杂环化合物和生物碱

H H
H
H N
H
2P1
吡啶 N：sp2
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在五元杂环化合物中，由于杂原子2p轨道 上的孤电子对与4个碳原子的2p轨道形成共轭 体系，电子离域的结果使环上碳原子周围电 子密度增加，大大超过苯环。其中呋喃和噻吩 杂原子的+C效应部分抵消了-I效应，从而使偶 极矩数值明显下降。而吡咯杂原子的+C效应大 于-I效应。
N
N
O CCH3
H
H
(CH3CO)2O
S
SnCl4
O
呋喃 (furan)
S
N
噻吩
H
(thiophene)
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吡咯 (pyrrole)
N3
1
N
H
咪唑 (imidazole)
N3
N
吡啶 (pyridine)
N
1
嘧啶 (pyrimidine)
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4
5
3
6 7
12
N
H
吲哚(indole)
5 6
4
3
7
8
2
N
1
喹啉(quinoline)
O
O
N
O
H
本章主要讨论具有芳香性的杂环化合物， 这类化合物属于芳香族。
芳香烃 芳香族
苯系芳烃 非苯系芳烃
杂环化合物
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§11-1 杂环化合物的分类、命名和结构
一、分类
五元环
单环
O
六元环
N
稠环
N
N
NN
N
H
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二、命名 1.环的名称及成环原子的编号
杂环化合物多采用音译命名法，即将其 英文名称译成同音汉字，并用“口”字旁作为 杂环的标志。重要的杂环化合物结构和音译名 列举如下：
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CH3COONO2
S (CH3CO)2O,-10℃
S NO2
HNO3/H2SO4 300℃
N
NO2 N
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(3)磺化 五元杂环化合物中的吡咯和呋喃 的磺化反应常用C6H5N+—SO3为试剂。遇浓硫 酸不发生质子化反应的噻吩，可在室温下直接 与浓硫酸进行磺化反应。利用该性质能分离苯 中所含的少量噻吩。
6
1N
5 N7
2
N
3
4
N9
8
H
嘌呤 (purine)
5
4
6
3
7 8
N 2 1
异喹啉(isoquinoline)
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2.成环原子的编号 (1)环上若有一个杂原子，则以杂原子的 位次为最小，在此基础上再使带有取代基的碳 原子位次尽可能小。 (2)环上若有一个以上相同的杂原子，则从 连有取代基或氢原子的杂原子开始编号，并使 所有杂原子的位次总和为最小。 (3)环上若有一个以上不相同的杂原子，则 按O→S→N的次序编号，并使所有杂原子的编 号尽可能小。
苯，其共轭能（kJ/mol)数据如下：
苯
噻吩
吡咯
呋喃
150.6 117.5
90.4
66.9
从共轭能的大小可以看出，三种五元杂环化合
物的稳定性次序为： 苯 > 噻吩 > 吡咯 > 呋喃
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(2)六元杂环化合物 吡啶的结构也符合休 克尔规则，和以上三种五元杂环化合物类似， 也有一定程度的芳香性和较高的热力学稳定性。 但氮原子上电子的排布与吡咯不同，孤电子对 处于sp2杂化轨道，没有参与共轭。
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三个五元杂环化合物在水中的溶解度均 小于吡啶，这是因为它们的孤电子对参与了 共轭，杂原子的电子密度降低。
二、化学性质 1.亲电取代反应 (1)卤代
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Br
Br
Br2
乙醇，0℃ Br N Br
N
H
H
I
I
I2
NaOH
INI
H
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Br2
O 二氧六环, 0℃
Br2
S 乙酸，室温
Br2
300 ℃
N
O Br
S Br
Br N
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(2)硝化 五元杂环化合物进行硝化反应时， 常用的硝化试剂是硝酸乙酰基酯： CH3COONO2
CH3COONO2 -30 ~ -5℃
O
O NO2
CH3COONO2 , NaOH
N (CH3CO)2O, 5℃ H
N NO2 H
同时， 杂原子的+C效应又使共轭体系内部 两个位（杂原子的邻位）的电子密度高于两 个位（杂原子的间位），因而亲电取代反应 优先发生在两个位。
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在六元杂环化合物中，由于电负性大的氮 原子的孤电子对没有参与共轭，因而- C 和-I 效应的叠加（二者方向一致），使环上碳原子 周围电子密度大大减小，低于苯环。共轭体系 内部电子密度极性交替的结果，又使氮原子的 邻对位电子密度下降的更为明显，亲电取代反 应一般发生在间位（ 位）。
C5H5N+ SO3
O C2H4Cl2 室温 O SO3H
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H2SO4
室温
S
S SO3H
C5H5N+ SO3
N
100℃
H
N SO3H H
H2SO4
350℃
N
SO3H N
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(4)酰基化（吡啶不能发生傅—克酰基化反应）
(CH3CO)2O
O
SnCl4
O
O Hale Waihona Puke BaiduCH3
(CH3CO)2O
(2)以杂环为取代基
O CHO
2-呋喃甲醛
O2N O CHO
5-硝基-2-呋喃甲醛
CH3
CH2COOH
N COOH
4-甲基-2-吡啶甲酸
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N H 3-吲哚乙酸
三、杂环化合物的结构
H
H
O
H
H
2P2
呋喃 O：sp2
H H
H
S
3P2
H
噻吩 S：sp2
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H H
H
NH H
2P2
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2.命名 类似于芳香烃 (1)以杂环为母体
H3C O CH3
2,5-二甲基呋喃
N CH3
1-甲基吡咯
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NH2
OH
N
N
HO N
4-氨基-2-羟基嘧啶 （胞嘧啶）
HO N
2,4-二羟基嘧啶 （尿嘧啶）
OH N HO N
CH3
5-甲基-2,4-二羟基嘧啶 （胸腺嘧啶）
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亲电取代反应的活性次序： 吡咯 > 呋喃 > 噻吩 > 苯 > 吡啶
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§11-2 杂环化合物的性质
一、物理性质 五元和六元杂环结构上的差异，使它们在
物理性质上也有很大的区别。 上述四种化合物中，吡啶的极性最大，
且氮原子没有参与成键的孤电子对不仅能与 水形成氢键，还能与一些金属离子形成配位 键。所以，吡啶与水能以任何比例互溶，又 能溶解大多数极性和非极性有机物（例如乙 醇和乙醚），甚至能溶解某些无机盐类。
吡咯 N：sp2
1.结构与芳香性 (1)五元杂环化合物 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 的芳香性和较高的热力学稳定性。
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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，芳香性比苯小。热力学稳定性也小于