
N H
1H-吡咯
4
4 5
N3 2 S1
4 5
N3 2 O1
4 5 1
3
2
噻唑 (thiazole )
噁唑 (oxazole )
异噁唑 (isooxazole )
2、六元杂环
吡啶
N
4 5 6 3 N2 5 6 4 N3
5 6 4 N
N H
哌啶、六氢吡啶
H N
3
2 N 2 N N 1 1 1 哒嗪 嘧啶 吡嗪 (pyridazine ) (pyrimidine ) (pyrazine )
O
CHO
糠醛 α- 呋喃 甲醛
杂环作取代基
5 6
NH2 4
N1
3 2
NH2 4 5 N3 6 2 N1
OH N
N
OH
4-氨基吡啶
COOH N
4-氨基嘧啶
4,6-二羟基嘧啶
CON(CH3)2
N
O2N
O
CHO
N
4-嘧啶甲酸 5-硝基-2-呋喃甲醛
O H3 C O N N N CH3 N CH3
N,N-二甲基-3-吡啶甲酰胺
O2N O H C C
H CONHCH(CH3)2
N-异丙基-E-β-（5-硝基-2-呋喃基）丙烯酰胺
抗日本血吸虫病
呋塞米
NHCH2
O
COOH Cl SO2NH2
2-氯-4-（2-呋喃甲氨基）-5-羧基苯磺酰胺 强利尿药；与降压药合用，增强降压作用
（三）唑
含有两个杂原子（至少有一个是N原子）的五元杂环。
O
CH2OH
+
O
COOH
O
CHO
呋喃、吡咯具有明显的共轭二烯特征，可发生D-A反应。
O O O H O O O
顺丁烯二酸酐
+
O
H
O
呋喃的重要衍生物：（了解）
呋喃坦啶
O2N O CH
杀菌剂，主治泌尿系统感染
N O N N H O
1-［（5-硝基-2-呋喃基）亚甲基］氨基-2,4-咪唑烷二酮
呋喃丙胺
2α
N1 H
Br
2α
①卤代
O
Br2 0℃
O O
O
Br2 20℃ S HAc S Br
吡咯活性最大，往往得到四取代物。
Br2 0℃ EtOH Br Br N H Br Br
N H
② 硝化
非质子硝化试剂:
O CH3 C ONO2 硝酸乙酰基酯
O CH3 C O
O CCH3+ HNO3
O CH3 C ONO2 + CH3 COOH
N H
杂原子具有供电子作用，使杂环活化。

N
H

6 5

6 6
亲电反应活性顺序：吡咯 ＞ 呋喃 ＞ 噻吩 ＞ ＞苯 稳定性顺序：苯＞噻吩＞吡咯 ＞呋喃
∴吡咯、呋喃和噻吩非常容易进行芳香亲电取代反应。
（二）含一个杂原子的五元环状化合物的性质
1、物理性质 吡咯、呋喃和噻吩都是无色液体。 （沸点： 131℃ 31℃ 84℃）
第十二章 杂环化合物与生物碱
第一节 杂环化合物
Definition
环中含有C以外的杂原子的有机环状化合物统称为杂环化合物。
O
S
N H
杂环中非碳原子称为杂原子。 环醚、内酯、环酐、内酰胺等杂环化合物性质上类似于脂 肪族环状化合物。
O O O
1,4-二氧六环
四氢呋喃 THF
四氢吡咯
N H
注：本章重点讨论芳香性杂环化合物 思考：如何确定杂环化合物具有芳香性？ 答案 休克尔规则
N H
COOH
α-吡咯甲酸
N H
CHO >150℃ N COCH3 N H N H
α-吡咯甲醛
COCH3
α-乙酰基吡咯
CH3
CH3l 60℃
>150℃ N CH3
α-甲基吡咯
（2）亲电取代反应（呋喃、吡咯避免强酸下开环）
β4 α5 3β β4 α5 3β
β4 α5
亲电取代主要在α位
3β
O1
2α
S1
N
N H
O
S
N H
N
二、杂环化合物的命名
（一）基本杂环的名称 A、母杂环：杂环化合物的命名采用外文名的音译，用带 “口”字的同音汉字表示。 B、编号：从杂原子开始编号；有些稠杂母环有特定编号。
茂（环戊二烯）
1、五元杂环
β 4 α 5
3 β
β 4 α 5
3 β
β 3 α 2
4 β
O1
2α
S1
2α
呋喃 (furan )
解热镇痛药；抗风湿药
O
1-苯基-2,3-二甲基-4-（甲基-甲磺酸钠氨基）-5-（2,5-二氢-1H）吡唑酮
4.咪唑及其重要衍生物
无色固体，熔点90℃ 甲硝羟乙唑（甲硝唑）“灭滴灵”
N H3 C N NO2
2-甲基-1-（β-羟乙基）-5-硝基咪唑
CH2 CH2OH
抗滴虫、阿米巴原虫药；治疗口腔溃疡
S
2 3
a b c
O
按N ,O, S, 的顺序
噻吩并［2,3-b］呋喃
基本环 附加环
1
稠合原子在附 加环中的编号
稠边在基本环中边的编号
c 2
S
噻吩并［3,2 -b］吡咯 数字编号要与基本环边的走向一致 咪唑并［2,1 -b］噻唑
杂原子数目多为基本环 杂原子种类多为基本环
b 3
3
Na H
2a
N
S
b Nc
血红素
叶绿素A
4、呋喃及其重要衍生-----糠醛
O CHO α-呋喃甲醛
无色液体，沸点162℃，在空气中易被氧化变黑。 用途：优良溶剂；精炼石油，溶解含硫物质及环烷烃 ，脱除 色素，溶解硝酸纤维 ，重要的化工原料，用于合成酚醛树脂 及药物 [o]
O NaOH 33% (CH3CO)2O CH3COOK H2NOH O CH NOH O CH CHCOOH COOH
S
+
H2SO495%
25℃
S SO3H α-噻吩磺酸
④F-C酰化反应 吡咯、呋喃、噻吩在温和催化剂下，可发生F-C反应；吡咯 活性最大，直接酰化。 O 2-乙酰基吡咯 200℃ CCH3 Ac2O N + N H H
O
+ +
Ac2O
BF3 O
H3 PO4 S COCH3
COCH3
S
Ac2O
备注：F-C烷基化反应是多烷基化的混合物
2、化学性质
（1）酸碱性

结构上属于仲胺，但碱性很弱？
H
N H
N
K N+ K N H 固体 KOH
+
H2
微弱酸性pKa 15
N+ K
RCOOH
pKa ~5
H2CO3 C 6H5OH
6.4 10
ROH RC
16 25
CH
吡咯钾盐用来合成吡咯α-取代衍生物。
CO2 H 2O CHCl3 KOH N+ K CH3 COCl