17杂环化合物概要
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有机化学第十七章 杂环化合物
N Na+
N MgI
呋喃、噻吩、吡咯的制备
Paal–Knorr (帕尔－克诺尔) 合成法
γ –二羰基化合物 酸催化下脱水
或与氨或硫化物作用
TsOH 甲苯,△
H 3C H 3C H 3C
O S N H
CH3 CH3 CH3
H 3C
O O
CH3
P2S5 170℃ NH3 甲苯,△
CHO (C5H8O4)n H+,H2O (CHOH)3 CH2OH HCl /△ －3H2O O CHO
O O
NO2
Ac2O + HNO3 S
+ CH3COONO2
0C
Ac2O -10 C
o
o
S
NO2
N H
N
NO2
H
(2) 磺化
吡咯、呋喃通常采用吡啶与SO3的加合物：
N + SO3 N ·SO3
N H
+ N ·SO3
100℃
SO3 · N H 吡咯－2－磺酸吡啶盐 (90％) N
HCl N H
SO3 H
∴ 芳香性的大小顺序： 苯 > 噻吩 > 吡咯 > 呋喃
二、重要化学性质
1、亲电取代均易于苯 亲电取代反应活性顺序：
> N H O > S >
低温、弱亲电试剂
呋喃、吡咯遇酸或氧化剂容易开环或聚合。 苯及五元芳杂环的电子云密度：
0 0 0 0 0 0 -0.02 -0.03 -0.04 -0.08 -0.06 -0.10
※
吡啶 pyridine
N
生物碱一般是指从动植物中得来的、具有碱 性的、有强烈生理作用的一类有机含氮化合物：
17杂环化合物
吸电子诱导-I：O(3.5) > N(3.0) > S(2.6)， 供电子共轭+C：N > O > S
结论：贡献电子N最多，O其次，S最少。 b 、亲电取代反应的活性为：吡咯>呋喃>噻吩>苯； 亲电取代反应主要在a-位发生；若a、a'两个位置已有基团 存在，则亲电取代在b位发生。 结论：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；吡咯、呋喃对酸及氧 化剂比较敏感； 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。
p电子密度： 稳定性 ： 芳香性 ： 亲电反应活性 ：
杂环 杂环 杂环 杂环
＞ ＜ ＜ ＞
苯环 苯环 苯环 苯环
２、 呋喃、吡咯、噻吩的物理性质
(1)主要物理性质和鉴别:
三者均为无色液体，都不溶于水，溶于有机溶剂。
呋喃遇到盐酸浸湿的松木片呈绿色---松木片反应； O 吡咯遇到盐酸浸湿的松木片呈红色； 噻吩在硫酸下遇到吲哚醌呈蓝色。 红外光谱：
N CH3 CH3
CH3 CH3
CH2CH2CONH 2 N N CH3 CH3
维生素B12
CH3
O CH2OH
H
7、 噻唑和咪唑
S
噻唑
N
N H
N
（thiazole）
（imidazole） 咪唑
2 1 α 3 4
CH CH3
CH2
CH3 CH CH2
NH
δ
N
β
N Fe
N
N
8 7 γ
HN
5 6
CH3
N
结论：贡献电子N最多，O其次，S最少。 b 、亲电取代反应的活性为：吡咯>呋喃>噻吩>苯； 亲电取代反应主要在a-位发生；若a、a'两个位置已有基团 存在，则亲电取代在b位发生。 结论：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；吡咯、呋喃对酸及氧 化剂比较敏感； 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。
p电子密度： 稳定性 ： 芳香性 ： 亲电反应活性 ：
杂环 杂环 杂环 杂环
＞ ＜ ＜ ＞
苯环 苯环 苯环 苯环
２、 呋喃、吡咯、噻吩的物理性质
(1)主要物理性质和鉴别:
三者均为无色液体，都不溶于水，溶于有机溶剂。
呋喃遇到盐酸浸湿的松木片呈绿色---松木片反应； O 吡咯遇到盐酸浸湿的松木片呈红色； 噻吩在硫酸下遇到吲哚醌呈蓝色。 红外光谱：
