第十章杂环化合物
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第十章 杂环化合物
一、杂环化合物的结构和芳香性 二、五元杂环化合物的性质 三、六元杂环化合物的性质
构成环的原子除碳原子外还有其它非碳原子， 这类环状化合物称为杂环化合物。最常见的杂原 子有O、S、N、P等。（杂原子为成环原子） 例如：
CONHNH2
O2N
N
雷米封
O
CH N N
O
O
痢特灵
CH2OH
CH2OH O
COO O
CHO ( CH3CO )2O CH3COONa
CH CHCOOH
O
O
3、噻吩 噻吩存在于煤焦油中。无色液体，bp 84℃，
不溶于水，溶于有机溶剂。在浓硫酸存在下，噻 吩与靛红一同加热即发生靛吩咛反应，显蓝色， 可用于检验噻吩的存在。
噻吩比苯容易发生亲电取代反应，在室温下， 即可发生磺化反应，噻吩磺酸溶于浓硫酸中，运 用此法，可以提纯噻吩。
+
N CH3 H
N2Cl
C2H5OH, H2O
CH3COONa
H3C N N=N H
H2SO4
(
)
S
室温
S SO3H
N
HNO3
H2SO4 (
) Fe/HCl (
) NaNO2 (
HCl
H3C
NH2
)
(
CH3COONa
)
NO2
N
，
NH2
N
，
N2Cl
N
，
NH2 NN
N CH3
N
N H
CH3I
(
)
+
I- N
N(CH3)3
-NH2 NH3 [(CH3)4N]OH
N
N
H
Br N
N
N Br
Br
N
CH3 N
NH2 N
使用格氏试剂法完成
COOH
S
S
作业（书318页）
⒉ ⒌ 7.（1）（5）（6）（7）（8） 9.
Br N
SO3H
N NO2
N
γ-位取代：
O CH3COOH
N
PCl3
NO2 N
HNO3
N
H2SO4
O
NO2
N O
（3）亲核取代反应
NaNH2 N
H2O
NHNa N
N
NH2
C6H5Li
LiH
N
N
Cl KOH N
OH N
4、氧化还原反应
N CH3
CH3
KMnO4
OH
N
COOH
V2O5
COOH
烟酸Βιβλιοθήκη Baidu
N
OO
催化加氢：
H2, Ni
O
O THF
四氢呋喃（THF），bp 67℃ ，性质与乙醚相似， 是重要的化学溶剂。
2、糠醛
糠醛的化学性质与苯甲醛相似。可以发生交叉 羟醛缩合反应、Cannizzaro反应、Perkin反应。
dil.NaOH
O
CHO CH3CHO
CH CHCHO O
con.NaOH
CHO O
2、六元杂环的芳性
吡啶环与苯环很相似，成环六个原子都以SP2杂 化，处于同一平面中，每个原子各提供一个单电子， 形成π66，符合（4n+2）Huckel规则。氮原子上处于 SP2杂化轨道中的孤对电子未参与共轭或成键。
由于N的电负性比C强，
环上电子云密度比苯
N
低，吡啶的亲电取代 反应活性相当于硝基
苯。
NO2
COOH N
N
N
NO2
HNO3
N H2SO4
NO2
N
N
NO2
Ba(NH2)2
N
NH3
KNH2,NH3
N
N
NH2
N NH2
8-羟基喹啉
N
COOH
CH3
S
N OH
γ-吡啶甲酸
3-甲基噻吩
Br2
O
浓 HNO3 +
N 浓 H2SO4 0°C
+
N CH3 H
N2Cl
C2H5OH, H2O
CH3COONa
O
CH2 CH C CH3 C CH COOEt
O
CH3
EtOH
OH
CH2 CH C CH3 C CH COOEt
O
CH3
O
CH2 CH2 C CH3 CH3 C CH COOEt
O
NaOH
O
O
CH3CCH2CH2CH2CCH3
反应：
KMnO4
N
HNO3
N H2SO4
COOH CO2 N COOH
CH3
N
H
N
HNO3 (
) SOCl2 (
) NH3 Br2/NaOH (
)
N
CH3
COOH
N
，
COCl
N
，
NH2 N
下列叙述错误的是 ( ) A. 呋喃、吡咯、噻吩均比苯更容易进行亲电 取代反应。 B. 苯中混有少量噻吩，可以用浓硫酸除去。 C. 吡咯的碱性比吡啶弱。 D. 芳香性的顺序是呋喃>吡咯>噻吩。
色液体，bp 115℃，可与
N
水、乙醇、乙醚等混溶。
