第14章 杂环化合物
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第十四章杂环化合物
吡啶结构 示意图
2 性质 （1）具有一定的芳香性，但不及苯强。这是由 于氮原子的电负性比碳原子大, 使得吡啶环上的 碳原子电子云密度较苯低, 氮原子附近电子云密 度较大,电子云密度分布没有苯环均匀。亲电取 代反应比苯困难，取代基主要进入氮原子的β位 反应比苯难。
是由于吡啶环上氮原子的吸电子作用使得环上
(Ⅰ) 9H -嘌呤
(Ⅱ) 7H -嘌呤
嘌呤本身在自然界中不存在, 但它的衍生物广泛 分布于动植物中, 其中腺嘌呤(adenine)和鸟嘌呤 (guanine)是嘌呤的两个重要衍生物，均为核酸的 碱基。
腺嘌呤(A)
鸟嘌呤(G)
次黄嘌呤、黄嘌呤和尿酸是腺嘌呤与鸟嘌呤在体
内的代谢产物，均为嘌呤的衍生物, 存在于哺乳
吡啶较苯易被还原, 用金属钠和乙醇或催化加氢, 均可使吡啶还原成六氢吡啶。
六氢吡啶又称哌啶(pKb=2.8), 是仲胺化合物, 碱性 较吡啶强106倍 二．嘧啶及其衍生物 嘧啶是含有两个氮原子的六元杂环。无色固体, 熔点为22℃，易溶于水，也具有弱碱性，亲电取 代反应也较困难。
嘧啶的衍生物在自然界分布很广, 它可单独存在
3） 当杂环上有取代基时, 先将取代基的名称放 在杂环基本名称的前面，并把主体环的位号写 在取代基的名称前面，以表示取代基在主体环 上的位置。
2 -甲基呋喃 3-乙基吡啶 4-丙基吡啶
4） 对于一些简单的稠杂环化合物，可直接采 用音译法命名并有其固定的编号
喹啉 异喹啉
吲哚
吖啶
嘌呤
5） 当环上只有一个杂原子时, 有时以希腊字 母α、β、γ编号, 靠近杂原子的碳原子为α-位, 其次为β-、γ-位
或与其它环系稠合存在于维生素、生物碱及蛋白 质中, 许多合成的药物也含有嘧啶结构。在核酸 的组成中, 包括有胞嘧啶(cytosine)、尿嘧啶(uracil) 和胸腺嘧啶(thymine)等。
2 性质 （1）具有一定的芳香性，但不及苯强。这是由 于氮原子的电负性比碳原子大, 使得吡啶环上的 碳原子电子云密度较苯低, 氮原子附近电子云密 度较大,电子云密度分布没有苯环均匀。亲电取 代反应比苯困难，取代基主要进入氮原子的β位 反应比苯难。
是由于吡啶环上氮原子的吸电子作用使得环上
(Ⅰ) 9H -嘌呤
(Ⅱ) 7H -嘌呤
嘌呤本身在自然界中不存在, 但它的衍生物广泛 分布于动植物中, 其中腺嘌呤(adenine)和鸟嘌呤 (guanine)是嘌呤的两个重要衍生物，均为核酸的 碱基。
腺嘌呤(A)
鸟嘌呤(G)
次黄嘌呤、黄嘌呤和尿酸是腺嘌呤与鸟嘌呤在体
内的代谢产物，均为嘌呤的衍生物, 存在于哺乳
吡啶较苯易被还原, 用金属钠和乙醇或催化加氢, 均可使吡啶还原成六氢吡啶。
六氢吡啶又称哌啶(pKb=2.8), 是仲胺化合物, 碱性 较吡啶强106倍 二．嘧啶及其衍生物 嘧啶是含有两个氮原子的六元杂环。无色固体, 熔点为22℃，易溶于水，也具有弱碱性，亲电取 代反应也较困难。
嘧啶的衍生物在自然界分布很广, 它可单独存在
3） 当杂环上有取代基时, 先将取代基的名称放 在杂环基本名称的前面，并把主体环的位号写 在取代基的名称前面，以表示取代基在主体环 上的位置。
2 -甲基呋喃 3-乙基吡啶 4-丙基吡啶
4） 对于一些简单的稠杂环化合物，可直接采 用音译法命名并有其固定的编号
喹啉 异喹啉
吲哚
吖啶
嘌呤
5） 当环上只有一个杂原子时, 有时以希腊字 母α、β、γ编号, 靠近杂原子的碳原子为α-位, 其次为β-、γ-位
或与其它环系稠合存在于维生素、生物碱及蛋白 质中, 许多合成的药物也含有嘧啶结构。在核酸 的组成中, 包括有胞嘧啶(cytosine)、尿嘧啶(uracil) 和胸腺嘧啶(thymine)等。
第十四章杂环化合物
C O O OCH3
CH3
CH3
R'=(CH3)2CHCH2CH2(CH2CHCH2CH2)CH2C=C CH2
O S H3C N H O O CH3
R
OH H3C H3C CH3 CH3 OH O
Epothilone A(R=H)； B(R=CH3)
1993年发现的一种高效抗癌物质
14.1 杂环的分类和命名 14.1.1 分类
o
Br
Br2
Br +
Br
（c ）卤化
N
300 C
o
N
N
（d）还原 吡啶可被催化加氢为六氢吡啶（哌 啶）。六氢吡啶的碱性（PKb=2.7）与一般脂肪族 仲胺相近。
+ 3H2 N Ni 180C
o
N H
5 、 吡啶环上的亲核取代
NaNH2 N
N H2O NHNa
N
NH2
C6H5Li N
N C6H5
吡啶2-和4-位上甲基具有酸性（类羟醛缩合）。
路易斯酸
SO3 N CH2Cl2,室温 N
SO3 N
SO3
