第十七章 杂环化合物
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有机化学---第17章 杂环化合物
、 内酯、环状酸酐等。
环为平面型共轭体系，环内π电子数符合4n+2规 则，具有一定芳香性的杂环化合物。
2
2、杂环化合物的分类
五元杂环, 如 单杂环 六元杂环, 如 杂环化合物 稠杂环 两个以上单杂环稠并
N N N H
O N
N H
S
苯环与单杂环稠并, 如 N H
N
N
3
3、杂环化合物的命名 （1）音译法 ——在同音汉字左边 + 口字旁
N ..
H2SO4,HgSO4 220℃
N
N
NO2
β-硝基吡啶
SO3H
β-吡啶磺酸
34
当吡啶环上连有供电子基团时，将有利于亲电取
代反应的发生；反之，就更难以进行亲电取代反应。
NO2
HNO3,H2SO4
H3 C N CH3
100℃
H3 C
N
CH3
吡啶环也象硝基苯一样，不能发生F―C烷基化和 酰基化反应。
吲哚具有芳香性，亲电取代反应发生在吡咯环上； 吲哚亲电取代反应的活性比苯高，但比吡咯低。 亲电取代反应的位置：
5 4 3 7
E+
1
苯 环
6
N H
2
吡咯环
26
进攻 C2 N H + E
+
进攻 C3
只有一个带有完 E N 2 H 整苯环的共振杂化体。 H 3 E 3 E H H + + N N H H
OH
6
S1
苯并呋喃
1
苯并吡咯 喹啉
N
9 7 8
苯并噻唑
N N
3
5 4
HO
N H
OH
第17章杂环化合物
无色，有吡啶臭味的液体，沸点117℃，与水互溶，有 弱碱性。是稳定的化合物。 • 一些重要的天然产物几合成药物含有噻唑结构，如青 霉素、维生素B1等。 • 青霉素是一类抗菌素的总称，已知的青霉素大于一百 多种，它们的结构很相似，均具有稠合在一起的四氢 噻唑环和β- 内酰胺环。
HOOC CH3 CH 3 S N C O CH NH C R O
命名3：根据相应的碳环来命名。把杂环看作相应碳环 中的碳原子被杂原子取代而形成的化合物，命名时在 相应的碳环名称前加上杂原子的名称：
• 在没有误会的情况下，“杂”字可以省去。
杂环化合物(heterocyclic compounds)：
构成环的原子除碳原子外还有其它原子 的一类环状化合物 ， 常见的杂原子是O,N,S。
0.1361 0.1370 0.1382 0.1341
0.1430 0.1423 0.1417 0.1455
C C
C C
键长/nm 0.154 0.134
17.2 五元杂环化合物
17.2.1 五元杂环化合物的化学性质
X
X = NH,O,S
杂原子的＋C 效应，增加了杂环的亲电 取代反应的活性。亲电取代反应活性顺序：
加成反应
呋喃的芳香性比较弱, 除进行亲电取代反应外;还 容易进行亲电加成和Diels-Alder环加成反应。
O O +
O S + O
OO
O O
O
30oC
O H O H 90%
100 C 1500MPa
o
SO O H H
H CH3OH Br CH
O
47%
+ Br2
O
CH3COOK CH3OH
H Br
HOOC CH3 CH 3 S N C O CH NH C R O
命名3：根据相应的碳环来命名。把杂环看作相应碳环 中的碳原子被杂原子取代而形成的化合物，命名时在 相应的碳环名称前加上杂原子的名称：
• 在没有误会的情况下，“杂”字可以省去。
杂环化合物(heterocyclic compounds)：
构成环的原子除碳原子外还有其它原子 的一类环状化合物 ， 常见的杂原子是O,N,S。
0.1361 0.1370 0.1382 0.1341
0.1430 0.1423 0.1417 0.1455
C C
C C
键长/nm 0.154 0.134
17.2 五元杂环化合物
17.2.1 五元杂环化合物的化学性质
X
X = NH,O,S
杂原子的＋C 效应，增加了杂环的亲电 取代反应的活性。亲电取代反应活性顺序：
加成反应
呋喃的芳香性比较弱, 除进行亲电取代反应外;还 容易进行亲电加成和Diels-Alder环加成反应。
O O +
O S + O
OO
O O
O
30oC
O H O H 90%
100 C 1500MPa
o
SO O H H
H CH3OH Br CH
O
47%
+ Br2
O
CH3COOK CH3OH
H Br
大学有机化学第十七章杂环
杂环化合物也可以发生还 原反应，如喹啉可以还原 为二氢喹啉。
还原反应通常涉及还原剂 对杂环的攻击，导致电子 转移和还原产物的生成。
杂环化合物在有机合成中的
06
应用
作为合成子构建复杂分子结构
01 杂环化合物作为合成子
杂环化合物具有丰富的反应性和多样的结构，可 以作为合成子用于构建更复杂的分子结构。
02 杂环合成策略
在天然产物的全合成中，杂环的合成是关键步骤 之一。通过设计合理的合成路线，可以实现杂环 的高效构建。
03 实例分析
以某些具有代表性的天然产物为例，阐述杂环化 合物在天然产物全合成中的应用。
在药物设计和合成中的应用
药物分子的结构特点
