第十六章 杂环化合物

或2个以上杂原子编号的优先顺序为
O→S→NH→N 。
⑶、嘌呤的特殊编号。
例：
O CHO
COOH N
N S
噻唑
NH2
N N N N H
N H N
α-呋喃甲醛 (糠醛)
β-吡啶甲酸
NH2 N
吡唑
N OH
N H
O
8-羟基喹啉
4-氨基-2-氧嘧啶 (胞嘧啶)
6-氨基嘌呤 (腺嘌呤)
4
PhCO
5 6 7 1
三、性质：
1、碱性比较：
N ＞NH3＞ ＞ N ＞ NH 2 N H
+ HCl
+
or N H ClN
.HCl
N
.C rO3
N
非质子性氧化剂
温和的磺化、烷基化、酰化及硝基化Baidu Nhomakorabea剂：
.SO3
N N CH3
.I
N COR
. XN NO2
.BF4-
例：
+
O N
.SO
3
室 温 C H2C l2 H3O+
O
N SO3- +
H3C COOH N
+ CH3COCOOH
NHNH 2 COOH N H
PC l3
NH
-C O2 250℃
N H
H3C
+ CH3COCH3
NHNH 2 NH
N
CH3 ZnCl2 180℃ N H
CH3
CH3 CH3
+ CH3CH2CHO
NHNH 2 NH
N
ZnCl2 180℃ N H CH3
异烟酰肼
N
优良的抗结核药。
核酸中的碱基： 嘧啶碱：
NH2 N N H
N N
O NH O N H O H3C
O NH N H O
胞嘧啶(C)
O NH N H O
尿嘧啶(U)
OH N N OH
胸腺嘧啶(T)
嘧啶
互变异构体
嘌呤碱：
N
NH2 N N N H H2N N
OH N N N H
腺嘌呤(A)
N N N N H
E. 丁 二 酰 亚 胺
N aOH 下 列 化 合 物 与 苯 磺 酰 氯 反 应 所 生 成 的 产 物 能 A. 乙 胺 B. 二 乙 胺 E. C. N-甲 基 苯 胺
D . 四 氢 吡 咯
六 氢 吡 啶
补充： 喹啉的合成（Shraup合成法 ）
NH2 CH2OH
+ CHOH +
CH2OH
NO2
机制:
E+进攻吡咯α(邻)-位的共振式（三种）：
+
N
+E+
E
N
H
+
N
E
H
+ N
H
E
H
H
-H+
N
H
H
E
H
E+进攻吡咯 β(对)-位的共振式（两种）：
E H E H
N H
+
+ N H
结论：由于α(邻)-位反应中间体较稳定，过渡态
能量低，反应速度快，因此吡咯亲电取代反应易 在 α(邻)-位发生。 E+分别进攻吡啶α，β，γ位的共振式：
O
SO3H
例：
+ KOH N H
bN Na H
N+ K
+ H2O
例：判断a 、b、 c处N原子的碱性大小。
CH 2CH 2NH 2 c
C＞b ＞ a
2、亲电取代：
取代反应速度：取决于环上的电子云密度。 吡咯>呋喃>噻吩>>苯 例：
N H N H N H + Br2 + Br2 Fe Br Br N H Br
+E N
+
+ N
H E
+
H N E
+ H N E
（极不稳定）
+E N
+
H N + E
+
N
H E + N
H E
+ E+
N
H + N
E
H + N
E
H
E + N
（极不稳定）
结论： α位和γ 位都有极不稳定的共振式，而β位
进攻则没有，因此吡啶的亲电取代反应发生在 β位上。
3 、吡啶亲核取代反应
吡啶环是一个“缺π电子”体系。当吡啶2-位 (或4-位)具有优良的离去基团(如卤素)时，较 弱的亲核试剂(如：NH3、H2O等)就能反应。
H2SO4 FeSO4
+
N
NH2
反应过程：
1、甘油醛脱水生成丙烯醛：
H HO OH CHO OH
conc. H2SO4
HO
+
OH2
OH
-H2O
HO
OH
conc. H2SO4
HO
H2O H
+
CHO -H O 2
CHO
NH2
O + H2C=HCCCH3
FeC l3,ZnC l2 Ph NO2,
N
CH3
N3
2
2-氨基-5-苯甲酰基苯并咪睉
N H
4 3
NH2
O
1
SO3H
5 6 7 8
H3C
2
N
2
6 3
5
CH3 N7
8
N 1
O
OH
8-羟基-喹啉-5-磺酸
N
4
N
9
CH3 1,3,7-三甲基嘌呤-2,6-二酮
1H-吲哚
N H
N
3H-吲哚
2H-吡咯
N
N N N N H 9H-嘌呤
N H
N
1H-吡咯
H N N N
7H-嘌呤
二、结构
(一) 吡咯和吡啶的结构：
① 吡咯环上N原子采取SP2杂化,P 轨道一对电子参与P-π共轭，形 成六电子五原子的共轭体系， 与苯的电子六电子六原子结构 相比，吡咯环上的电子云密度 高。 N原子上的电子云密度降 低。
N
H
N
吡啶的结构
② 吡啶环的N原子也是SP2杂化， N原子的P 轨道与碳上P轨道 形成六电子六原子的共轭体， N原子上未成键的孤对电子 在SP2杂化轨道上，未参与共 轭为N原子所独有，N原子上 的电子云密度较高。与苯环 相比，由于N原子的电负性 较大，故吡啶环上的电子云 密度较苯环上的电子云密度 低。
A、 B、 C、 D、 O N S N H 亲 电 取 代 反 应 发 生 在 杂 环 上 的 是
E、吡咯
OH E、
A. NO2
B.