N SO3 HCl O ClCH2CH2Cl,1000C O SO3 N H O SO3H (41%)
吡啶是良好的亲核试剂，与卤代烷、酰卤等反应 形成吡啶盐，都是很好的固体，有芳香性（反应时并 未破坏它的环状封闭共轭体系），是活性强而温和的 硝化、磺化、烷基化或酰基化试剂。
2 1
N
5
3 4
9 8
N
7
1,3,5-三嗪 1,3,5-triazine
酞嗪 Phthalazine
6
1,10-菲咯啉
1,10phenanthroline
第14章杂环化合物
+N N N H
SO3H
NN N H
SO3H
呋喃和噻吩不能偶联，说明吡咯环电子密度高。
（三）吡咯的重要衍生物(P.306)
与生命有着密切关系的两大色素：叶绿素和血红 素，以及维生素B12都含有卟吩环。
NH N N HN
卟吩(porphine)
卟吩(porphine)是由4个吡咯环的α碳原子通过次甲基 （-CH=）相连而成的复杂的共轭体系，成环的原子 共平面，有26个π电子，符合4n+2的规则，有芳香性， 其取代物则称为卟啉（porphyrin）。
O 1 CH3
2-甲基呋喃 （α -甲基呋喃） (2-methylfuran)
N S CH3
5-甲基噻唑 5-methylthiazole
H3C N
N H
4-甲基咪唑 4-methylimidazole
3. 稠杂环的命名
对于稠杂环则有固定的编号顺序，通常是从一端开始，
依次编号，公用的碳原子一般不编号，并尽可能使杂原
1. 吡咯、呋喃和噻吩的结构 结构特点：
杂原子上的孤对电子，参与闭合的共轭体系。 π电子数为6，具有一定的芳香性，芳香性比 苯差。
芳香性： 苯> 噻吩 > 吡咯 > 呋喃 共振能： 150.6 121.3 87.8 66.9 （kJ·mol-1）
亲电取代活性比苯大， 且α位比β位活泼。
1. 吡咯、呋喃和噻吩的结构
N
S 噻吩
N
N H 咪唑
HC
N3 C H
N1 H
C H
S和仲N原子上的孤对电子处于P轨道，参与共轭; 叔N原子的孤电子对处于SP2杂化轨道，未参与共轭。
水溶性比相应单杂环高。
本科五年制基础有机化学第14章杂环化合物
第14章 杂环化合物
杂环化合物的定义
在环状化合物中，构成环的原子除碳原子 外还含有非碳原子的化合物
杂原子：（O、S、N） 下列化合物不被划归为杂环化合物
O
O CH2 C O
CH3
O
O
CH2 C
O O CH3
OO
O
易开环，性质与链状相似，不划归入杂环
一、分类和命名 1. 五元杂环
吡咯
N H
H3C OH H N
HO
H3C O
COOH
2. 功能 参与辅酶A的形成，是酶的转酰基辅因子。
轻度缺乏可致疲乏、食欲差、消化不良等。 重度缺乏可致肌肉协调性差; 肌肉及胃肠 痉挛等
3. 来源 肉类、动物肾脏与心脏、谷类、麦芽、
绿叶蔬菜、啤酒酵母、坚果、糖蜜等
（五）维生素B6
1. 结构
CH2OH
CHO
痛、皮疹
3. 来源 动物性食品：肝、蛋黄、奶油 植物性食品：类胡萝卜素（维生素A原 — 本
身不具有VA活性，但在体内可转变为VA的物质）
（二）维生素E（生育酚）
1. 结构
CH3 HO
-生育酚
H3C
O CH3
CH3
CH3
CH3
2. 功能
CH3 CH3
参与多种酶活动，维持和促进生殖机能 天然抗氧化剂、抗衰老、 防癌及增强免疫作用
3. 来源
植物油. 麦胚, 硬果, 种子类, 豆类, 谷类
（三）维生素K
1. 结构
O CH3
维生素K1
O CH3 维生素K2
O
CH3
2、功能
3H CH3
6H
O
CH3
促进凝血因子形成，加速血液凝固。 维生素 K缺乏会导致凝血功能障碍, 出现全身多部位出血 甚至颅内出血。
杂环化合物的定义
在环状化合物中，构成环的原子除碳原子 外还含有非碳原子的化合物
杂原子：（O、S、N） 下列化合物不被划归为杂环化合物
O
O CH2 C O
CH3
O
O
CH2 C
O O CH3
OO
O
易开环，性质与链状相似，不划归入杂环
一、分类和命名 1. 五元杂环
吡咯
N H
H3C OH H N
HO
H3C O
COOH
2. 功能 参与辅酶A的形成，是酶的转酰基辅因子。
轻度缺乏可致疲乏、食欲差、消化不良等。 重度缺乏可致肌肉协调性差; 肌肉及胃肠 痉挛等
3. 来源 肉类、动物肾脏与心脏、谷类、麦芽、
绿叶蔬菜、啤酒酵母、坚果、糖蜜等
（五）维生素B6
1. 结构
CH2OH
CHO
痛、皮疹
3. 来源 动物性食品：肝、蛋黄、奶油 植物性食品：类胡萝卜素（维生素A原 — 本
身不具有VA活性，但在体内可转变为VA的物质）
（二）维生素E（生育酚）
1. 结构
CH3 HO
-生育酚
H3C
O CH3
CH3
CH3
CH3
2. 功能
CH3 CH3
参与多种酶活动，维持和促进生殖机能 天然抗氧化剂、抗衰老、 防癌及增强免疫作用
3. 来源
