第十四章 杂环化合物
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第十四章杂环化合物
N
N
O
H
苯
吡啶 吡咯 呋喃
一、分类和命名 1. 分类
杂环化合物可按环的大小： 五元杂环和六元杂环
按杂环中杂原子数目的多少： 含有一个杂原子和含有两个以上杂原子的杂环
按环的形式： 单杂环和稠杂环
N
N H
N
N
N
1. 分类 2. 命名
杂环化合物的命名按 命名原则规定, 保 留特定的45个杂环化合物的俗名和半俗名并作 为命名的基础。以此原则为准，我国多采用“音 译法”，即按英文名称的读音，选用同音口字旁 的汉字 （“口”字旁表示为杂环）对杂环化合物 进行命名
2－乙基噻唑
N O2N N
H 5－硝基咪唑
（3） 含一个杂原子的六元环
4γ
5
3β
6
2α
N
1
吡啶()
4γ
5
3β
6
2α
O
1
吡喃()
O
5
4γ 3β
5
6 O 1
2α 6
4γ 3β 2α
OO 1
γ-吡喃酮 (γ)
α-吡喃酮 (α)
COOH
2－甲基吡啶 α－甲基吡啶
N CH3
4－吡啶甲酸
N γ－吡啶甲酸
（4） 含两个杂原子的六元环
15
杂环化合物
概述
杂环化合物 ( ) 是指构成环的原子除了碳 原子之外还有其它原子的环状化合物。杂环 中除碳原子以外的原子都叫做杂原子。最常 见的杂原子是氮、氧和硫
本章讨论比较稳定、具有一定程度芳香性 （π键电子数：4n＋2）的杂环化合物，这 类化合物具有芳香性，通称为芳（香）杂环 化合物（ ）
SO3H
浓 H2SO4
第十四章杂环化合物
C O O OCH3
CH3
CH3
R'=(CH3)2CHCH2CH2(CH2CHCH2CH2)CH2C=C CH2
O S H3C N H O O CH3
R
OH H3C H3C CH3 CH3 OH O
Epothilone A(R=H)； B(R=CH3)
1993年发现的一种高效抗癌物质
14.1 杂环的分类和命名 14.1.1 分类
o
Br
Br2
Br +
Br
（c ）卤化
N
300 C
o
N
N
（d）还原 吡啶可被催化加氢为六氢吡啶（哌 啶）。六氢吡啶的碱性（PKb=2.7）与一般脂肪族 仲胺相近。
+ 3H2 N Ni 180C
o
N H
5 、 吡啶环上的亲核取代
NaNH2 N
N H2O NHNa
N
NH2
C6H5Li N
N C6H5
吡啶2-和4-位上甲基具有酸性（类羟醛缩合）。
路易斯酸
SO3 N CH2Cl2,室温 N
SO3 N
SO3
N SO3 HCl O ClCH2CH2Cl,1000C O SO3 N H O SO3H (41%)
吡啶是良好的亲核试剂，与卤代烷、酰卤等反应 形成吡啶盐，都是很好的固体，有芳香性（反应时并 未破坏它的环状封闭共轭体系），是活性强而温和的 硝化、磺化、烷基化或酰基化试剂。
2 1
N
5
3 4
9 8
N
7
1,3,5-三嗪 1,3,5-triazine
酞嗪 Phthalazine
6
1,10-菲咯啉
1,10phenanthroline
本科五年制基础有机化学第14章杂环化合物
第14章 杂环化合物
杂环化合物的定义
在环状化合物中，构成环的原子除碳原子 外还含有非碳原子的化合物
杂原子：（O、S、N） 下列化合物不被划归为杂环化合物
O
O CH2 C O
