第十七章 杂环化合物

NH
N
N
HN

例如：叶绿素(1818年，由植物叶中分离出)
(3)噻唑的重要衍生物
一些重要的天然产物及合成药物含有噻唑结构， 如青霉素、维生素B1等。
噻唑环
维生素B1（VB1）
NH3Cl N CH3 N Cl CH3 S CH2CH2OH
CH2 N
噻唑环
5. 杂环化合物的检验方法
呋喃： 盐酸浸渍的松木片 → 绿色 吡咯： 盐酸浸渍的松木片 → 红色 噻吩： 浓硫酸-靛红 → 蓝色 糠醛： 乙酸-苯胺→红色 吲哚： 盐酸浸渍的松木片 → 红色
Br2 300℃
Br N
3-溴吡啶
NO2
HNO3, H2SO4
N
300℃ H2SO4, HgSO4 220℃
3-硝基吡啶 3-吡啶磺酸
N SO3H N
反应特点
*1 *2 *3 *4 吡啶不能发生傅氏烷基化、酰基化反应。 硝化、磺化、卤化必须在强烈条件下才能发生； 吡啶环上有给电子基团时，反应活性增高； 吡啶N可以看作是一个间位定位基。
N
N
喹啉 quinoline
异喹啉 isoquinoline
嘌呤 purine
2. 杂环及环上取代基的编号 (1)含有一个杂原子
①杂原子的编号为“1”，在此基础再使取代基 位次尽可能小。 ②杂原子邻位的碳原子也可依次用 α、β、γ„编号。
β’ 4 α’ 5 3β β’ 4 α’5 3 β 2α 4γ β’5 α’6 3β 2 α 2α
进攻α位
Z + E H E H + Z + Z E H E H + Z + Z E H
+
Z X=O,S,NH
E+
进攻β位
③吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感，选择试 剂时需要注意。
卤化反应： 很容易得到多取代产物，一 卤代产物要在稀溶液和较低温度下进行。
Br 2
O
二氧六环,0℃
Br 2
O
Br 2-溴呋喃
N H S
S
因噻吩能使一般的催化剂中毒，必须使 用特殊的催化剂。
3．呋喃、吡咯的特性反应
(1) 呋喃易发生Diles-Alde反应 芳香性最弱的呋喃表现出共轭二烯烃的性 质，能与顺丁烯二酸酐发生Diles-Alde反应。
=
30℃
O +
O
O
O = O HH
外型产物
=
O
O
O
=
（2）吡咯的弱碱性和弱酸性
(CH3)3C N
CH2CH3 KMnO4 (CH3)3C N
COOH
CH3 N
? N
NH2
还原反应
吡啶因环上电子云密度较低，比苯易还原， 用钠加乙醇、催化加氢等均使吡啶还原。
H2,Pt
N
CH 3COOH
N H
六氢吡啶（哌啶）
六氢吡啶（哌啶），沸点106℃，能溶于水、 乙醇、乙醚等溶剂，它的性质与一般仲胺相似。 是常用的有机碱。
噁唑 oxazole
噻唑 thiazole
N N
③六元杂环
N N N N N
吡啶 Pyridine
哒嗪 pyridazime
嘧啶 pyrimidine
吡嗪 pyrazine
④ 稠杂环
O S N H
苯并呋喃 benzofuran
苯并噻吩 thionaphthene
吲哚（苯并吡咯） indole
N N N N H
2. 嘧啶及其衍生物
N N
嘧啶是缺电子环，取代反应比吡啶还要难， 碱性比吡啶弱，pKb =12.7。 嘧啶本身不存在于自然界，其衍生物在自然 界分布很广，胞嘧啶、尿嘧啶、胸腺嘧啶是核酸
的重要组成部分，微生素B1也含有嘧啶环。合成
药物的磺胺嘧啶也含这种结构。
NH2 N HO N HO N
OH N N HO
吡啶的碱性小于氨大于苯胺
CH3NH2 NH3 N NH2
pKb 3.38
4.76
8.80
9.42
碱性次序： 脂肪胺（仲胺＞伯胺＞叔胺）＞氨＞ 吡啶＞芳香胺＞吡咯
吡啶和卤代烷作用，生成吡啶鎓盐（相当 于季铵盐）。例如：
+ RI N
+
N R
I-
(2)亲电取代反应
因氮原子的电负性较大，是吸电子的，因此 吡啶环是缺电子体系，环上的电子云密度比苯低， 亲电取代反应比苯困难，而且反应主要发生在β位。这一特性类似于硝基苯。
+ H2O
4. 重要的五元杂环衍生物
(1)呋喃的衍生物——糠醛
制备: 由农副产品如甘蔗渣、花生壳、高粱杆、 棉子壳„„用稀酸加热蒸煮制取。多聚戊糖先解聚 为戊糖，然后再脱水生成糠醛。
HO CH CH OH 3~5%H2SO4 CH2 CH CHO 水蒸气 OH OH
