第十五章 杂环化合物..
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有机化学第十五章 杂环化合物
+
N
N
NO 2
N
N S O 3H
Br
B r2/H 2 S O 4
H+
+
N
N
B r 2 /CCl 4
OH -
Br Br
N
K MnO 4 /H +
CO 2 H
N
CO 2 H
H 2/P t N H
易发生亲电取代和氧化
5
8
N
易发生亲核取代和还原3
N +C3 H I
N
+ N C3 H I N
N
Br
+Br2 NH 2 N
1、亲电取代——困难：发生在β 位
混 酸 P hH室 温 P hN2O
混 酸
N2O
3 0 0 ℃ /1 天
N
N
H2SO4/H+g
220℃
N
N
SO3H
C3H N
H 2SO 4/K N3 O
100℃
C3H
C3H N
N2 O C3H
Br2/HcA Br NH 2 N
N—氧化物 δ+
NH 2 N
δ+
N
N+
吡唑和咪唑的分子聚合和互变异构：
b.p
水溶性
N
188
N
H N 263
N H
11 易溶
N
N
H
H
N
N
二聚体
N HN
N HN
N N
H
多聚体
嘌呤
N
N
N
NH
N
N
H 9—H
NH2
N
第十五章杂环化合物
第14章杂环化合物杂环化合物是由碳原子和非碳原子共同组成环状骨架结构的一类化合物。
这些非碳原子统称为杂原子，常见的杂原子为氮、氧、硫等。
前面已经学过的内酯、内酰胺、环醚等化合物都是杂环化合物，但是这些化合物的性质与同类的开链化合物类似，因此都并入相应的章节中讨论。
本章将主要讨论的是环系比较稳定、具有一定程度芳香性的杂环化合物，即芳杂环化合物。
杂环化合物的种类繁多，数量庞大，在自然界分布极为广泛，许多天然杂环化合物在动、植物体内起着重要的生理作用。
例如：植物中的叶绿素、动物血液中的血红素、中草药中的有效成分生物碱及部分苷类、部分抗生素和维生素、组成蛋白质的某些氨基酸和核苷酸的碱基等都含有杂环的结构。
在现有的药物中，含杂环结构的约占半数。
因此，杂环化合物在有机化合物（尤其是有机药物）中占有重要地位。
第一节分类和命名一、杂环化合物的分类芳杂环化合物可以按照环的大小分为五元杂环和六元杂环两大类；也可按杂原子的数目分为含一个、两个和多个杂原子的杂环，还可以按环的多少分为单杂环和稠杂环等。
见表14-1。
表14-1 有特定名称的杂环的分类、名称和标位二、杂环化合物的命名杂环化合物的命名比较复杂。
现广泛应用的是按IUPAC（1979）命名原则规定，保留特定的45个杂环化合物的俗名和半俗名，并以此为命名的基础。
我国采用“音译法”，按照英文名称的读音，选用同音汉字加“口”旁组成音译名，其中“口”代表环的结构。
见表14-1。
（二）杂环母环的编号规则当杂环上连有取代基时，为了标明取代基的位置，必须将杂环母体编号。
杂环母体的编号原则是：1．含一个杂原子的杂环含一个杂原子的杂环从杂原子开始编号。
见表14-1中吡咯、吡啶等编号。
2．含两个或多个杂原子的杂环含两个或多个杂原子的杂环编号时应使杂原子位次尽可能小，并按O、S、NH、N 的优先顺序决定优先的杂原子，见表14-1中咪唑、噻唑的编号。
3．有特定名称的稠杂环的编号有其特定的顺序有特定名称的稠杂环的编号有几种情况。
第十五章杂环化合物
唑的化学性质
y 碱性
>
>
>
>
1,3-唑 > 1,2-唑
唑的化学性质
y 亲电取代活性
苯 > 唑 > 吡啶
>
>
>
>
N
O
常见的五元杂环化合物
y 含单个杂原子的五元杂环
吡咯
呋喃 噻吩
吲哚
y 含多个杂原子的五元杂环
咪唑
噁唑
噻唑
N
N
吡唑 O 异噁唑 S 异噻唑
嘌呤
嘌呤
6
7
1
5
8 2
49
3
9H-嘌呤
7H-嘌呤
吡咯等的化学性质：亲电取代
y 傅克酰化：使用温和催化剂
吡咯等的化学性质：还原
H2/Ni
O
O
呋喃的双烯加成
呋喃芳香性较差，可体现共轭二烯的性质 吡咯、噻吩一般条件下不发生此类反应
吲哚的化学性质
C6H5CO2NO2
N H
O
O 0oC
NO2 N H
亲电取代反应性与呋喃类似 注意取代主要发生于3-位
Br2, 300oC
Br 39%
N
吡啶的化学性质：亲电取代
CH3
CH3
H3C
N
H2SO4 / HNO3 CH3 100oC, 5h H3C
N
NO2 CH3
93%
吡啶的化学性质：亲核取代
Cl
OMe
NaOMe/MeOH
N
N
吡啶的化学性质：亲核取代
(Chichibabin反应)
吡啶的化学性质：还原
常见的五元杂环化合物
基础有机化学王兴明主编十五章杂环答案