CH3
O
O
CH2 C
O O CH3
OO
O
易开环，性质与链状相似，不划归入杂环
一、分类和命名 1. 五元杂环
吡咯
N H
H3C OH H N
HO
H3C O
COOH
2. 功能 参与辅酶A的形成，是酶的转酰基辅因子。
轻度缺乏可致疲乏、食欲差、消化不良等。 重度缺乏可致肌肉协调性差; 肌肉及胃肠 痉挛等
3. 来源 肉类、动物肾脏与心脏、谷类、麦芽、
绿叶蔬菜、啤酒酵母、坚果、糖蜜等
（五）维生素B6
1. 结构
CH2OH
CHO
痛、皮疹
3. 来源 动物性食品：肝、蛋黄、奶油 植物性食品：类胡萝卜素（维生素A原 — 本
身不具有VA活性，但在体内可转变为VA的物质）
（二）维生素E（生育酚）
1. 结构
CH3 HO
-生育酚
H3C
O CH3
CH3
CH3
CH3
2. 功能
CH3 CH3
参与多种酶活动，维持和促进生殖机能 天然抗氧化剂、抗衰老、 防癌及增强免疫作用
3. 来源
植物油. 麦胚, 硬果, 种子类, 豆类, 谷类
（三）维生素K
1. 结构
O CH3
维生素K1
O CH3 维生素K2
O
CH3
2、功能
3H CH3
6H
O
CH3
促进凝血因子形成，加速血液凝固。 维生素 K缺乏会导致凝血功能障碍, 出现全身多部位出血 甚至颅内出血。
杂环化合物的定义
在环状化合物中，构成环的原子除碳原子 外还含有非碳原子的化合物
杂原子：（O、S、N） 下列化合物不被划归为杂环化合物
O
O CH2 C O
CH3
O
O
CH2 C
O O CH3
OO
O
易开环，性质与链状相似，不划归入杂环
一、分类和命名 1. 五元杂环
吡咯
N H
H3C OH H N
HO
H3C O
COOH
2. 功能 参与辅酶A的形成，是酶的转酰基辅因子。
轻度缺乏可致疲乏、食欲差、消化不良等。 重度缺乏可致肌肉协调性差; 肌肉及胃肠 痉挛等
3. 来源 肉类、动物肾脏与心脏、谷类、麦芽、
绿叶蔬菜、啤酒酵母、坚果、糖蜜等
（五）维生素B6
1. 结构
CH2OH
CHO
痛、皮疹
3. 来源 动物性食品：肝、蛋黄、奶油 植物性食品：类胡萝卜素（维生素A原 — 本
身不具有VA活性，但在体内可转变为VA的物质）
（二）维生素E（生育酚）
1. 结构
CH3 HO
-生育酚
H3C
O CH3
CH3
CH3
CH3
2. 功能
CH3 CH3
参与多种酶活动，维持和促进生殖机能 天然抗氧化剂、抗衰老、 防癌及增强免疫作用
3. 来源
植物油. 麦胚, 硬果, 种子类, 豆类, 谷类
（三）维生素K
1. 结构
O CH3
维生素K1
O CH3 维生素K2
O
CH3
2、功能
3H CH3
6H
O
CH3
促进凝血因子形成，加速血液凝固。 维生素 K缺乏会导致凝血功能障碍, 出现全身多部位出血 甚至颅内出血。
有机化学第十四章杂环化合物和生物碱
（四）嘧啶及其衍生物
1. 嘧啶 嘧啶的电子结构与吡啶相似，2个氮原子均以sp2杂化轨道成
键，每个氮原子上都含有未共用电子对。
2. 嘧啶的衍生物 （1）尿嘧啶、胞嘧啶和胸腺嘧啶
尿嘧啶
胞嘧啶
胸腺嘧啶
19
（2）磺胺嘧啶 （3）维生素B1
20
（五）吲哚及其衍生物
吲哚由苯环与吡咯环稠合而成。吲哚是无色片 状晶体，熔点52℃，沸点23.5℃，不溶于水，可溶 于热水和有机溶剂中，有恶臭，但吲哚在浓度极稀 时，有花的香味，可作为香料使用。
