第十六章杂环化合物

+E+
N
H
+
E+
E
NH
NH
H
H
E N+ H
H
-H+
E
N
H
E+进攻吡咯 β(对)-位的共振式（两种）：
E H + N
H
E H N+
H
结论：由于α(邻)-位反应中间体较稳定，过渡态
能量低，反应速度快，因此吡咯亲电取代反应易 在 α(邻)-位发生。 E+分别进攻吡啶α，β，γ位的共振式：
+ E+ N
+ E+ N
NO H
NO H
NO H
N
胞嘧啶(C) 尿嘧啶(U) 胸腺嘧啶(T)
N
嘧啶
O NH
OH N
NO H
N OH
互变异构体
嘌呤碱：
N
N
N
N H
嘌呤
NH2
N
N
N
N H
腺嘌呤(A)
OH
N
N
H2N
N
N H
鸟嘌呤(G)
次黄嘌呤、黄嘌呤和鸟嘌呤为嘌呤碱在体内 的代谢产物。其中：
O
HN
O
N
H
H N
O N H
OH
N
HO
总结：
1. 杂环化合物多具有芳香性(芳杂环)，芳香性 的 判断可根据Hückel规则：
环内各原子共平面且有环状闭合的共轭体
系， 离域π电子数= 4n+2。 2. 环上电子云密度：
五元环 ≈ 苯胺 ＞ 苯 ＞ 六元环 ≈ 硝基
(吡咯等)
(吡啶等)
3. N上的电子云密度： 脂肪胺＞NH3 ＞吡啶＞苯胺＞吡咯
血红素
N
pKb=6.8
N
H
N H3C
N H
H N N
CH3
5-甲基
4-甲基
吡啶衍生物： 维生素PP：
COOH
N
β-吡啶甲酸 （烟酸）
CONH2
N
β-吡啶甲酰胺 （烟酰胺）
雷米封(Remifonum)： CONHNH 2
异烟酰肼
N
优良的抗结核药。
核酸中的碱基：
嘧啶碱：
NH2 N
O NH H3C
O NH
三、性质：
1、碱性比较：
N
＞NH3＞ N
＞
＞
NH2
N H
+ HCl N
or
+
N Cl-
N
H
.CrO3 非质子性氧化剂
N
.HC l
温和的磺化、烷基化、酰化及硝基化试剂：
.SO3
N
.I
N CH3
Hale Waihona Puke Baidu
. X-
N COR
.BF4-
N NO 2
例：
+
O
室温 N .SO3 CH2Cl2 O
H3O+
O
SO3-
N
+
SO3H
例：
+ KOH
N
H
KN-+ + H2O
例：判断a 、b、 c处N原子的碱性大小。
bN
CH2CHc2NH2
Na H
C＞b ＞ a
2、亲电取代：
取代反应速度：取决于环上的电子云密度。
例：
吡咯>呋喃>噻吩>>苯
Fe + Br2
Br
乙醚 Br
Br
+ Br2 N
Br N Br
H
O
H
N H
+
(CH3CO)2O CH3C-ONO2
N
or H2/Pt
N 六氢吡啶（哌啶）
H
Na+C2H5OH
N
NH
or H2/Pt
思考：当喹啉，吲哚，对-苯基硝基苯和对-苯基 苯胺进行亲电取代时，取代基优先进于哪个位置。
N
N H
NO2
NH2
5、吡啶的水溶性 吡啶是一个极性分子，偶极矩为2.26D。
N
水溶度： 任意比例
N OH
1：1
N
NH2
1：1
N
N OH
N H
酮式
烯醇式
下列化合物中最难发生亲电取代反应的是
A、
N
B、
H
C、 N
D、
H
E、
叶绿素、血红素等都含有的杂环是
A、吡啶 B、咪唑 C、噻唑 D、嘧啶 E、吡咯
亲电取代反应发生在β-位的是
OH
A、
B、
C、
D、
E、
N
S
H
N
O
亲电取代反应发生在杂环上的是
A.
B.
C.
N NO 2
N H
D.
E.
主要内容：
1 . 分类和命名
√2 . 结构 芳香性判断
√3 . 化学性质 碱性（含氮杂环碱性的比较） 亲电取代 吡啶的亲核取代 氧化还原反应
4 . 重要的衍生物简介。
一. 分类和命名
1 .分类
五
O
S
员 furan thiophene
杂
环
N
N H
pyrrole
N H imidazole
N
S
thiazole
例：
O CHO
α-呋喃甲醛 (糠醛)
N OH
8-羟基喹啉
COOH N
β-吡啶甲酸
N
S
噻唑
N N H
吡唑
NH 2 N
NH2
N
N
NO H
4-氨基-2-氧嘧啶 (胞嘧啶)
N
N H
6-氨基嘌呤 (腺嘌呤)
4 5
PhCO
6 7
N3
1
2
2-氨基-5-苯甲酰基苯并咪睉
N H
NH 2
SO3H
5
4
6
3
7
2
8 N1
成六电子五原子的共轭体系，
与苯的电子六电子六原子结构
N
相比，吡咯环上的电子云密度
高。 N原子上的电子云密度降
H
低。
N
吡啶的结构
② 吡啶环的N原子也是SP2杂化， N原子的P 轨道与碳上P轨道 形成六电子六原子的共轭体， N原子上未成键的孤对电子 在SP2杂化轨道上，未参与共 轭为N原子所独有，N原子上 的电子云密度较高。与苯环 相比，由于N原子的电负性 较大，故吡啶环上的电子云 密度较苯环上的电子云密度 低。
O
N
Which of the following has the strongest basicity in water?