许多药物分子都含有杂环结构，这些结构对于药物与靶标 的相互作用具有重要影响。
咪唑
由两个氮原子和三个碳原子组成的五元杂环化合物，具有芳香性。咪唑及其衍生物在医药和农药等领域有重要应 用，如抗真菌药物克霉唑、抗寄生虫药物甲硝唑等。
噻唑
由一个硫原子、一个氮原子和三个碳原子组成的五元杂环化合物，具有芳香性。噻唑及其衍生物在染料、农药和 医药等领域有广泛应用，如杀菌剂稻瘟灵、抗癫痫药物卡马西平等。
大学有机化学第十七 章杂环
目录
• 杂环化合物概述 • 五元杂环化合物 • 六元杂环化合物 • 杂环化合物的合成方法 • 杂环化合物的反应与机理 • 杂环化合物在有机合成中的应用
01
杂环化合物概述
定义与分类
定义
杂环化合物是指分子中含有杂原子（非碳原子）的环状 有机化合物。
分类
根据杂原子的种类和数量，杂环化合物可分为单杂环和 多杂环两大类。其中，单杂环又分为含氮杂环、含氧杂 环和含硫杂环等。
呋喃
第17章杂环化合物
第十七章杂环化合物一、本章知识结构及知识要点本章知识结构知识要点1、杂环化合物命名和结构1命名杂环母核音译法按照IUPAC推荐的普通名称用23个汉字音译使用带口字旁的同音汉字。
如呋喃、吡啶等。
系统命名法根据相应的碳环命名。
如O氧杂-24-环戊二烯原子的编号杂环化合物分类、命名和结构分类和命名结构和芳香性五元杂环化合物化学性质常见的五元杂环化合物呋喃和糠醛噻吩吡咯和吲哚咪唑和噻唑六元杂环化合物吡啶和嘧啶喹啉和异喹啉嘌呤编号从杂原子开始。
含有两种以上杂原子时①让杂原子的位号尽可能小②当两个杂原子不相同时价数小的在前大的在后③价数相等时原子序数小的在前大的在后。
有些稠杂环化合物的原子编号是固定的。
2结构和芳香性呋喃、吡咯、噻吩的结构sp2杂化结构特点杂原子共轭效应是供电子的诱导效应是吸电子的。
杂原子是sp2杂化未成键电子对在2p轨道上参与共轭。
由于6个π电子分布于5个原子上整个环的π电子几率密度比苯大是富电子芳环因而比苯环活泼亲电取代反应比苯快得多。
芳香性由大到小苯噻吩吡咯呋喃吡啶的结构sp2杂化结构特点杂原子的共轭效应和诱导效应都是吸电子的。
未成键电子对在sp2杂化轨道上不参与共轭。
形成∏66共轭体系具有芳香性。
由于N原子的吸电子作用使环的电子云密度降低亲电反应活性比苯低类似硝基苯。
2、五元杂环化合物1吡咯、呋喃和噻吩的化学性质容易发生亲电取代反应主要发生在α-位反应的活性为吡咯呋喃噻吩苯。
由于这些五元杂环容易被破坏稳定性差因而对试剂及反应条件应有所控制。
硝化硝化应在较低的温度下使用温和的硝化剂乙酰硝酸酯。
NHNHNO2CH3COONO210CH3CO2O ℃SSNO2CH3COONO210CH3CO2O ℃呋喃比较特殊先生成稳定的或不稳定的25加成产物然后加热或用吡啶除去乙酸得到硝化产物。
OCH3COONO230 5 ℃ONO2HONO2HHCH3COO吡啶ONO2 磺化吡咯、呋喃不太稳定所以须用温和的磺化试剂磺化。
第17章 杂环--2
-吡啶甲酸 3-吡啶甲酸
§17-1 概 述
二、杂环化合物的结构
1、五员杂环化合物的结构
如吡咯。在吡咯中，成环的五个原子（1个N，4 个C）均为sp2杂化，形成三个键，2p轨道以侧面交 盖形成大键，其环上的电子数符合4n+2，因而具 有芳香性。 • •
H H
C C
•
H N H
吡咯分子中的键
§17-3 杂环化合物的性质
Br2 0℃
Br– Br–
N H
–Br –Br
2,3,4,5-四溴吡咯
CH3COONO2
–NO2 N 2-硝基吡咯 H –SO3H N 2-吡咯磺酸 H –COCH3 N 2-乙酰基吡咯 H
N H
SO3 N·
不能用混酸、 H2SO4直接 (CH3CO)2O 硝化、磺化
§17-3 杂环化合物的性质
E
EE E E AA A A E A
E E
中间体有三个主要共振式 中间体有三个主要共振式 中间体有三个主要共振式 中间体有三个主要共振式 中间体有三个主要共振式 较稳定 较稳定 较稳定 较稳定 较稳定 满足八隅体 贡献大
E E H H
E - H+ A
E+ E+
A A
A
E
A A
中间体有三个主要共振式 较稳定 A A
§17-3 杂环化合物的性质
2、六元杂环化合物
0.95 ① 亲电取代： 0.85 N有吸电子的诱导效应,使杂环上的电子 N 云密度降低，因而比苯难发生亲电取代反应。 吡啶的一元取代总是发生在间位。
+ Br2
N
0.82
浮石催化 300℃
FeBr3 50℃ H2SO4 300℃ H2SO4 50-60℃
第十七章杂环化合物
2004年8月13日
(三) 六元杂环化合物
N N 吡啶 N 嘧啶 H2N N 磺胺嘧啶(SD) SO2 NH N
(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 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： 所以吡啶有碱性和亲核性，且碱性大于苯胺：
(
。) b.p81 C
（苯层）
浓 H2SO4 室温 分液 蒸馏
无噻吩苯
S 。 ( b.p84 C) .