卟吩
血红素
16
（三）吡啶及其衍生物
1. 吡啶
吡啶有弱碱性，可与强酸成盐。吡啶用于合成维生素和药 物等，并用做溶剂，也是一些有机反应的介质和分析化学试剂。
2. 吡啶的衍生物 （1）烟酸和烟酰胺
烟酸和烟酰胺的结构式如下：
烟酸
烟酰胺
17
（2）异烟肼 （4）维生素B6
（3）尼可刹米
吡哆醇
吡哆醛
吡哆胺
18
（一）呋喃及其衍生物
1. 呋喃 呋喃是最简单的五元含氧杂环，存在于松木焦油中。呋喃可使 盐酸浸过的松木片呈绿色，称为松木片反应，可用于检验呋喃。 2. 呋喃衍生物 （1）呋喃西林
（2）糠醛
15
（二）吡咯及其衍生物
1. 吡咯 吡咯是最简单的五元含氮杂环，存在于煤焦油和骨焦油中。 吡咯蒸汽遇醮有盐酸的松木片显红色，可用于吡咯的鉴别。 2. 吡咯的衍生物
（二）沉淀反应 生物碱在酸性水或酸性稀醇中与某些试剂生成难溶于水的复盐 或络合物的反应。 用途： 鉴别——试管、TCL或PPC显色剂； 提取分离——检查是否提取完全。
（三）显色反应
大多数生物碱能和一些试剂反应呈现出不同的颜色。这些能 使生物碱发生颜色反应的试剂称为生物碱显色剂。常用的生物碱 显色剂有钼酸钠、甲醛、钒酸铵、高锰酸钾等的浓硫酸溶液。如 10 g·L-1的钒酸铵的浓硫酸溶液与阿托品显红色，与吗啡显棕 色，与可待因显蓝色。这些颜色反应可用于生物碱的鉴定。
第十四章杂环化合物
1 五员芳杂化合物的亲电取代反应
取代位置
E
+
E
+
A
A
E
A
a-取代 主要产物 反应相对活性
b-取 代
>
N H O
>
S
>
5 109 1
3
1018
6
1011
对取代位置的解释（分析反应中间体的相对稳定性）
i. 取代在a位
E+ A a取代 A E A E A
中间体较稳定
H E
贡献最大
H
（满足八隅体）
主要产物（例外）
Br HNO3 / Ac2O S S
Br
NO2
b位给电子基
COOH
Br2 CH3COOH Br S
COOH
S
b位吸电子基
从中间体稳定性分析取代基对反应取向的影响
(i) a 位有给电子基
E E
4 5 3
+
E G G
进入3位
A A
• 二个共振式 • 推电子基使 稳定
A
G E+ E+
较稳定
进入4位
E G
E A G
进入5位
A
• 二个共振式 • 推电子基未 起作用
不稳定 • 三个共振式 • 推电子基使 稳定
E
A
G
E
A
G
E
A
G
最稳定
(ii) a 位有吸电子基
E 4 5 3 E
E 进入3位
+
A A W
W
A
W
• 二个共振式 • 吸电子基使 不稳定
不稳定
E+ E
第十四章芳香杂环化合物
环化合物。如果N4上的氢原子被其他基团取代时，将降低 甚至丧失其抗菌作用。但如果N4 上的取代基在体内能被 分解而恢复原来的游离氨基时，则仍具有原来的抑菌作用。
磺胺的抑菌作用是由于其结构与细菌生长所必须的对氨基
苯甲酸（PAPB）的结构极为相似，能产生竞争性拮抗， 干扰细菌的酶系统对PAPB的利用。
临床上使用的药物：
N
N
发烟 H2SO4
250oC
N
NO2
亲电取代发生在 SO3H β位。
齐齐巴宾反应
亲核取代发生 在α位。 当α位上有易离 去基团时，与 较弱的亲核试 剂就能发生亲 核取代反应
（4）、吡啶类化合物侧链氧化反应 氧化难、还原易（抗氧化性比苯强）
N KMnO4 HOOC
N
N HNO3