A.乙 酰 胺
B. 二 乙 胺
C. 氨
D. 苯 胺
E. 丁 二 酰 亚 胺
下 列 化 合 物 与 苯 磺 酰 氯 反 应 所 生 成 NaO的H 产 物 能
A. 乙 胺
B. 二 乙 胺 C. N-甲 基 苯 胺
六 员
N
N
杂 环
N
N
pyridine pyrimidine
N
pyrazine
O
pyran
稠
N
杂 quinoline
环
N H
indole
N
iso-quinnoline
1N 6
5
7 N
8
2
N 3
4
N9 H
purine
2 .命名
⑴、译音加口旁。 ⑵、编号：首先从杂原子开始，若含2个 或2个以上杂原子编号的优先顺序为 O→S→NH→N 。 ⑶、嘌呤的特殊编号。
Cl
NH2
+2NH3180∽200℃
N
+NH4Cl
N
N
+H2O Br
NaOH 回流
+NaBr
N OH
+ PhLi
N
+Li H
N
Ph
+ NaNH2 NH3
N
N
NH 2
4、氧化： 吡啶比苯还难被氧化
CH3 KMnO 4
COOH
N
H+
N
β-吡啶甲酸
SeO2
N
CH3
N
CHO
KMnO4 H+ N
COOH COOH
CHO -H2O
H
NH 2
OH CHO
O
NH 2
FeCl3,ZnCl2
+ H2C=HCCCH3 PhNO2,
OH
OH
CH2OH
OH
NH2 +CHOH + CH2OH
NO 2 H2SO4
N CH3
N
CHO +
NH2 Michael addition
OH
H+ Nucleophilic addition
OH
N OH
微溶
(四)重要的杂环化合物：
吡咯衍生物：叶绿素、血红素、VB12等，都 含有卟吩环的基本骨架。卟吩环由4个吡咯环的 α-C通过次甲基（-CH=）相连而成的共轭体系， 显示芳香性。
N HN
NH N
卟吩
CH CH2
H3C
H3C HOOCH2CH2C
NN
Fe NN
CH3 CH CH2
CH3 CH2CH2COOH
5 °C
吡啶
O
N H
NO2
+ Ac2O N H
N C-CH3 H
H2SO4 SO3
SO3H
N 230° C ,24h N
KNO3+H2SO4
NO2
Fe 350° C
N
N
Br2
Br
300° C
N
N
取代位置：发生在电子云密度高的位置即：
吡咯发生在α(邻)-位
吡啶发生在β(间)-位。
机制: E+进攻吡咯α(邻)-位的共振式（三种）：
HOOC
KMnO4 N H+
N
可见：电子云密度较高的环较易被氧化。
NO 2
H2O2/AcOH or CH3CO3H
N
PCl3 N CHCl3,
H2/Ni or Fe/H+ N
混酸
+
+
N
N
O-
O-
NO 2
NH 2
对于氧化剂环的稳定性顺序为：
＞
N
＞五员杂环
而当氢化时吡啶比苯容易：
Na + C2H5OH
D . 四 氢 吡 咯 E. 六 氢 吡 啶
补充： 喹啉的合成（Shraup合成法 ）
NH2 CH2OH
+ CHOH
+
CH2OH
反应过程：
NO2 H2SO4 FeSO4
+
N
1、甘油醛脱水生成丙烯醛：
H
HO
conc. H2SO4
+
OH
HO
OH
-H2O
HO
OH
OH 2
HO
CHO conc. H2SO4 H2O+
+
H
NE
H N +E
+
H NE
+H E
N
N+
H E
（极不稳定）
H +N E
+ E+
N
HE +
N
HE
N+
（极不稳定）
HE +
N
结论： α位和γ 位都有极不稳定的共振式，而β位
进攻则没有，因此吡啶的亲电取代反应发生在 β位上。
3 、吡啶亲核取代反应
吡啶环是一个“缺π电子”体系。当吡啶2-位 (或4-位)具有优良的离去基团(如卤素)时，较 弱的亲核试剂(如：NH3、H2O等)就能反应。
N
H+
H
NO 2
N
+
H
N
O
N H
OH 2 H
N H NH 2
吲哚的合成（Fischer-indol synthesis)
+ CH3COCOOH
NHNH 2
COOH -CO2
N
250℃
H
H3C COOH
N NH
PCl3
N H
+ CH3COCH3
NHNH 2
+ CH3CH2CHO
NHNH 2
H3C CH3 ZnCl2
OH
8-羟基-喹啉-5-磺酸
O
CH3
H3C
1
N
6
5
N7
2
8
O
3
N
4 N9
CH3 1,3,7-三甲基嘌呤-2,6-二酮
1H-吲哚
N H
3H-吲哚
N
2H-吡咯
N
N
N
N
N H
9H-嘌呤
N
1H-吡咯
H
H
N
N
N
N
7H-嘌呤
二、结构
(一) 吡咯和吡啶的结构：
① 吡咯环上N原子采取SP2杂化,P
轨道一对电子参与P-π共轭，形
N NH 180℃
CH3 CH3 Zn C l2
NH N 180℃
CH3 N H
N
CH3
H