S
SO3H （酸层）
2004年8月13日
付氏酰基化： 付氏酰基化：
N H
+(CH3CO)2O
150-200 C 60%
。 N H COCH3
2004年8月13日
(2) 加成
O N H
+ H2 + H2
2004年8月13日
例：
N N N
+ Br2
。 300 C
以上
Br N
β溴代吡啶
+ H2SO4 + 混酸
350 C
。 。 N
SO3H NO2 N
β吡啶磺酸
300 C 24h
β硝基吡啶 （产率很低， 6％） 约
2004年8月13日
(3) 亲核取代
N N
+ NaNH2 + KOH
N NH2 N OH
能与强酸成盐
不能与强酸成盐， 不能与强酸成盐，遇酸分解
2004年8月13日
另一方面，吡咯有弱酸性： 另一方面，吡咯有弱酸性：
N H
+
KOH(S)
H2O
N+ K
第十七章 杂环化合物
NH
N
N
HN
例如：叶绿素(1818年，由植物叶中分离出)
(3)噻唑的重要衍生物
一些重要的天然产物及合成药物含有噻唑结构， 如青霉素、维生素B1等。
噻唑环
维生素B1（VB1）
NH3Cl N CH3 N Cl CH3 S CH2CH2OH
CH2 N
噻唑环
5. 杂环化合物的检验方法
呋喃： 盐酸浸渍的松木片 → 绿色 吡咯： 盐酸浸渍的松木片 → 红色 噻吩： 浓硫酸-靛红 → 蓝色 糠醛： 乙酸-苯胺→红色 吲哚： 盐酸浸渍的松木片 → 红色
O
1 4
N1 H
4 3 5 6 7 3
N
1 4
5 6 7
5 6 7
3
O
1
2
S
1
2
N1 H
2
例如：
O CHO O2N O CHO
2-呋喃甲醛(糠醛）
CH3
5-硝基-2-呋喃甲醛
CH2COOH
N
COOH
N H
4-甲基-2-吡啶甲酸
3-吲哚乙酸
(2)含有两个或两个以上相同杂原子
从连有氢或取代基的杂原子开始编号，并且使 杂原子位次之和最小。
(CH3)3C N
CH2CH3 KMnO4 (CH3)3C N
COOH
CH3 N
? N
NH2
还原反应
吡啶因环上电子云密度较低，比苯易还原， 用钠加乙醇、催化加氢等均使吡啶还原。
H2,Pt
N
CH 3COOH
N H
六氢吡啶（哌啶）
六氢吡啶（哌啶），沸点106℃，能溶于水、 乙醇、乙醚等溶剂，它的性质与一般仲胺相似。 是常用的有机碱。
17第十七章 杂环化合物
N H
2、亲核取代反应：主要发生在α位 、亲核取代反应：主要发生在 位
KOH
NaNH2
齐齐巴宾反应
3、氧化反应（对氧化剂稳定） 、氧化反应（对氧化剂稳定）
CH3 │ COOH │
V2O5 [O] NH2NH2
CONHNH2 │
N
N
N
异烟肼
4—吡啶甲酸（异烟酸） 吡啶甲酸（异烟酸） 吡啶甲酸
雷米封（ 雷米封（Rimifon）可治结核病 ）
二 杂环化合物的命名
1、命名：英文音译再加“口”字旁，表示是杂环化合 命名：英文音译再加“ 字旁， 物 3β 3β 4 4 3β 4 五元杂环
5
O 1
2α
5
S 1
2α
5 1N H
2α
呋喃(furan) 呋喃
γ 4 5 6 N 1 3β 2α
噻吩(thiophene) 噻吩
吡咯(pyrrole) 吡咯
O
S
N H
茂（环戊二烯） 氧（杂）茂 环戊二烯）
硫（杂）茂
氮（杂）茂
N
N
苯
氮（杂）苯
萘
1─氮杂萘 氮杂萘
第二节 含有一个杂原子的五元杂环体系
吡 咯 的 结 构
N H
sp2杂 环 有一个
N
呋喃、噻吩、吡咯的结构P 一 呋喃、噻吩、吡咯的结构 412
子的 子的 子 子 环 p
吡咯N 结构 吡咯
二、五元环的化学性质
六元杂环
吡啶(pyridine) 吡啶
2、有取代基的杂环化合物的命名： 、有取代基的杂环化合物的命名： 以杂环为母体，从杂原子开始，顺着环编号。 以杂环为母体，从杂原子开始，顺着环编号。
4 5 3 O2 1
第17章 杂环化合物
双烯合成：呋喃、吡咯、噻吩都含有共轭二烯结构， 理论上都能发生Diels-Alder反应。 芳香性最弱的呋喃很容易进行双烯合成反应，和顺丁
烯二酸酐加成，主要生成内式异构体。
CO
O +
O O
30℃
O H H + O O
O O H O H
CO O
吡咯一般不发生双烯合成。
内式(90%)
噻吩基本上不发生双烯加成，即使在个别情况下生成也 是一个不稳定的中间体，直接失硫转化为别的产物。
H3C
CH3COONO2
N H
(CH3CO)2O , －10 ℃
N H
NO2
CH3COONO2
S
(CH3CO)2O , －10℃
S
NO2
呋喃比较特殊，先生成稳定的或不稳定的2,5-加成产物， 然后加热或用吡啶除去乙酸，得到硝化产物。
CH3COONO 2
O
5℃ －30 ～ －
O
+
H NO 2
H CH 3COO
（1965年）获诺贝尔化学奖。
Ⅲ、与生物有关的杂环及其衍生物举例
CH2 H3C N H3C H N H H O O COOCH3 CH3 CH3 Mg N CH3 N R CH3
叶绿素A和叶绿素B
R=CH3：叶绿素A R=CHO：叶绿素B
O
CH3 CH3 CH3
Ⅲ、与生物有关的杂环及其衍生物举例 血红素：