15 杂环化合物习题参考答案1.N HSSO 3H H NCH 2COOHNCH 3H 3CI -+NCOOHCOOHONN CH 3NNH 2N OH(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)2.(1) 苯并吡嗪 (2) 5-羟基嘧啶 (3) N-甲基吡咯(4) 2-噻吩磺酸 (5) 4-氯-6-甲氧基-8-氨基喹啉 (6) 2-噻吩乙酮 3.N COOHCOOHNC C ON HN H 3CCH 3I +OCOCH 3(1)(2)(3)OONCH 3NC O (4)KMnO 4NCOOHNCOClNCNH 2NNH 2NCOClPCl 5NH 3NaOH+Br 2+AlCl 3+HClO OOOH (5)+Br 2CH 3COOH室温O OOBrMgBrOMgBrH 2OO无水乙醚Mg4.OCHO+催化剂400-415℃O OH 2/Ni(1) HX(2)NaOH/H 2OHOOHCH 3COOEt EtONaCH 3COCH 2COOEt(1)EtONa(2)I 2P 2S 3OO EtO 2C H 3CCO 2EtCH 3(1)OH /H 2O(2)H +/OO H 3CCH 3SCH 3H 3CSNCOCH 3Cl++SCH 3OCH 3MgClS H 3COH CH 3S H 3COMgCl CH 3H 2O(1)(2)(3)H 2CCH 2CH 2COOC 2H 5CH 2CH 2COOC 2H 5ClCH 2CCH 3CH 2OCH 3C 2H 5ONaCOOC 2H 5OH 2O H +O 3Zn,H 2OP 2O 5OCH 3O C 2H 5ONaO COOC 2H 5CH 3CH 2O CH 3CH 2(4)OCHO400-415℃H 2O Zn-Cr 2O 3-MnO 2OH 2NiO浓HCl2NaCN140℃,0.4MPaH 2Ni H 3+On H 2N CH 2NH 2n CH 2HOOC COOHH NH CH 2NHCOCH 2CO OH(n-1)H 2OCH 2CH 2CN CH 2CH 2CN6H 2N CH 2NH 2CH 2HOOC COOH64+催化剂缩聚4n+(5)645.(1) 在两者中分别加入浓硫酸，在室温下溶于浓硫酸者为噻吩，不溶者为苯。
第十五章 杂环化合物与生物碱
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15.3 六元杂环化合物
六元杂环化合物包括环中有1个杂原子的六元 杂环(如吡啶等)；环中有多个杂原子的六元杂环 (如嘧啶等)；以及稠杂环(如喹啉、嘌呤等)。 一、吡啶(C5H5N) 吡啶存在于煤焦油、骨焦油中，其衍生物广泛 存在于自然界。工业上主要从煤焦油的轻油部分提 取吡啶。 吡啶是具有特殊臭味的无色液体， bp115.5℃ ， 可与水、乙醇、乙醚等混溶。
1. 吡啶的结构
结构似苯，也是平面六边形分子(但不是正六边形)。 分子中 C—C键长139pm(与苯的相等)，C—N键长137pm， 介于一般的 C—N 单键 (157pm) 与 C=N 双键 (128pm) 之间。
139pm
139pm
137pm Pyridine Benzine
H
H
H
环中的N和C都 以 sp2 杂化轨道相互 以s 键相连。每个原 子余下的 p 轨道相互 平行重叠，形成环 闭共轭体系， p 电子 数为6，具有芳香性.
70%
NO2 NO2 S
5%
磺化: 95%H2SO4 25℃
(69%~76%)
S
SO3H
噻吩-2-磺酸
溴代: Br2 (或I2) 乙醇(稀释)/0℃
Br Br
Br Br
产物均为 四卤吡咯
硝化: CH3CO2NO2 乙酸酐/5℃
NO2 NO2 51% 13%
吡咯
磺化：吡啶.SO3 100℃
SO3H
吡咯-2-磺酸
亲电取代反应主要在2-位发生；若2、5两个位 置已有基团存在，则亲电取代在b位发生。
-0.06 -0.10 +0.32
这些杂环进行亲电取代反应时， 须用缓和的试剂在温和的条件下进行。
杂环化合物
第十五章杂环化合物15.1 基本要求1.掌握杂环化合物的分类和命名2.掌握五元杂环、六元杂环和稠杂环的结构和性质。
15.2 基本内容1.杂环化合物的概念有机化合物中，组成环的原子除碳原子外还有其它原子（最常见的为氧、硫、氮原子）这种环状化合物叫做杂环化合物。
通常将环系比较稳定，具有一定程度的芳香性，且符合Huckel规则的杂环化合物称为芳香杂环，而在这一章节中主要讨论的也是芳杂环。
2.杂环化合物的结构在芳杂环化合物中，组成环的原子处于同一平面，碳原子处于sp2杂化，各以σ键相连，各余一个p轨道都垂直于环所在平面。
在五元杂环中杂原子的p轨道有一对未共用电子，而在六元环中，杂原子的p轨道只有一个电子，但都达到4n+2（n=1）的π电子数，组成π共轭体系，具有一定的芳香性。
3. 杂环化合物的命名杂环化合物的命名比较复杂。
