第十五章 杂环化合物
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有机化学第十五章 杂环化合物
+
N
N
NO 2
N
N S O 3H
Br
B r2/H 2 S O 4
H+
+
N
N
B r 2 /CCl 4
OH -
Br Br
N
K MnO 4 /H +
CO 2 H
N
CO 2 H
H 2/P t N H
易发生亲电取代和氧化
5
8
N
易发生亲核取代和还原3
N +C3 H I
N
+ N C3 H I N
N
Br
+Br2 NH 2 N
1、亲电取代——困难：发生在β 位
混 酸 P hH室 温 P hN2O
混 酸
N2O
3 0 0 ℃ /1 天
N
N
H2SO4/H+g
220℃
N
N
SO3H
C3H N
H 2SO 4/K N3 O
100℃
C3H
C3H N
N2 O C3H
Br2/HcA Br NH 2 N
N—氧化物 δ+
NH 2 N
δ+
N
N+
吡唑和咪唑的分子聚合和互变异构：
b.p
水溶性
N
188
N
H N 263
N H
11 易溶
N
N
H
H
N
N
二聚体
N HN
N HN
N N
H
多聚体
嘌呤
N
N
N
NH
N
N
H 9—H
NH2
N
十五章杂环化合物
N原子 sp2杂化
p sp2
H
H
H
O
H 呋喃
H
H
H
S
H 噻吩
p电子数 = 4n+2规则
H
H
H
NH
H 吡咯
• 五个原子含有六个π电子，富电子芳杂环， • 芳香稳定性不如苯环 • 亲电取代反应比苯
3．化学反应
比苯容易发生亲电取代反应 主要进入 α-位 活性：吡咯 ＞ 呋喃 ＞ 噻吩 ＞＞ 苯
1）卤代反应：
环状封闭的大π键，π电子数为6，符合4n+2规则 吡啶具有一定的芳香性
2．吡啶的 化学性质 （1）碱性 与质子酸成盐
+ HCl N
吡啶与路易斯酸作用，形成盐
N Cl 或 H 吡啶盐酸盐
HCl N
+ SO3 N
+ CrO3 N
N
（ SO 3 ）
N-磺酸吡啶
N
（一种温和的非质子性磺化试剂）
SO3
Cl2
O
-40℃
Br2 , 室温
S
AcOH
O Cl + Cl O Cl
S Br
78%
II
I2 , KI 或 HgO
N
IN I
H
H
2）硝化反应：
OO CH3COCCH3
+ HNO3
-5℃以下
O CH3CONO2 + CH3COOH
CH3COO-NO2+
O
-5~ -30℃
CH3COO-NO2+
S
Ac2O , -10℃
O CHO
Ag(NH3)2+
CH3COONa (CH3CO)2O
p sp2
H
H
H
O
H 呋喃
H
H
H
S
H 噻吩
p电子数 = 4n+2规则
H
H
H
NH
H 吡咯
• 五个原子含有六个π电子，富电子芳杂环， • 芳香稳定性不如苯环 • 亲电取代反应比苯
3．化学反应
比苯容易发生亲电取代反应 主要进入 α-位 活性：吡咯 ＞ 呋喃 ＞ 噻吩 ＞＞ 苯
1）卤代反应：
环状封闭的大π键，π电子数为6，符合4n+2规则 吡啶具有一定的芳香性
2．吡啶的 化学性质 （1）碱性 与质子酸成盐
+ HCl N
吡啶与路易斯酸作用，形成盐
N Cl 或 H 吡啶盐酸盐
HCl N
+ SO3 N
+ CrO3 N
N
（ SO 3 ）
N-磺酸吡啶
N
（一种温和的非质子性磺化试剂）
SO3
Cl2
O
-40℃
Br2 , 室温
S
AcOH
O Cl + Cl O Cl
S Br
78%
II
I2 , KI 或 HgO
N
IN I
H
H
2）硝化反应：
OO CH3COCCH3
+ HNO3
-5℃以下
O CH3CONO2 + CH3COOH
CH3COO-NO2+
O
-5~ -30℃
CH3COO-NO2+
S
Ac2O , -10℃
O CHO
Ag(NH3)2+
CH3COONa (CH3CO)2O
第十五章杂环化合物
唑的化学性质
y 碱性
>
>
>
>
1,3-唑 > 1,2-唑
唑的化学性质
y 亲电取代活性
苯 > 唑 > 吡啶
>
>
>
>
N
O
常见的五元杂环化合物
y 含单个杂原子的五元杂环
吡咯
呋喃 噻吩
吲哚
y 含多个杂原子的五元杂环
咪唑
噁唑
噻唑
N
N
吡唑 O 异噁唑 S 异噻唑
嘌呤
嘌呤
6
7
1
5
8 2
49
3
9H-嘌呤
7H-嘌呤
吡咯等的化学性质：亲电取代
y 傅克酰化：使用温和催化剂
吡咯等的化学性质：还原
H2/Ni
O
O
呋喃的双烯加成
呋喃芳香性较差，可体现共轭二烯的性质 吡咯、噻吩一般条件下不发生此类反应
吲哚的化学性质
C6H5CO2NO2
N H
O
O 0oC
NO2 N H
亲电取代反应性与呋喃类似 注意取代主要发生于3-位
Br2, 300oC
Br 39%
N
吡啶的化学性质：亲电取代
CH3
CH3
H3C
N
H2SO4 / HNO3 CH3 100oC, 5h H3C
N
NO2 CH3
93%
吡啶的化学性质：亲核取代
Cl
OMe
NaOMe/MeOH
N
N
吡啶的化学性质：亲核取代
(Chichibabin反应)
吡啶的化学性质：还原
常见的五元杂环化合物
第十五章+杂环化合物
号时，把连有氢原子的杂原子编号为 ， 号时，把连有氢原子的杂原子编号为1，并使其余 杂原子的位次尽可能小 。
CH3
4
N3
N 2 1
4 –甲基咪唑 甲基咪唑
（3）如果环上有多个不同杂原子时，按氧、硫、 ）如果环上有多个不同杂原子时，按氧、
氮的顺序编号
H 3 C
4
N
3
H 3 C
5
S
1
2
4,5–二甲基噻唑 二甲基噻唑
+
H2 O
吡啶的硝化反应需在浓酸和高温下才能进行， 吡啶的硝化反应需在浓酸和高温下才能进行，硝基 主要进β-位 主要进 位。
（3）磺化反应 ）
+
O N
+ SO 3
C2H4Cl2 室温三天 O SO 3H
+
N
+
N H
N
+