N CH3 CH3
CH3 CH3
CH2CH2CONH 2 N N CH3 CH3
维生素B12
CH3
O CH2OH
H
7、 噻唑和咪唑
S
噻唑
N
N H
N
（thiazole）
（imidazole） 咪唑
2 1 α 3 4
CH CH3
CH2
CH3 CH CH2
NH
δ
N
β
N Fe
N
N
8 7 γ
HN
5 6
CH3
N
17 杂环化合物
3．还原：
O
Na，EtOH
25℃ 加压
O
H2/Pt
CH3CO O H
CH3CH2CH2OH
N H
N H
Zn，乙酸
S
H2/Pt
S
乙酸
+
S
N H
Sn + HCl
或 Na + EtOH
N
或 Na + EtOH
N
N
N H
4．吡咯的弱酸性和吡碇的弱碱性 弱酸性
N H
KOH △
N- K+
C6H5COCl 甲苯 110℃
1. 亲电取代反应
碘代
§17—2 呋喃、噻吩、吡咯、吡啶
I N H I
从偶极矩来看，N的供电性强，使吡咯上 C原子电子云密度增加的多。极易取代 。
I I
N H
95% H2SO4
25℃
亲电取代反应小结：
S 噻吩-2-磺酸
COCH3
300
SO3H
a.亲电取代反应的活性 吡咯 ＞呋喃＞噻吩＞＞苯 溴化相对速度3*1018 6*1011 5*1011 1
§17—3 重要杂环化合物
2. 叶酸
维生素B2
叶酸是水溶性的B族维生素 ， 体内缺乏叶酸，容 易导致生 理功能低下及某些疾病如巨 幼红细胞贫血症、胃肠功能 紊乱、智力退化及神经管畸 形新生儿的发生。
21
九、生物碱
§17—4 生物碱
存在于生物体内的结构复杂并具有很强生理作用的含氮碱性有 机物。由于它们主要存在于植物中，也常叫植物碱。
存在于米糠、麦麸、瘦肉、绿 叶、花生、豆类、酵母等，是 维持糖的正常代谢必需的物质， 体内缺乏维生素B1可引起多发 性神经炎、脚气病及食欲不振 等。
第十七章 杂环化合物
3 2
苯并呋喃 (benzofuran)
苯并吡咯 苯并噻吩 (benzothiophene) 吲哚 (indole)
六元杂环化合物的命名
γ 4 5 6 N 1 3β 2α 5 6 O 1 γ 4 3β 2α
5 6 O 1 O 4 3 2
5 6 O 1
4 3 2 O
吡啶(pyridine)
4 5 6 N 1 3 N2
1. 亲电取代反应-----概述（P562）
*1 呋喃、噻吩、吡咯都比苯容易发生亲电取代反
应，取代主要发生在α位。活性顺序为：
N H
>
O
>
E N H H
E H
S
>
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
第十七章 杂环化合物
杂环化合物是指由碳原子和氧、硫、氮等杂
原子共同组成的，具有环状结构的化合物。
本章所要讨论的杂环化合物主要是环系比较 稳定，具有一定芳香性的化合物。 环醚、内酯、内酐和内酰胺等，不属杂环化 合物。
第一节 杂环化合物的分类和命名 第二节 五元杂环化合物 第三节 六元杂环化合物
第一节 杂环化合物的分类和命名
偏旁的同音汉字来命名。
五元杂环
N O S N H N H S N
1.译音法
呋喃 噻吩 吡咯 (furan) (thiophene) (pyrrole) 五元杂环苯并体系
4 5 6 7 O 1 3 2 5 6 7 4
第十七章 杂环化合物
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
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
杂环化合物及其应-概述
叶绿素是叶绿素a和叶绿素b的混合物（a:b=3:1），叶
绿素a是蓝色结晶，m.p.150-153℃，其乙醇溶液为蓝
02
绿色，并有深红色荧光。叶绿素b是深绿色粉末，
m.p.120-130℃，其乙醇溶液为黄色或蓝绿色，并有
红色荧光。二者都有旋光性。