目前我国常用“音译法”，即按英文的读音，用同音汉字加上口字旁命名。
例如：O 呋喃（furan）、S噻吩（thiophene）、N吡啶（pyridine）、NH吲哚（indole）等。
4. 杂环化合物的性质五元杂环化合物由于环上五个原子共用六个电子，环上的电子云密度比苯环大，所以它们易发生亲电取代反应，反应比苯容易进行。
取代基多进入α-位它们的芳香性比较是：苯 > 噻吩 > 吡咯 > 呋喃，亲电取代的活性顺序是吡咯 > 呋喃 > 噻吩 > 苯。
例：O32-5 ºC~ 3 ºC O NO2S2CH3COOH S Br3234S S COCH3注：CH3COONO2是较为温和的硝化试剂，它由乙酸酐与硝酸反应制备。
吡咯和呋喃还能发生一些特殊反应。
N HN HBr Br BrBrN HN N Ph偶联反应OO OOO OO ODiels - Alder 反应+咪唑也是五元环，可看成是吡咯环上3-位的CH 被氮原子替换，是五原子六电子的闭合共轭体系，具有一定程度的芳香性。
有机化学第十五章杂环化合物
第十五章 杂环化合物 糠醛经催化加氢转化为四氢糠醇，具有醇和醚的性 质，是优良的溶剂。
糠醛用KMnO4的碱溶液或用Cu或Ag的氧化物为催化 剂，用空气氧化生成糠酸。
糠醛作为溶剂，可选择性地从石油、植物油中萃取其中的 不饱和组分和含硫化合物。如从润滑油中萃取芳香烃等以精致 润滑油。在合成橡胶工业中用于提纯丁二烯和异戊二烯。
第十五章 杂环化合物 六元单杂环吡啶的结构与苯环很相似，氮原子与碳原子 处在同一平面上，原子间是以sp2杂化轨道相互交盖形成六个 σ键，键角为120°。环上每一原子还有一个电子在p轨道上， p轨道与环平面垂直，相互交盖形成包括六个原子在内的分 子轨道。π电子分布在环的上方和下方。每个碳原子的第三 个sp2杂化轨道与氢原子的s轨道交盖形成σ键。氮原子的第三 个sp2杂化轨道上有一对未共用电子对。 由于这些杂环化合物都是闭合的 共轭体系，所以环中的单、双键都不 同程度地趋向平均化，单键比普通单 键短，双键比普通双键长。
第十五章 杂环化合物 教学指导 杂环化合物的分类和命名法 杂环化合物的结构 杂环化合物的性质
第十五章 杂环化合物 教学目的： 了解一些常见的重要杂环化合物物理和化学性质； 熟悉杂环化合物命名规则； 掌握呋喃、吡咯及其衍生物的物理和化学性质。 教学难点：
杂环化合物命名规则；
呋喃、吡咯及其衍生物的物理和化学性质。 教学重点： 呋喃、吡咯及其衍生物的物理和化学性质。
第十五章 杂环化合物 2.吡咯及其衍生物 吡咯与呋喃相似，亲电取代也必须在缓和的条件下 进行，在酸性条件下同样极易发生开环、聚合反应。 溴化：
第十五章 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；多杂环可分 为稠杂环、桥杂环及螺杂环，其中以稠杂环较为常见。
15章杂环化合物
第十五章 杂环化合物
第一节 分类与命名
一、分类 1、按环的大小分：五元与六元芳杂环 2、依环的形式分：单杂环与稠杂环 二、命名：
保留特定的45个杂环化合物的俗名和 半俗名,采用“音译法”。
（一）特定杂环的命名规则
1、含一个杂原子的五元单杂环
43
5
2
O
1
呋喃
furan
β
β
α S
噻吩
3β 2α N H 吡咯
1、基本环的选择原则
① 芳环和杂环组成的稠环，选杂环为基本环;
② 杂环和杂环组成的稠环，按照 N→O→S
顺序选为基本环，且所选基本环应最大. ③ 杂原子数目以及杂原子种类应最多.
O
苯并呋喃
H N S
噻吩并吡咯
O O
呋喃并吡喃
N NN
吡啶并嘧啶
2、稠合边表示方法
① 基本环各边：1-2原子之间为a； 2-3原子 之间为b； 3-4原子之间为c 等等。 ② 附加环: 用1、2、3………标注各原子
thiophene pyrrole
2、含两个杂原子的五元单杂环 (按照 O > S > -NH- > -N= 顺序编号)
4 N3
5
2
O1
恶唑
3
N
2
S1
噻唑
N3
2
N H
1
咪唑
3
N2
N H
1
吡唑
3、含一个杂原子的六元单杂环
N2 O
1
异 恶唑
4
5
3
6
2
N1
吡啶
4
5
3
6 O2
1 2H-吡喃
4、含2个杂原子的六元单杂环
第一节 分类与命名
一、分类 1、按环的大小分：五元与六元芳杂环 2、依环的形式分：单杂环与稠杂环 二、命名：
保留特定的45个杂环化合物的俗名和 半俗名,采用“音译法”。
（一）特定杂环的命名规则
1、含一个杂原子的五元单杂环
43
5
2
O
1
呋喃
furan
β
β
α S
噻吩
3β 2α N H 吡咯
1、基本环的选择原则
① 芳环和杂环组成的稠环，选杂环为基本环;
② 杂环和杂环组成的稠环，按照 N→O→S
顺序选为基本环，且所选基本环应最大. ③ 杂原子数目以及杂原子种类应最多.