SO3Biblioteka -C2H4Cl2100 ℃
N H
SO3H
+
N
吡咯,呋喃对酸很敏感，强酸能使它们开环聚合， 吡咯 呋喃对酸很敏感，强酸能使它们开环聚合，常用温和的非质子 呋喃对酸很敏感 磺化试剂：吡啶与SO 的加成物。 磺化试剂：吡啶与 3的加成物。
4
N3
4 5
N3 S1
2
O
S
N H
5
N1
2
呋喃 噻吩 吡咯 (furan) (thiophene) (pyrrole)
咪唑 (imidazole)
H
噻唑 (thiazole)
4 5
N3 N1
2
O
吡喃 (pyran)
6
N
吡啶 (pyridine)
有机化学：第十五章 杂环化合物
5 6
7
4 3
2
81
OH 8-羟基喹啉
NH2
1 65
7
2 49 8 3
6-氨基嘌呤
O
4 5
3 CO2H
CH3 1 6 5 N
N 7 CH3
6
12
Br 7
2
O
3
N4 N
8
9
CH3
6-溴吲哚-3-羧酸 1,3,7-三甲基嘌呤-2,6-二酮
标氢：当杂环上含有饱和原子时，往往存在互变异构
体，命名时用“位置编号” ＋“H” (大写斜体)写在词 首加以区别，并给饱和原子尽可能低的编号。
度的碱性，可成盐。
2.吡啶的水溶性
吡啶氮原子上的一对未共用电子能与水 形成氢键，吡啶能与水互溶，但吡啶环上引 入羟基或氨基后，化合物的水溶性却明显降 低，且引入的羟基或氨基数目愈多，水溶性 愈差，主要原因是溶质分子间缔合（分子间 氢键等），抑制了与水分子间的缔合。
3. 碱性：
吡啶环N原子的一对孤电子对处于sp2杂化轨道上， 它并不参与环上的共轭体系，因此可能和质子结合或 给出电子，呈现弱碱性。吡啶中氮原子上的未共用电 子对处于sp2杂化轨道中，s成分较大，受N的束缚力较 强，给出电子倾向较小，与 H+ 的结合力较弱，所以碱 性较弱。
· ·
·
· ·
N
·
··
叔胺 N
pKb: ~ 4
8.8
N
NH2
H
9.37
~ 14
碱性：叔胺 > 吡啶 > 苯胺 > 吡咯
+ HCl N
· Cl N+ H 吡啶盐酸盐
4.化学反应
⑴
通过氮原子上的未共用电子对，吡啶可以
第十五章 杂环化合物与生物碱
Kb： 2.5×10-15
2×10-4
15.3 六元杂环化合物
六元杂环化合物包括环中有1个杂原子的六元 杂环(如吡啶等)；环中有多个杂原子的六元杂环 (如嘧啶等)；以及稠杂环(如喹啉、嘌呤等)。 一、吡啶(C5H5N) 吡啶存在于煤焦油、骨焦油中，其衍生物广泛 存在于自然界。工业上主要从煤焦油的轻油部分提 取吡啶。 吡啶是具有特殊臭味的无色液体， bp115.5℃ ， 可与水、乙醇、乙醚等混溶。
1. 吡啶的结构
结构似苯，也是平面六边形分子(但不是正六边形)。 分子中 C—C键长139pm(与苯的相等)，C—N键长137pm， 介于一般的 C—N 单键 (157pm) 与 C=N 双键 (128pm) 之间。
139pm
139pm
137pm Pyridine Benzine
H
H
H
环中的N和C都 以 sp2 杂化轨道相互 以s 键相连。每个原 子余下的 p 轨道相互 平行重叠，形成环 闭共轭体系， p 电子 数为6，具有芳香性.
70%
NO2 NO2 S
5%
磺化: 95%H2SO4 25℃
(69%~76%)
S
SO3H
噻吩-2-磺酸
溴代: Br2 (或I2) 乙醇(稀释)/0℃
Br Br
Br Br
产物均为 四卤吡咯
硝化: CH3CO2NO2 乙酸酐/5℃
NO2 NO2 51% 13%
吡咯
磺化：吡啶.SO3 100℃
SO3H
吡咯-2-磺酸
亲电取代反应主要在2-位发生；若2、5两个位 置已有基团存在，则亲电取代在b位发生。
-0.06 -0.10 +0.32
这些杂环进行亲电取代反应时， 须用缓和的试剂在温和的条件下进行。
有机化学第十五章杂环化合物
第十五章 杂环化合物 糠醛经催化加氢转化为四氢糠醇，具有醇和醚的性 质，是优良的溶剂。
糠醛用KMnO4的碱溶液或用Cu或Ag的氧化物为催化 剂，用空气氧化生成糠酸。
糠醛作为溶剂，可选择性地从石油、植物油中萃取其中的 不饱和组分和含硫化合物。如从润滑油中萃取芳香烃等以精致 润滑油。在合成橡胶工业中用于提纯丁二烯和异戊二烯。
第十五章 杂环化合物 六元单杂环吡啶的结构与苯环很相似，氮原子与碳原子 处在同一平面上，原子间是以sp2杂化轨道相互交盖形成六个 σ键，键角为120°。环上每一原子还有一个电子在p轨道上， p轨道与环平面垂直，相互交盖形成包括六个原子在内的分 子轨道。π电子分布在环的上方和下方。每个碳原子的第三 个sp2杂化轨道与氢原子的s轨道交盖形成σ键。氮原子的第三 个sp2杂化轨道上有一对未共用电子对。 由于这些杂环化合物都是闭合的 共轭体系，所以环中的单、双键都不 同程度地趋向平均化，单键比普通单 键短，双键比普通双键长。
第十五章 杂环化合物 教学指导 杂环化合物的分类和命名法 杂环化合物的结构 杂环化合物的性质
第十五章 杂环化合物 教学目的： 了解一些常见的重要杂环化合物物理和化学性质； 熟悉杂环化合物命名规则； 掌握呋喃、吡咯及其衍生物的物理和化学性质。 教学难点：
杂环化合物命名规则；
呋喃、吡咯及其衍生物的物理和化学性质。 教学重点： 呋喃、吡咯及其衍生物的物理和化学性质。
第十五章 杂环化合物 2.吡咯及其衍生物 吡咯与呋喃相似，亲电取代也必须在缓和的条件下 进行，在酸性条件下同样极易发生开环、聚合反应。 溴化：
第十五章 杂环化合物 根据环数的多少分为单杂环和多杂环；单杂环又可根据 成环原子数的多少分为五元杂环及六元杂环等；多杂环可分 为稠杂环、桥杂环及螺杂环，其中以稠杂环较为常见。
第15章 杂环化合物
54
6
3
7
N2
81
异喹啉
isoquinoline
[命名] 音译名
（Imidazole）
H N
（ Thiophene）
O
S
S
H
H
N
NN
N
N
吡咯 呋喃