1940年汉斯-费歇尔提出其结构，1960年伍德沃德 （Woodward）等完成了叶绿素a的全合成。
早在1926年应发现动物的肝可以医治恶性贫血，生物化学家便开始对肝中的 有效成分进行研究，但由于肝中含量太少，且在提纯过程中又易分解，所以长时 间没有什么进展。直至1948年才分离得到了纯的暗红色的维生素B12 结晶，自此 关于其结构又成为有机化学的研究对象之一。
1954年用X射线衍射法才确定上述维生素B12 的结构式。 1972年，经过近百名科学工作者的努力才完成其全合成。 维生素B12 的发现、提取至全合成，是医学、生物化学、无机化学、有机化学、 生理学乃至物理学多学科共同配合，共同努力的结果。
原子编起; • 环上有不同杂原子时，按O、S、N的顺序选择起编点; 1) 环上只有一个杂原子时，编号可以希腊字母α、β、γ表示；
43
5
N2
O1
43
5
N2
S1
43
5
N H
N 1
2
β4
3β 4
N3 4
N3
α5
1
N
2α
H
isoxazole 吡咯
异噁唑 γ
β α N
5 12
N
H
5
2
S
1
i咪 so唑 thiazole异噻噻唑 唑
O OC
O OCH3
OCH3 OCH3
第17章 杂环化合物
平面结构 一个闭合的共轭体系 符合休克尔4n+2规则
具有芳香性。
21
2、 吡啶的性质 １）弱碱性 （pKb=8.8） 碱性: 仲胺＞伯胺＞叔胺＞氨＞吡啶＞苯胺＞吡咯
+ HCl N + SO3 CH2Cl2 室温 N HCl NH3 N 此反应常用于 在反应中吸收 生成的气态酸
N
N SO3 (90%) 吡啶三氧化硫络合物 是常用的缓和磺化剂
HNO3,H2 SO4
NO2 + NO2 N H 17%
NO2 S NO2
(86%) +
S
（14%）
S
14
（3）磺化 吡咯和呋喃也不能用硫酸直接磺化，要用温和的 非质子磺化试剂。
+ N H
N SO3
+
100oC
HCl N H SO3H (90%)
N · SO 3
N H
100℃
N H
SO3
-
HCl
N H
S
Cl2
50℃
S
Cl
（36%）
I2,HgO
C6H6, 0℃
S
I
（70%）
吡咯极易卤化生成四卤吡咯。
13
（2）硝化 呋喃和吡咯很易被氧化，遇无机酸容易发生聚合， 因而不能用硝酸硝化。通常用比较温和的非质子硝化试 剂，如用硝酸乙酰酯 。
O N H + CH3CONO2 Ac2O 5oC N H 83%
N H
进攻2位 E+ N H 进攻3位 N H
+ +
H N H E H H
....
H H N H
+
....
亲电取代主要发生在杂环3位
有机化学 第十七章杂环化合物
N
N
sp3 H sp2
CH3 C≡N
sp
如果用非质子的硝化试剂、磺化试剂，或用卤素、卤 代烷、酰氯与吡啶环进行反应，也将形成相应的吡啶盐：
+
N
Br+
Br
Br2 / CCl4
+
N
I
C H3I
N
CH3
+
N
Cl
Ph C O C l 石油醚
PhCO
HCl
+
N Cl
H
NO2+BF4 Et 2O
+
N
BF4
SO3 C H2C l2
N NHNa
N NH2
N OCH3
CH3O Na NaOH ,
NH3 , ZnCl2
N Cl
220℃
Br Br
N
NH3 , H2O 160℃
NH2 Br
N
N NH2
4、 氧化与还原
CH3 KMnO 4 N
COOH
NH3
N 烟酸
CONH2
N 烟酰胺
Na, C2H5OH(无水) 或 H2/Ni, 25oC , 3大气压
环上的氢受离域电子环流的影响，其核磁共振信号
都出现在低场区。α- H 由于受杂原子吸电子诱导效 应的影响，其δ值较大。
δ 6.99
δ 7.18
S
δ 6.22
δ 6.68
N H
δ 6.24 δ 7.29
O
六元杂环化合物的结构
N
吡啶
C C
C
C N
C
π6 6
缺等电子体系
未参与共轭
sp2-N吸电子能力较sp2- C强, 故吡啶为缺电子体系.