O
苯并呋喃
H N S
噻吩并吡咯
O O
呋喃并吡喃
N NN
吡啶并嘧啶
2、稠合边表示方法
① 基本环各边：1-2原子之间为a； 2-3原子 之间为b； 3-4原子之间为c 等等。 ② 附加环: 用1、2、3………标注各原子
thiophene pyrrole
2、含两个杂原子的五元单杂环 (按照 O > S > -NH- > -N= 顺序编号)
4 N3
5
2
O1
恶唑
3
N
2
S1
噻唑
N3
2
N H
1
咪唑
3
N2
N H
1
吡唑
3、含一个杂原子的六元单杂环
N2 O
1
异 恶唑
4
5
3
6
2
N1
吡啶
4
5
3
6 O2
1 2H-吡喃
4、含2个杂原子的六元单杂环
第15章 杂环化合物
54
6
3
7
N2
81
异喹啉
isoquinoline
[命名] 音译名
（Imidazole）
H N
（ Thiophene）
O
S
S
H
H
N
NN
N
N
吡咯 呋喃
（Pyrrole）（Furan）
噻吩 噻唑 咪唑 吡唑
（ Thiazole）
（Pyrazole）
N N
N
吡啶Pyridine
喹啉Quinoline
异喹啉Isoquinoline
CH3COONO2
O
- 5~30oC
O NO2
(35%)
CH3COONO2
N H
OH-,5oC,Ac2O
N NO2 + H (83%)
NO2
N H
(7%)
当呋喃或吡咯环上连有吸电子基团时，环的稳定性
增 加，可用一般方法硝化。
O2N
N H
CCH3 O
HNO3 H2SO4
O2N
N H
CCH3 + O
N H
吡啶N
P
N
SP2
N 吡咯N
P
H
SP2
C
呋喃O(噻吩S)
P
P
SP2
SP2
“多π”芳杂环———六个电子由五个原子分配，每个碳 原子的电子云密度比苯环高，故亲电取代比苯容易。
H
O
S
N
2.33 10-30C.m 1.70 10-30C.m 6.03 10-30C.m
N原子
给电子共轭>> 吸电子诱导。
吡啶N：吸电子诱导+吸电子共轭
第十五章 芳杂环化合物.
4
1 7
8
1
8
1
异喹啉 NH2
1
6
5 6
3 2
5 6
3 2
CO2H
5
7
2
3
4 9
8
Br 茚
6-溴吲哚 -3-羧酸
6-氨基 嘌呤
第二节 五元杂环化合物
一、呋喃、噻吩、吡咯
1. 结构
O 呋喃
S 噻吩 吡咯
所有成环原子都以sp2杂化轨道重叠形成σ键；碳原子 未参加杂化的 p 轨道有 1 个电子，杂原子则有 2 个 p 电子， p 轨道互相平行重叠形成 6电子环状共轭大π键。 与苯环的6 原子共6π电子比，呋喃、噻吩、吡咯为5原子共用6个π电子， 故环上π电子密度比苯环大，属于“富π芳杂环”。
1 2
4 5
N3 S 噻唑
1 2
8
DC.sjtu
3. 有特定名称的稠杂环母环的编号，大都按照稠芳环 规则编号，但个别的另有编号顺序（如嘌呤）。
6 7 5 4 3 2 6 7 5 4 3 2 6 7 5 4 3 2
8
1
萘
4 1 7
OH 8-羟基喹啉
咪唑 Imidazole
吡唑 5 pyrozole
噁唑 DC.sjtu oxazole
六 2 元 6 1 杂 吡啶 环 pyridine
5
3
5
3
5 6
3 2
5 6
3 2
6
1
2
1
1
嘧啶 pyrimidine
哒嗪 pyridazine
吡喃 pyran
稠杂环
6 7
5
4
3 2
6 7
5
1 7
8
1
8
1
异喹啉 NH2
1
6
5 6
3 2
5 6
3 2
CO2H
5
7
2
3
4 9
8
Br 茚
6-溴吲哚 -3-羧酸
6-氨基 嘌呤
第二节 五元杂环化合物
一、呋喃、噻吩、吡咯
1. 结构
O 呋喃
S 噻吩 吡咯
所有成环原子都以sp2杂化轨道重叠形成σ键；碳原子 未参加杂化的 p 轨道有 1 个电子，杂原子则有 2 个 p 电子， p 轨道互相平行重叠形成 6电子环状共轭大π键。 与苯环的6 原子共6π电子比，呋喃、噻吩、吡咯为5原子共用6个π电子， 故环上π电子密度比苯环大，属于“富π芳杂环”。
1 2
4 5
N3 S 噻唑
1 2
8
DC.sjtu
3. 有特定名称的稠杂环母环的编号，大都按照稠芳环 规则编号，但个别的另有编号顺序（如嘌呤）。
6 7 5 4 3 2 6 7 5 4 3 2 6 7 5 4 3 2
8
1
萘
4 1 7
OH 8-羟基喹啉
咪唑 Imidazole
吡唑 5 pyrozole
噁唑 DC.sjtu oxazole
六 2 元 6 1 杂 吡啶 环 pyridine
5
3
5
3
5 6
3 2
5 6
3 2
6
1
2
1
1
嘧啶 pyrimidine
哒嗪 pyridazine
吡喃 pyran
稠杂环
6 7
5
4
3 2
6 7
5
第十五章-杂环化合物
• 吡咯和噻酚发生正常亲电取代反应
AcONO2
N
Ac2O, oC
H
AcONO2
S
Ac2O-AcOH, 0oC
N
NO2 +
H
83%
S
NO2 +
60%
NO2
N H 17%
NO2
S 10%
• 呋喃发生加成反应（共轭烯烃性质）
AcONO2
O
5 ~ 30oC
AcO O NO2
加成
碱或 HOAc
消除
O NO2
10-羟基喜树碱 （抗癌药） HO O
SS
H2O
SS
TTF
HgOH
NaO
O
O
Br 红汞
Br CO2Na
Br
NaO
O
O
Br
曙红 （红墨水）
Br CO2Na
杂环化合物的类型
芳香杂环
N
O
S