（Pyrrole）（Furan）
噻吩 噻唑 咪唑 吡唑
（ Thiazole）
（Pyrazole）
N N
N
吡啶Pyridine
喹啉Quinoline
异喹啉Isoquinoline
CH3COONO2
O
- 5~30oC
O NO2
(35%)
CH3COONO2
N H
OH-,5oC,Ac2O
N NO2 + H (83%)
NO2
N H
(7%)
当呋喃或吡咯环上连有吸电子基团时，环的稳定性
增 加，可用一般方法硝化。
O2N
N H
CCH3 O
HNO3 H2SO4
O2N
N H
CCH3 + O
N H
吡啶N
P
N
SP2
N 吡咯N
P
H
SP2
C
呋喃O(噻吩S)
P
P
SP2
SP2
“多π”芳杂环———六个电子由五个原子分配，每个碳 原子的电子云密度比苯环高，故亲电取代比苯容易。
H
O
S
N
2.33 10-30C.m 1.70 10-30C.m 6.03 10-30C.m
N原子
给电子共轭>> 吸电子诱导。
吡啶N：吸电子诱导+吸电子共轭
第十五章 芳杂环化合物.
4
1 7
8
1
8
1
异喹啉 NH2
1
6
5 6
3 2
5 6
3 2
CO2H
5
7
2
3
4 9
8
Br 茚
6-溴吲哚 -3-羧酸
6-氨基 嘌呤
第二节 五元杂环化合物
一、呋喃、噻吩、吡咯
1. 结构
O 呋喃
S 噻吩 吡咯
所有成环原子都以sp2杂化轨道重叠形成σ键；碳原子 未参加杂化的 p 轨道有 1 个电子，杂原子则有 2 个 p 电子， p 轨道互相平行重叠形成 6电子环状共轭大π键。 与苯环的6 原子共6π电子比，呋喃、噻吩、吡咯为5原子共用6个π电子， 故环上π电子密度比苯环大，属于“富π芳杂环”。
1 2
4 5
N3 S 噻唑
1 2
8
DC.sjtu
3. 有特定名称的稠杂环母环的编号，大都按照稠芳环 规则编号，但个别的另有编号顺序（如嘌呤）。
6 7 5 4 3 2 6 7 5 4 3 2 6 7 5 4 3 2
8
1
萘
4 1 7
OH 8-羟基喹啉
咪唑 Imidazole
吡唑 5 pyrozole
噁唑 DC.sjtu oxazole
六 2 元 6 1 杂 吡啶 环 pyridine
5
3
5
3
5 6
3 2
5 6
3 2
6
1
2
1
1
嘧啶 pyrimidine
哒嗪 pyridazine
吡喃 pyran
稠杂环
6 7
5
4
3 2
6 7
5
1 7
8
1
8
1
异喹啉 NH2
1
6
5 6
3 2
5 6
3 2
CO2H
5
7
2
3
4 9
8
Br 茚
6-溴吲哚 -3-羧酸
6-氨基 嘌呤
第二节 五元杂环化合物
一、呋喃、噻吩、吡咯
1. 结构
O 呋喃
S 噻吩 吡咯
所有成环原子都以sp2杂化轨道重叠形成σ键；碳原子 未参加杂化的 p 轨道有 1 个电子，杂原子则有 2 个 p 电子， p 轨道互相平行重叠形成 6电子环状共轭大π键。 与苯环的6 原子共6π电子比，呋喃、噻吩、吡咯为5原子共用6个π电子， 故环上π电子密度比苯环大，属于“富π芳杂环”。
1 2
4 5
N3 S 噻唑
1 2
8
DC.sjtu
3. 有特定名称的稠杂环母环的编号，大都按照稠芳环 规则编号，但个别的另有编号顺序（如嘌呤）。
6 7 5 4 3 2 6 7 5 4 3 2 6 7 5 4 3 2
8
1
萘
4 1 7
OH 8-羟基喹啉
咪唑 Imidazole
吡唑 5 pyrozole
噁唑 DC.sjtu oxazole
六 2 元 6 1 杂 吡啶 环 pyridine
5
3
5
3
5 6
3 2
5 6
3 2
6
1
2
1
1
嘧啶 pyrimidine
哒嗪 pyridazine
吡喃 pyran
稠杂环
6 7
5
4
3 2
6 7
5
有机化学精品课件——杂环化合物
杂环化合物在材料科学中具有广泛的应用，因为它们可以提供优良的物理和化学性能。例如，聚酰亚胺、聚醚醚酮等杂环高分子材料在航空航天、电子和汽车等领域广泛应用。
杂环化合物作为材料合成的关键组分，能够提高材料的耐热性、耐腐蚀性和机械性能等，同时降低生产成本和提高生产效率。
杂环化合物的研究进展与展望
05
在亲电反应机理中，试剂的性质和杂环化合物上的取代基的性质都会影响反应的进程和产物的生成。因此，在选择合适的试剂和反应条件时，需要考虑这些因素。
亲核反应机理是指反应过程中，试剂首先进攻杂环化合物上的电子云密度较高的部位，从而形成负碳离子中间体。然后，负碳离子中间体再与试剂发生反应，形成新的键，最终生成产物。
杂环化合物的应用
04
杂环化合物在药物合成中具有广泛的应用，因为它们具有独特的化学结构和生物活性。例如，嘧啶衍生物在抗肿瘤药物中发挥重要作用，喹啉衍生物具有抗菌和抗癌活性。
杂环化合物作为药物合成中的关键中间体，可用于合成多种类型的药物，如抗高血压药物、抗病毒药物和抗癌药物等。
VS
杂环化合物在农药合成中具有不可替代的地位，因为它们可以提供高效、低毒、低残留的农药。例如，吡啶衍生物可用于合成除草剂和杀虫剂，嘧啶衍生物可用于合成杀菌剂和杀虫剂。
杂环化合物作为农药合成的关键组分，能够提高农药的生物活性、选择性和稳定性，从而降低对环境和人体的危害。
杂环化合物在染料合成中具有重要作用，因为它们可以提供鲜艳的色彩和优良的染色性能。例如，偶氮染料和酞菁染料等杂环染料在纺织品、皮革和纸张等领域广泛应用。
杂环化合物作为染料合成的关键组分，能够提高染料的色牢度和稳定性，同时降低生产成本和对环境的污染。
杂环化合物的物理性质与其结构密切相关，如熔点、沸点、溶解度等。
第十五章-杂环化合物
• 吡咯和噻酚发生正常亲电取代反应
AcONO2
N
Ac2O, oC
H
AcONO2
S
Ac2O-AcOH, 0oC
N
NO2 +
H
83%
S
NO2 +
60%
NO2
N H 17%
NO2
S 10%
• 呋喃发生加成反应（共轭烯烃性质）