植物油. 麦胚, 硬果, 种子类, 豆类, 谷类
（三）维生素K
1. 结构
O CH3
维生素K1
O CH3 维生素K2
O
CH3
2、功能
3H CH3
6H
O
CH3
促进凝血因子形成，加速血液凝固。 维生素 K缺乏会导致凝血功能障碍, 出现全身多部位出血 甚至颅内出血。
第十四章杂环化合物
1 五员芳杂化合物的亲电取代反应
取代位置
E
+
E
+
A
A
E
A
a-取代 主要产物 反应相对活性
b-取 代
>
N H O
>
S
>
5 109 1
3
1018
6
1011
对取代位置的解释（分析反应中间体的相对稳定性）
i. 取代在a位
E+ A a取代 A E A E A
中间体较稳定
H E
贡献最大
H
（满足八隅体）
主要产物（例外）
Br HNO3 / Ac2O S S
Br
NO2
b位给电子基
COOH
Br2 CH3COOH Br S
COOH
S
b位吸电子基
从中间体稳定性分析取代基对反应取向的影响
(i) a 位有给电子基
E E
4 5 3
+
E G G
进入3位
A A
• 二个共振式 • 推电子基使 稳定
A
G E+ E+
较稳定
进入4位
E G
E A G
进入5位
A
• 二个共振式 • 推电子基未 起作用
不稳定 • 三个共振式 • 推电子基使 稳定
E
A
G
E
A
G
E
A
G
最稳定
(ii) a 位有吸电子基
E 4 5 3 E
E 进入3位
+
A A W
W
A
W
• 二个共振式 • 吸电子基使 不稳定
不稳定
E+ E
第十四章芳香杂环化合物
环化合物。如果N4上的氢原子被其他基团取代时，将降低 甚至丧失其抗菌作用。但如果N4 上的取代基在体内能被 分解而恢复原来的游离氨基时，则仍具有原来的抑菌作用。
磺胺的抑菌作用是由于其结构与细菌生长所必须的对氨基
苯甲酸（PAPB）的结构极为相似，能产生竞争性拮抗， 干扰细菌的酶系统对PAPB的利用。
临床上使用的药物：
N
N
发烟 H2SO4
250oC
N
NO2
亲电取代发生在 SO3H β位。
齐齐巴宾反应
亲核取代发生 在α位。 当α位上有易离 去基团时，与 较弱的亲核试 剂就能发生亲 核取代反应
（4）、吡啶类化合物侧链氧化反应 氧化难、还原易（抗氧化性比苯强）
N KMnO4 HOOC
N
N HNO3
COOH NH3
N
全饱和时可不标明位置。例如：
N H
N H
O
1,2,3,4-四氢喹啉 2,5-二氢吡咯 四氢呋喃
含活泼氢的杂环化合物及其衍生物,可能存在着互变异 构体,命名时需按上述标氢的方式标明之。例如：
N
N
H
N
N
N
N H
NN
9H-嘌呤
7H-嘌呤
第二节、芳香五元杂环化合物
一、吡咯、呋喃和噻吩 1、结构与芳香性
sp2
O
H2N
N SO2NH
N
磺 胺 嘧 啶 （ SD）
F HN
5-氟 尿 嘧 啶
O
N H
（ 5-FU）
抗肿瘤药
第四节 稠杂环化合物
嘌呤及衍生物
嘌呤 两个互变异构体的平衡体系
6
1N
5
7
N
2
98
磺胺的抑菌作用是由于其结构与细菌生长所必须的对氨基
苯甲酸（PAPB）的结构极为相似，能产生竞争性拮抗， 干扰细菌的酶系统对PAPB的利用。
临床上使用的药物：
N
N
发烟 H2SO4
250oC
N
NO2
亲电取代发生在 SO3H β位。
齐齐巴宾反应
亲核取代发生 在α位。 当α位上有易离 去基团时，与 较弱的亲核试 剂就能发生亲 核取代反应
（4）、吡啶类化合物侧链氧化反应 氧化难、还原易（抗氧化性比苯强）
N KMnO4 HOOC
N
N HNO3
COOH NH3
N
全饱和时可不标明位置。例如：
N H
N H
O
1,2,3,4-四氢喹啉 2,5-二氢吡咯 四氢呋喃
含活泼氢的杂环化合物及其衍生物,可能存在着互变异 构体,命名时需按上述标氢的方式标明之。例如：
N
N
H
N
N
N
N H
NN
9H-嘌呤
7H-嘌呤
第二节、芳香五元杂环化合物
一、吡咯、呋喃和噻吩 1、结构与芳香性
sp2
O
H2N
N SO2NH
N
磺 胺 嘧 啶 （ SD）
F HN
5-氟 尿 嘧 啶
O
N H
（ 5-FU）
抗肿瘤药
第四节 稠杂环化合物
嘌呤及衍生物
嘌呤 两个互变异构体的平衡体系
6
1N
5
7
N
2
98
第十四章 杂环化合物(已修改)
7,没有固定名称的稠杂环命名(自学) ,没有固定名称的稠杂环命名(自学)
21
第二节 五元杂环化合物
Pentheterocycles
22
一,呋喃,噻吩,吡咯 呋喃,噻吩, ) (Furan, Thiophene and pyrrole)
(一) 结构
电子离域的结果使环上 各C原子的电子云密度增大 原子的电子云密度增大 ),这类杂环称 (6/5),这类杂环称"多π" ),这类杂环称" 芳杂环. 芳杂环.它们的亲电取代 比苯容易. 比苯容易.