Ⅰ、杂环化合物的分类和命名 杂环的命名常用音译法，是按外文名词音译成 带“口”字旁的同音汉字。
N H (pyrrole) 吡咯 N N (pyrimidine) 嘧啶
O (furan) 呋喃
S (thiophene) 噻吩
杂环化合物
O
CHO
O
COONa
+
O
« ¼ ² ¹
CH2OH
«È ¼ ® Á Ã
õ · È Ì £ ·
O
CHO
+ (CH3CO)2O
NaOAc
O
+ CH=CHCOOH
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。
•分类
1、脂杂环
三元杂环 四元杂环 五元杂环
O
没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂
H N
O NH
(氮杂环丙烷) (β-丙内酰胺)
O O
(顺丁烯二酸酐)
七元杂环
O
(氧杂 )
N H
(1H-氮杂 )
2 、芳杂环
O H
HO
OH2
OH
OH
OH
亲电取代反应
（1）概述 *1 亲电取代反应的活性顺序为：
N H
>
O
>
S
>
①电子密度 ②σ-络合物
E N H H
E H
E N H H
E H
E N H H
E H
八隅体结构最稳定
无最稳定结构
吸电子诱导：O(3.5) > N(3.0) > S(2.6) 给电子共轭：N > O > S 综合：N贡献电子最多，O其次，S最少
*2 取代反应主要发生在α-C上； *3 吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感，选择试 剂时需要注意； *4 噻吩、吡咯的芳香性较强，所以易取代而不易 加成；呋喃的芳香性较弱，虽然也能与大多数 亲电试剂发生亲电取代，但在强亲核试剂存在 下，能发生亲核加成。
离域能：噻吩：121.3 kJ· mol-1 呋喃：66.9 kJ· mol -1
有机化学 第十七章杂环化合物
第十七章杂环化合物(heterocyclic compounds)在环状化合物的环中含有碳以外的杂原子，这类化合物统称为杂环化合物。
常见的杂原子是: O, N, S1芳杂环的数目很多，可根据环的大小、杂原子的多少以及单环和稠环来分类。
•常见的杂环为五元、六元单杂环及稠杂环。
稠杂环是由苯环及一个或多个单杂环稠合而成的。
317.2 杂环化合物的命名杂环化合物的命名采用外文名的译音，用带“口”字旁的同音汉字表示。
编号从杂原子开始，用阿拉伯数字(1,2,…) 表示顺序，也可以将杂原子旁的碳原子依次用α、β、γ表示。
417.3 结构和芳香性呋喃、噻吩、吡咯是最重要的含一个杂原子的五元杂环化合物。
呋喃、噻吩、吡咯都是平面结构，环上所有原子都是sp2杂化，各原子均以sp2杂化轨道重叠形成σ键。
9碳未杂化的p 轨道中有一个电子，杂原子的p轨道中有一对电子，p 轨道相互平行重叠，形成闭合的共轭体系,具有芳香性。
下表中给出的1H NMR数据可证实这一点，环上质子的化学位移在7ppm左右与苯类似。
1011表17-1 五元芳杂环的物理性质分别存在于木焦油、煤焦油和骨焦油中αβαβαβ17.4 五元杂环化合物4.1 五元杂环化合物的化学性质呋喃、噻吩、吡咯具有芳香性，容易进行亲电取代反应。
杂原子的大小及电负性不同，它们的活性有差异，但它们的活性都比苯大，顺序为：吡咯> 呋喃> 噻吩> 苯12（丙）吡咯和吲哚•吡咯的物理性质和鉴定•无色油状液体，沸点131℃，微溶于水，易溶于有机溶剂。
•吡咯蒸气遇浸过盐酸的松木片呈红色，可用来检验吡咯。
•吡咯环不如苯环稳定，易被氧化呈褐色并发生树脂化。
2017.5 六元杂环化合物5.1 吡啶和嘧啶吡啶存在于煤焦油和骨焦油中，工业上用无机酸从煤焦油的轻油部分中提取。
吡啶的衍生物广泛存在于自然界中，许多药物也含有吡啶环。
23一、吡啶的物理性质及结构吡啶是一个无色有恶臭的液体b.p. 115.5℃，m.p.-42℃，d: 0.9819与水及许多有机溶剂如乙醇，乙醚等混溶它是良好的溶剂25吡啶的结构与苯的相似吡啶环上的氮以sp2杂化成键，一个p电子参与共轭，形成具有6个p电子的闭合的共轭体系，具有芳香性。
有机化学17章-杂环化合物
H
N
H2SO4, HgSO4 230 ° 70% C,
吡啶不能起Friedel-Craft反应
N
Br2 300 ° C
三、 六元杂环化合物
(C) 亲核取代反应：与强的亲核试剂起亲核取代反应，主要生成 α-取代产物 。
+
NaNH2 N
H 2O NHNa N NH 2
N
+
C6H5Li N
+
LiH
N
C6H5
二、 五元杂环化合物
吲哚：由苯环和吡咯环稠合而成的，因此也叫做苯并吡咯
CH2COOH N H 吲哚
CH3 N H
N H 3-吲哚乙酸
Br2 CH3COOH
CH3 N H Br
二、 五元杂环化合物
(4) 咪唑和噻唑：较常见的含有两个杂原子的五元杂环化合物
N N H 咪唑 S
N
H C
N
C
H N
H
噻唑
1.分类和命名 分 类：以杂环的骨架为基础 按环的大小——最重要的是五元杂环和六元杂环；
