第十五章 杂环化合物

尤其易发生在α- 位。杂原子的存在相当于在环上引入了 ―NH2、―OH、 ―SH 等活化基团而使环活化，故进行 亲电取代反应的活泼顺序是： 重要
N
O
S
H
吸电子诱导和给电子共轭的综合结果
N
O
噁唑
N
S
噻唑
N H
吲哚
N
N H
咪唑
4n+2? 休克尔规则
N N H
吡唑
N
N
N
N H
嘌呤
• 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：
Br2 Br
Br
H2O
Br
NHCH3
NaNO2/HCl 0~5oC
NH2
H2SO4
+
NH3 HSO4－
－H2O
Δ
NHSO3H
180 ℃
N N=O CH3
NH2
SO3H
R3N + R' X
R3N X R'
R4N X
Ag2O 或 AgOH
R4N OH
+
AgX
季铵碱

'
H3C CH2 CH2 CH CH3
第十五章 杂环化合物 （Heterocyclic Compounds）
复习
PhSO2Cl NaOH
CH3CH2NH2 PhNH2
(CH3CH2)2NH PhNHCH3
(CH3CHwenku.baidu.com)3N PhN(CH3)2
NH2
NaNO2 , HCl 0 ～5℃
+
N
N Cl－
+ NaCl + 2H2O
NH2
NH2
噻吩 0.1714(0.182)
0.1370
C =C
0.134
C3 C4
0.1430 0.1417
0.1423 CC 0.154
C C
C
O
C
π6 5
富π电子体系
未参与共轭
C
C
C
S
C
4n+2? 休克尔规则
参与共轭
C C
C
NH
C
C C
C
C N
C
未参与共轭
π6
电子数
6
原子数
缺π电子体系
4n+2? 休克尔规则
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
• 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
• 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
• 基本环按照稠合以前原杂环编号将各边分别编为a，b，c， d，……；
• 附加环仍按照稠合以前原杂环编号1，2，3，……进行编号；
• 将基本环稠合边的编号置于后面，附加环编号置于前面，两者 用短线“-”隔开，将稠合边编号置于方括号[ ]内，列在母体名 称中“并”字后面。
1
eO a 2 S
b
5
d
c3
4
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
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。
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
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；
+ HCl N
N HCl NH3 N
N
+ SO3 CH2Cl2 室温
N SO3 (90%)
吡啶三氧化硫络合物 是常用的缓和磺化剂
此反应常用于 在反应中吸收 生成的气态酸
+ BF3 N
N BF3
2
+ CrO3
N
2
.N CrO3
取代吡啶的碱性比较：
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。
苯并噻吩
(benzothiophene)
4
3β
5
1
N H
2α
吡咯(pyrrole)
4
5
3
6
2
N
7 H1
苯并吡咯
吲哚 (indole)
三. 唑的命名 重点
含有两个杂原子的五元杂环，若至少有一个杂原子是 氮，则该杂环化合物称为唑。
命名时的编号原则是： 口诀：杂原子小、价数小、序数小 1） 让杂原子的位号尽可能小； 2）当两个杂原子不相同时，编号的次序是：价数小的在前 ，大的在后； 3）价数相等时，原子序数小的在前，大的在后。
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
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
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
N(CH3)3 OH
季铵盐
H3C CH2 CH2 CH CH2
+
98%
H3C CH2 CH CH CH3 2%
Ar X （离子性和自由基型反应）
Ar
+
N
N X-
HX
CuX
Ar X (X=Cl、Br)
Ar OH
Ar N2 X
Ar H
Ar
+
N
N X-
CuCN
KCN
Ar CN
Ar
+
N
NX-
KI
Ar I
Ar CN
CH3
R' = CH3 ( CHCH2CH2CH2 )3C CHCH2
叶绿素a （R=CH3） 叶绿素b （R=CHO）
S
H3C N
OR
CH3 H
O
H3C H3C CH3
O
OH O
OH CH3
Epothilone A(R=H)；B(R=CH3)
1993年被发现的一种高效抗癌物质
• 在环状化合物中，构成环的原子除了碳原子外还有其 他原子的，这种环状化合物称为杂环化合物。组成杂 环的原子除碳原子外都叫做杂原子。最常见的杂原子 有氮、氧、硫。
了解 （1） 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：
S
N
O
H
离域能： 150.5
117
88
67 kJ/ mol
稳定性
S
N
O
H
掌握 （2） 五元杂环化合物是富电子体系，而苯环为等电子体系，
故环上的电子云密度比苯高，其亲电取代反应比苯容易，
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）
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。
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。
杂环并杂环
67
1N 5 N
8
2
N 3
4
N H
9
嘌呤(purine)
在人体内嘌呤氧化成尿酸，人
体尿酸过高就会引起痛风。海鲜， 动物的肉的嘌呤含量都比较高
五、无特定名称稠杂环的命名
1. 基本环和附加环
• 无特定名称稠杂环命名时，先将稠合环分为两个环 系，一个环系作为基本环，另一个作为附加环，命 名时附加环名称置前，基本环名称置后，中间用 “并”字相连。
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)
NN
NH S
咪唑并噻唑
附加环并基本环
（6）若环系大小和环上杂原子数目、种类均相同，则选 择两个环系稠合前杂原子编号较低的杂环为基本环
NN N
N 吡嗪并嘧啶
附加环并基本环
（7）若含有共用杂原子，则视两个稠合环均含 有该杂原子来选择基本环。
NS N
咪唑并噻唑 杂原子种类较多
3. 稠合位置的表示
重点
附加环并基本环
S
N
H
噻吩并[2，3-b]吡咯
重点
附加环并基本环
2. 基本环的确定（氮杂环为母体）
（1）以含氮杂环为母体，仍有选择余地，选择 环数较多，且有特定名称的芳环为基本环；
O NH 呋喃并吡咯
N 苯并喹啉
不是：萘并吡啶
附加环并基本环
（2）如果没有含氮杂环，则按照含有优先杂原子
的杂环为基本环；杂原子的优先次序：O，S，
O
H
NH NH2
O
H S
N
H2O
CH3
COOH
头孢氨苄 （先锋霉素Ⅳ ）
CH=CH2 CH3
H3C H3C
N
N
Fe OH
N
N
CH=CH2 CH3
HOOCCH2CH2
CH2CH2COOH
血红素
CH=CH2 R
H3C
H H3C R'OOCCH2CH2
N
N
Mg
N
N
C2H5 CH3
HH O
COOCH3
CH3
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)