重点内容
N
N
H
H
N
N
N
N
N
N
N H
N
普通杂环
O
环醚，内酯，内 O
O
酰胺，环状酸酐
N OO OO O H
§15.1 杂环化合物的分类、命名
AE
位取代
E+
A
E A
E H
H+
A
中间体只有二个主要共振式， 中间体较不稳定
E A
对亲电取代反应活性的解释
i. 由五员杂环的结构分析 杂原子起给电子基的作用，环上的电荷密度比苯环大
ii. 由中间体的稳定性分析
E+
A
AcONO2
N
Ac2O, oC
H
AcONO2
S
Ac2O-AcOH, 0oC
N
NO2 +
H
83%
S
NO2 +
60%
NO2
N H 17%
NO2
S 10%
• 呋喃发生加成反应（共轭烯烃性质）
AcONO2
O
5 ~ 30oC
AcO O NO2
加成
碱或 HOAc
消除
O NO2
10-羟基喜树碱 （抗癌药） HO O
SS
H2O
SS
TTF
HgOH
NaO
O
O
Br 红汞
Br CO2Na
Br
NaO
O
O
Br
曙红 （红墨水）
Br CO2Na
杂环化合物的类型
芳香杂环
N
O
S
重点内容
N
N
H
H
N
N
N
N
N
N
N H
N
普通杂环
O
环醚，内酯，内 O
O
酰胺，环状酸酐
N OO OO O H
§15.1 杂环化合物的分类、命名
AE
位取代
E+
A
E A
E H
H+
A
中间体只有二个主要共振式， 中间体较不稳定
E A
对亲电取代反应活性的解释
i. 由五员杂环的结构分析 杂原子起给电子基的作用，环上的电荷密度比苯环大
ii. 由中间体的稳定性分析
E+
A
第十五章杂环化合物
虽与苯相似，但C-N键变化很大，因此，其芳香性也比苯差。
10
吡啶和苯虽然都属等电子体系，但因氮原子的电负性较 大，从而使环上的电子云密度降低 ，故其亲电取代反应性能 不但比苯差，且亲电取代反应发生在电子云密度较高的β-位。 这一特性很类似于硝基苯。
综上所述，五元、六元杂环化合物虽然都具有芳香性， 但其环上的电子云的密度是不同的，其电子云密度由高到 低的顺序是：
此外，根据环上各键的键长并不相等，说明杂环中的电子密 度没有完全平均化芳香性弱于苯环。其电子密度的变化情况类似
7
于苯胺。
2、缺电子体系—六元杂环 A. 吡啶是典型的六元杂环化合物，环原子以sp2方式杂化。 B. 每个原子的未参加杂化p轨道上均只有一个单电子，组成 大Π键，符合4n+2休克尔规则，六元杂环化合物同样具有 芳香性。
B r2/C H 3C O O H
S
00C
S Br
15
D. Friedel-Crafts反应 主要是酰基化反应，烷基化反应得到混合物。
结论：五元杂环化合物的亲电取代反应活性高，所以，
一般选用弱的亲电试剂、在低温条件下、采用溶剂稀释
时反应，以防止五元杂环化合物氧化或聚合。
16
2、加成反应 A. 亲双烯加成反应 （了解内容）
8
二、杂环化合物的芳香性 具有闭合环结构，具有环多烯结构，具有共平面或近似平
面结构，π电子数符合4n+2规则。符合休克尔规则，因此具有 芳香性。 具有芳香性的杂环与苯环的异同点 1、五元杂环化合物
(1) 由此可见，苯分子中的键长完全平均化，而五元杂环化合 物分子中的键长只是有一定程度的平均化。因此，五元杂环化 合物的芳香性比苯差。其芳香性次序是：
康尼查罗反应
10
吡啶和苯虽然都属等电子体系，但因氮原子的电负性较 大，从而使环上的电子云密度降低 ，故其亲电取代反应性能 不但比苯差，且亲电取代反应发生在电子云密度较高的β-位。 这一特性很类似于硝基苯。
综上所述，五元、六元杂环化合物虽然都具有芳香性， 但其环上的电子云的密度是不同的，其电子云密度由高到 低的顺序是：
此外，根据环上各键的键长并不相等，说明杂环中的电子密 度没有完全平均化芳香性弱于苯环。其电子密度的变化情况类似
7
于苯胺。
2、缺电子体系—六元杂环 A. 吡啶是典型的六元杂环化合物，环原子以sp2方式杂化。 B. 每个原子的未参加杂化p轨道上均只有一个单电子，组成 大Π键，符合4n+2休克尔规则，六元杂环化合物同样具有 芳香性。
B r2/C H 3C O O H
S
00C
S Br
15
D. Friedel-Crafts反应 主要是酰基化反应，烷基化反应得到混合物。
结论：五元杂环化合物的亲电取代反应活性高，所以，
一般选用弱的亲电试剂、在低温条件下、采用溶剂稀释
时反应，以防止五元杂环化合物氧化或聚合。
16
2、加成反应 A. 亲双烯加成反应 （了解内容）
8
二、杂环化合物的芳香性 具有闭合环结构，具有环多烯结构，具有共平面或近似平
面结构，π电子数符合4n+2规则。符合休克尔规则，因此具有 芳香性。 具有芳香性的杂环与苯环的异同点 1、五元杂环化合物
(1) 由此可见，苯分子中的键长完全平均化，而五元杂环化合 物分子中的键长只是有一定程度的平均化。因此，五元杂环化 合物的芳香性比苯差。其芳香性次序是：
康尼查罗反应
有机化学第15章
（抗癌药） HO O
SS
H2O
SS
TTF
HgOH
NaO
O
O
Br 红汞
Br CO2Na
Br
NaO
O
O
Br 曙红 （红墨水）
Br CO2Na
杂环化合物的类型
芳香杂环
N
O
S
N H
N H
H
NN
N
N
N
N
N
N
普通杂环
O
O
O
N
OO O
O
H
环醚，内酰胺，环状酸酐，内酯等
OO
§15.1 杂环化合物的分类、命名
杂环分类:
+
S
（Hale Waihona Puke 量） 反应快H2SO4 r. t.