按杂环中杂原子数目的多少——单杂原子的杂环和多
杂原子的杂环； 按环的形式——单杂环和稠杂环
N O furan 呋喃 S thiphene 噻吩 N H pyrrole 吡咯
N pyridine
N quinoline 喹啉
二、 五元杂环化合物
由于五元杂环化合物的高度活泼性及呋喃和吡咯对无机强酸的 敏感性，亲电取代反应需要比较温和的条件
Br2 0~5℃ O CH3C ONO2 -10℃ (CH3CO)2O N H C5H5N SO3 室温 O CH3C CI SnCI4 N H N H N H O SO3 O C CH3 乙醚 Br Br N H NO2 Br Br O Br2 O O 0~5℃ O Br
有机化学-第十七章 杂环化合物
N H
氮杂-2,4,6-环庚三烯
二、命名 1、音译法命名：根据英文音义，用带口字旁的同音汉字
N H (pyrrole) 吡咯
O (furan) 呋喃
N
N (pyrimidine)
嘧啶
N
(quinoline) 喹啉
S (thiophene)
噻吩
N H (indole) 吲哚
N (pyridine)
吡啶
S
α-噻吩磺酸
呋喃和吡咯对及氧化剂都比较敏感，应使用特殊的试 剂乙酰硝酸酯进行硝化，使用吡啶三氧化硫进行磺化。
+
－
N SO3
SO3H
O
O
α-呋喃磺酸
O
CH3 C ONO2
N
(CH3CO)2O,－10℃
N
NO2
H
H
α-硝基吡咯
吡啶比苯难发生亲电取代反应，反应条件要求和硝基 苯差不多；在发生反应时取代基主要进入β-位。
1 α-呋喃甲醛
HO CH CH OH H2SO4
H CH C H Δ CHO
OH OH
+ 3H2O O CHO
糠醛是没有α-氢的醛，化学性质和苯甲醛相似。
浓 NaOH
+
O CHO
O CH2OH O COOH
2 卟啉化合物
卟啉化合物是一类广泛存在于自然界中的化合物，它
们的分子中都含有卟吩环。
2α314 NhomakorabeaNH
N
δ
β
N
HN
8
5
7
γ
6
卟吩环
CH CH2
吡咯的酸性极弱，介于醇和酚之间。
Δ + KOH（固）
氮杂-2,4,6-环庚三烯
二、命名 1、音译法命名：根据英文音义，用带口字旁的同音汉字
N H (pyrrole) 吡咯
O (furan) 呋喃
N
N (pyrimidine)
嘧啶
N
(quinoline) 喹啉
S (thiophene)
噻吩
N H (indole) 吲哚
N (pyridine)
吡啶
S
α-噻吩磺酸
呋喃和吡咯对及氧化剂都比较敏感，应使用特殊的试 剂乙酰硝酸酯进行硝化，使用吡啶三氧化硫进行磺化。
+
－
N SO3
SO3H
O
O
α-呋喃磺酸
O
CH3 C ONO2
N
(CH3CO)2O,－10℃
N
NO2
H
H
α-硝基吡咯
吡啶比苯难发生亲电取代反应，反应条件要求和硝基 苯差不多；在发生反应时取代基主要进入β-位。
1 α-呋喃甲醛
HO CH CH OH H2SO4
H CH C H Δ CHO
OH OH
+ 3H2O O CHO
糠醛是没有α-氢的醛，化学性质和苯甲醛相似。
浓 NaOH
+
O CHO
O CH2OH O COOH
2 卟啉化合物
卟啉化合物是一类广泛存在于自然界中的化合物，它
们的分子中都含有卟吩环。
2α314 NhomakorabeaNH
N
δ
β
N
HN
8
5
7
γ
6
卟吩环
CH CH2
吡咯的酸性极弱，介于醇和酚之间。
Δ + KOH（固）
第十七章 杂环化合物
thiazole噻唑 噻唑
H3C N H
pyrazole吡唑 吡唑
N N H
imidazole咪唑 咪唑
NO2
4-甲基咪唑 甲基咪唑
3-硝基吡咯 硝基吡咯
常见的六元单杂环化合物
4 5 6 3 2 5 6 4 3 5 6 4
N3
2
N
1
N
1
N2
N
1
pyridine吡啶 吡啶
Br N
pyridazine哒嗪 哒嗪
(2) 亲电取代
例： N N N + Br2
300 C 以上
。
Br N
β−溴代吡啶
+ H2SO4 + 混酸
350 C
。 。 N
SO3H NO2 N
O
CHO
KMnO4,OH-
O
H2/Ni
COOH
还原：
O
CHO
O
CH2OH
(2) 噻吩
80％ Br2 ,0oC O
S
Br
O
O
S
o
Br2 HOAc
+
S
NO2 S 10%
Br
78%
CH3COONO2 (CH3O)2O 0 C S NO2 60%
S
98%H2SO4 室温
H2O S SO3H 69~76% S
(3) 吡咯和吲哚 吡咯的弱碱性和弱酸性
N H sp sp
2
参与环体系共轭 离域于整个共轭体系 难以表现出碱性
2
N H p
吡咯分子中氮原子上虽然带有孤对电子， 吡咯分子中氮原子上虽然带有孤对电子，但是由于其 6 参与了环状 π 5 的共轭，为整个环状共轭体系所共享， 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， 从而使氮上电子云密度降低，孤对电子难以给出去而 表现碱性。所以，吡咯的碱性很弱， 表现碱性。所以，吡咯的碱性很弱，甚至于大大弱于 苯胺的碱性。 苯胺的碱性。 碱性：苯胺（ 吡咯（ 碱性：苯胺（Kb=3.8×10-10）>>吡咯（Kb=2.5×10-14） × 吡咯 ×