AcONO2
O
5 ~ 30oC
AcO O NO2
加成
碱或 HOAc
消除
O NO2
10-羟基喜树碱 （抗癌药） HO O
SS
H2O
SS
TTF
HgOH
NaO
O
O
Br 红汞
Br CO2Na
Br
NaO
O
O
Br
曙红 （红墨水）
Br CO2Na
杂环化合物的类型
芳香杂环
N
O
S
重点内容
N
N
H
H
N
N
N
N
N
N
N H
N
普通杂环
O
环醚，内酯，内 O
O
酰胺，环状酸酐
N OO OO O H
§15.1 杂环化合物的分类、命名
AE
位取代
E+
A
E A
E H
H+
A
中间体只有二个主要共振式， 中间体较不稳定
E A
对亲电取代反应活性的解释
i. 由五员杂环的结构分析 杂原子起给电子基的作用，环上的电荷密度比苯环大
ii. 由中间体的稳定性分析
E+
A
AcONO2
N
Ac2O, oC
H
AcONO2
S
Ac2O-AcOH, 0oC
N
NO2 +
H
83%
S
NO2 +
60%
NO2
N H 17%
NO2
S 10%
• 呋喃发生加成反应（共轭烯烃性质）
AcONO2
O
5 ~ 30oC
AcO O NO2
加成
碱或 HOAc
消除
O NO2
10-羟基喜树碱 （抗癌药） HO O
SS
H2O
SS
TTF
HgOH
NaO
O
O
Br 红汞
Br CO2Na
Br
NaO
O
O
Br
曙红 （红墨水）
Br CO2Na
杂环化合物的类型
芳香杂环
N
O
S
重点内容
N
N
H
H
N
N
N
N
N
N
N H
N
普通杂环
O
环醚，内酯，内 O
O
酰胺，环状酸酐
N OO OO O H
§15.1 杂环化合物的分类、命名
AE
位取代
E+
A
E A
E H
H+
A
中间体只有二个主要共振式， 中间体较不稳定
E A
对亲电取代反应活性的解释
i. 由五员杂环的结构分析 杂原子起给电子基的作用，环上的电荷密度比苯环大
ii. 由中间体的稳定性分析
E+
A
第十五章杂环化合物
虽与苯相似，但C-N键变化很大，因此，其芳香性也比苯差。
10
吡啶和苯虽然都属等电子体系，但因氮原子的电负性较 大，从而使环上的电子云密度降低 ，故其亲电取代反应性能 不但比苯差，且亲电取代反应发生在电子云密度较高的β-位。 这一特性很类似于硝基苯。
综上所述，五元、六元杂环化合物虽然都具有芳香性， 但其环上的电子云的密度是不同的，其电子云密度由高到 低的顺序是：
此外，根据环上各键的键长并不相等，说明杂环中的电子密 度没有完全平均化芳香性弱于苯环。其电子密度的变化情况类似
7
于苯胺。
2、缺电子体系—六元杂环 A. 吡啶是典型的六元杂环化合物，环原子以sp2方式杂化。 B. 每个原子的未参加杂化p轨道上均只有一个单电子，组成 大Π键，符合4n+2休克尔规则，六元杂环化合物同样具有 芳香性。
B r2/C H 3C O O H
S
00C
S Br
15
D. Friedel-Crafts反应 主要是酰基化反应，烷基化反应得到混合物。
结论：五元杂环化合物的亲电取代反应活性高，所以，
一般选用弱的亲电试剂、在低温条件下、采用溶剂稀释
时反应，以防止五元杂环化合物氧化或聚合。
16
2、加成反应 A. 亲双烯加成反应 （了解内容）
8
二、杂环化合物的芳香性 具有闭合环结构，具有环多烯结构，具有共平面或近似平
面结构，π电子数符合4n+2规则。符合休克尔规则，因此具有 芳香性。 具有芳香性的杂环与苯环的异同点 1、五元杂环化合物
(1) 由此可见，苯分子中的键长完全平均化，而五元杂环化合 物分子中的键长只是有一定程度的平均化。因此，五元杂环化 合物的芳香性比苯差。其芳香性次序是：
康尼查罗反应
10
吡啶和苯虽然都属等电子体系，但因氮原子的电负性较 大，从而使环上的电子云密度降低 ，故其亲电取代反应性能 不但比苯差，且亲电取代反应发生在电子云密度较高的β-位。 这一特性很类似于硝基苯。
综上所述，五元、六元杂环化合物虽然都具有芳香性， 但其环上的电子云的密度是不同的，其电子云密度由高到 低的顺序是：
此外，根据环上各键的键长并不相等，说明杂环中的电子密 度没有完全平均化芳香性弱于苯环。其电子密度的变化情况类似
7
于苯胺。
2、缺电子体系—六元杂环 A. 吡啶是典型的六元杂环化合物，环原子以sp2方式杂化。 B. 每个原子的未参加杂化p轨道上均只有一个单电子，组成 大Π键，符合4n+2休克尔规则，六元杂环化合物同样具有 芳香性。
B r2/C H 3C O O H
S
00C
S Br
15
D. Friedel-Crafts反应 主要是酰基化反应，烷基化反应得到混合物。
结论：五元杂环化合物的亲电取代反应活性高，所以，
一般选用弱的亲电试剂、在低温条件下、采用溶剂稀释
时反应，以防止五元杂环化合物氧化或聚合。
16
2、加成反应 A. 亲双烯加成反应 （了解内容）
8
二、杂环化合物的芳香性 具有闭合环结构，具有环多烯结构，具有共平面或近似平
面结构，π电子数符合4n+2规则。符合休克尔规则，因此具有 芳香性。 具有芳香性的杂环与苯环的异同点 1、五元杂环化合物
(1) 由此可见，苯分子中的键长完全平均化，而五元杂环化合 物分子中的键长只是有一定程度的平均化。因此，五元杂环化 合物的芳香性比苯差。其芳香性次序是：
康尼查罗反应
有机化学第15章
（抗癌药） HO O
SS
H2O
SS
TTF
HgOH
NaO
O
O
Br 红汞
Br CO2Na
Br
NaO
O
O
Br 曙红 （红墨水）
Br CO2Na
杂环化合物的类型
芳香杂环
N
O
S
N H
N H
H
NN
N
N
N
N
N
N
普通杂环
O
O
O
N
OO O
O
H
环醚，内酰胺，环状酸酐，内酯等
OO
§15.1 杂环化合物的分类、命名
杂环分类:
+
S
（Hale Waihona Puke 量） 反应快H2SO4 r. t.