S SO3H 溶解于硫酸中
（3）五员芳杂环的Friedel-Crafts反应
(CH3CO)2O
N H
(CH3CO)2O
O
BF3
(CH3CO)2O
S
SnCl4
COCH3 N H
2-乙酰基吡咯
COCH3 O
2-乙酰基呋喃
COCH3 S
2-乙酰基噻吩
2）五员芳杂环的加成反应
H3C 4
3
N
5
2
N1
H
4-甲基咪唑
10
3. 含两个不同的杂原子：按O, S, N顺
3
N
4 序编号
2 S 5 CH3 5-甲基噻唑
1
4. 特殊编号
5 6
4 3
7
2
N
8
1
喹啉
Quinoline
5 6
第15章 杂环化合物
(β) (α)
4 5 3
O
1
2
(β) (α)
(β) 4 (α ) 5
3
S
1
2
(β) (α)
(β) (α)
4 5
3
N H
2
(β) (α)
1
furan（呋喃）
thiophene（噻吩）
pyrrole（吡咯）
(β) (α ) 6
5
4 (γ) 3 2
N
1
(β) (α )
4 5
N3 N H
2 1
4 5
N3 S
9
8
7
6
5 δ
4
3
2
1
0
吡啶的 1H NMR谱
从它们核磁共振图谱上的化学位移可知，呋喃、吡咯、噻吩 和吡啶上的π电子产生很强的磁各向异性效应。它们的质子都 是位于与外加磁场方向一致的去屏蔽区。它们环上质子的化 学位移与苯环上的质子相当。
15.4 五元杂环化合物的性质 15.4.1 呋喃的性质
呋喃是一种无色液体，在酸性条件下不稳定，容易发生 开环等反应。所以呋喃的硝化反应和磺化反应要在特殊条件 下进行。呋喃蒸汽遇到被盐酸浸过的松木片时呈深绿色，利 用此反应可检验呋喃的存在。 （1）呋喃的取代反应 （A）卤代反应 呋喃进行卤代反应比苯活泼，它的氯代反应在常温下进 行时会生成二氯代物，即使在低温下进行，也难避免二氯代 物的生成。溴代反应通常也要加溶剂稀释，以降低反应活性， 防止反应剧烈而使呋喃环破坏。
构成环状化合物的原子，除了碳原子以外，还包含有 其它原子的化合物叫杂环化合物，这些其它原子被称为 杂原子，最常见的杂原子是O、S、N等。例如，下列化 合物都是杂环化合物：
O O N H S O N H O
4 5 3
O
1
2
(β) (α)
(β) 4 (α ) 5
3
S
1
2
(β) (α)
(β) (α)
4 5
3
N H
2
(β) (α)
1
furan（呋喃）
thiophene（噻吩）
pyrrole（吡咯）
(β) (α ) 6
5
4 (γ) 3 2
N
1
(β) (α )
4 5
N3 N H
2 1
4 5
N3 S
9
8
7
6
5 δ
4
3
2
1
0
吡啶的 1H NMR谱
从它们核磁共振图谱上的化学位移可知，呋喃、吡咯、噻吩 和吡啶上的π电子产生很强的磁各向异性效应。它们的质子都 是位于与外加磁场方向一致的去屏蔽区。它们环上质子的化 学位移与苯环上的质子相当。
15.4 五元杂环化合物的性质 15.4.1 呋喃的性质
呋喃是一种无色液体，在酸性条件下不稳定，容易发生 开环等反应。所以呋喃的硝化反应和磺化反应要在特殊条件 下进行。呋喃蒸汽遇到被盐酸浸过的松木片时呈深绿色，利 用此反应可检验呋喃的存在。 （1）呋喃的取代反应 （A）卤代反应 呋喃进行卤代反应比苯活泼，它的氯代反应在常温下进 行时会生成二氯代物，即使在低温下进行，也难避免二氯代 物的生成。溴代反应通常也要加溶剂稀释，以降低反应活性， 防止反应剧烈而使呋喃环破坏。
构成环状化合物的原子，除了碳原子以外，还包含有 其它原子的化合物叫杂环化合物，这些其它原子被称为 杂原子，最常见的杂原子是O、S、N等。例如，下列化 合物都是杂环化合物：
O O N H S O N H O
第十五章杂环化合物hr
CHO
O
2-甲酰基呋喃 （α-呋喃甲醛）
COOH
N
3-吡啶甲酸 β-吡啶甲酸
CONHNH2
N
N
NH2
CH2CHCOOH
N H
4-吡啶甲酰肼
3-(5-咪唑基)-2-氨基丙酸
γ-吡啶甲酰肼
（组氨酸）
（异烟肼，抗结核药第十）五章杂环化合物hr