杂环化合物
吡
咯
的
结 构
N H
共轭效应是给电子的。 诱导效应是吸电子的。
N
孤电子对在p轨道上。
吡咯 结构: 吡咯N是sp2杂化，孤电子对参与共轭。 反应: 碱性较弱，环易发生亲电取代反应，环上相当于
有一个邻对位定位基。
呋喃、噻吩的结构与吡咯类似。
三. 呋喃、噻吩、吡咯的反应
1. 呋喃、噻吩、吡咯的亲电取代反应
（1）概述 *1 亲电取代反应的活性顺序为:
>
N H
O
>
S
>
>吡啶
*2 取代反应主要发生在α-C上；
*3 吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感, 选择试 剂时需要注意；
（2） 呋喃、噻吩、吡咯的硝化反应
呋喃, 噻吩和吡咯易氧化, 一般不用硝酸直接硝化; 通常用比较温和的非质子硝化试剂，如: 硝酸乙酰酯。 反应在低温下进行。
H
H
Na + C2H5OH S
+
S
S
四 含有一个杂原子的六元杂环体系
1. 吡啶的结构
N
=2.20D
孤电子对在 sp2杂化轨道 上。
共轭效应和诱导效应都是吸电子的
吡啶 结构: 吡啶N是sp2杂化，孤电子对不参与共轭。 反应: 碱性较强。环不易发生亲电取代反应但易发生亲核
取代反应。发生亲电取代反应时，环上N起间位定 位基的作用。
噻吩(thiophene)
4
3β
5
1
N H
2α
吡咯(pyrrole)
4
5
3
6
2
7
N H
1
苯并吡咯 吲哚 (indole)
43
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以吡咯为例 ，①参与成环的五个原子处于同 一平面，②碳原子和杂原子都是sp2杂化 。
孤电子对 在p轨道
SP2 2P 吡咯 N：sp2
杂原子上的孤对电子参与共轭，形 成共轭体系，其π电子数符合休克尔规则 （π电子数 = 4n+2），所以有芳香性。 吡咯是富电子环，取代反应比苯容易。
呋喃与噻吩有相似的结构。
67
从离域能的大小可以看出，三种五元杂环化合物
的芳香性强弱次序为： 苯 > 噻吩 > 吡咯 > 呋喃
2．六元杂环化合物的结构
以吡啶为例 ，①碳原子和氮原子处于同 一平面， ②每个原子都是sp2杂化。
孤电子对在 sp2杂化轨道
SP2 2P
吡啶 N：sp2
六元杂环是缺电子环，取代反应比苯难。
三、杂环化合物的化学性质
7
1
4
5
3
6
2
7
N1 H
例如：
CHO O
2-呋喃甲醛(糠醛）
O2N
O
CHO
5-硝基-2-呋喃甲醛
CH3 COOH
N
4-甲基-2-吡啶甲酸
CH2COOH
N H
3-吲哚乙酸
(2)含有两个或两个以上相同杂原子
从连有氢或取代基的杂原子开始编号，并且使
杂原子位次之和最小。
4
3
5
N
N
1
2
H
4 N3
5
2
N H
CH3
4
N3
5
HOCH2CH2
2
S
1
4-甲基-5-(2,-羟乙基)噻唑
（4）嘌呤环的编号
6
7
1N
5N
1
82
2
N4
3
N9 H
3
NH2
N
N
NN H
6-氨基嘌呤 （腺嘌呤）
6 7 按横写的S
5 4
8 9
依次编号
OH
N
N
OH
HO N N H
2,6,8-三羟基嘌呤 （尿酸）
二、杂环化合物的结构
1.五员杂环化合物的结构
O
O
O
O
O
O
NH
O
环氧乙烷 顺酐
δ-戊内酯 δ-戊内酰胺
本章所讨论的是一类结构上比较稳定， 且具有芳香特征的杂环化合物，称为芳杂环 化合物。
脂杂环化合物 杂环化合物
芳杂环化合物
一、杂环化合物的分类和命名
（一）分 类
五员杂环 单杂环
六员杂环
O
S
N
N
N
苯环与单
杂环稠合
N
稠杂环
H
多个单杂 N N
环稠合
1
4
5
3
6
N2
N
1
4
5
N3
6
2
N
1
43
CH3 N
5
2
N1
H
4-甲基咪唑
NH2
N
HO N
4-氨基-2-羟基嘧啶 （胞嘧啶）
OH
N
HO N
2,4-二羟基嘧啶 （尿嘧啶）
(3)含有不相同的杂原子
按O→S→N的次序编号，并使所有杂原 子的位次尽可能小。
4 N3
5
2
O
1
4 N3
5
2
S
1
O2N
4
N3
5
2
O
1
4-硝基噁唑
进攻α位
+ E+
Z
X=O,S,NH
进攻β位
+ E
ZH
E H + Z
+
E
ZH
E H
+ Z
E + ZH
③吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感，选择试 剂时需要注意。
卤化反应： 很容易得到多取代产物，一 卤代产物要在稀溶液和较低温度下进行。
Br2
O 二氧六环,0℃
O
Br 2-溴呋喃
Br2
S
CH3COOH
Br 2-溴噻吩
第十七章 杂环化合物
Heterocyclic compounds
定义：在环状化合物中，参与成环的原 子除碳原子外，还含有氧、硫、氮等原子的 化合物称为杂环化合物，氧、硫、氮原子叫 杂原子。例如：