H N 1H-吡咯 N 2H-吡咯 O O
2H-吡喃
4H-吡喃
15
4,若杂环不含有最多数目的非聚集双键, ,若杂环不含有最多数目的非聚集双键, 这样的饱和H称为"外加氢" 命名时, 这样的饱和 称为"外加氢".命名时, 称为 需标明外加氢的位置和数目, 需标明外加氢的位置和数目,全饱和的 可省略位置, 可省略位置,例:
5
本章着重讨论的杂环化合物, 本章着重讨论的杂环化合物,其环系较稳定并 具有一定程度的芳香性, 具有一定程度的芳香性,把它们统称为芳(香)杂环 其它不具有芳香性的杂环化合物, 化合物.其它不具有芳香性的杂环化合物,统称非 芳香杂环化合物(或称杂脂环化合物) 芳香杂环化合物(或称杂脂环化合物).
芳香性:平面环, 个电子, ※ 芳香性:平面环,4n+2个电子,难氧化 个电子 而易取代. 而易取代.
4
O
O
O
N H
O
杂环化合物种类繁多,数量庞大, 杂环化合物种类繁多,数量庞大,在自然界分 布极为广泛,大多数的生物碱为杂环化合物, 布极为广泛,大多数的生物碱为杂环化合物,植 物中的叶绿素,动物中的血红蛋白等,中心结构 物中的叶绿素,动物中的血红蛋白等, 都为杂环, 都为杂环,作为生命基础物质的核酸基本组成单 碱基也为杂环碱. 位—碱基也为杂环碱.在现代药物中,杂环化合 碱基也为杂环碱 在现代药物中, 物占了相当大的比重, 物占了相当大的比重,现在已成为一门独立的学 杂环有机化学. 科—杂环有机化学. 杂环有机化学
第十四章芳香杂环化合物
键长：
0.144 nm 0.1354 0.1371 0.1352 0.1455 nm 0.1371 0.1429 nm
O
0.1718
S
0.1383
N H
饱和化合物
C C O: 0.143 nm C: 0.154 nm C N: 0.147 nm C S: 0.182 nm
C=C: 0.134 nm
NH3 Cl
+
Cl+
N CH3 N
嘧啶环
C N H2 s
C CH3 CH2CH2OH
噻唑环
N
维 素 1 生 B
5
s
2
1
噻唑为无色有吡啶气味的液 体，b.p. 117oC, 与水混溶. 环上的 氮原子有碱性, 化学性质稳定，不 易发生亲电取代反应。
N CO 青霉素G中四元环内酰胺很不 HOOC 稳定，对酸、碱都很敏感，特 CH3 CH-NH-CO-CHC6H5 别容易被酸水解。口服后在胃 2 CH3 s 中水解，β内酰胺的四元环打 氢化噻唑环 开而失效，现口服青霉素就是 青 素 霉 G 将其中-CH2C6H5换为
吡啶又称氮杂苯。最初由干馏动物的骨骼得到，其衍生物 广泛存于自然界，例维生素PP、维生素B6。辅酶Ⅰ及辅酶Ⅱ 也含有吡啶环。工业上从煤焦油提取吡啶和甲基吡啶。一些 生物碱中常含有吡啶或氢化吡啶环。
CO2CH3
N N CH3 N N CH3
NCH3
OCOC6H5
烟碱
新烟碱
古柯碱(可卡因)
吡啶的重要衍生物有维生素、异烟肼（抗结核药物）等。
第十四章 芳香杂环化合物和维生素
Ａromatic ｈeterocycles and vitamin
第14章杂环化合物
43
5 12
S
NH2
5 43 61 2
N
CH3
Br
Br
' 43
5 12
Br ' N
Br
H
2-氨基噻吩 3-甲基吡啶 (氨基噻吩) (甲基吡啶)
2,3,4,5-四溴吡咯 (,,,-四溴吡咯)
2.环上有两个或两个以上相同的杂原子时，应 使杂原子位次之和最小，并将连有氢原子或取 代基的杂原子编号定为1。如环上有不同杂原子 时，按O、S、-NH-和-N=的顺序编号。
sp2杂化轨道上，伸向环平面外侧，未参与
共轭，可结合质子，因此吡啶具有弱碱性。
H
H
H
N
H
H
吡啶的分子轨道示意图
d+
d-
d-
d+ N
d+
d-
电子云的 交替极化
吡啶环上电子云密度的分布不平均，氮原 子上的电子云密度较大，碳原子的电子云 密度较低，尤其是氮原子邻位、对位的电 子云密度降低得比间位多，所以吡啶的亲 电取代反应比苯难，并且主要发生在间位 （即位）上。像吡啶这类环碳上的电 子云密度比苯低的芳杂环亦称为“缺” 芳杂环。吡啶是一个极性分子；氮原子的 诱导效应和共轭效应的方向一致。
3.尿酸(urate)：2，6，8-三氧嘌呤称为尿 酸
O HN ON
H
NH NO H
OH
N
N
HO N
N OH H
2，6，8-三氧嘌呤（酮型） 2,6,8-trioxypurine
2，6，8-三羟基嘌呤（烯醇型） 2,6,8-trihydroxypurine
第二节 维生素
维生素是维持人体正常代谢机能不可缺少的微 量有机化合物. 脂溶性维生素: 维生素A、D、K、E 水溶性维生素: B族 维生素，维生素C，维生 素P等
第十四章 杂环化合物
异噁唑 isoxazole
(2) 含两个杂原子的五元单杂环
噻唑 thiazole
异噻唑 isothiazole
(2) 含两个杂原子的五元单杂环 Ø 母核确定后，编号从杂原子开始，选择杂原子顺 序为：