S SO3H 溶解于硫酸中
（3）五员芳杂环的Friedel-Crafts反应
(CH3CO)2O
N H
(CH3CO)2O
O
BF3
(CH3CO)2O
S
SnCl4
COCH3 N H
2-乙酰基吡咯
COCH3 O
2-乙酰基呋喃
COCH3 S
2-乙酰基噻吩
2）五员芳杂环的加成反应
H3C 4
3
N
5
2
N1
H
4-甲基咪唑
10
3. 含两个不同的杂原子：按O, S, N顺
3
N
4 序编号
2 S 5 CH3 5-甲基噻唑
1
4. 特殊编号
5 6
4 3
7
2
N
8
1
喹啉
Quinoline
5 6
第15章 杂环化合物
(β) (α)
4 5 3
O
1
2
(β) (α)
(β) 4 (α ) 5
3
S
1
2
(β) (α)
(β) (α)
4 5
3
N H
2
(β) (α)
1
furan（呋喃）
thiophene（噻吩）
pyrrole（吡咯）
(β) (α ) 6
5
4 (γ) 3 2
N
1
(β) (α )
4 5
N3 N H
2 1
4 5
N3 S
9
8
7
6
5 δ
4
3
2
1
0
吡啶的 1H NMR谱
从它们核磁共振图谱上的化学位移可知，呋喃、吡咯、噻吩 和吡啶上的π电子产生很强的磁各向异性效应。它们的质子都 是位于与外加磁场方向一致的去屏蔽区。它们环上质子的化 学位移与苯环上的质子相当。
15.4 五元杂环化合物的性质 15.4.1 呋喃的性质
呋喃是一种无色液体，在酸性条件下不稳定，容易发生 开环等反应。所以呋喃的硝化反应和磺化反应要在特殊条件 下进行。呋喃蒸汽遇到被盐酸浸过的松木片时呈深绿色，利 用此反应可检验呋喃的存在。 （1）呋喃的取代反应 （A）卤代反应 呋喃进行卤代反应比苯活泼，它的氯代反应在常温下进 行时会生成二氯代物，即使在低温下进行，也难避免二氯代 物的生成。溴代反应通常也要加溶剂稀释，以降低反应活性， 防止反应剧烈而使呋喃环破坏。
构成环状化合物的原子，除了碳原子以外，还包含有 其它原子的化合物叫杂环化合物，这些其它原子被称为 杂原子，最常见的杂原子是O、S、N等。例如，下列化 合物都是杂环化合物：
O O N H S O N H O
4 5 3
O
1
2
(β) (α)
(β) 4 (α ) 5
3
S
1
2
(β) (α)
(β) (α)
4 5
3
N H
2
(β) (α)
1
furan（呋喃）
thiophene（噻吩）
pyrrole（吡咯）
(β) (α ) 6
5
4 (γ) 3 2
N
1
(β) (α )
4 5
N3 N H
2 1
4 5
N3 S
9
8
7
6
5 δ
4
3
2
1
0
吡啶的 1H NMR谱
从它们核磁共振图谱上的化学位移可知，呋喃、吡咯、噻吩 和吡啶上的π电子产生很强的磁各向异性效应。它们的质子都 是位于与外加磁场方向一致的去屏蔽区。它们环上质子的化 学位移与苯环上的质子相当。
15.4 五元杂环化合物的性质 15.4.1 呋喃的性质
呋喃是一种无色液体，在酸性条件下不稳定，容易发生 开环等反应。所以呋喃的硝化反应和磺化反应要在特殊条件 下进行。呋喃蒸汽遇到被盐酸浸过的松木片时呈深绿色，利 用此反应可检验呋喃的存在。 （1）呋喃的取代反应 （A）卤代反应 呋喃进行卤代反应比苯活泼，它的氯代反应在常温下进 行时会生成二氯代物，即使在低温下进行，也难避免二氯代 物的生成。溴代反应通常也要加溶剂稀释，以降低反应活性， 防止反应剧烈而使呋喃环破坏。
构成环状化合物的原子，除了碳原子以外，还包含有 其它原子的化合物叫杂环化合物，这些其它原子被称为 杂原子，最常见的杂原子是O、S、N等。例如，下列化 合物都是杂环化合物：
O O N H S O N H O
第十五章 杂环化合物
+ H2SO4 S S SO3H
+ H2O
溶于酸
应用于除去石油和粗苯中的噻吩
6、吡咯的弱酸性
+ KOH N N K + H2O
吡咯钾
参与共轭
H
四氢吡咯的碱性明显大于吡咯，存在于脯氨酸中，P520
1) CO2
2-吡咯甲酸
N Na
类似苯酚钠
2) H3O+
N H
COOH
N H
+
N2Cl
pH=7-9
N H
N
N H
e. 重要衍生物 （P359）维生素PP和NAD+ , 维生素B6
COOH N
(2) 嘧啶
6 N N
CH N 尿嘧啶（Uracil) CH N OH
1
N 2 N 3
5
7 N 8
嘧啶
NH 2 N
4
N 9
嘌呤
OH N OH N CH 3 胸腺嘧啶
胞嘧啶（cytosine) N
烯醇式可重排为酮式
2－甲基－5－硝基吲哚（P352）
CH 2COOH N H 3－吲哚乙酸是植物生长调节剂
（P352 照书讲）
CH2CHCOOH CH2CH2NH2 N H 色胺
N H
NH2 色氨酸
是哺乳动物脑组织中与 中枢神经有关的物质。
HO CH 2CH 2NH 2 N H
5－羟色胺
吲哚环存在于1000多各生物碱天然产物中。
1. 咪唑
(1) 结构P521 弱酸
H N
H N
N原子sp2杂化
N N H 咪唑 imidazole
..