17杂环化合物
N
N
CH3
二、亲电取代反应：发生在苯环上， ①与混酸反应生成5-硝基喹啉或8-硝基喹啉：
NO2 HNO3,H2SO4 N
0 oC
+
N NO2
N
②与发烟硫酸(90C)或浓硫酸(220C)反应，主要生成8-喹啉磺酸：
发烟H2SO 4
90
o
N
C SO 3H
N
三、亲核取代反应 发生在吡啶环，如与氨基钠反应生成2-氨基喹啉。
将糠醛蒸气与水气混合，在催化剂存在下加热：
ZnO- Cr2O3-MnO2 400 - 415 o C
+
H2O
+ CO2 + H2
O
CHO
O
二、 噻吩 亲电取代反应在较缓和的条件下进行.
1 噻吩的亲电取代反应
① 卤代
S
② 硝化
Br2 CH3COOH
Br S
CH3COONO2 S
经水解，又得到噻吩：
NO2 S
很好的溶剂，由于与氯化钙络合，常用氢氧化钾干燥。
亲电取代反应与硝基苯相似。 一、碱性(pKb = 8.8) 比苯胺(pKb = 9.3),吡咯(pKb = 13.4)强，但比脂肪胺及氨(甲胺 pKb = 3.36)弱：与盐酸生成吡啶盐酸盐，与硫酸生成吡啶硫酸盐， 碱化后生成吡啶：
+ + H2SO4 HSO4
Br Br2
300 o +
N
C
HBr
N
B： 磺化：硫酸，300 C,硫酸汞催化：
H2SO4,HgSO4 N
300 oC
SO3H
+
H2O
N
C：硝化：混酸，300 C：
有机化学杂环化合物
+ (C5H8O4)n
H2O
稀 H2SO4 加热
n C5H10O5 戊醛糖
HO CH CH OH H CH CH CHO OH OH
稀 H2SO4 －3 H2O
O CHO 糠醛
显色反应
下面的显色反应可用来定性检验糠醛：
NH2
+2
O CHO 糠醛
CH3COOH
- H2O
CHCHC OH来自NH CHCH N
..
.
.
. .. N . 未共用电子对占据
sp2杂化轨道，与
环共平面，不能参
与环系的共轭
吡啶的结构
吡啶和吡咯的结构比较
孤对电子在 p轨道上
孤对电子在sp2 杂化轨道上
17.2.2 呋喃、噻吩和吡咯和吡啶的性质
呋喃是无色液体，沸点32℃，具有类似氯仿的气 味，微溶于水，易溶于乙醇、 乙醚等有机溶剂。呋喃 能使盐酸浸过的松木片显绿色,此现象可检验呋喃的存 在。
物的英文读音，选用同音汉字，并以“口”字旁 表示杂环化合物。
O
S
N
H
呋喃 噻吩 吡咯 Furan thiophene pyrrole
N
吡啶 pyridine
N
N 喹啉 puinoline
S
噻唑 thiazole N
N H
咪唑 imidazole
N
吲哚 indole
环上有取代基的杂环化合物，命名时以杂环为
+ KOH (固 体)
N H
+ H2O
N K
吡啶环上的氮原子的一对未共用电子对处于 sp2杂化轨道上，它并不参与环上的共轭体系，因 此能与质子结合，具有弱碱性。
化工17杂环化合物
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：
> N H O
> S
>
亲电取代 (1)硝化
一般采用硝酸乙酰脂 CH3COONO2作硝化剂
S NO2 Ac2O–AcOH + CH3COONO2 NO2 + －0℃ S S 2–硝基噻吩(66%) 3–硝基噻吩(10%)
烟碱(尼古丁)
17.3.1 吡啶和嘧啶
（1）吡啶
吡啶也是一种典型芳香性杂环化合物， 具有和苯非常相似的骨架结构和π电子结构。 因N的电负性大于C，吡啶为缺π芳杂环， 亲电取代活性小于苯。 . .
.
. .
.
N
..