（2）稠杂环类化合物编号的基本原则：
从稠碳原子相邻的第一个原子开始编号， 同时使杂原子编号尽可能小。稠碳原子一般不 参与编号。
2、吡啶的化学性质
（1）吡啶的碱性：
特点：N上存在一对未成键的孤电子对，有 给电子能力，呈现一定的碱性。
（哌啶）
NH3
N
N
H
pKa ： 11.2 9.24 5.19
NH2 4.62
∴ 碱性： 脂肪胺 ＞ 氨 ＞ 吡啶 ＞ 苯胺
说明：吡啶环上的取代基对吡啶碱性强弱的 影响与取代第苯十五胺章杂类环化似合物。hr
O
O
+
N
OH -
小蘗碱 （黄连素） （抗菌、消炎药）
OCH3 （含异啉环）
OCH 第十五章杂环化合物3hr
一、杂环化合物的分类和命名
（一）杂环化合物的分类
五元环 1、按环的大小分类：
六元环
2、按环中杂原子数目分类：
含1个杂原子的杂环 含2个或多个杂原子的杂环
3、按分子中所含的环数目分类：
第十五章杂环化合物hr
单杂环 稠杂环
（二）杂环化合物的命名 （复杂）
1、母核的命名 （音译法）
——有特定名称杂环化合物的命名 五元单杂环类：
N H
吡咯
O
呋喃
第十五章 杂环
第十五章 杂环化合物—五元环性质
O B r2 O 0℃ 8 0% O C l2 - 4 0℃ O C H3 C O O N O 2 O Cl Br
+
Cl O Δ or Py O N O2 Cl
H - 5 ℃ - 3 0℃ C H C O O 2
-
H O N O2 H Cl
N
+
S O3 O S O3 -
O
S O3 H
（ C H3 C O ）2 O 0℃ B F3 E t2 O O C O C H3
第十五章 杂环化合物—五元环性质
Br 2 Cl 2 CH 3 COOH r， t 50 ℃ 36% S CH 3 COONO 2 S 95%H 2 SO 4 （ CH 3 CO） 2 O H 3 PO 4 25 ℃ S S -10 ℃ S 78% S Br + Cl Cl Cl + Cl Cl S 14% NO 2 + 70% S 67-76% S Cl 13% Cl NO 2 5%
第十五章 杂环化合物—概述 2、理论意义： 杂环化学中贯穿了大量的电子理论，是验证 电子学说和其它有关理论的园地 3、研究现状： （1）教学方面：作为选修课。 （2）研究方面： 杂环化学的研究目前主要集中在其生理活性 及其药用价值。此外，在非生物领域的应 用研究也取得很大进展，如：胶片的敏化 剂、橡胶工业的抗氧剂、硫化促进剂等， 多性能催化作用以及一些特殊性能的研究 都取得很大进展。
第十五章 杂环化合物—五元环性质 §15.3五元杂环化合物 一、呋喃、噻吩、吡咯的结构 成键特性：
第十五章 杂环化合物—五元环性质
分子 苯 噻吩
S
吡咯
N H
呋喃
O
第十五章 杂环化合物
+ H2SO4 S S SO3H
+ H2O
溶于酸
应用于除去石油和粗苯中的噻吩
6、吡咯的弱酸性
+ KOH N N K + H2O
吡咯钾
参与共轭
H
四氢吡咯的碱性明显大于吡咯，存在于脯氨酸中，P520
1) CO2
2-吡咯甲酸
N Na
类似苯酚钠
2) H3O+
N H
COOH
N H
+
N2Cl
pH=7-9
N H
N
N H
e. 重要衍生物 （P359）维生素PP和NAD+ , 维生素B6
COOH N
(2) 嘧啶
6 N N
CH N 尿嘧啶（Uracil) CH N OH
1
N 2 N 3
5
7 N 8
嘧啶
NH 2 N
4
N 9
嘌呤
OH N OH N CH 3 胸腺嘧啶
胞嘧啶（cytosine) N
烯醇式可重排为酮式
2－甲基－5－硝基吲哚（P352）
CH 2COOH N H 3－吲哚乙酸是植物生长调节剂
（P352 照书讲）
CH2CHCOOH CH2CH2NH2 N H 色胺
N H
NH2 色氨酸
是哺乳动物脑组织中与 中枢神经有关的物质。
HO CH 2CH 2NH 2 N H
5－羟色胺
吲哚环存在于1000多各生物碱天然产物中。
1. 咪唑
(1) 结构P521 弱酸
H N
H N
N原子sp2杂化
N N H 咪唑 imidazole
..