sp2
碱性
H H 分子间可能成氢键 m.p. 90℃
第15章 杂环化合物(dfj100620,已打印)
N
NH2NH2 HCl
CONHNH2 N
ì Ð Ñ Ë è Á
¸ Ó º
H2/Ni
N
orNa+C2H5OH
N H
ß ¤ £ ¬ ù À Æ à ß À ¤ ä Ï µ Ì × Õ © «Ó Ï Õ É
吡啶在有机化学中是一种常用的溶剂，它能溶解 许多有机化合物和部分无机盐； 吡啶及其衍生物在自然界分布较广，在药物中也 常见吡啶及其衍生物：
(1) 碱性与亲核性
填入sp2轨道中 未参与环状共轭 很容易给出 碱性、亲核性 与酸成盐 碱性>苯胺
N
é Ï » Ó £ ¹ R3N Kb :
例
6.2 10-5
NH2 N
2.3 10 -9
+
3.9
10 -10
¤Ð Í Ê ® Ð Í £ ©
N
（略）
+ HCl
N H
+
Cl- ¨ À £ß
N
+ CH3I
第15章 杂环化合物 (1学时)
(一) 杂环化合物的分类、命名和结构 (二) 五元杂环化合物及其化学性质 (三) 六元杂环化合物 (四) 稠杂环化合物（吲哚、喹啉）
本章重点讲解
• 几种重要环系的结构与性质： • 1、呋喃、噻吩、吡咯、吡啶的结构； • 2、呋喃、噻吩、吡咯、吡啶的性质：亲 电取代、氧化、还原、吡咯及吡啶的碱 性。
N CH3 N+
SO3
À £ß I- ¨
¤» ½ ê §Ð Í £ £
N
+ SO3
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4 3
S
1
b a
2
c d
HN
d
a b c
3
4
O
2
S
1
5
附加环 基本环
基本环 附加环
书写次序：
附加环并[X，Y-Z]基本环
附加环与基本环稠合处的位号 （两个数字）
4 3
基本环与附加环稠合处的边号 （一个字母）
c d
走向一致
S
1
b a
2
c d
N
a b
O
S
顺时针
噻吩并[2,3-b]呋喃
不一致
苯并[d]噻唑
qπ。< 1
因此，像吡啶一类的含氮六元杂环又被称为“缺π芳杂环”。与硝基苯 类似，它们的亲电取代变难，亲核取代变易，氧化变难。还原变易。
qπC=(6-1.43)/5=0.914< 1.0
δ+
δδ+ δ+ δδδ+ δδ+
δ+ δδ+
环上碳原 子π电荷平 均密度
qπ<1
N
N
Oδδ-
O
钝化的芳香环
（4）选杂原子种类数目最多的环[如（4）和（6）] （5）环大小相同，杂原子种类数目相同时，选稠合前杂原子编号（位数和） 较低者为基本环
NH O 苯并呋喃 (1) N N (4) N S 噻吩并吡咯 (2) N N N N (5) N N N H 吡唑并噁唑 O (6) O 呋喃并吡喃 (3) O
吡啶并嘧啶
10.“活泼氢” 或互变异构体的标记方法：当环上含有活泼氢或可能存在互
变异构体时，要标明两种可能的位次。例如： OH O
N HO N HN O N H
2,4-二羟基嘧啶 2,4-dihydroxypyrimidine
4 3 5 4 5 3
嘧啶-2,4-二酮
ptrimidine-2,4-dione
1 2 6
4 5 3 6
N
1
2 N CH3 1
N N CH3 H
吡啶 pyridine
六氢吡啶(哌 啶) piperidine
1 H 2H-吡喃 2H-pyran
O N
2
★ 含 两 个杂原子的五元单杂环 4
3 4 5 3 4 5 5
N
3
4
N H
1
N2
N H
1
N 2 H
1
N2
5
55
4 3NN 3 N
2 N S H
吡嗪并哒嗪
2. 稠合边的表示方法
稠杂环的稠合边（即共用边）是用附加环和基本环两组分的位号来表示
基本环： 按原有单杂环编号规则用英文字母a、b、c、d……表示各边 （1,2原子之间为a, 2,3原子之间为b……)
附加环: 用阿拉伯数字、1、2、3……标注各个成环原子；当有选择时，应
使稠合边位号尽可能较小。
COOH
H 3C
O
CH3
N
γ-吡啶甲酸 γ-pyridinecarboxylic acid
α,α'-二甲基呋喃 α,α'-dimetylfuran
6. 稠杂环有其固定的编号顺序（p466），一般从一端开始依次编号，共用
的碳原子一般不编号；注意使杂原子尽可能取较小的编号，并遵守杂原
子的优先顺序（p466 吩噻嗪） 嘌呤和异喹啉的编号是特例（p465）
Ph
不一致
5 6
N 1 N
7
3 2
4
3
c
b a
S
1
2
5-苯基咪唑并[2,1-b]噻唑 5-phenylimidazolo[2,1-b]thiazole
3
N
2
b a
c
d
4 5
4
3 1 2
O
1
6N
N5
H
6H-吡唑并[4,5-d]噁唑 6H-pyrazolo[4,5-d]oxazole
走向一致
2 1 11 10 9 8
N
2 3 1 6 5 4 c
3 4
N H 7
b a
5
7H-吡啶并[4，3-c]咔唑 7H-pyrido[4,3-c]carbazole 不一致
6
环系的正确画法： （1）六元环要竖写，五元环一角要在正下方或正上方 （2）要使横排环数最多，如有选择应使右上象限环数最多，且左上 象限环数最少
H N H N NH
6
N N
3
5 4
7
NH N
9 8
1 2
5
N N
3 4
N N9 H
7 8
CH3
N
2
NH
1
CH3
N H
1
N2
3-甲基吡唑 3-methylpyrazole
5-甲基吡唑 5-methylpyrazole
7H-嘌呤 7H-purine
9H-嘌呤 9H-purine
3(5)-甲基吡唑 3(5)-methylpyrazole
O PhCO 1 N O
