第十二章 杂环化合物
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。
杂环化合物
CH O P O HO
CH3
OH
CH2OH
一.吡啶的衍生物
(1)维生素PP :参与机体氧化还原,降胆固醇,抗糙皮病.
COOH
CO NH2
N
N
,
β-吡啶甲酸 (烟酸) β-吡啶甲酰胺
(2) 雷米封 (异烟酰肼) 抗结核菌
CO NH NH2
干扰结核菌
利用β-吡啶甲酰胺
N
,
第四节 生物碱
(一)麻黄碱
兴奋交感神经,扩张气管,增高血压 .
与无机酸能形成盐：
+ HCl N
+ Cl N
H
（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
KNO3+H2SO4 Fe 350 。C N
NO 2 N
氮相当于间位定位基
（四）吡啶的氧化和还原反应
CH3
KMn O4
第十二章 杂环化合物
heterocyclic compound
目的要求
1、掌握杂环化合物的概念及命名。
2、掌握主要的杂环化合物(呋喃、吡啶、咪 唑、 吡咯、嘧啶、吲哚、嘌呤)。
3、了解杂环化合物的芳香性。
说明：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.
π6 5
呋喃
π6 5
噻吩
大π键 杂原供电子数 环上电子云
2
升高
2
升高
2
升高Biblioteka 说明：形成环状离域大π键:键长平均化，电子云密度平均化，
(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。
【有机化学】杂环化合物【课件PPT】
NN
O + Br2 0 OC
O Br 80%
S
95% H2SO4
25oC
S
SO3H (69~76%)
21
+ Ac2O
N
乙酸酐
H
N H
CH3 O
吡咯和呋喃遇强酸时, 杂原子能质子化, 使芳香大 键破坏, 所以不能用强酸进行硝化和磺化反应, 需选用较温和的非质子性试剂。例如吡咯硝化需 用硝酸乙酰基酯。
1N 6 5
7
N
2
N
3
4
NH9
8
嘌呤
嘌呤是由咪唑和 嘧啶两个杂环稠 合而成。
23
6
1N 5
7
N
2
8
N
3
4
NH9
9H-嘌呤
N Quinoline
6
1N 5
7
NH
2 N4 N 8
39
7H-嘌呤
N Isoquinoline
CH3O
CH3O
N
罂粟碱
OCH3
OCH3
24
水溶度： ∞ 1:1
1:1
微溶
答: 吡啶能与水形成氢键。羟基或氨基取代的 吡啶因分子间氢键的形成而降低了水溶度。
14
2. 碱性：吡啶环 N 原子的孤电子对处于sp2杂化 轨道上，而一般脂肪胺N上的孤电子对处于sp3杂化 轨道。前者碱性较弱 (pKb=8.8) 。
+ HCl N
+ Cl N H
碱性比较：脂肪胺 >>
N N Pyridazine
哒嗪
N
N Pyrimidine
嘧啶
N
N Pyrazine
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。
这些被保留下来的俗名主要有：命名的注意事项有：（1）以上杂环的俗名已表明杂环含有最多数目的非积累双键，结构中的饱和氢原子被称为“指示氢．．．”或“标氢”。
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。
杂环化合物
在环上含有杂原子(非碳原子 的有机物称为杂环化合物 在环上含有杂原子 非碳原子)的有机物称为杂环化合物。 非碳原子 的有机物称为杂环化合物。 没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂环。 一、 脂杂环 没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂环。