0.1
4 0n
m
δ 7. 55 δ 7.16 N δ 8. 52
34 0.1
nm
N
N 2.22D N H 1.17D
N
吡啶的碱性：
> N NH2 > N H
+ HCl N N Cl H
+ SO3 N SO N· 3
还原：
Ni 180℃
+ H2 N
N H
六氢吡啶 (哌啶)
有机碱催化剂、环氧树脂的固化剂
氧化：
吡啶与过氧化氢作用生成吡啶–N–氧化物：
NO2
H2O2,AcOH 65℃ HNO3,H2SO4 90℃ PCl3,CHCl3 △
亲电取代反应
π电子密度大
N
亲核取代反应
π电子密度小
亲电取代反应发生在π电子密度大的苯环上
NO2
浓 HNO3 浓H2SO4，o 0C
+
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：
> N H O
> S
>
亲电取代 (1)硝化
一般采用硝酸乙酰脂 CH3COONO2作硝化剂
S NO2 Ac2O–AcOH + CH3COONO2 NO2 + －0℃ S S 2–硝基噻吩(66%) 3–硝基噻吩(10%)
烟碱(尼古丁)
17.3.1 吡啶和嘧啶
（1）吡啶
吡啶也是一种典型芳香性杂环化合物， 具有和苯非常相似的骨架结构和π电子结构。 因N的电负性大于C，吡啶为缺π芳杂环， 亲电取代活性小于苯。 . .
.
. .
.
N
..
0.1
4 0n
m
δ 7. 55 δ 7.16 N δ 8. 52
34 0.1
nm
N
N 2.22D N H 1.17D
N
吡啶的碱性：
> N NH2 > N H
+ HCl N N Cl H
+ SO3 N SO N· 3
还原：
Ni 180℃
+ H2 N
N H
六氢吡啶 (哌啶)
有机碱催化剂、环氧树脂的固化剂
氧化：
吡啶与过氧化氢作用生成吡啶–N–氧化物：
NO2
H2O2,AcOH 65℃ HNO3,H2SO4 90℃ PCl3,CHCl3 △
亲电取代反应
π电子密度大
N
亲核取代反应
π电子密度小
亲电取代反应发生在π电子密度大的苯环上
NO2
浓 HNO3 浓H2SO4，o 0C
+
杂环化合物【2024版】
第十七章 杂环化合物
一 杂环化合物的简介
在环上含有杂原子（非碳原子）的有机物称为杂环化合物。
1 脂杂环 没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂环。
三元杂环
O (环氧乙烷)
H
N (氮杂环丙烷)
四元杂环 五元杂环 七元杂环
O
(β-丙内酯)
O
O
O
(β-丙内酰胺)
NH
O (顺丁烯二酸酐)
O
(氧杂 )
O
N H
(1H-氮杂 )
γ 4
5
3β
6 O 2α 1
吡喃(pyran)
5 6
4 3
7 8
N2 1
喹啉
(quinoline)
4
5
3
6
N2
N
1
哒嗪(pyridazine)
4
5
N3
6
2
N
1
嘧啶(pyrimidine)
4 5N3
6
2
N
1
吡嗪(pyrazine)
杂环并杂环
67
1N 5 N
8
2
N 3
4
N H
9
嘌呤(purine)
二. 呋喃、噻吩、吡咯的结构
>
N H
ห้องสมุดไป่ตู้
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。
一 杂环化合物的简介
在环上含有杂原子（非碳原子）的有机物称为杂环化合物。
1 脂杂环 没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂环。
三元杂环
O (环氧乙烷)
H
N (氮杂环丙烷)
四元杂环 五元杂环 七元杂环
O
(β-丙内酯)
O
O
O
(β-丙内酰胺)
NH
O (顺丁烯二酸酐)
O
(氧杂 )
O
N H
(1H-氮杂 )
γ 4
5
3β
6 O 2α 1
吡喃(pyran)
5 6
4 3
7 8
N2 1
喹啉
(quinoline)
4
5
3
6
N2
N
1
哒嗪(pyridazine)
4
5
N3
6
2
N
1
嘧啶(pyrimidine)
4 5N3
6
2
N
1
吡嗪(pyrazine)
杂环并杂环
67
1N 5 N
8
2
N 3
4
N H
9
嘌呤(purine)
二. 呋喃、噻吩、吡咯的结构
>
N H
ห้องสมุดไป่ตู้
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。
S-17杂环化合物课件
2
N1
喹啉
quinoline
5 6
4 3
7
N2
8
1
异喹 啉
isoquinoline
4
5
3
6 7
2
N1 H
吲哚
indole
O
苯 并呋喃 benzofuran
6
1N 5 N7
2
8
N3 4
N9 H
嘌呤
purine
8
9
1
7
2
6 5
3
N 10
4
吖啶
acridine