-O- > -S- > -NH- > -N=
Ø 同时使其他杂原子编号位次尽可能小; Ø 在此基础上，若有取代基，使其位次尽可能小。
吡啶-4-甲酸 2-甲基吡啶 2-methylpyridine pyridine-4-carboxylic acid γ-吡啶甲酸 γ-pyridinecarboxylic acid
(4) 含两个杂原子的六元单杂环
哒嗪 pyridazime
嘧啶 pyrimidine
吡嗪 pyrazine
(4) 含两个杂原子的六元单杂环 Ø 例：
N H
5、根据杂环中碳原子电子云密度： 富π电子杂芳环和缺π电子杂芳环 Ø 五元杂芳环富电子 Ø 六元含氮杂芳环缺电子
N
吡啶
O
呋喃
（二）杂环化合物的命名 命名原则： 按IUPAC命名原则规定，保留特定45个杂环化合物的 俗名和半俗名并作为命名的基础。以此原则为准，我 国多采用“音译法”，即按英文名称的读音，选用同 音口字旁的汉字（“口”字旁表示为杂环），对杂环 化合物进行命名。 注意：命名时需要记住母环名称，编号时不同的母环 有不同的编号方法。
Ø 具有生物活性的杂环骨架化合物：
一、杂环化合物的分类和命名 （一）杂环化合物的分类 1、根据环的大小： 五元杂环和六元杂环
N
吡啶
O
呋喃
2、根据环中所含杂原子种类：N、O、S
O
呋喃
N H
吡咯
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。
医学生物化学第十四章芳香杂环化合物
（尿酸）烯醇式
磺胺类药物：
4
1
H2N
SO2NH2
磺胺
H2N
SO2NHR
H2N
SO2 N H
N
O CH3
对-氨基苯磺酰胺 磺胺甲基异噁唑（SMZ） 含有“饱和原子”的杂环化合物的命名
O
H N
5 2
1
N
2 3
4
四氢呋喃
2,5 – 二氢吡咯
3,4 – 二氢喹啉
N
KMnO4 溶 液
N
COOH
CH 3 KMnO 4溶 液
COOH
N
N
吡啶比苯易还原：
N
Na+C2H5OH
或H2 / Pt
N H
六 氢 吡 啶（仲 胺 ）
吡啶的衍生物 β- 吡啶甲酸 （烟酸）
N
COOH
N
CONH2 β-吡啶甲酰胺
（烟酰胺）
1N 2
（二） 嘧啶及其衍生物
NH2
4
3
N1 N3
O
4
3
N
OH N
5 4
4
N N H
5 6
3
COOH
H2N 2 N
3
Br
7
N1 H
2
4-嘧啶甲酸
2-氨基-6-羟基嘌呤
6-溴吲哚-3-甲酸
（三） 标氢（标记氢原子)
6 6 5 4
O
H
O
H H H
1
N
2
N N H
9
7 8
1
N
2
5 4
7
NH N
9 8
N
3
N
3
2H - 吡喃
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反应强烈，易得多卤取代物。为了得一卤代(Cl, Br)产物，要采用低温、溶剂稀释等温和条件。
Br2,ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ0℃
O
O
O 稀释
O
Br
(86 %)
Br Br N H
Br Br Br2, 0℃ EtO H
NB S
N H
N H
Br
1.亲电取代反应 小 结：
因吡咯、呋喃、噻吩的环上电子云密度比苯大， 故比苯活泼。取代基进入α 位。 亲电取代反应活性：吡咯>呋喃>噻吩>苯。 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
吡咯、呋喃不太稳定，磺化时直接使用质子酸会 发生聚合或开环，所以使用较温和的磺化剂：吡啶 与三氧化硫的加合物。
N + SO3 CH2Cl2
室温
N SO3
HCl
N SO3
N H 100℃ N H
SO3-
N H
SO3
-
SO3H N H
HCl
N SO3
O ClCH2CH2Cl r.t.days O
N H
SO3H O
五元杂环的反应有两点需要注意： （1）呋喃、吡咯、噻吩对氧化剂都敏感， 遇到氧化剂时环都很容易被破坏。 （2）呋喃、吡咯、噻吩在酸性条件下能不同程 度发生质子化。吡咯在强酸作用下会发生聚
合生成吡咯红；呋喃在稀酸水溶液中质子
化发生在氧上，会导致开环反应发生。相对来说 噻吩对于酸比较稳定。
（1）磺化反应
第14章 杂环化合物 内容提要: 一、杂环化合物的定义、分类与 命名 二、五元单杂环化合物 三、六元单杂环化合物 四、稠杂环化合物
一、杂环化合物的定义、分类与命名 （一）定义
广义来讲，构成环的原子除了碳原子外，还含有一个 或多个非碳原子(杂原子)的化合物称为杂环化合物 。
常见的杂原子（hetero-atom）：N、O、S 。
一、杂环化合物的定义、分类与命名
O O
O
环氧乙烷
O 氮杂环丙烷 γ-丁酸内酯 γ-丁内酰胺 马来酸酐
N H
O
O
N H
O
这些化合物中虽然含有杂原子，但不稳定 易开环，性质类似于开链化合物。习惯上认为 的杂环化合物是： 定义：含有杂原子，具有芳香性或一定程度稳 定性的环状化合物叫杂环化合物。