稀 H2SO4 -3H2O
(C5H8O4)n
152
117
88
67
从离域能的大小可以看出，三种五元杂环化合物 的芳香性强弱次序为： 苯 > 噻吩 > 吡咯 > 呋喃
2．六元杂环化合物的结构
以吡啶为例 ，①碳原子和氮原子处于同 一平面， ②每个原子都是sp2杂化。
孤电子对在 sp2杂化轨道
SP2
2P
吡啶 N：sp2
六元杂环是缺电子环，取代反应比苯难。
S
CH3COOH
S
Br
2-溴噻吩
硝化反应：呋喃、吡咯不能用混酸硝化， 一般是用硝酸乙酰酯(CH3COONO2)作硝化 试剂，反应还须在低温下进行。
CH3COONO2
O
-5~-30℃
O
NO2
2-硝基呋喃
CH3COONO2
N H
-10℃
N H
NO2
2-硝基吡咯
磺化反应： 呋喃、吡咯不能用浓硫酸 磺化，要用特殊的磺化试剂——吡啶三氧化 硫的加合物。噻吩可直接用浓硫酸磺化。
O O O O O NH O O
环氧乙烷
顺酐
δ-戊内酯
δ-戊内酰胺
本章所讨论的是一类结构上比较稳定， 且具有芳香特征的杂环化合物，称为芳杂环 化合物。
杂环化合物
脂杂环化合物
芳杂环化合物
一、杂环化合物的分类和命名
（一）分 类
五员杂环 单杂环 六员杂环
N O N N S N H N H N
稠杂环
苯环与单 杂环稠合 多个单杂 环稠合
+ (CH3CO)2O
BF3
O
O
COCH3
2-乙酰基呋喃
+ (CH3CO)2O N H
150~200℃
N H
COCH3
2-乙酰基吡咯 傅克烷基化容易发生多取代，很难得到一烷 基取代产物，所以没有实际应用价值。
2．加氢反应
H2, Ni
O
H2, Ni
O
四氢呋喃 (THF)
四氢吡咯 四氢噻吩
N H
H2, MoS2
（二）六员杂环化合物
六元杂环化合物中最重要的有吡啶、嘧啶。
1. 吡啶
(1)碱性
吡啶的环外有一对孤对电子，孤电子对不参与 共轭，具有碱性。
N
从结构来看吡啶是一个叔胺，但碱性比 一般的叔胺弱得多。
N
pKb
" 8.8
" NR3
4~5
原因解释：杂化状态不同，电负性不同。 结论：S成分越多，电负性越大，碱性减弱。
三、杂环化合物的化学性质
（一）五员杂环化合物
1. 亲电取代反应
①五元杂环化合物是富电子体系，环上的电子
云密度比苯高，其亲电取代反应比苯容易，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等活化基团，进行亲电取代反应的 活泼顺序是：
> N H O > S >
② 取代反应主要发生在α-C上，因为试剂进 攻α位，生成的中间体正离子稳定，正电荷分散 在三个原子上；而进攻β位，正电荷仅能分散在 两个原子上。
O
CHO
多聚戊糖
戊糖
糠醛
糠醛是优良的溶剂，也是有机合成的原料，广 泛用于油漆及树脂工业。 化学性质： 与苯甲醛性质类似。
①羟醛缩合反应
稀碱
O
CHO + CH3CHO
O
CH=CHCHO
②歧化反应
浓碱
O
CHO
O
COONa +
O
CH2OH
(2)吡咯的重要衍生物
最重要的吡咯衍生物是含有四个吡咯环和四 个次甲基(-CH= )交替相连组成的大环化合物，称 为卟吩，其取代物称为卟啉族化合物。 卟啉族化合物广泛分 布与自然界。血红素，叶 绿素都是含卟吩环的卟啉 族化合物。在血红素中， 环络合的是Fe，叶绿素 环络合的是Mg。
O
1 4
N1 H
4 3 5 6 7 3
N
1 4
5 6 7
5 6 7
3
O
1
2
S
1
2
N1 H
2
例如：
O CHO O2N O CHO
2-呋喃甲醛(糠醛）
CH3
5-硝基-2-呋喃甲醛
CH2COOH
N
COOH
N H
4-甲基-2-吡啶甲酸
3-吲哚乙酸
(2)含有两个或两个以上相同杂原子
从连有氢或取代基的杂原子开始编号，并且使 杂原子位次之和最小。Biblioteka Baidu
6-氨基嘌呤 （腺嘌呤）
2,6,8-三羟基嘌呤 （尿酸）
二、杂环化合物的结构
1.五员杂环化合物的结构
以吡咯为例 ，①参与成环的五个原子处于同 一平面，②碳原子和杂原子都是sp2杂化 。
孤电子对 在p轨道
SP2
2P
吡咯
N：sp2
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），所以有芳香性。 吡咯是富电子环，取代反应比苯容易。