N
C. N H
D. O
E.
N
Which of the following has the strongest basicity in water? A.乙 酰 胺 D. 苯 胺 B. 二 乙 胺 C. 氨
Cl
+2NH3
N
NaOH +H2O 回流
180∽200℃
NH2 +NH4Cl
N
N
Br
N
+NaBr OH
+ PhLi
+LiH N Ph
N
+ NaNH2
NH3
N NH2
N
4、氧化： 吡啶比苯还难被氧化
C H3 KMnO4 N H
+
CO O H N β-吡啶甲酸
SeO2
N CH3 N CHO
KMnO 4 N H
+
COOH COOH
HOOC
N
KMnO 4 H+ N
可见：电子云密度较高的环较易被氧化。
NO2
H2O2/AcOH or CH3CO3H
N
混 酸 +
N O
-
+
N ONO2
PC l3 C HC 3 l,
H2/Ni or Fe/H+
N
N
NH2
对于氧化剂环的稳定性顺序为：
＞
N
＞五员杂环
而当氢化时吡啶比苯容易：
乙醚 Br
Br
O
+ CH3C-ONO2
(CH3CO)2O
5° C O
吡啶
+ Ac2O N H
N NO2 H
C-CH3
H2SO4 SO3 N 230° C ,24h N KNO 3+H2SO4
Fe 350° C
Br2 N 300° C N
SO3H
NO2
N
N
Br
取代位置：发生在电子云密度高的位置即： 吡咯发生在α(邻)-位 吡啶发生在β(间)-位。
鸟嘌呤(G)
次黄嘌呤、黄嘌呤和鸟嘌呤为嘌呤碱在体内 的代谢产物。其中：
O HN O N H H N O N H HO N N H N OH N OH
嘌呤
酮式
烯醇式
下列化合物中最难发生亲电取代反应的是
A、
N
B、
H
C、 N H
D、
E、
叶绿素、血红素等都含有的杂环是 A、吡啶 B、咪唑 C、噻唑 D、嘧啶 亲电取代反应发生在β-位的是
N
NH 2
N
OH
水溶度： 任意比例
1：1
1：1
微溶
(四)重要的杂环化合物：
吡咯衍生物：叶绿素、血红素、VB12等，都 含有卟吩环的基本骨架。卟吩环由4个吡咯环的 α-C通过次甲基（-CH=）相连而成的共轭体系， 显示芳香性。
C H C H2 H 3C
C H3
N HN
NH N
N
N Fe
N
N
C H C H2
主要内容：
√ √
1 . 分类和命名 2 . 结构
芳香性判断 碱性（含氮杂环碱性的比较） 亲电取代 吡啶的亲核取代 氧化还原反应
3 . 化学性质
4 . 重要的衍生物简介。
一. 分类和命名
1 .分类
N
五 员 杂 环
O furan
S thiophene
N
N H pyrrole
S
thiazole
N H imidazole
Na + C2H5OH N
or H2/Pt
N H
六氢吡啶（哌啶）
N
Na+C2H5OH or H 2/Pt NH
思考：当喹啉，吲哚，对-苯基硝基苯和对-苯基 苯胺进行亲电取代时，取代基优先进于哪个位置。
N
N H NO 2 NH 2
5、吡啶的水溶性 吡啶是一个极性分子，偶极矩为2.26D。
OH
N
N
OH
OH OH CH2OH NH2 + CHOH + CH2OH NO2 H2SO4 OH N
O NH2 Michael addition OH N H OH2 H N H NO2 N H
CHO +
H+ Nucleophilic addition H+
N H
+
N
NH2
吲哚的合成（Fischer-indol synthesis)
总结：
1. 杂环化合物多具有芳香性(芳杂环)，芳香性 的 判断可根据Hü ckel规则： 环内各原子共平面且有环状闭合的共轭体 系， 离域π电子数= 4n+2。 2. 环上电子云密度： 五元环 ≈ 苯胺 ＞ 苯 ＞ 六元环 ≈ 硝基 (吡咯等) (吡啶等) 3. N上的电子云密度： 脂肪胺＞NH3 ＞吡啶＞苯胺＞吡咯
H3C HO O C H 2C H2C
C H3 C H2C H2C O O H
卟吩
血红素
N
pKb=6.8
N H
H N H3C N H CH3 N N
5-甲基
4-甲基
吡啶衍生物： 维生素PP：
COOH
N
C O NH 2 N
β-吡啶甲酸 （烟酸） 雷米封(Remifonum)： CONHNH 2
β-吡啶甲酰胺 （烟酰胺）
六 员 杂 环
N N N pyridine pyrimidine
N N
O pyran
pyrazine
稠 杂 环
quinoline
N
N
iso-quinnoline 6 5 7 1 N N 8 2 N 4 N9 H 3 purine
N H
indole
2 .命名
⑴、译音加口旁。
⑵、编号：首先从杂原子开始，若含2个