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
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
杂环化合物
吡嗪 （pyrazine）
8 7 6 5 9
吡喃 （pyran）
1 2 3 1 6
稠 杂
6 7 8
N
N
3
5
N N
7
N
1
N
2
N1 H
N
2
4
8
10
4
环
喹啉 (quinoline)
异喹啉
(isoquinoline)
吲哚 ( indole )
吖啶 （acridine）
嘌呤 （purine）
2、命名： 采用IUPAC原则，以45个杂环化合 物的俗名为基础作为命名的依据 ，英文 译音，汉字加“口”旁。
苯环与杂环稠合
稠杂环 杂环与杂环稠合
杂环种类 五
4 5 3 4 5 3
重
4 5 1
要
3
杂
4 5
环
N S
1 2 3 4 5 1 3 4 5 1
N N H
2
3
单
元 杂 环
元 杂 环
O
1
2
S
1
2
N H
2
N H
N2
呋喃 （furan）
4 5 3
噻吩 （thilphene）
4 5 3
吡咯 （pyrrole）
NH2 N N N H N
5、鸟嘌呤(guanine) 2-氨基-6-氧嘌呤称为鸟嘌呤（G）
O H N H2N N N H N H2N N N N H OH N
小 结 杂环化合物的分类 杂环化合物的命名 作 业
6 7 8
N-甲基-2-巯基咪唑 5-乙基噻唑 2，4-二羟基嘧
（3）、特定名称的稠杂环，有其固定的编号顺序 5 4
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
¨ß £ À ¤Ç ý Ð õ º ¯ À ò £ ¬ Á ¹ Í Ì º Æ º ¯ » À £ ©
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R-C-H + CH2N2
O R-C-CH3 + N2
O
O
R'
+ R-C-CH2R' + N2
R
3
主要内容
第一节 第二节 第三节 第四节
杂环化合物的分类及命名 杂环化合物结构与芳香性 六元杂环化合物 五元杂环化合物
O
HH
NH
S CH3
NH2 O
N
CH3
COONa
氨苄青霉素钠 （amoxicillin）
0.140
4
3
0.139
N2
0.147 单
0.134 0.128 双
无芳香性
O
2H-吡喃 （无芳香性）
芳香性
N
N
嘧啶
N
喹啉
4n+2? 休克尔规则 4H-吡喃
（无芳香性）
O
N
异喹啉
二、五元杂环化合物
43
2
Z
Z = O、NH、S
ZC
C2 C3
呋喃 0.136(0.143) 0.1361
吡咯 0.1370(0.147) 0.1383
3
6
N2
N
1
6
2
N
1
6
2
N
1
哒嗪(pyridazine) 嘧啶(pyrimidine) 吡嗪(pyrazine)
六元杂环苯并环系
5 6
7 8
4 3
N2 1
喹啉
(quinoline)
5 6
7 8
4 3
N2 1
异喹啉
(isoquinoline)
54
O
6
3
7
2
O
81
O
苯并吡喃
苯并--吡喃酮
(benzopyran) (benzo--pyrone)
• 呋喃环上四个碳原子为sp2杂化，三个sp2杂化轨道与其他三个
原子形成σ－键，还有一个未参与杂化的p轨道，O也是sp2杂
化，六个价电子分布情况是两个在两个sp2杂化轨道上，与相
邻的碳成σ键，两个在另一个sp2杂化轨道上，还有两个价电
子在未杂化的p轨道上。四个碳和一个氧原子的p轨道侧面交
盖形成共轭体系（封闭π键）， π电子数为6。符合Huckel规
N 吡唑
N H
吡喃(无芳香性)
O
苯并杂环 杂环并杂环
吲哚
N H
N
N
N
N H
嘌呤
喹啉
N
N 异喹啉
二. 五元杂环化合物命名
五元杂环
4
3β
5
2α
O
1
呋喃(furan)
4 3β 5 S 2α
1
噻吩(thiophene)