一、杂环化合物的定义、分类与命名 （二）杂环化合物的分类和命名 单杂环 五元杂环、六元杂环。
异喹啉 (isoquinoline)
吲哚 (indole)
1. 基本杂环结构
杂环与杂环的稠合：
6 1N 2 5 4
N N H N7
8 7 6 5
9
1 2 3 4
3
9
8
嘌呤 (purine)
10 吖啶 (acridine)
N
几个重要的含氮杂环化合物
吲 哚 喹 啉 左 并 苯
4 5 3 (β ) 2 (α )
第14章 杂环化合物
杂环化合物广泛地存在于自然界，是有机化 合物中数目最庞大的一类。邢其毅先生在给花 文廷《杂环化合物》一书的序言中写到：杂环 化合物占有机化合物总数的65%，论文占有机 化学的1／3…..。 生物体内具有重要生理功能的两大色素： 血红素和叶绿素具有杂环； 对生物的生长、繁殖、遗传、变异起决定性 作用的核酸具有杂环。
为什么吡咯分子的偶极矩与四氢吡咯 的方向相反？
N H
N H
2. 吡咯、呋喃和噻吩的化学性质
（1）亲电取代反应 亲电取代活性比苯大， 且α位比β位活泼。
143pm -0.06 -0.10
pm N +0.32
H
13 8
吡咯的电荷分布和键长
富有电子的大π键。电子离域的 结果，使得杂原子上的电子云密 度降低，环上各碳原子的电子云 密度升高（杂原子的活化作用相 当于酚羟基），键长在一定程度 上发生平均化。
4 4 5
N3 N1 H
4 3 2 5 6
N N3
5 6
N
N1 H
2
2
吡咯
4 5 6 7
N1 H
咪唑
5 3 2 6 7 8
N
吡啶
4 3 2 1
1
嘧啶
6 5 4
N N7 N H
1
1N 2
3
9
8
间 氮 咪 唑 和 嘧 啶
吲哚
喹啉
嘌呤
嘧（啶）咪（唑）稠合是嘌呤。
记 忆 口 诀： 氮五吡咯六吡啶； 间氮咪唑和嘧啶； 吲哚喹啉左并苯； 嘧咪相稠是嘌呤。
指出下列杂环化合物中，各含有哪些杂环 母核？
（ 1）
N N N H NH CH2 N
（ 2）
O CH3 N N CH2 NH2
Cl N
+
S CH2CH2OH CH3
激动素（一种植物激素）
维生素 B1（硫胺素）
（1）含嘌呤环和呋喃环 （2）含嘧啶和噻唑环
2.取代杂环的命名(P.298)
编号的原则：对于单杂环，从杂原子开 始，用阿拉伯数字（或α、β、γ）表示； 若同一环上有多个杂原子，则按O、S、NH （仲氮）和N（叔氮）的顺序编号。
5 6 7 8
4
CH3
NH2
6
3
N CH3
1 N 2
2
5 4
N7
8
1
N
3
N H
9
1,4-二甲基异喹啉 1,4-二甲基异喹啉 (1,4-dimethylisoquinoline)
6-氨基嘌呤 6-氨基嘌呤（腺嘌呤， A） （腺嘌呤）
(6-aminopurine, adenine)
2.取代杂环的命名
有时，为了命名的方便，也将杂环作为取代 基，以官能团作为母体来命名。
通常用比较温和的非质子硝化剂，且在低温下进行。
O O O
=
CH3COCCH3 + HNO3
= =
CH3CONO2 + CH3COOH
乙酰硝酸酯
O N H + CH 3CONO2 Ac2O 50℃ N H NO2 NO2 + N H β-硝基吡咯 17%
α-硝基吡咯 83%
（2）硝化反应
O
+
S
CH 3CONO 2
+
Α-呋喃磺酸或 呋喃-2-磺酸
N Cl H
（1）磺化反应
浓H2SO4 S 室温 S SO3H
浓H2SO4 室温
噻吩环较稳定，磺化可在室温下直接使用浓硫酸， 生成的α-噻吩磺酸溶于浓硫酸。苯在室温下不与浓
硫酸反应，据此，常用浓硫酸洗涤来除去苯中的噻吩。
（2）硝化反应
呋喃,吡咯和噻吩易氧化, 一般不用硝酸直接硝化;
4 5
O1
3β 2α
N S CH3
H 3C
N N H
CH3
2-甲基呋喃 （α -甲基呋喃） (2-methylfuran)
5-甲基噻唑 5-methylthiazole
4-甲基咪唑 4-methylimidazole
3. 稠杂环的命名
对于稠杂环则有固定的编号顺序，通常是从一端开始， 依次编号，公用的碳原子一般不编号，并尽可能使杂原 子的编号较小如喹啉、异喹啉和吲哚。值得注意的是嘌 呤，不仅公用碳参与编号，而且编号的顺序很特殊。
（三）吡咯的重要衍生物
2.叶绿素
叶绿素是绿色植物进行光合作用所必须的催化剂。光 合作用的实质是绿色植物将太阳的光能转化成化学能 的过程。叶绿素由“现代有机合成之父”Woodward历 时4年经30多步反应，于1960年合成。(1965或诺奖)
（三）吡咯的重要衍生物
3.维生素B12
1926年发现肝脏提取 液可治疗恶性贫血， 1948年得到纯品暗红 色的结晶物。1954年 测得其结构。 合成工作在Woodward 的组织下前后有19个国 家的一百多位化学家参 加，经95步反应，历时 11年，于1972年宣告完 成。VB12的合成被成为 有机化学界的“阿波罗 登月”。