(3)亲核取代
吡啶环可发生亲核取代反应，主要发生在α位和γ-位，被取代的可以是氢原子，也可以是易 于离去的基团。如：
NaNH2
N
KOH
N
NH2
N
CI
NH 3
N
OH
N
CI
ZnCI 2
N
NH2
(4)氧化与还原
a. 氧化反应
CH3 KMnO4 N N COOH
NH3
CONH2 N
烟酸 烟酰胺 （维生素PP） 烟酸和烟酰胺是B族维生素之一，在医药领域 中有一定的用途，可用于防治糙皮病，口腔炎及血 管硬化等症状。
呋喃与噻吩有相似的结构。
SP2
2P
呋喃 O：sp2
以上三种五元杂环化合物的结构均符合休克尔 规则，都有一定程度的芳香性。
但由于环上存在电负性较大的杂原子，所以与苯
不同，共轭体系中各原子电子密度不是平均分布，键 长也不是完全相等，只是趋向于平均化，芳香性比苯 弱。其离域能（kJ/mol)数据如下： 苯 噻吩 吡咯 呋喃
OH CH3 N
胞嘧啶(C)
尿嘧啶(U)
胸腺嘧啶(T)
它们都有互变异构体，结构如下：
NH 2
NH 2 N
胞嘧啶 (C)
N HO N HO O
N H O
尿嘧啶 (U) 胸腺嘧啶 （T)
N HO N HO N HO N CH 3
HN O N H O HN O N H CH 3
亚胺醇式
酰胺式
N H2N SO2NH N
磺胺嘧啶（SD）
（三） 稠杂环化合物
稠杂环化合物：指苯环与杂环稠合或杂 环与杂环稠合的化合物。常见的有喹啉、吲 哚和嘌呤等。
5 6 7 8 4 3 5 6 7 4 3 1N 2 6 5
N7
8
N
1
2
N1 H
2
N
3
4
N H
9
喹啉
吲哚
嘌呤
1. 吲哚
吲哚是白色结晶，熔点52.5℃。极稀溶 液有香味，可用作香料，浓的吲哚溶液有粪 臭味。
吡咯虽然是一个仲胺，但基本无碱性。
NH2 N H N H
pKb
9.3
13.6
2.7
原因：N上的未共用电子对参与了环 的共轭体系，减弱了与H+的结合能力。
另一方面，吡咯还表现出很弱的酸性 （介于酚和醇之间），能与金属钠或钾、 固体氢氧化钠或氢氧化钾作用，生成吡咯 的盐。
N H
+
KOH（固体） N K+
4 5
N3
2 5
4
N S
1
3 2
O
1
O2N
5
4
N3
2
CH3
4 5
N S
1
3 2
O
1
HOCH2CH2
,
4-硝基噁唑
4-甲基-5-(2 -羟乙基)噻唑
（4）嘌呤环的编号
6 1 2 7 5
N N
3
N
8
4
N9 H
1 2 3
6 5 4
7 8 9
按横写的S 依次编号
NH2 N N N N H
OH N HO N N OH N H
第十七章 杂环化合物
Heterocyclic compounds
定义：在环状化合物中，参与成环的原 子除碳原子外，还含有氧、硫、氮等原子的 化合物称为杂环化合物，氧、硫、氮原子叫 杂原子。例如：
O
S
N H
N
呋喃
噻吩
吡咯
吡啶
前几章讨论过的环醚，内酐，内酯，内 酰胺等，成环的原子中也有杂原子，但这些 化合物的性质与相应的开链化合物类似，称 为脂杂环化合物。
N N
N H N N H
N
（二）命 名
1. 音译法
按杂环化合物的外文名称译音，以带 “口”字旁同音汉字表示。
① 含一个杂原子的五元杂环
O
S
N H
呋喃 furan
噻吩 thiophene
吡咯 pyrrole
② 含两个杂原子的五元杂环
N N N H N H O S N N
吡唑 pyrazole
咪唑 imidazole
+ SO3 N
CH2Cl2 室温
N SO3
[C5H5N+· 3-] SO
+ C5H5N.SO3 O
+
_ CICH2CH2CI
HCI
O
SO3H
2-呋喃磺酸
+ C5H5N.SO3 N H
H2SO4
+ _ CICH2CH2CI HCI
N H
SO3H
2-吡咯磺酸
S S SO3H
2-噻吩磺酸
Friedel-Crafts酰基化：
4 5 3 4 5
N N1 H
3 2
4 5 6 3 5 6
4
N3 N
1 2
N1 H
N2
N
1
N2
4
3
CH3
5
N
2
NH2
N N
OH
H
N1
HO
N
HO
N
4-甲基咪唑
4-氨基-2-羟基嘧啶 （胞嘧啶）
2,4-二羟基嘧啶 （尿嘧啶）
(3)含有不相同的杂原子 按O→S→N的次序编号，并使所有杂原 子的位次尽可能小。