五元杂环苯并体系
4
5
3
6 7
2 O
1
苯并呋喃
(benzofuran)
4
5
3
6 7
2 S
1
• 前面一些章节中学习过的一些化合物虽然含有杂原子 组成的杂环，但是由于其性质与其相应的链状化合物 类似，因此在有关章节中，不在这里学习。
第一节 杂环化合物分类及命名
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
噻唑(thiazole)
4 N3
5
2
N H
1
咪唑(inidazole)
四. 六元杂环化合物的命名
六元杂环
γ 4
5
3β
6 N 2α 1
γ 4
5
3β
6 O 2α 1
O
4
5
3
6O 2 1
4
5
3
6
2
OO
1
吡啶(pyridine)
4
5
3
吡喃(pyran)
4
5
N3
γ-吡喃酮 (γ-pyrone)
4 5N
α-吡喃酮 (α-pyrone)
O、S、N的 次序如左：
OS
2价 原子序数小
N
3价 原子序数大
1,2-唑
口诀：杂原子小、价数小、序数小
43
43
43
5
N2
O1
异噁唑(isoxazole)
5
N2
S1
异噻唑(isothiazole)
5
N H
N 1
2
吡唑(pyrazole)
1,3-唑
4 N3
5
2
O1
噁唑(oxazole)
4 N3
5
2
S1
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 )
2. 芳杂环 具有芳香特征的杂环化合物称为芳杂环
五元杂环 六元杂环
呋喃
O N
噁唑
O
吡啶
N
噻吩
S N
噻唑
S
N 嘧啶
N
N 吡咯
H N
咪唑
N H
6
原子数
缺π电子体系
4n+2? 休克尔规则
• 吡啶环的键长也发生了较大程度的平均化，C―C键虽 与苯相似，但C―N键变化很大，因此，其芳香性也比 苯差。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。
S
N
O
N
H
第三节 六元杂环化合物
一、吡啶
孤电子对 在sp2杂化 轨道上。
共轭效应和诱导效应都是吸电子的
• 结构：吡啶N是sp2杂化，孤电子对不参与共轭。 • 性质：碱性较强。环不易发生亲电取代反应但易发生
亲核取代反应。发生亲电取代反应时，环上N起间位定 位基的作用。发生亲核取代反应时，环上N起邻对位定 位基的作用。
1. 物理性质 • 氮原子的电负性较大，使吡啶有较大极性，其偶极距
数值较大。
N
N H
=2.20D
=1.17D
• 吡啶能与水以任意比例混溶，又能溶解大多数极性或 非极性有机化合物，甚至许多无机盐类，是一个良好 的溶剂。
2. 化学性质
（1）碱性 • 吡啶N是sp2杂化，孤电子对不参与共轭，可以与质 子结合或给出电子，显弱碱性。利用它的碱性，可 从混合物中分离吡啶类化合物，在化学反应中还可 用作催化剂和除酸剂。
Se，Te，P，As，Sb，Si，Ge，Sn，Pb，B，
Al，Ga，In，Tl
OS
O
S
噻吩并呋喃
噻吩并呋喃
（3） 选择较大的杂环为基本环；
附加环并基本环
NH N
吡咯并吡啶 不是：吡啶并吡咯
附加环并基本环
（4） 选择杂原子数目较多的杂环为基本环；
N
N N 吡啶并嘧啶
（5） 选择杂原子种类较多的杂环为基本环；
Ar
+
N
NX- HBF4
Ar
+
N
NBF4-
Ar F
O R-C-O-H + -CH2-N+ N
+
CH2=N N
O
R-C-OCH3 + N2
Ar N2 X Ar N2 X
H2O / H+
Ar OH + N2
H3PO2 HOCH2CH3
Ar H
OH + CH2N2
O R-C-R' + CH2N2
OCH3 + N2 O
Oa
e
3
b
4 5
d
S c 2
1
3
2b c
N
4
a
d
N
5
1f e
噻吩并[2,3-b]呋喃
噻吩并[3,2-b]呋喃
吡咯并[1,2-a]吡嗪
第二节 杂环化合物结构与芳香性
一、六元杂环化合物
0.140
4
3
0.139
N2
0.147 单
0.134 0.128 双