2 6 5
CH N7 3
8
N4 N CH3 9
3
1,3,7-三甲基嘌呤-2,6-二酮 1,3,7-thimethylpurine-2,6-dione
8. “标氢”或“指示氢”的标记方法：当环上已经含有最多数目的非累 积双键时，成环的饱和原子所连接的氢原子称为“标氢”或“指示氢”。当 杂环母核上连有标氢时，应给标氢尽可能低的编号，且将标氢用位次加H
2
4
N
1
6
哒嗪 pyridazine
嘧啶 pyrimidine
吡嗪 pyrazine
哌嗪 pyperazine
★ 五元及六元稠杂环
4 5 6 7 3 2 5 6 7 4 3 2 5 6 7 4 3 2
N1 H
O1
S1
吲 哚 indole
5 6 7 4 3 2 5 6 7 8
苯并呋喃 benzofuran
水溶度 d420 ∞ 0.9818
238
热水 1.0929
242.2
几乎不溶 1.0986
345-346
沸水中稍溶 1.0829
pKa
5.19
4.94
5.42
5.58
含一个 N 的六员杂环化合物
一、 吡 啶
—— 最为重要的是 吡 啶
（一）吡啶的结构及芳香性
sp 2 轨道有未 共用电子对
共轭能： 31kJ/mol
N O N S
N SO4 N 发 烟 H2 N
HgSO4 250℃
N
H
N O N H N
5. 根据环的数目分类
N H S
NH2 N H2N N N NH2
N O N
N
单环杂环
N 三聚氰胺 H2N-C≡N (氰胺）
N N
二环杂环 O
芳稠杂环（苯环与杂环稠合） N H 稠杂环（杂环与杂环稠合）
多环杂环
符合Hückel规则 的平面型芳香性 杂 环 N N
O
S
S
O
N H
N
N
O
脂杂环
O
O
N H
O
O
O
N
N
N
N
2. 根据环状大π键的π电荷密度分类
富π芳杂环
S
6 5
O
N H
N H
芳 杂 环
具有斥电子 Π 型电子结构的芳杂环
N
缺π芳杂环
N
6
N N
N N
N
具有吸电子 Π6 型电子结构的芳杂环
N
N
3. 根据环的大小分类
（二） 无特定名称的稠杂环母核的命名规则 (自学）P468－469）
S
O
噻吩并[2,3-b]呋喃
考研 者必 修！ 基本环
附加环
附加环原子编号
基本环边编号
1. 基本环的选择原则
（1） 芳稠杂环选杂环为基本环[ 如（1）] （2） 多杂稠杂环按N>O>S顺序选择基本环[如（2）]
（3) 选环最大的[如（3）]
Π6 6
苯型芳香大π键
0.87γ δ+ 1.01β
δ+
δ - β1.01
0.84α δ
N
δ-
δ + α0.84
N
qN>qβ>q γ>qα H
1.43
N H
由于氮原子与环碳原子构成了π-π共轭体系，氮原子对环碳原子产生了 -C效应，使环上α、β、γ原子上的π电荷产生交替极化，总体效果相当
于硝基苯中的硝基，环碳原子的平均π电荷密度
7. 杂环母核的名称和编号确定后，可将取代基的名称连同位置编号以词头
或词尾的形式加在杂环名前和名后（p466-467)
PhCO
5 6
4 1 7
SO3H
3
N
2
N H
NH2
I OH
N
2-氨基-5-苯甲酰基苯并咪唑 7-碘-8-羟基喹啉-5-磺酸 2-amino-5-benzoylbenzimidazole 7-iodo-8-hydroxuquinoline-5-sulfonic acid
1
4
3
4
4
5
3 N 2 NO
1
3
4
4
3
3
2 2
2
5
N
5
N2 N O2
1
O 1
1
5
O
1
N H
1
吡唑 pyrazole
咪唑 imidazole
噻唑 thazole
S
1
b a
2
c d
HN
d
a b c
3
4
O
2
S
1
5
附加环 基本环
基本环 附加环
书写次序：
附加环并[X，Y-Z]基本环
附加环与基本环稠合处的位号 （两个数字）
4 3
基本环与附加环稠合处的边号 （一个字母）
c d
走向一致
S
1
b a
2
c d
N
a b
O
S
顺时针
噻吩并[2,3-b]呋喃
不一致
苯并[d]噻唑
qπ。< 1
因此，像吡啶一类的含氮六元杂环又被称为“缺π芳杂环”。与硝基苯 类似，它们的亲电取代变难，亲核取代变易，氧化变难。还原变易。
qπC=(6-1.43)/5=0.914< 1.0
δ+
δδ+ δ+ δδδ+ δδ+
δ+ δδ+
环上碳原 子π电荷平 均密度
qπ<1
N
N
Oδδ-
O
钝化的芳香环
（4）选杂原子种类数目最多的环[如（4）和（6）] （5）环大小相同，杂原子种类数目相同时，选稠合前杂原子编号（位数和） 较低者为基本环
NH O 苯并呋喃 (1) N N (4) N S 噻吩并吡咯 (2) N N N N (5) N N N H 吡唑并噁唑 O (6) O 呋喃并吡喃 (3) O
吡啶并嘧啶
10.“活泼氢” 或互变异构体的标记方法：当环上含有活泼氢或可能存在互
变异构体时，要标明两种可能的位次。例如： OH O
N HO N HN O N H
2,4-二羟基嘧啶 2,4-dihydroxypyrimidine
4 3 5 4 5 3
嘧啶-2,4-二酮
ptrimidine-2,4-dione
1 2 6
4 5 3 6
N
1
2 N CH3 1
N N CH3 H
吡啶 pyridine
六氢吡啶(哌 啶) piperidine
1 H 2H-吡喃 2H-pyran
O N
2
★ 含 两 个杂原子的五元单杂环 4
3 4 5 3 4 5 5
N
3
4
N H
1
N2
N H
1
N 2 H
1
N2
5
55
4 3NN 3 N
2 N S H
吡嗪并哒嗪
2. 稠合边的表示方法