前面所讲的内酯、内酰胺、环氧乙烷等从结构上来看，也 属于杂环化合物，但其性质与同类的开链化合物相似。且 很容易开环形成链状化合物。
杂环化合物种类繁多，数量庞大，是有机化合物中数量最 大的一类。广泛存在于自然界中，很多在动植物体内起着 重要的生理作用。如：中草药的有效成分生物碱、血红素、 叶绿素、核酸的碱基等，都是含氮杂环化合物；为数不少 的维生素、抗生素以及一些植物色素和植物染料都含有杂 环；目前合成的杂环化合物也是为数众多，不少合成药物， 合成染料、新型高分子材料也含有杂环结构。在现代药物 中，杂环化合物占了相当大的比重。因此可以说：杂环化 合物在生命科学中占有重要地位；杂环化学是有机化学的 一个重要组成部分。
键长没有完全均匀化
N 0.1383nm
二. 化学性质
1.亲电取代反应
杂原子具有吸电诱导效应，又具有供电共轭效应。 吡咯中氮的供电共轭效应大于吸电诱导效应。
a. 亲电取代反应的活性
吡咯 ＞ 呋喃 ＞ 噻吩 ＞＞ 苯
溴化相对速度：3*1018 6*1011 5*1011
1
b. 亲电基团一般进入杂原子的邻位
第十七章 杂环化合物
第十七章 杂环化合物学习要求：1．掌握各类常见杂环化合物的结构和命名。
2．掌握呋喃、噻吩、吡咯、吡啶、吲哚、喹啉的化学性质。
3．认识核酸组成中的重要碱基——嘧啶、嘌呤；了解叶绿素、血红素等卟啉环化合 物；了解生物碱的有关知识。
杂环化合物是指组成环的原子中含有除碳以外的原子(杂原子——常见的是N 、O 、 S 等)的环状化合物。
杂环化合物不包括极易开环的含杂原子的环状化合物，例如：本章我们只讨论芳香族杂环化合物。
杂环化合物是一大类有机物，占已知有机物的三分之一。
杂环化合物在自然界分布 很广、功用很多。
例如，中草药的有效成分生物碱大多是杂环化合物；动植物体内起重 要生理作用的血红素、叶绿素、核酸的碱基都是含氮杂环；部分维生素，抗菌素；一些 植物色素、植物染料、合成染料都含有杂环。
§17.1 杂环化合物的分类和命名 分类 （略）NH O ,,,OO O O OO杂环化合物非芳香杂环芳杂环（符合休克尔规则的杂环）如如OO NH NN HO,…………,,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。
当环上有取代基时，取代基的位次从杂原子算起依次用1,2,3,… (或α,β,γ…)编号。
如杂环上不止一个杂原子时，则从O 、S 、N 顺序依次编号。
编号时杂原子的位次数字 之和应最小。
例见P 552§17.2 五元杂环化合物含一个杂原子的典型五元杂环化合物是呋喃、噻吩和吡咯。
含两个杂原子的有噻 唑、咪唑和吡唑。
本节重点讨论呋喃、噻吩和吡咯，简单介绍一下噻唑、咪唑和吡唑。
呋喃、噻吩、吡咯杂环的结构呋喃、噻吩、吡咯在结构上具有共同点，即构成环的五个原子都为sp 2杂化，故成环的五个原子处在同一平面，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，它们都具有芳香性。
N H O S N N N (pyrrole)(furan)(thiophene)(pyridine)(pyrimidine)NNN N H NN H (quinoline)(indole)(purine)吡咯呋喃噻吩吡啶嘧啶喹啉吲哚嘌呤OSN Π56π为共轭体系电子= 6符合4n + 2具有芳性富电子芳环呋喃、噻吩、吡咯的性质（一）存在与物理性质 P 554（二）光谱性质 P 554（三）化学性质1．亲电取代反应从结构上分析，五元杂环为Π56共轭体系，电荷密度比苯大，如以苯环上碳原子的电荷密度为标准（作为0），则五元杂环化合物的有效电荷分布为：五元杂环有芳香性，但其芳香性不如苯环，因环上的π电子云密度比苯环大，且分 布不匀，它们在亲电取代反应中的速率也比要苯快得多。
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-30 O C
2 - 硝 基 呋 喃
Organic Chemistry
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Br Br
+ B2r N
0C
Br
Br
N
H
H
2 , 3 , 4 , 5 - 四 溴 吡 咯
乙 醇 +C6H5N +2C - lH2O
N=N C6H5
N
C3H COONaN
H
H
吡 咯 偶 氮 苯
Organic Chemistry
• 70年代日本化学家预言了C60H60的存在，俄罗斯科学家 通过分子轨道理论也预言了碳多面体的存在。但是限于 当时的科学水平并没有得到重视。
Organic Chemistry
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➢ 1983年美德两国物理学家霍夫曼和克拉奇在研究星际尘埃 时，利用氦气氛中石墨电极放电的办法制造原子簇，并利 用紫外和拉曼光谱研究结构时发现了碳灰样品种的特殊吸 收未带深，入实研际究上。就是C60和C70的吸收，当时并未特别注意也