来源：煤焦油
性质：碱性；亲电取代反应活性与硝基苯相似； 取代发生在β位。亲核取代反应发生在α位。
（1）碱性
吡啶N上孤对电子处于Sp2杂化轨道中，未参与
共轭，显示一定的碱性，强于苯胺，弱于氨。
（2）亲电取代反应
Br2
H2SO4
N
HNO3 H2SO4
N 异烟酸
H2/Pt
N
N 哌啶
H
2、喹啉 喹啉为无色油状液体，bp 238℃；异喹啉
mp26℃，bp 243℃。难溶于水，易溶于有机溶剂。
N
喹啉
N
异喹啉
来源： 煤焦油和骨油。
制备： Skraup合成法
CH2OH CHOH CH2OH
H2SO4 2H2O
CHO CH C6H5NH2
CH2
C6H5NO2
卤代反应：
2 Br2
O
Br
硝化反应：
CH3COONO2
O -5~-30℃
磺化反应：
C5H5N SO3
O ClCH2CH2Cl O
O NO2
SO3 N H
HBr O Br
H
O SO3H
酸介质下开环反应：
H
O
H H H2O
O
发生Diels—Alder反应：
O
O O
O
H
H
H
H
O OH2
O HO
H O
O
整个大π体系与苯环相似，但五元杂环为π65 富电子体系，与苯环的π66比较，显然五元杂环的 电子云密度更高。发生亲电取代反应呋喃的活性 相当于苯酚，吡咯的活性相当于苯胺。 五元杂环化合物的共振能为： 呋喃 67KJ/mol 吡咯 88KJ/mol 噻吩 117KJ/mol
从五元杂环化合物的NMR谱可以看出，环上H 受离域电子环流的影响，H的化学位移δ≈7，与苯 环上的H相当。
HO
CH2OH
CH3 N VB6
杂环化合物在人们的现实生活中有着极其重要的 地位。绝大多数药物和半数以上的其它有机化合物 为杂环化合物。碳水化合物、叶绿素、血红素、吗 啡、黄连素、异烟肼、喜树碱、维生素等等，它们 分子中都含有杂环。
本章仅以五元、六元芳杂环的基本结构为例， 简要说明芳杂环的结构和性质的关系，而对非芳杂 环不作讨论。下列杂环是本章讨论的基本结构。
bp131℃，微溶于水，易溶于有机溶剂。吡咯环比 苯环稳定性差，易被氧化。
鉴别：吡咯蒸气遇浸过盐酸的松木片显红色。
制备； O
NH3
Al2O3
450 ℃
N
H
吡咯是一个很弱的碱，也是一个很弱的酸，为 什么？
KOH N H
H2O N K
由于吡咯环的不稳定，亲电取代反应通常以NBS （N-溴代丁二酰亚胺）作溴代试剂；以醋酸硝基酯 作硝化试剂；以N-磺酸吡啶作磺化试剂。亲电取代 反应发生在α-位。
O
呋喃
( furan
S
噻吩
thiophene
N H
吡咯
pyrrole
N
吡啶
pyridine )
N
吲哚
H
indole
N
喹啉 quinoline
一、杂环化合物的结构与芳香性
1、五元杂环的芳性
呋喃、噻吩、吡咯是含一个杂原子的五元杂环
化合物，五个成环原子共处于一个平面。以呋喃为
例：
O
每个碳原子都以SP2杂化， 都有一个垂直于分子平面 的P轨道，它们相互平行， 侧面交盖，形成闭合共轭 体系，符合（4n+2） Huckel规则。
N
H2SO4
H2O
N H
H C O CH2
CH2 NH
H HO C
CH CH2 NH
如何合成8-羟基喹啉？
N OH
NH2 OH
Michael加成反应 碳负离子与α，β不饱和羰基化合物的共轭加
成称为Michael加成。反应类似1，4-加成，经重 排，保留羰基。
O
O
CH2 CH C CH3 CH3CCHCOOEt
（1）制法：
( C5H8O4 )n H , H2O
戊聚糖
CHO ( CHOH )3
戊C醛H2糖OH
3H2O
ZnO-Cr2O3-MnO2
CHO
O
糠醛
400℃
O
Cu , 喹啉
COOH O
CO2 O
（2）化学性质 呋喃芳性较差，容易开环，并且在强酸性介质
中会发生自身聚合。所以在发生亲电取代反应时， 要避免使用酸性介质。
D
从大到小比较下列化合物发生亲电取代反应的速率， 并解释原因。
O
N
N
H
CH3
亲电取代活性：吡咯>呋喃>甲苯>苯>吡啶,五元杂 环化合物为富电子芳杂环,活性强于苯,吡咯因N的 电负性若于O,吡咯碳环上电子云密度大于呋喃,活 性更强;吡啶为缺电子芳杂环,弱于苯;甲基的供电子 性使甲苯的活性强于苯.