COOH NH3
N
全饱和时可不标明位置。例如：
N H
N H
O
1,2,3,4-四氢喹啉 2,5-二氢吡咯 四氢呋喃
含活泼氢的杂环化合物及其衍生物,可能存在着互变异 构体,命名时需按上述标氢的方式标明之。例如：
N
N
H
N
N
N
N H
NN
9H-嘌呤
7H-嘌呤
第二节、芳香五元杂环化合物
一、吡咯、呋喃和噻吩 1、结构与芳香性
sp2
O
H2N
N SO2NH
N
磺 胺 嘧 啶 （ SD）
F HN
5-氟 尿 嘧 啶
O
N H
（ 5-FU）
抗肿瘤药
第四节 稠杂环化合物
嘌呤及衍生物
嘌呤 两个互变异构体的平衡体系
6
1N
5
7
N
2
98
磺胺的抑菌作用是由于其结构与细菌生长所必须的对氨基
苯甲酸（PAPB）的结构极为相似，能产生竞争性拮抗， 干扰细菌的酶系统对PAPB的利用。
临床上使用的药物：
N
N
发烟 H2SO4
250oC
N
NO2
亲电取代发生在 SO3H β位。
齐齐巴宾反应
亲核取代发生 在α位。 当α位上有易离 去基团时，与 较弱的亲核试 剂就能发生亲 核取代反应
（4）、吡啶类化合物侧链氧化反应 氧化难、还原易（抗氧化性比苯强）
N KMnO4 HOOC
N
N HNO3
COOH NH3
N
全饱和时可不标明位置。例如：
N H
N H
O
1,2,3,4-四氢喹啉 2,5-二氢吡咯 四氢呋喃
含活泼氢的杂环化合物及其衍生物,可能存在着互变异 构体,命名时需按上述标氢的方式标明之。例如：
N
N
H
N
N
N
N H
NN
9H-嘌呤
7H-嘌呤
第二节、芳香五元杂环化合物
一、吡咯、呋喃和噻吩 1、结构与芳香性
sp2
O
H2N
N SO2NH
N
磺 胺 嘧 啶 （ SD）
F HN
5-氟 尿 嘧 啶
O
N H
（ 5-FU）
抗肿瘤药
第四节 稠杂环化合物
嘌呤及衍生物
嘌呤 两个互变异构体的平衡体系
6
1N
5
7
N
2
98
第十四章 杂环化合物(已修改)
7,没有固定名称的稠杂环命名(自学) ,没有固定名称的稠杂环命名(自学)
21
第二节 五元杂环化合物
Pentheterocycles
22
一,呋喃,噻吩,吡咯 呋喃,噻吩, ) (Furan, Thiophene and pyrrole)
(一) 结构
电子离域的结果使环上 各C原子的电子云密度增大 原子的电子云密度增大 ),这类杂环称 (6/5),这类杂环称"多π" ),这类杂环称" 芳杂环. 芳杂环.它们的亲电取代 比苯容易. 比苯容易.
H N 1H-吡咯 N 2H-吡咯 O O
2H-吡喃
4H-吡喃
15
4,若杂环不含有最多数目的非聚集双键, ,若杂环不含有最多数目的非聚集双键, 这样的饱和H称为"外加氢" 命名时, 这样的饱和 称为"外加氢".命名时, 称为 需标明外加氢的位置和数目, 需标明外加氢的位置和数目,全饱和的 可省略位置, 可省略位置,例:
5
本章着重讨论的杂环化合物, 本章着重讨论的杂环化合物,其环系较稳定并 具有一定程度的芳香性, 具有一定程度的芳香性,把它们统称为芳(香)杂环 其它不具有芳香性的杂环化合物, 化合物.其它不具有芳香性的杂环化合物,统称非 芳香杂环化合物(或称杂脂环化合物) 芳香杂环化合物(或称杂脂环化合物).
芳香性:平面环, 个电子, ※ 芳香性:平面环,4n+2个电子,难氧化 个电子 而易取代. 而易取代.