OHale Waihona Puke 呋喃S噻吩
N H
吡咯
N
吡啶
前几章讨论过的环醚，内酐，内酯，内 酰胺等，成环的原子中也有杂原子，但这些 化合物的性质与相应的开链化合物类似，称 为脂杂环化合物。
③六元杂环
N
吡啶 Pyridine
N N
哒嗪 pyridazime
N
N
嘧啶 pyrimidine
N S
噻唑 thiazole
N
N
吡嗪 pyrazine
④ 稠杂环
O
苯并呋喃 benzofuran
S
苯并噻吩 thionaphthene
N H
吲哚（苯并吡咯）
indole
N
喹啉 quinoline
N
异喹啉 isoquinoline
O COCH3
2-乙酰基呋喃
150~200℃
+ (CH3CO)2O
N H
N COCH3 H
2-乙酰基吡咯
傅克烷基化容易发生多取代，很难得到一烷 基取代产物，所以没有实际应用价值。
2．加氢反应
NN H
N
N
N
H
H
N
（二）命 名
1. 音译法 按杂环化合物的外文名称译音，以带
“口”字旁同音汉字表示。
① 含一个杂原子的五元杂环
O
呋喃 furan
S
噻吩 thiophene
N H
吡咯
pyrrole
② 含两个杂原子的五元杂环
N N H
吡唑
pyrazole
N
N H
咪唑 imidazole
N
O
噁唑 oxazole
SP2 2P
呋喃 O：sp2
以上三种五元杂环化合物的结构均符合休克尔
规则，都有一定程度的芳香性。
但由于环上存在电负性较大的杂原子，所以与苯
不同，共轭体系中各原子电子密度不是平均分布，键
长也不是完全相等，只是趋向于平均化，芳香性比苯
弱。其离域能（kJ/mol)数据如下：
苯
噻吩
吡咯
呋喃
152
117
88
N
+ SO3
CH2Cl2 室温
N SO3
[C5H5N+·SO3-]
+_
+ C5H5N.SO3
CICH2CH2CI
O
HCI
O SO3H
2-呋喃磺酸
+_
+ C5H5N.SO3
CICH2CH2CI
HCI
N
N
SO3H
H
H
2-吡咯磺酸
H2SO4
S
S
SO3H
2-噻吩磺酸
Friedel-Crafts酰基化：
+ (CH3CO)2O BF3 O
（一）五员杂环化合物
1. 亲电取代反应
①五元杂环化合物是富电子体系，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等活化基团，进行亲电取代反应的 活泼顺序是：
>
>
>
N
O
S
H
② 取代反应主要发生在α-C上，因为试剂进 攻α位，生成的中间体正离子稳定，正电荷分散 在三个原子上；而进攻β位，正电荷仅能分散在 两个原子上。
S
硝化反应：呋喃、吡咯不能用混酸硝化，
一般是用硝酸乙酰酯(CH3COONO2)作硝化 试剂，反应还须在低温下进行。
CH3COONO2
O
-5~-30℃
O NO2 2-硝基呋喃
N
CH3COONO2 -10℃
N
NO2 2-硝基吡咯
H
H
磺化反应： 呋喃、吡咯不能用浓硫酸 磺化，要用特殊的磺化试剂——吡啶三氧化 硫的加合物。噻吩可直接用浓硫酸磺化。
N
N
N
N H
嘌呤
purine
2. 杂环及环上取代基的编号 (1)含有一个杂原子
①杂原子的编号为“1”，在此基础再使取代基
位次尽可能小。 ②杂原子邻位的碳原子也可依次用
α、β、γ…编号。
β’4
3β
α’5
2α
O
1
β’4
3β
α’5
2α
N1
H
4γ
β ’5
3β
α’6 N 2 α
1
4
5
3
6
O2
71
4
5
3
6
S2
孤电子对 在p轨道
SP2 2P 吡咯 N：sp2
杂原子上的孤对电子参与共轭，形 成共轭体系，其π电子数符合休克尔规则 （π电子数 = 4n+2），所以有芳香性。 吡咯是富电子环，取代反应比苯容易。
呋喃与噻吩有相似的结构。
67
从离域能的大小可以看出，三种五元杂环化合物
的芳香性强弱次序为： 苯 > 噻吩 > 吡咯 > 呋喃
2．六元杂环化合物的结构
以吡啶为例 ，①碳原子和氮原子处于同 一平面， ②每个原子都是sp2杂化。
孤电子对在 sp2杂化轨道
SP2 2P
吡啶 N：sp2
六元杂环是缺电子环，取代反应比苯难。
三、杂环化合物的化学性质
7
1
4
5
3
6
2
7
N1 H
例如：
CHO O
2-呋喃甲醛(糠醛）
O2N
O
CHO
5-硝基-2-呋喃甲醛
CH3 COOH
N
4-甲基-2-吡啶甲酸
CH2COOH
N H
3-吲哚乙酸
(2)含有两个或两个以上相同杂原子
从连有氢或取代基的杂原子开始编号，并且使
杂原子位次之和最小。
4
3
5
N
N
1
2
H
4 N3
5
2
N H
CH3
4
N3
5
HOCH2CH2
2
S
1
4-甲基-5-(2,-羟乙基)噻唑
（4）嘌呤环的编号
6
7
1N
5N
1
82
2
N4
3
N9 H
3
NH2
N
N
NN H
6-氨基嘌呤 （腺嘌呤）
6 7 按横写的S
5 4
8 9
依次编号
OH
N
N
OH
HO N N H
2,6,8-三羟基嘌呤 （尿酸）
二、杂环化合物的结构
1.五员杂环化合物的结构
O
O
O
O
O
O
NH
O
环氧乙烷 顺酐