三元杂环 四元杂环 五元杂环
O
O
O
O O
(环氧乙烷 环氧乙烷) 环氧乙烷 (β-丙内酯 丙内酯) 丙内酯
AcO-
O
AcONO2 -5~-30℃ ℃
O
H NO2
H AcO
H O NO2
Pyridine
NO2 O 35%
HNO3/(CH3CO)2O
混酸
N H
N H
NO2
S
S
NO2
13
第十二章 杂环化合物
(3)磺化 (3)磺化
呋喃、噻吩和吡咯常用较温和的磺化试剂－吡 呋喃、噻吩和吡咯常用较温和的磺化试剂－ 啶与三氧化硫加合物进行反应
呋喃、噻吩和吡咯通常用较温和的硝化试剂－ 呋喃、噻吩和吡咯通常用较温和的硝化试剂－硝酸乙酰 酯在低温下进行反应； 酯在低温下进行反应；
O O CH3COCCH3 + HNO3 O CH3CONO2 O + CH3COH
呋喃在此反应中先生成稳定或不稳定的2,5-加成产物, 呋喃在此反应中先生成稳定或不稳定的2,5-加成产物, 2,5 然后加热或用吡啶除去乙酸,得硝化产物。 然后加热或用吡啶除去乙酸,得硝化产物。
N H
N
N H
N H
噁唑
噻唑
咪唑
第十二章 杂环化合物
吡唑
2
六元杂环
N N N O
吡啶
苯并杂环
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
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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(一) 杂环化合物的分类、命名和结构 (二) 五元杂环化合物及其化学性质 (三) 六元杂环化合物 (四) 稠杂环化合物（吲哚、喹啉）
杂环化合物种类很多，广泛存在于自然界中， 与动植物的生理作用及药物、染料等关系密 切。
(一) 杂环化合物的分类、命名和结构
(1) 分类和命名 根据有无芳香性，可将杂环化合物分为非芳 香性杂环和芳香性杂环。非芳香性杂环化合 物具有与相应脂肪族化合物相类似的性质。 例如：
氧化：
还原：
(5) 颜色反应 呋喃 HCl-松木片
绿色
吡咯 噻吩
糠醛
HCl-松木片
靛红-H2SO4 醋酸－苯胺
红色 蓝色
红色
用于区别检验五元杂环
(三) 六元杂环化合物 (1) 碱性与亲核性 (2) 亲电取代 (3) 亲核取代 (4) 氧化与还原 (5) 其他
(三)六元杂环化合物
吡啶
嘧啶
磺胺嘧啶(SD)
(乙) 六元杂环的结构 吡啶中氮原子采取不等性sp2杂化：
结果是：
① 由于吡啶环中有6中心6电子的大π键，符 合休克尔4n+2规则，所以吡啶环亦有芳香性。 但由于键长未完全平均化，其芳香性不及苯。
② 由于吡啶环中氮原子上的一对孤对电子与苯环 共平面（填入sp2轨道中），不参与环状共轭体系， 所以这一对孤对电子很容易给出去从而表现出碱性。
维生素B6
烟碱，尼古丁 （农业杀虫剂)
异烟肼 抗结核药
颠茄碱，阿托品
一种止痛药
吡啶可由煤焦油中提取：
吡啶硫酸盐，
可溶于水
(四) 稠杂环化合物（吲哚、喹啉） 化学性质
(四) 稠杂环化合物（吲哚、喹啉）
吲哚
β-吲哚乙酸
吲哚在自然界中广泛存在。（如天然精油及 动物粪便中）吲哚乙酸是一种植物生长调节剂
四氢呋喃
1,4-二氧六环
六氢吡啶
四氢吡咯
奎宁环
通常，杂环化合物是指含有杂原子构成环的、有一 定芳香性的环状化合物。 常见的杂环化合物如下：
N H (pyrrole) 吡咯
O S N (furan) (thiophene) (pyridine) 呋喃 吡啶 噻吩