4
O
O
O
N H
O
杂环化合物种类繁多,数量庞大, 杂环化合物种类繁多,数量庞大,在自然界分 布极为广泛,大多数的生物碱为杂环化合物, 布极为广泛,大多数的生物碱为杂环化合物,植 物中的叶绿素,动物中的血红蛋白等,中心结构 物中的叶绿素,动物中的血红蛋白等, 都为杂环, 都为杂环,作为生命基础物质的核酸基本组成单 碱基也为杂环碱. 位—碱基也为杂环碱.在现代药物中,杂环化合 碱基也为杂环碱 在现代药物中, 物占了相当大的比重, 物占了相当大的比重,现在已成为一门独立的学 杂环有机化学. 科—杂环有机化学. 杂环有机化学
第十四章芳香杂环化合物
键长：
0.144 nm 0.1354 0.1371 0.1352 0.1455 nm 0.1371 0.1429 nm
O
0.1718
S
0.1383
N H
饱和化合物
C C O: 0.143 nm C: 0.154 nm C N: 0.147 nm C S: 0.182 nm
C=C: 0.134 nm
NH3 Cl
+
Cl+
N CH3 N
嘧啶环
C N H2 s
C CH3 CH2CH2OH
噻唑环
N
维 素 1 生 B
5
s
2
1
噻唑为无色有吡啶气味的液 体，b.p. 117oC, 与水混溶. 环上的 氮原子有碱性, 化学性质稳定，不 易发生亲电取代反应。
N CO 青霉素G中四元环内酰胺很不 HOOC 稳定，对酸、碱都很敏感，特 CH3 CH-NH-CO-CHC6H5 别容易被酸水解。口服后在胃 2 CH3 s 中水解，β内酰胺的四元环打 氢化噻唑环 开而失效，现口服青霉素就是 青 素 霉 G 将其中-CH2C6H5换为
吡啶又称氮杂苯。最初由干馏动物的骨骼得到，其衍生物 广泛存于自然界，例维生素PP、维生素B6。辅酶Ⅰ及辅酶Ⅱ 也含有吡啶环。工业上从煤焦油提取吡啶和甲基吡啶。一些 生物碱中常含有吡啶或氢化吡啶环。
CO2CH3
N N CH3 N N CH3
NCH3
OCOC6H5
烟碱
新烟碱
古柯碱(可卡因)
吡啶的重要衍生物有维生素、异烟肼（抗结核药物）等。
第十四章 芳香杂环化合物和维生素
Ａromatic ｈeterocycles and vitamin
第14章杂环化合物
43
5 12
S
NH2
5 43 61 2
N
CH3
Br
Br
' 43
5 12
Br ' N
Br
H
2-氨基噻吩 3-甲基吡啶 (氨基噻吩) (甲基吡啶)
2,3,4,5-四溴吡咯 (,,,-四溴吡咯)
2.环上有两个或两个以上相同的杂原子时，应 使杂原子位次之和最小，并将连有氢原子或取 代基的杂原子编号定为1。如环上有不同杂原子 时，按O、S、-NH-和-N=的顺序编号。
sp2杂化轨道上，伸向环平面外侧，未参与
共轭，可结合质子，因此吡啶具有弱碱性。
H
H
H
N
H
H
吡啶的分子轨道示意图
d+
d-
d-
d+ N
d+
d-
电子云的 交替极化
吡啶环上电子云密度的分布不平均，氮原 子上的电子云密度较大，碳原子的电子云 密度较低，尤其是氮原子邻位、对位的电 子云密度降低得比间位多，所以吡啶的亲 电取代反应比苯难，并且主要发生在间位 （即位）上。像吡啶这类环碳上的电 子云密度比苯低的芳杂环亦称为“缺” 芳杂环。吡啶是一个极性分子；氮原子的 诱导效应和共轭效应的方向一致。
3.尿酸(urate)：2，6，8-三氧嘌呤称为尿 酸
O HN ON
H
NH NO H
OH
N
N
HO N
N OH H
2，6，8-三氧嘌呤（酮型） 2,6,8-trioxypurine
2，6，8-三羟基嘌呤（烯醇型） 2,6,8-trihydroxypurine
第二节 维生素
维生素是维持人体正常代谢机能不可缺少的微 量有机化合物. 脂溶性维生素: 维生素A、D、K、E 水溶性维生素: B族 维生素，维生素C，维生 素P等
杂环化合物ppt(完美版)
苯胺
..