200 C
SO 3H N
Organic Chemistry
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3 、 S N 反 应
吡 啶 能 发 生 S N 反 应 ， 且 主 要 发 生 在 2 -位 。
+ NaN 2 H N
N(C3)2H
NH 2 N
2 - 氨 基 吡 啶
Organic Chemistry
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§15-4 稠杂环化合物
➢ 虽然物理学家首先发现了足球烯， 但是其后化学家们做了更多的工作。 一是进行修饰合成，一是开发材料 中的应用。在此不深入叙述。
Organic Chemistry
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含环状结构的药物
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N CH3 H
HO
O
OH
吗啡 M o rp h in e
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➢ 前述的霍夫曼和克拉奇在看到有关 C的了6实大0的验量报，制道证备以明的后了方重法C新6于0检的1查存991在09年8并3发做给表过出相 关文章。由于可以轻松的得到大量 样品从此掀起了研究热潮，陆续发 现了大量分子和碳纳米管、碳纳米 洋葱等不同分子量和不同形状的富 勒烯家族分子。其完美的对称性吸 引了人们的目光。
O N
O O
HO 可卡因 Cocaine
HNΒιβλιοθήκη 2OO苯佐卡因 B e n z o c a in e
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O
N HN
N 扑疟喹 Plasmoquine
HO
H2N
Cl
As As
胂凡钠明 Arsphenamine
Organic Chemistry
HN
N O
N
阿的平 Atebrine
NH2 OH
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O
N
N
ON N
咖啡因 C a ffe in e
Organic Chemistry
N
OH O
O 阿托品 A tro p in e
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O N
O
H2N
普鲁卡因
Procaine
H 3C
H
H 3C
N N
O
H
HO
N
O
安替比林 P henazone
奎宁 Q u in in e
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杂环化合物中含的杂原子主要是O、S、N。如果在杂 环上连有取代基时，需对构成杂环的原子编号，编号 时从原子开始编起。
54
CH 3 6
3 CH3
3 - 甲 N基 吡 啶 3 7, 8 H - 3二 C8 甲 N基 1 喹 2 啉 HO8-羟基喹N 啉
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H
RN
S
OO N
青霉素 Penicillin
COOH
HO
O
HN H NH2
O
S
N COOH
阿莫西林 Amoxicillin
O
HN H NH2
O
S N
氨苄西林 Am picillin
COOH
Organic Chemistry
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进人50年代后，药物在机体内的作用机理和代谢变 化逐步得到阐明，导致联系生理、生化效应和针对病因寻 找新药。例如利用潜效(Latentiation)和前药(Prodrug)概 念，设计能降低毒副作用和提高选择性的新化合物。 1952年发现治疗精神分裂症的氯丙嗪后，使精神神经疾 病的治疗，取得突破性的进展。
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二 、 呋 喃 甲 醛 （ 糠 醛 ）
呋喃甲醛又称糠醛，是 重要的五元杂环的衍生物， 可从植物糠皮、秸杆、玉米 芯中提取。它是重要的化工 原料。
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主 要 反 应
CH +H O 2CuO 2O 3 --Cr C2H O
其 反 应 活 性 顺 序 ： 吡 咯 呋 喃 噻 吩 苯
化 合 物 的 稳 定 性 顺 序 ： 苯 噻 吩 吡 咯 呋 喃