稠杂环的稠合边（即共用边）是用附加环和基本环两组分的位号来表示
基本环： 按原有单杂环编号规则用英文字母a、b、c、d……表示各边 （1,2原子之间为a, 2,3原子之间为b……)
附加环: 用阿拉伯数字、1、2、3……标注各个成环原子；当有选择时，应
使稠合边位号尽可能较小。
COOH
H 3C
O
CH3
N
γ-吡啶甲酸 γ-pyridinecarboxylic acid
α,α'-二甲基呋喃 α,α'-dimetylfuran
6. 稠杂环有其固定的编号顺序（p466），一般从一端开始依次编号，共用
的碳原子一般不编号；注意使杂原子尽可能取较小的编号，并遵守杂原
子的优先顺序（p466 吩噻嗪） 嘌呤和异喹啉的编号是特例（p465）
Ph
不一致
5 6
N 1 N
7
3 2
4
3
c
b a
S
1
2
5-苯基咪唑并[2,1-b]噻唑 5-phenylimidazolo[2,1-b]thiazole
3
N
2
b a
c
d
4 5
4
3 1 2
O
1
6N
N5
H
6H-吡唑并[4,5-d]噁唑 6H-pyrazolo[4,5-d]oxazole
走向一致
2 1 11 10 9 8
N
2 3 1 6 5 4 c
3 4
N H 7
b a
5
7H-吡啶并[4，3-c]咔唑 7H-pyrido[4,3-c]carbazole 不一致
6
环系的正确画法： （1）六元环要竖写，五元环一角要在正下方或正上方 （2）要使横排环数最多，如有选择应使右上象限环数最多，且左上 象限环数最少
H N H N NH
6
N N
3
5 4
7
NH N
9 8
1 2
5
N N
3 4
N N9 H
7 8
CH3
N
2
NH
1
CH3
N H
1
N2
3-甲基吡唑 3-methylpyrazole
5-甲基吡唑 5-methylpyrazole
7H-嘌呤 7H-purine
9H-嘌呤 9H-purine
3(5)-甲基吡唑 3(5)-methylpyrazole
O PhCO 1 N O
2 6 5
CH N7 3
8
N4 N CH3 9
3
1,3,7-三甲基嘌呤-2,6-二酮 1,3,7-thimethylpurine-2,6-dione
8. “标氢”或“指示氢”的标记方法：当环上已经含有最多数目的非累 积双键时，成环的饱和原子所连接的氢原子称为“标氢”或“指示氢”。当 杂环母核上连有标氢时，应给标氢尽可能低的编号，且将标氢用位次加H
2
4
N
1
6
哒嗪 pyridazine
嘧啶 pyrimidine
吡嗪 pyrazine
哌嗪 pyperazine
★ 五元及六元稠杂环
4 5 6 7 3 2 5 6 7 4 3 2 5 6 7 4 3 2
N1 H
O1
S1
吲 哚 indole
5 6 7 4 3 2 5 6 7 8
苯并呋喃 benzofuran
水溶度 d420 ∞ 0.9818
238
热水 1.0929
242.2
几乎不溶 1.0986
345-346
沸水中稍溶 1.0829
pKa
5.19
4.94
5.42
5.58
含一个 N 的六员杂环化合物
一、 吡 啶
—— 最为重要的是 吡 啶
（一）吡啶的结构及芳香性
sp 2 轨道有未 共用电子对
共轭能： 31kJ/mol
N O N S
N SO4 N 发 烟 H2 N
HgSO4 250℃
N
H
N O N H N
5. 根据环的数目分类
N H S
NH2 N H2N N N NH2
N O N
N
单环杂环
N 三聚氰胺 H2N-C≡N (氰胺）
N N
二环杂环 O
芳稠杂环（苯环与杂环稠合） N H 稠杂环（杂环与杂环稠合）
多环杂环
符合Hückel规则 的平面型芳香性 杂 环 N N
O
S
S
O
N H
N
N
O
脂杂环
O
O
N H
O
O
O
N
N
N
N
2. 根据环状大π键的π电荷密度分类
富π芳杂环
S
6 5
O
N H
N H
芳 杂 环
具有斥电子 Π 型电子结构的芳杂环
N
缺π芳杂环
N
6
N N
N N
N
具有吸电子 Π6 型电子结构的芳杂环
N
N
3. 根据环的大小分类
（二） 无特定名称的稠杂环母核的命名规则 (自学）P468－469）
S
O
噻吩并[2,3-b]呋喃
考研 者必 修！ 基本环
附加环
附加环原子编号
基本环边编号
1. 基本环的选择原则
（1） 芳稠杂环选杂环为基本环[ 如（1）] （2） 多杂稠杂环按N>O>S顺序选择基本环[如（2）]
（3) 选环最大的[如（3）]
Π6 6
苯型芳香大π键
0.87γ δ+ 1.01β
δ+
δ - β1.01
0.84α δ
N
δ-
δ + α0.84
N
qN>qβ>q γ>qα H
1.43
N H
由于氮原子与环碳原子构成了π-π共轭体系，氮原子对环碳原子产生了 -C效应，使环上α、β、γ原子上的π电荷产生交替极化，总体效果相当
于硝基苯中的硝基，环碳原子的平均π电荷密度
7. 杂环母核的名称和编号确定后，可将取代基的名称连同位置编号以词头
或词尾的形式加在杂环名前和名后（p466-467)
PhCO
5 6
4 1 7
SO3H
3
N
2
N H
NH2
I OH
N
2-氨基-5-苯甲酰基苯并咪唑 7-碘-8-羟基喹啉-5-磺酸 2-amino-5-benzoylbenzimidazole 7-iodo-8-hydroxuquinoline-5-sulfonic acid
1
4
3
4
4
5
3 N 2 NO
1
3
4
4
3
3
2 2
2
5
N
5
N2 N O2
1
O 1
1
5
O
1
N H
1
吡唑 pyrazole
咪唑 imidazole
噻唑 thazole