(四)、含两个杂原子的五元杂环化合物 （一）唑的结构和物理性质
N S 噻吩 N H 咪唑 N
H 3 N C H C C H N H
1
S和仲N原子上的孤对电子处于P轨道，参与共轭; 叔N原子的孤电子对处于SP2杂化轨道，未参与共轭。 水溶性比相应单杂环高。
（二）咪唑
1. 咪唑的酸碱性
结构特点：有一个氮原子的孤电子对未参与杂化， 既能与水形成氢键，又能与质子结合。
O
CHO
2-呋喃甲醛(糠醛)
2-furan formaldehyde
3-吡啶甲酸 3-pyridine formic acid
COOH N
二、含一个杂原子的五元杂环化合物
（一）呋喃、噻吩和吡咯的结构与性质 1. 呋喃、噻吩和吡咯的结构
Z Z
呋喃、噻吩和吡咯的结构
Z= O、S、N
杂原子均为sp2杂化，形成的都是
亲电取代活性比苯大， 且α位比β位活泼。
143pm -0.06 -0.10
pm N +0.32
H
吡咯的电荷分布和键长
137pm
13 8
富有电子的大π键。电子离域的 结果，使得杂原子上的电子云密 度降低，环上各碳原子的电子云 密度升高（杂原子的活化作用相 当于酚羟基），键长在一定程度 上发生平均化。
1. 吡咯、呋喃和噻吩的结构
稠杂环
苯环和杂环稠合、杂环和杂环稠合。
（二）杂环化合物的分类和命名
1.基本杂环结构 3 (β ) 五 4 5 2 (α ) 元 O1 五 一 呋喃 杂 (furan)
4 5
Br2,ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ0℃
O
O
O 稀释
O
Br
(86 %)
Br Br N H
Br Br Br2, 0℃ EtO H
NB S
N H
N H
Br
1.亲电取代反应 小 结：
因吡咯、呋喃、噻吩的环上电子云密度比苯大， 故比苯活泼。取代基进入α 位。 亲电取代反应活性：吡咯>呋喃>噻吩>苯。 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
吡咯、呋喃不太稳定，磺化时直接使用质子酸会 发生聚合或开环，所以使用较温和的磺化剂：吡啶 与三氧化硫的加合物。
N + SO3 CH2Cl2
室温
N SO3
HCl
N SO3
N H 100℃ N H
SO3-
N H
SO3
-
SO3H N H
HCl
N SO3
O ClCH2CH2Cl r.t.days O
N H
SO3H O
五元杂环的反应有两点需要注意： （1）呋喃、吡咯、噻吩对氧化剂都敏感， 遇到氧化剂时环都很容易被破坏。 （2）呋喃、吡咯、噻吩在酸性条件下能不同程 度发生质子化。吡咯在强酸作用下会发生聚
合生成吡咯红；呋喃在稀酸水溶液中质子
化发生在氧上，会导致开环反应发生。相对来说 噻吩对于酸比较稳定。
（1）磺化反应
第14章 杂环化合物 内容提要: 一、杂环化合物的定义、分类与 命名 二、五元单杂环化合物 三、六元单杂环化合物 四、稠杂环化合物
一、杂环化合物的定义、分类与命名 （一）定义
广义来讲，构成环的原子除了碳原子外，还含有一个 或多个非碳原子(杂原子)的化合物称为杂环化合物 。
常见的杂原子（hetero-atom）：N、O、S 。
一、杂环化合物的定义、分类与命名
O O
O
环氧乙烷
O 氮杂环丙烷 γ-丁酸内酯 γ-丁内酰胺 马来酸酐
N H
O
O
N H
O
这些化合物中虽然含有杂原子，但不稳定 易开环，性质类似于开链化合物。习惯上认为 的杂环化合物是： 定义：含有杂原子，具有芳香性或一定程度稳 定性的环状化合物叫杂环化合物。
一、杂环化合物的定义、分类与命名 （二）杂环化合物的分类和命名 单杂环 五元杂环、六元杂环。
异喹啉 (isoquinoline)
吲哚 (indole)
1. 基本杂环结构
杂环与杂环的稠合：
6 1N 2 5 4
N N H N7
8 7 6 5
9
1 2 3 4
3
9
8
嘌呤 (purine)
10 吖啶 (acridine)
N
几个重要的含氮杂环化合物
吲 哚 喹 啉 左 并 苯
4 5 3 (β ) 2 (α )
第14章 杂环化合物
杂环化合物广泛地存在于自然界，是有机化 合物中数目最庞大的一类。邢其毅先生在给花 文廷《杂环化合物》一书的序言中写到：杂环 化合物占有机化合物总数的65%，论文占有机 化学的1／3…..。 生物体内具有重要生理功能的两大色素： 血红素和叶绿素具有杂环； 对生物的生长、繁殖、遗传、变异起决定性 作用的核酸具有杂环。
为什么吡咯分子的偶极矩与四氢吡咯 的方向相反？
N H
N H
2. 吡咯、呋喃和噻吩的化学性质
（1）亲电取代反应 亲电取代活性比苯大， 且α位比β位活泼。
143pm -0.06 -0.10
pm N +0.32
H
13 8
吡咯的电荷分布和键长
富有电子的大π键。电子离域的 结果，使得杂原子上的电子云密 度降低，环上各碳原子的电子云 密度升高（杂原子的活化作用相 当于酚羟基），键长在一定程度 上发生平均化。