δ-戊内酯 δ-戊内酰胺
本章所讨论的是一类结构上比较稳定， 且具有芳香特征的杂环化合物，称为芳杂环 化合物。
脂杂环化合物 杂环化合物
芳杂环化合物
一、杂环化合物的分类和命名
（一）分 类
五员杂环 单杂环
六员杂环
O
S
N
N
N
苯环与单
杂环稠合
N
稠杂环
H
多个单杂 N N
环稠合
1
4
5
3
6
N2
N
1
4
5
N3
6
2
N
1
43
CH3 N
5
2
N1
H
4-甲基咪唑
NH2
N
HO N
4-氨基-2-羟基嘧啶 （胞嘧啶）
OH
N
HO N
2,4-二羟基嘧啶 （尿嘧啶）
(3)含有不相同的杂原子
按O→S→N的次序编号，并使所有杂原 子的位次尽可能小。
4 N3
5
2
O
1
4 N3
5
2
S
1
O2N
4
N3
5
2
O
1
4-硝基噁唑
进攻α位
+ E+
Z
X=O,S,NH
进攻β位
+ E
ZH
E H + Z
+
E
ZH
E H
+ Z
E + ZH
③吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感，选择试 剂时需要注意。
卤化反应： 很容易得到多取代产物，一 卤代产物要在稀溶液和较低温度下进行。
Br2
O 二氧六环,0℃
O
Br 2-溴呋喃
Br2
S
CH3COOH
Br 2-溴噻吩
第十七章 杂环化合物
Heterocyclic compounds
定义：在环状化合物中，参与成环的原 子除碳原子外，还含有氧、硫、氮等原子的 化合物称为杂环化合物，氧、硫、氮原子叫 杂原子。例如：
OHale Waihona Puke 呋喃S噻吩
N H
吡咯
N
吡啶
前几章讨论过的环醚，内酐，内酯，内 酰胺等，成环的原子中也有杂原子，但这些 化合物的性质与相应的开链化合物类似，称 为脂杂环化合物。
③六元杂环
N
吡啶 Pyridine
N N
哒嗪 pyridazime
N
N
嘧啶 pyrimidine
N S
噻唑 thiazole
N
N
吡嗪 pyrazine
④ 稠杂环
O
苯并呋喃 benzofuran
S
苯并噻吩 thionaphthene
N H
吲哚（苯并吡咯）
indole
N
喹啉 quinoline
N
异喹啉 isoquinoline
O COCH3
2-乙酰基呋喃
150~200℃
+ (CH3CO)2O
N H
N COCH3 H
2-乙酰基吡咯
傅克烷基化容易发生多取代，很难得到一烷 基取代产物，所以没有实际应用价值。
2．加氢反应
NN H
N
N
N
H
H
N
（二）命 名
1. 音译法 按杂环化合物的外文名称译音，以带
“口”字旁同音汉字表示。
① 含一个杂原子的五元杂环
O
呋喃 furan
S
噻吩 thiophene
N H
吡咯
pyrrole
② 含两个杂原子的五元杂环
N N H
吡唑
pyrazole
N
N H
咪唑 imidazole
N
O
噁唑 oxazole
SP2 2P
呋喃 O：sp2
以上三种五元杂环化合物的结构均符合休克尔
规则，都有一定程度的芳香性。
但由于环上存在电负性较大的杂原子，所以与苯
不同，共轭体系中各原子电子密度不是平均分布，键
长也不是完全相等，只是趋向于平均化，芳香性比苯
弱。其离域能（kJ/mol)数据如下：
苯
噻吩
吡咯
呋喃
152
117
88
N
+ SO3
CH2Cl2 室温
N SO3
[C5H5N+·SO3-]
+_
+ C5H5N.SO3
CICH2CH2CI
O
HCI
O SO3H
2-呋喃磺酸
+_
+ C5H5N.SO3
CICH2CH2CI
HCI
N
N
SO3H
H
H
2-吡咯磺酸
H2SO4
S
S
SO3H
2-噻吩磺酸
Friedel-Crafts酰基化：
+ (CH3CO)2O BF3 O
（一）五员杂环化合物
1. 亲电取代反应
①五元杂环化合物是富电子体系，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等活化基团，进行亲电取代反应的 活泼顺序是：
>
>
>
N
O
S
H
② 取代反应主要发生在α-C上，因为试剂进 攻α位，生成的中间体正离子稳定，正电荷分散 在三个原子上；而进攻β位，正电荷仅能分散在 两个原子上。
S
硝化反应：呋喃、吡咯不能用混酸硝化，
一般是用硝酸乙酰酯(CH3COONO2)作硝化 试剂，反应还须在低温下进行。
CH3COONO2
O
-5~-30℃
O NO2 2-硝基呋喃
N
CH3COONO2 -10℃
N
NO2 2-硝基吡咯
H
H
磺化反应： 呋喃、吡咯不能用浓硫酸 磺化，要用特殊的磺化试剂——吡啶三氧化 硫的加合物。噻吩可直接用浓硫酸磺化。
N
N
N
N H
嘌呤
purine
2. 杂环及环上取代基的编号 (1)含有一个杂原子
①杂原子的编号为“1”，在此基础再使取代基
位次尽可能小。 ②杂原子邻位的碳原子也可依次用
α、β、γ…编号。
β’4
3β
α’5
2α
O
1
β’4
3β
α’5
2α
N1
H
4γ
β ’5
3β
α’6 N 2 α
1
4
5
3
6
O2
71
4
5
3
6
S2