N N N N H (pyrimidine) (quinoline) (indole) 嘧啶 喹啉 吲哚
∴ 碱性很弱
苯胺（Kb=3.8×10-10）>>吡咯（Kb=2.5×10-14）
能与强酸成盐 不能与强酸成盐，遇酸分解
另一方面，吡咯有弱酸性：
原因：可形成
, 稳定
但是，吡咯（pKa=17）的酸性非常小，甚至 远远小于酚(pKa=10)。
(4) 糠醛（α－呋喃甲醛） 构造： 命名：最初由米糠与稀酸共热而得，故名糠醛。 性质：糠醛具有典型的无α－H的醛的性质： 岐化
(二) 五元杂环化合物及其化学性质 (1) 亲电取代 (2) 加成 (3) 吡咯的弱碱性和弱酸性 (4) 糠醛（α－呋喃甲醛） (5) 颜色反应
(1) 亲电取代 比苯快，新引入基上α－位。 卤代
硝化 (不用强酸否则呋喃,或噻吩开环聚合)
磺化
不能用强酸！
说明：① 噻吩环芳性比呋喃环和吡咯环强，较稳定； ② 噻吩环上电子云密度比苯环大，更容易磺化。 苯在室温下不能磺化！
利用磺化反应可分离苯和噻吩：
无噻吩苯
付氏酰基化：
呋喃环具有共 轭双烯的性质！
(2) 加成
THF,重要溶剂
吡咯烷， R2NH的性质
四氢噻吩 含硫，可使催化剂中毒 环丁砜，重要溶剂
(3) 吡咯的弱碱性和弱酸性 吡咯分子中氮原子上虽 然带有孤对电子，但是 由于其参与了环状π56 的共轭，为整个环状共 轭体系所共享，从而使 氮上电子云密度降低， 孤对电子难以给出去。
N
N N N H (purine) 嘌呤
命名：杂环化合物的命名常用音译法。例如：
γ-甲基吡啶
β-吲哚乙酸
咪唑
噻唑
5-甲基噻唑 α-呋喃甲醛 糠醛
（以O、S、N为 序！）
(2) 结构和芳香性 (甲) 五元杂环的结构 呋喃、噻吩、吡咯分子中所有的原子共平面，具有 与苯环类似的结构。 吡咯
N:2s2 2p3
(1) 碱性与亲核性
由于氮上孤对电子与苯环共面，不参与环体系的共 轭，所以吡啶有碱性和亲核性，且碱性大于苯胺：
碱性：
Kb:6.2 ×10-5
2.3 ×10-9
3.9 ×10-10
吡啶 盐酸盐
吡啶 季铵盐
吡啶三氧化 硫，温和磺 化剂
(2) 亲电取代 似硝基苯，新引入基上β－。
电负性：N＞ C
吡啶与苯相比较，吡啶不易发生芳环上的亲电取代 反应；如果吡啶发生芳环上的亲电取代反应，新引 入基上m-。
喹啉
8-羟基喹啉
8－羟基喹啉是一种常用的金属离子络合剂， 可与“较硬的”离子如Al3+、Mg2+等络合。
(1) 稠杂环的化学性质 ① 吲哚的碱性与吡咯相当 喹啉的碱性与吡啶相当。
PKb
8.8
② 亲电取代在苯环，亲核取代在吡啶环：
③ 苯环比吡啶环更稳定，加氢还原在吡啶环：
四氢喹啉 十氢喹啉
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
呋喃 O:2s2 2p4
噻吩(
)具有与呋喃相似的结构。
杂原子上的一对p电子与σ平面垂直，形成 π56的大π键，这种大π键由于含有6个π电 子，符合休克尔4n+2规则的要求，所以它们 具有一定的芳香性（可发生环上的亲电取代 反应）； 由于环上的5 个原子共享6个π电子，电子 云密度比苯环大，发生亲电取代反应的速度 也比苯快得多。
例： β-溴代 吡啶 β -吡啶 磺酸
β -硝基 吡啶 （产率 很低， 约6％）
(3) 亲核取代 a-氨基 吡啶
a-羟基 吡啶
(4) 氧化与还原
氧化
β-吡啶甲酸 烟酸
γ-吡啶甲酸 异烟酸
还原
哌啶，六氢吡啶 典型仲胺性质
问题：吡啶、吡咯、苯胺、哌啶四种化 合物碱性强弱顺序？
碱性：
吡啶在有机化学中是一种常用的溶剂，它能溶解 许多有机化合物和部分无机盐；吡啶及其衍生物在自 然界分布较广，在药物中也常见吡啶及其衍生物：