平面分子
重要
C C
C
C N
C
未参与共轭
π6
电子数
则，具有芳香性。
• 噻吩结构与呋喃相同。 C C
C
O
C
未参与共轭
4n+2? 休克尔规则
• 吡咯的氮原子为五个价电子，三个在三个sp2杂化轨道， 与其他原子形成三个σ－键，未杂化的p轨道上也是两 个价电子，组成封闭π键， π电子数为6 ，具有芳香性。
参与共轭
C C
C
NH
C
• 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sp2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。
第十五章 杂环化合物 （Heterocyclic Compounds）
复习
PhSO2Cl NaOH
CH3CH2NH2 PhNH2
(CH3CH2)2NH PhNHCH3
(CH3CH2)3N PhN(CH3)2
NH2
NaNO2 , HCl 0 ～5℃
+
N
O R-C-CH3 + N2
O
O
R'
+ R-C-CH2R' + N2
R
3
主要内容
第一节 第二节 第三节 第四节
杂环化合物的分类及命名 杂环化合物结构与芳香性 六元杂环化合物 五元杂环化合物
O
HH
NH
S CH3
NH2 O
N
CH3
COONa
氨苄青霉素钠 （amoxicillin）
0.140
4
3
0.139
N2
0.147 单
0.134 0.128 双
无芳香性
O
2H-吡喃 （无芳香性）
芳香性
N
N
嘧啶
N
喹啉
4n+2? 休克尔规则 4H-吡喃
（无芳香性）
O
N
异喹啉
二、五元杂环化合物
43
2
Z
Z = O、NH、S
ZC
C2 C3
呋喃 0.136(0.143) 0.1361
吡咯 0.1370(0.147) 0.1383
3
6
N2
N
1
6
2
N
1
6
2
N
1
哒嗪(pyridazine) 嘧啶(pyrimidine) 吡嗪(pyrazine)
六元杂环苯并环系
5 6
7 8
4 3
N2 1
喹啉
(quinoline)
5 6
7 8
4 3
N2 1
异喹啉
(isoquinoline)
54
O
6
3
7
2
O
81
O
苯并吡喃
苯并--吡喃酮
(benzopyran) (benzo--pyrone)
• 呋喃环上四个碳原子为sp2杂化，三个sp2杂化轨道与其他三个
原子形成σ－键，还有一个未参与杂化的p轨道，O也是sp2杂
化，六个价电子分布情况是两个在两个sp2杂化轨道上，与相
邻的碳成σ键，两个在另一个sp2杂化轨道上，还有两个价电
子在未杂化的p轨道上。四个碳和一个氧原子的p轨道侧面交
盖形成共轭体系（封闭π键）， π电子数为6。符合Huckel规
N 吡唑
N H
吡喃(无芳香性)
O
苯并杂环 杂环并杂环
吲哚
N H
N
N
N
N H
嘌呤
喹啉
N
N 异喹啉
二. 五元杂环化合物命名
五元杂环
4
3β
5
2α
O
1
呋喃(furan)
4 3β 5 S 2α
1
噻吩(thiophene)
五元杂环苯并体系
4
5
3
6 7
2 O
1
苯并呋喃
(benzofuran)
4
5
3
6 7
2 S
1
• 前面一些章节中学习过的一些化合物虽然含有杂原子 组成的杂环，但是由于其性质与其相应的链状化合物 类似，因此在有关章节中，不在这里学习。
第一节 杂环化合物分类及命名
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
噻唑(thiazole)
4 N3
5
2
N H
1
咪唑(inidazole)
四. 六元杂环化合物的命名
六元杂环
γ 4
5
3β
6 N 2α 1
γ 4
5
3β
6 O 2α 1
O
4
5
3
6O 2 1
4
5
3
6
2
OO
1
吡啶(pyridine)
4
5
3
吡喃(pyran)
4
5
N3
γ-吡喃酮 (γ-pyrone)
4 5N
α-吡喃酮 (α-pyrone)
O、S、N的 次序如左：
OS
2价 原子序数小
N