4 4 5
N3 N1 H
4 3 2 5 6
N N3
5 6
N
N1 H
2
2
吡咯
4 5 6 7
N1 H
咪唑
5 3 2 6 7 8
N
吡啶
4 3 2 1
1
嘧啶
6 5 4
N N7 N H
1
1N 2
3
9
8
间 氮 咪 唑 和 嘧 啶
吲哚
喹啉
嘌呤
嘧（啶）咪（唑）稠合是嘌呤。
记 忆 口 诀： 氮五吡咯六吡啶； 间氮咪唑和嘧啶； 吲哚喹啉左并苯； 嘧咪相稠是嘌呤。
指出下列杂环化合物中，各含有哪些杂环 母核？
（ 1）
N N N H NH CH2 N
（ 2）
O CH3 N N CH2 NH2
Cl N
+
S CH2CH2OH CH3
激动素（一种植物激素）
维生素 B1（硫胺素）
（1）含嘌呤环和呋喃环 （2）含嘧啶和噻唑环
2.取代杂环的命名(P.298)
编号的原则：对于单杂环，从杂原子开 始，用阿拉伯数字（或α、β、γ）表示； 若同一环上有多个杂原子，则按O、S、NH （仲氮）和N（叔氮）的顺序编号。
5 6 7 8
4
CH3
NH2
6
3
N CH3
1 N 2
2
5 4
N7
8
1
N
3
N H
9
1,4-二甲基异喹啉 1,4-二甲基异喹啉 (1,4-dimethylisoquinoline)
6-氨基嘌呤 6-氨基嘌呤（腺嘌呤， A） （腺嘌呤）
(6-aminopurine, adenine)
2.取代杂环的命名
有时，为了命名的方便，也将杂环作为取代 基，以官能团作为母体来命名。
通常用比较温和的非质子硝化剂，且在低温下进行。
O O O
=
CH3COCCH3 + HNO3
= =
CH3CONO2 + CH3COOH
乙酰硝酸酯
O N H + CH 3CONO2 Ac2O 50℃ N H NO2 NO2 + N H β-硝基吡咯 17%
α-硝基吡咯 83%
（2）硝化反应
O
+
S
CH 3CONO 2
+
Α-呋喃磺酸或 呋喃-2-磺酸
N Cl H
（1）磺化反应
浓H2SO4 S 室温 S SO3H
浓H2SO4 室温
噻吩环较稳定，磺化可在室温下直接使用浓硫酸， 生成的α-噻吩磺酸溶于浓硫酸。苯在室温下不与浓
硫酸反应，据此，常用浓硫酸洗涤来除去苯中的噻吩。
（2）硝化反应
呋喃,吡咯和噻吩易氧化, 一般不用硝酸直接硝化;
4 5
O1
3β 2α
N S CH3
H 3C
N N H
CH3
2-甲基呋喃 （α -甲基呋喃） (2-methylfuran)
5-甲基噻唑 5-methylthiazole
4-甲基咪唑 4-methylimidazole
3. 稠杂环的命名
对于稠杂环则有固定的编号顺序，通常是从一端开始， 依次编号，公用的碳原子一般不编号，并尽可能使杂原 子的编号较小如喹啉、异喹啉和吲哚。值得注意的是嘌 呤，不仅公用碳参与编号，而且编号的顺序很特殊。
（三）吡咯的重要衍生物
2.叶绿素
叶绿素是绿色植物进行光合作用所必须的催化剂。光 合作用的实质是绿色植物将太阳的光能转化成化学能 的过程。叶绿素由“现代有机合成之父”Woodward历 时4年经30多步反应，于1960年合成。(1965或诺奖)
（三）吡咯的重要衍生物
3.维生素B12
1926年发现肝脏提取 液可治疗恶性贫血， 1948年得到纯品暗红 色的结晶物。1954年 测得其结构。 合成工作在Woodward 的组织下前后有19个国 家的一百多位化学家参 加，经95步反应，历时 11年，于1972年宣告完 成。VB12的合成被成为 有机化学界的“阿波罗 登月”。
(四)、含两个杂原子的五元杂环化合物 （一）唑的结构和物理性质
N S 噻吩 N H 咪唑 N
H 3 N C H C C H N H
1
S和仲N原子上的孤对电子处于P轨道，参与共轭; 叔N原子的孤电子对处于SP2杂化轨道，未参与共轭。 水溶性比相应单杂环高。
（二）咪唑
1. 咪唑的酸碱性
结构特点：有一个氮原子的孤电子对未参与杂化， 既能与水形成氢键，又能与质子结合。
O
CHO
2-呋喃甲醛(糠醛)
2-furan formaldehyde
3-吡啶甲酸 3-pyridine formic acid
COOH N
二、含一个杂原子的五元杂环化合物
（一）呋喃、噻吩和吡咯的结构与性质 1. 呋喃、噻吩和吡咯的结构
Z Z
呋喃、噻吩和吡咯的结构
Z= O、S、N
杂原子均为sp2杂化，形成的都是
亲电取代活性比苯大， 且α位比β位活泼。
143pm -0.06 -0.10
pm N +0.32
H
吡咯的电荷分布和键长
137pm
13 8
富有电子的大π键。电子离域的 结果，使得杂原子上的电子云密 度降低，环上各碳原子的电子云 密度升高（杂原子的活化作用相 当于酚羟基），键长在一定程度 上发生平均化。
1. 吡咯、呋喃和噻吩的结构
稠杂环
苯环和杂环稠合、杂环和杂环稠合。
（二）杂环化合物的分类和命名
1.基本杂环结构 3 (β ) 五 4 5 2 (α ) 元 O1 五 一 呋喃 杂 (furan)
4 5