从大到小写出下列化合物的碱性
二、五元杂环化合物的性质
五元杂环化合物亲电取代反应主要发生在2位上。 可以从中间体稳定性作出解释。
β
E
N
α
H
H E
N H
H
N H
E
H E
N H
H
N H
E
H NE H
#进攻α-位共振结构较多，中间体稳定性好。
1、呋喃
呋喃：无色液体，bp 32℃，难溶于水，易溶于
有机溶剂。
鉴别：浸过盐酸的松木片显绿色
吲哚是一个稠环化合物，mp 52℃，bp 253℃。 亲电取代反应主要发生在五元环上。为什么？
N H
三、六元杂环化合物的性质
六元杂环化合物发生亲电取代反应主要在β-位。 可以从反应中间体的稳定性给予说明。
α位
E
N
β位
H NE
H E
N
H N
E
H NE
H 不稳定共H振结 构式
E
E
N
N
1、吡啶
吡啶有特殊臭味的无
H2SO4 S
SO3H H2O S
噻吩有较好的芳性，它不显示二烯烃的性质， 难以被氧化，可以用HNO3/H2SO4硝化，以及用浓 H2SO4磺化。
噻吩可以被催化加氢。
H2, MoS2
S
, 20MPa S
四氢噻吩
H2, Ni
CH3CH2CH2CH3
KMnO4
S
S
环丁砜
OO
4、吡咯和吲哚 吡咯存在于煤焦油、骨油中。无色液体，
一、杂环化合物的结构和芳香性 二、五元杂环化合物的性质 三、六元杂环化合物的性质
构成环的原子除碳原子外还有其它非碳原子， 这类环状化合物称为杂环化合物。最常见的杂原 子有O、S、N、P等。（杂原子为成环原子） 例如：
CONHNH2
O2N
N
雷米封
O
CH N N
O
O
痢特灵
CH2OH
CH2OH O
COO O
CHO ( CH3CO )2O CH3COONa
CH CHCOOH
O
O
3、噻吩 噻吩存在于煤焦油中。无色液体，bp 84℃，
不溶于水，溶于有机溶剂。在浓硫酸存在下，噻 吩与靛红一同加热即发生靛吩咛反应，显蓝色， 可用于检验噻吩的存在。
噻吩比苯容易发生亲电取代反应，在室温下， 即可发生磺化反应，噻吩磺酸溶于浓硫酸中，运 用此法，可以提纯噻吩。
+
N CH3 H
N2Cl
C2H5OH, H2O
CH3COONa
H3C N N=N H
H2SO4
(
)
S
室温
S SO3H
N
HNO3
H2SO4 (
) Fe/HCl (
) NaNO2 (
HCl
H3C
NH2
)
(
CH3COONa
)
NO2
N
，
NH2
N
，
N2Cl
N
，
NH2 NN
N CH3
N
N H
CH3I
(
)
+
I- N
N(CH3)3
-NH2 NH3 [(CH3)4N]OH
N
N
H
Br N
N
N Br
Br
N
CH3 N
NH2 N
使用格氏试剂法完成
COOH
S
S
作业（书318页）
⒉ ⒌ 7.（1）（5）（6）（7）（8） 9.