Organic Chemistry
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反 应 举 例 如 下 ：
O
O
+B2r
O
0C
Br+ HB O
2 - 溴 呋 喃
C3H COO 2 NO
N2O
O -5 C
O
O
- 呋 喃 甲 酸 O CHOKOM -H4nO O COOH
NaOH
2
CHO
CO+ ONC a2 O HH
O
O
O
NaOH
CH+O H 2C=O
C2O HH +HCOO
O
O
Organic Chemistry
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§15-3 六元杂环化合物
N
Organic Chemistry
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Organic Chemistry
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反式己烯雌酚两个羟基中氧原子间的距离与雌二醇分子 中两个氧原子间的空间长度一致，均为1.45 nm。反式己烯雌 酚具有较强的雌激素活性。顺式己烯雌酚两个氧原子间距离 较反式小(0.72nm)，活性很低, 顺试异构体的活性仅为反式的 十分之一。
Organic Chemistry
二十世纪30年代中期，1935年Domagk发现含有磺酰氨 基的偶氮染料百浪多息（Prontosil）对链球菌和葡萄球 菌有抑制作用，导致合成了许多磺胺类药物。
NH2
H2N
N=N
SO2NH2
百浪多息 Prontosil
H2N
SO2NH2
Organic Chemistry
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1929年英国细菌学家Fleming 发 现青霉素，1940年以后用于临床 ，在此之后，由于药物化学、酶 学、微生物学等学科的发展，许 多抗生素相继发现并应用于临床 ，新的抗生素、半合成青霉素、 头孢菌素的发展长兴不衰。
S
Cl
N
氯丙嗪 Chlorpromazine
N
Organic Chemistry
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Organic Chemistry
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化学名：1-甲基-4-苯基-4-哌啶甲酸乙酯盐酸盐。又名度冷丁(Dolantin)； 盐酸唛啶(Meperidine Hydrochloride)。
化学名：6-二甲氨基-4,4-二苯基-3-庚酮盐酸盐 美沙酮为μ激动剂，临床用 其外消旋体，但仅左旋体有效，镇痛作用与吗啡相当，也用作戒毒药。
➢ 1984年美国另一个天体物理研究小组用激光器照射石墨并 用的质是谱这仪个研小究组产只物看时实也验发数现据了不愿C6意0和深C入70两分个析特和征研峰究，，遗错憾过 了这一重大的发现。
➢ 1984年美国化学家莫利和英国物理学家克罗托合作用类似 的这方个法怪实现验象再，次开得始到推了测为C6什0和么C可70，以然稳而定他存们在没，有其轻结易构放应过该 是什么。最终从美国建筑大师富勒设计的圆顶建筑中得到 启发给出了初步的模型，当克罗托向美国数学家维奇描述 这种结构时，维奇说这是一个足球。所以后来有了富勒烯 和足球烯两种名字。
代 表 化 合 物 ： 喹 啉 和 吲 哚
一 、 喹 啉
N
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1 、 S E 反 应
喹啉能发生SE 反应， 但活性不如苯，主要发生在 苯环的5-位和8-位上。
Organic Chemistry
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NO 2
0C
+
N
N
NO 2
Br
Br 2 + H 2SO 4
吡 啶 发 生 S E反 应 的 活 性 不 如 苯 ， 且 主 要 发 生 在 3 -位 。
（ 3 - 氯 吡 啶 ）
+Cl2 AlC3l
Cl
100 C
N
N
（ 3 - 硝 基 吡 啶 ） +浓HN3O浓 H 320S0O4 C
NO 2
（ 吡 啶 - 3 - 磺 酸 ） N N
+ N
HgS4O H2SO 4
O有rg芳ani香c C性hemistry
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富勒烯族的光辉
• 有机化学的建立和成就使得人们对于炭元素的认识达到 了一个特别地高度，炭单质的三种形态，金刚石、石墨、 无定形炭似乎已经是人们在自然界中所能找到的和制备 的唯一三种形态了。而在1985年C60分子的发现再一次创 造了奇迹。