sp2
碱性
H H 分子间可能成氢键 m.p. 90℃
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7. 杂环母核的名称和编号确定后，可将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和名后（p466-467)
PhCO
5 6
4 1 7
SO3H
3
N
2
N H
NH2
I OH
N
2-氨基-5-苯甲酰基苯并咪唑 7-碘-8-羟基喹啉-5-磺酸 2-amino-5-benzoylbenzimidazole 7-iodo-8-hydroxuquinoline-5-sulfonic acid
Heterocyclic Compounds
有机化合物的基本类型
链状化合物
(C)n
纯碳环化合物 成环原子均为碳原子的环状化合物 环状化合物 杂环化合物 含有非碳成环原子的环状化合物
(C)n Z
杂原子
常见杂原子为 N、O、S
第一节 分 类 和 命 名
一、 分 类
1. 根据是否有芳香性分类
芳杂环
N N H H N N NN N N N H
4 5 3 6
N
1
2 N CH3 1
N N CH3 H
吡啶 pyridine
六氢吡啶(哌 啶) piperidine
1 H 2H-吡喃 2H-pyran
O N
2
★ 含 两 个杂原子的五元单杂环 4
3 4 5 3 4 5 5
N
3
4
N H
1
N2
N H
1
N 2 H
1
N2
5
55
4 3NN 3 N
2 N S H
N O N S
N SO4 N 发 烟 H2 N
HgSO4 250℃
N
H
N O N H N
5. 根据环的数目分类
N H S
NH2 N H2N N N NH2
N O N
N
单环杂环
N 三聚氰胺 H2N-C≡N (氰胺）
N N
二环杂环 O
芳稠杂环（苯环与杂环稠合） N H 稠杂环（杂环与杂环稠合）
多环杂环
2
4
N
1
6
哒嗪 pyridazine
嘧啶 pyrimidine
吡嗪 pyrazine
哌嗪 pyperazine
ห้องสมุดไป่ตู้
★ 五元及六元稠杂环
4 5 6 7 3 2 5 6 7 4 3 2 5 6 7 4 3 2
N1 H
O1
S1
吲 哚 indole
5 6 7 4 3 2 5 6 7 8
苯并呋喃 benzofuran
4 3
7 6
8
9
1 2 3 4
N H
2 1
5
N
10
咔唑 carbazole
9 8 7 6 10
吖啶 acridine
10 9
N N
5
1 2 3 4
8 7
H N S
5
1 2 3 4
6
吩嗪 phenazine
吩噻嗪 phenothiazine
5. 只有一个杂原子的单杂环也可采用希腊字母表示法，从杂原子的邻近碳原子 依次编号；（p465-466)
6. 根据多环的连接方式分类
稠（环）杂环 桥（环)杂环
丁公藤碱
螺（环）杂环
巨杂环
氮穴类化合物 卟吩环系 大环醚
杂环多面体
河豚毒素
二、 命 名
基本原则：
以IUPAC组织1979年制定的规则为标准，以具有特定俗名和半俗名的 45个杂环化合物为命名的基础，以我国的“音译法”为原则对杂环化合 物进行命名
三元杂环 四元杂环 五元杂环 六元杂环 七元杂环 八元杂环 常见杂环为
五元杂环
六元杂环
大环杂环
4. 根据杂原子数目分类
含一个杂原子
4
N3 N2
N H S N 含二个杂原子
1
N
O
N
5
N
N
N N
1
3
N N
1 同多杂杂环（含一种杂原子的多杂杂环）
N
含多个杂原子 O
N H S
N 混多杂杂环（含两种以上杂原子的多杂杂环） N H
1
4
3
4
4
5
3 N 2 NO
1
3
4
4
3
3
2 2
2
5
N
5
N2 N O2
1
O 1
1
5
O
1
N H
1
吡唑 pyrazole
咪唑 imidazole
噻唑 thazole
噁唑 oxazole
异噁唑 isoxazole
★ 含 两 个杂原子的六元单杂环
4
N3 N
1
N N
1
5
N2
N H N33 5 N N N 11 H
(斜体大写)的形式写在母体名称的前面。例如：
N H
1H-吡咯 1H-pyrrole
N
2H-吡咯 2H-pyrrole
（一） 特定杂环母核的命名规则
1. 单杂环母核编号一般从杂原子开始，顺着环依次编号；（p465) 2. 环上有取代基时，编号应使有取代基的碳原子的位次尽可能最小；(p466) 3. 若同一环上有多个杂原子时，应使杂原子的位数和尽可能最小；(p465) 4. 混多杂杂环化合物应按 O > S > —NH— > —N= 优先顺序编号；(p465)
COOH
H 3C
O
CH3
N
γ-吡啶甲酸 γ-pyridinecarboxylic acid
α,α'-二甲基呋喃 α,α'-dimetylfuran
6. 稠杂环有其固定的编号顺序（p466），一般从一端开始依次编号，共用
的碳原子一般不编号；注意使杂原子尽可能取较小的编号，并遵守杂原
子的优先顺序（p466 吩噻嗪） 嘌呤和异喹啉的编号是特例（p465）
符合Hückel规则 的平面型芳香性 杂 环 N N
O
S
S
O
N H
N
N
O
脂杂环
O
O
N H
O
O
O
N
N
N
N
2. 根据环状大π键的π电荷密度分类
富π芳杂环
S
6 5
O
N H
N H
芳 杂 环
具有斥电子 Π 型电子结构的芳杂环
N
缺π芳杂环
N
6
N N
N N
N
具有吸电子 Π6 型电子结构的芳杂环
N
N
3. 根据环的大小分类
★ 含 一 个杂原子的五元单杂环
4 3
3
N H
5
25
Et 3
N1 H 吡咯 pyrrole
N H
2 O
呋喃 furan
噻吩 thiophene
S N H
2
N H 四氢呋喃(THF) tetrahedrofuran
O
★ 含 一 个杂原子的六元单杂环
3 2 4 5 6 N 3
4
4 3 6 7 8 1 2 5 4
苯并噻吩 benzothiophene
4 3
1 2 6
N N H 1
5 N N
5
7
3
NH 2
8 N1
N1
N2
6 N 4N N 79 3
H
苯并咪唑 benzoimidazole
喹 啉 quinoline
异喹啉 isoquinoline
7H-嘌呤 purine
5 6 7 8 9
O PhCO 1 N O
2 6 5
CH N7 3
8
N4 N CH3 9
3
1,3,7-三甲基嘌呤-2,6-二酮 1,3,7-thimethylpurine-2,6-dione
8. “标氢”或“指示氢”的标记方法：当环上已经含有最多数目的非累 积双键时，成环的饱和原子所连接的氢原子称为“标氢”或“指示氢”。当 杂环母核上连有标氢时，应给标氢尽可能低的编号，且将标氢用位次加H