Br N
SO3H
N NO2
N
γ-位取代：
O CH3COOH
N
PCl3
NO2 N
HNO3
N
H2SO4
O
NO2
N O
（3）亲核取代反应
NaNH2 N
H2O
NHNa N
N
NH2
C6H5Li
LiH
N
N
Cl KOH N
OH N
4、氧化还原反应
N CH3
CH3
KMnO4
OH
N
COOH
V2O5
COOH
烟酸Βιβλιοθήκη Baidu
N
OO
催化加氢：
H2, Ni
O
O THF
四氢呋喃（THF），bp 67℃ ，性质与乙醚相似， 是重要的化学溶剂。
2、糠醛
糠醛的化学性质与苯甲醛相似。可以发生交叉 羟醛缩合反应、Cannizzaro反应、Perkin反应。
dil.NaOH
O
CHO CH3CHO
CH CHCHO O
con.NaOH
CHO O
2、六元杂环的芳性
吡啶环与苯环很相似，成环六个原子都以SP2杂 化，处于同一平面中，每个原子各提供一个单电子， 形成π66，符合（4n+2）Huckel规则。氮原子上处于 SP2杂化轨道中的孤对电子未参与共轭或成键。
由于N的电负性比C强，
环上电子云密度比苯
N
低，吡啶的亲电取代 反应活性相当于硝基
苯。
NO2
COOH N
N
N
NO2
HNO3
N H2SO4
NO2
N
N
NO2
Ba(NH2)2
N
NH3
KNH2,NH3
N
N
NH2
N NH2
8-羟基喹啉
N
COOH
CH3
S
N OH
γ-吡啶甲酸
3-甲基噻吩
Br2
O
浓 HNO3 +
N 浓 H2SO4 0°C
+
N CH3 H
N2Cl
C2H5OH, H2O
CH3COONa
O
CH2 CH C CH3 C CH COOEt
O
CH3
EtOH
OH
CH2 CH C CH3 C CH COOEt
O
CH3
O
CH2 CH2 C CH3 CH3 C CH COOEt
O
NaOH
O
O
CH3CCH2CH2CH2CCH3
反应：
KMnO4
N
HNO3
N H2SO4
COOH CO2 N COOH
CH3
N
H
N
HNO3 (
) SOCl2 (
) NH3 Br2/NaOH (
)
N
CH3
COOH
N
，
COCl
N
，
NH2 N
下列叙述错误的是 ( ) A. 呋喃、吡咯、噻吩均比苯更容易进行亲电 取代反应。 B. 苯中混有少量噻吩，可以用浓硫酸除去。 C. 吡咯的碱性比吡啶弱。 D. 芳香性的顺序是呋喃>吡咯>噻吩。
色液体，bp 115℃，可与
N
水、乙醇、乙醚等混溶。
来源：煤焦油
性质：碱性；亲电取代反应活性与硝基苯相似； 取代发生在β位。亲核取代反应发生在α位。
（1）碱性
吡啶N上孤对电子处于Sp2杂化轨道中，未参与
共轭，显示一定的碱性，强于苯胺，弱于氨。
（2）亲电取代反应
Br2
H2SO4
N
HNO3 H2SO4
N 异烟酸
H2/Pt
N
N 哌啶
H
2、喹啉 喹啉为无色油状液体，bp 238℃；异喹啉
mp26℃，bp 243℃。难溶于水，易溶于有机溶剂。
N
喹啉
N
异喹啉
来源： 煤焦油和骨油。
制备： Skraup合成法
CH2OH CHOH CH2OH
H2SO4 2H2O
CHO CH C6H5NH2
CH2
C6H5NO2
卤代反应：
2 Br2
O
Br
硝化反应：
CH3COONO2
O -5~-30℃
磺化反应：
C5H5N SO3
O ClCH2CH2Cl O
O NO2
SO3 N H
HBr O Br
H
O SO3H
酸介质下开环反应：
H
O
H H H2O
O
发生Diels—Alder反应：
O
O O
O
H
H
H
H
O OH2
O HO
H O
O
整个大π体系与苯环相似，但五元杂环为π65 富电子体系，与苯环的π66比较，显然五元杂环的 电子云密度更高。发生亲电取代反应呋喃的活性 相当于苯酚，吡咯的活性相当于苯胺。 五元杂环化合物的共振能为： 呋喃 67KJ/mol 吡咯 88KJ/mol 噻吩 117KJ/mol