3价 原子序数大
1,2-唑
口诀：杂原子小、价数小、序数小
43
43
43
5
N2
O1
异噁唑(isoxazole)
5
N2
S1
异噻唑(isothiazole)
5
N H
N 1
2
吡唑(pyrazole)
1,3-唑
4 N3
5
2
O1
噁唑(oxazole)
4 N3
5
2
S1
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 )
2. 芳杂环 具有芳香特征的杂环化合物称为芳杂环
五元杂环 六元杂环
呋喃
O N
噁唑
O
吡啶
N
噻吩
S N
噻唑
S
N 嘧啶
N
N 吡咯
H N
咪唑
N H
6
原子数
缺π电子体系
4n+2? 休克尔规则
• 吡啶环的键长也发生了较大程度的平均化，C―C键虽 与苯相似，但C―N键变化很大，因此，其芳香性也比 苯差。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。
S
N
O
N
H
第三节 六元杂环化合物
一、吡啶
孤电子对 在sp2杂化 轨道上。
共轭效应和诱导效应都是吸电子的
• 结构：吡啶N是sp2杂化，孤电子对不参与共轭。 • 性质：碱性较强。环不易发生亲电取代反应但易发生
亲核取代反应。发生亲电取代反应时，环上N起间位定 位基的作用。发生亲核取代反应时，环上N起邻对位定 位基的作用。
1. 物理性质 • 氮原子的电负性较大，使吡啶有较大极性，其偶极距
数值较大。
N
N H
=2.20D
=1.17D
• 吡啶能与水以任意比例混溶，又能溶解大多数极性或 非极性有机化合物，甚至许多无机盐类，是一个良好 的溶剂。
2. 化学性质
（1）碱性 • 吡啶N是sp2杂化，孤电子对不参与共轭，可以与质 子结合或给出电子，显弱碱性。利用它的碱性，可 从混合物中分离吡啶类化合物，在化学反应中还可 用作催化剂和除酸剂。
Se，Te，P，As，Sb，Si，Ge，Sn，Pb，B，
Al，Ga，In，Tl
OS
O
S
噻吩并呋喃
噻吩并呋喃
（3） 选择较大的杂环为基本环；
附加环并基本环
NH N
吡咯并吡啶 不是：吡啶并吡咯
附加环并基本环
（4） 选择杂原子数目较多的杂环为基本环；
N
N N 吡啶并嘧啶
（5） 选择杂原子种类较多的杂环为基本环；
Ar
+
N
NX- HBF4
Ar
+
N
NBF4-
Ar F
O R-C-O-H + -CH2-N+ N
+
CH2=N N
O
R-C-OCH3 + N2
Ar N2 X Ar N2 X
H2O / H+
Ar OH + N2
H3PO2 HOCH2CH3
Ar H
OH + CH2N2
O R-C-R' + CH2N2
OCH3 + N2 O
Oa
e
3
b
4 5
d
S c 2
1
3
2b c
N
4
a
d
N
5
1f e
噻吩并[2,3-b]呋喃
噻吩并[3,2-b]呋喃
吡咯并[1,2-a]吡嗪
第二节 杂环化合物结构与芳香性
一、六元杂环化合物
0.140
4
3
0.139
N2
0.147 单
0.134 0.128 双
平面分子
重要
C C
C
C N
C
未参与共轭
π6
电子数
则，具有芳香性。
• 噻吩结构与呋喃相同。 C C
C
O
C
未参与共轭
4n+2? 休克尔规则
• 吡咯的氮原子为五个价电子，三个在三个sp2杂化轨道， 与其他原子形成三个σ－键，未杂化的p轨道上也是两 个价电子，组成封闭π键， π电子数为6 ，具有芳香性。
参与共轭
C C
C
NH
C
• 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sp2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。
第十五章 杂环化合物 （Heterocyclic Compounds）
复习
PhSO2Cl NaOH
CH3CH2NH2 PhNH2
(CH3CH2)2NH PhNHCH3
(CH3CH2)3N PhN(CH3)2
NH2
NaNO2 , HCl 0 ～5℃
+
N