从五元杂环化合物的NMR谱可以看出，环上H 受离域电子环流的影响，H的化学位移δ≈7，与苯 环上的H相当。
HO
CH2OH
CH3 N VB6
杂环化合物在人们的现实生活中有着极其重要的 地位。绝大多数药物和半数以上的其它有机化合物 为杂环化合物。碳水化合物、叶绿素、血红素、吗 啡、黄连素、异烟肼、喜树碱、维生素等等，它们 分子中都含有杂环。
本章仅以五元、六元芳杂环的基本结构为例， 简要说明芳杂环的结构和性质的关系，而对非芳杂 环不作讨论。下列杂环是本章讨论的基本结构。
bp131℃，微溶于水，易溶于有机溶剂。吡咯环比 苯环稳定性差，易被氧化。
鉴别：吡咯蒸气遇浸过盐酸的松木片显红色。
制备； O
NH3
Al2O3
450 ℃
N
H
吡咯是一个很弱的碱，也是一个很弱的酸，为 什么？
KOH N H
H2O N K
由于吡咯环的不稳定，亲电取代反应通常以NBS （N-溴代丁二酰亚胺）作溴代试剂；以醋酸硝基酯 作硝化试剂；以N-磺酸吡啶作磺化试剂。亲电取代 反应发生在α-位。
O
呋喃
( furan
S
噻吩
thiophene
N H
吡咯
pyrrole
N
吡啶
pyridine )
N
吲哚
H
indole
N
喹啉 quinoline
一、杂环化合物的结构与芳香性
1、五元杂环的芳性
呋喃、噻吩、吡咯是含一个杂原子的五元杂环
化合物，五个成环原子共处于一个平面。以呋喃为
例：
O
每个碳原子都以SP2杂化， 都有一个垂直于分子平面 的P轨道，它们相互平行， 侧面交盖，形成闭合共轭 体系，符合（4n+2） Huckel规则。
N
H2SO4
H2O
N H
H C O CH2
CH2 NH
H HO C
CH CH2 NH
如何合成8-羟基喹啉？
N OH
NH2 OH
Michael加成反应 碳负离子与α，β不饱和羰基化合物的共轭加
成称为Michael加成。反应类似1，4-加成，经重 排，保留羰基。
O
O
CH2 CH C CH3 CH3CCHCOOEt
（1）制法：
( C5H8O4 )n H , H2O
戊聚糖
CHO ( CHOH )3
戊C醛H2糖OH
3H2O
ZnO-Cr2O3-MnO2
CHO
O
糠醛
400℃
O
Cu , 喹啉
COOH O
CO2 O
（2）化学性质 呋喃芳性较差，容易开环，并且在强酸性介质
中会发生自身聚合。所以在发生亲电取代反应时， 要避免使用酸性介质。
D
从大到小比较下列化合物发生亲电取代反应的速率， 并解释原因。
O
N
N
H
CH3
亲电取代活性：吡咯>呋喃>甲苯>苯>吡啶,五元杂 环化合物为富电子芳杂环,活性强于苯,吡咯因N的 电负性若于O,吡咯碳环上电子云密度大于呋喃,活 性更强;吡啶为缺电子芳杂环,弱于苯;甲基的供电子 性使甲苯的活性强于苯.
从大到小写出下列化合物的碱性
二、五元杂环化合物的性质
五元杂环化合物亲电取代反应主要发生在2位上。 可以从中间体稳定性作出解释。
β
E
N
α
H
H E
N H
H
N H
E
H E
N H
H
N H
E
H NE H
#进攻α-位共振结构较多，中间体稳定性好。
1、呋喃
呋喃：无色液体，bp 32℃，难溶于水，易溶于
有机溶剂。
鉴别：浸过盐酸的松木片显绿色
吲哚是一个稠环化合物，mp 52℃，bp 253℃。 亲电取代反应主要发生在五元环上。为什么？
N H
三、六元杂环化合物的性质
六元杂环化合物发生亲电取代反应主要在β-位。 可以从反应中间体的稳定性给予说明。
α位
E
N
β位
H NE
H E
N
H N
E
H NE
H 不稳定共H振结 构式
E
E
N
N
1、吡啶
吡啶有特殊臭味的无
H2SO4 S
SO3H H2O S
噻吩有较好的芳性，它不显示二烯烃的性质， 难以被氧化，可以用HNO3/H2SO4硝化，以及用浓 H2SO4磺化。
噻吩可以被催化加氢。
H2, MoS2
S
, 20MPa S
四氢噻吩
H2, Ni
CH3CH2CH2CH3
KMnO4
S
S
环丁砜
OO
4、吡咯和吲哚 吡咯存在于煤焦油、骨油中。无色液体，