NH H
吡啶
三乙胺
哌啶
了解 28
了解 2、与卤代烃、酰卤和酸酐的反应
+ CH3I .N.
(孤对电子) 亲核性
+ . I- 碘化N-甲
N CH3
基吡啶
季铵盐
异裂
易受亲核试 剂的进攻
29
2、与卤代烃、酰卤和酸酐的反应
+ PhCOCl reversible
.N.
可逆
+ . Cl- 氯化N-苯甲
掌握
呋喃
噻吩
吡咯
6
含两个杂原子的五元单杂环
吡唑 咪唑 咪唑较常用
恶唑 噻唑 异恶唑
熟悉
7
含一个杂原子的六元单杂环
熟悉
吡啶 2H-吡喃 含两个杂原子的六元单杂环
哒嗪 嘧啶 吡嗪 哌嗪
8
五元及六元稠杂环
吲哚
苯并咪唑
喹啉
异喹啉
嘌呤
熟悉
9
有特定名称杂环母核的编号说明： • 对于单杂环母核，从杂原子开始编号，使 取代基位次最小。
N
酰基吡啶
O CPh
吸电子能力： R4N + > Cl -
正电性增强，易 发生亲核加成
用途： N-酰基吡啶是比酰氯、酸酐更好的酰化剂。
了解
30
3、亲电取代反应 了解
作为 “缺π” 芳杂环，吡啶需较剧烈的条件下进 行，取代基进入β位，但不发生傅-克反应。
（傅-克反应）
α，γ位不发生亲电取代反应。
31
2-乙酰基呋喃 α,α’-二甲基呋喃 熟悉
10
• 若同一环上有多个杂原子，按 O、S 、-NH- 、 -N= 顺序编号，使其他杂原子位次尽可能小。
第十四章 杂环化合物
异噁唑 isoxazole
(2) 含两个杂原子的五元单杂环
噻唑 thiazole
异噻唑 isothiazole
(2) 含两个杂原子的五元单杂环 Ø 母核确定后，编号从杂原子开始，选择杂原子顺 序为：
-O- > -S- > -NH- > -N=
Ø 同时使其他杂原子编号位次尽可能小; Ø 在此基础上，若有取代基，使其位次尽可能小。
吡啶-4-甲酸 2-甲基吡啶 2-methylpyridine pyridine-4-carboxylic acid γ-吡啶甲酸 γ-pyridinecarboxylic acid
(4) 含两个杂原子的六元单杂环
哒嗪 pyridazime
嘧啶 pyrimidine
吡嗪 pyrazine
(4) 含两个杂原子的六元单杂环 Ø 例：
N H
5、根据杂环中碳原子电子云密度： 富π电子杂芳环和缺π电子杂芳环 Ø 五元杂芳环富电子 Ø 六元含氮杂芳环缺电子
N
吡啶
O
呋喃
（二）杂环化合物的命名 命名原则： 按IUPAC命名原则规定，保留特定45个杂环化合物的 俗名和半俗名并作为命名的基础。以此原则为准，我 国多采用“音译法”，即按英文名称的读音，选用同 音口字旁的汉字（“口”字旁表示为杂环），对杂环 化合物进行命名。 注意：命名时需要记住母环名称，编号时不同的母环 有不同的编号方法。
Ø 具有生物活性的杂环骨架化合物：
一、杂环化合物的分类和命名 （一）杂环化合物的分类 1、根据环的大小： 五元杂环和六元杂环
N
吡啶
O
呋喃
2、根据环中所含杂原子种类：N、O、S
O
呋喃
N H
吡咯
杂环化合物
第14章杂环化合物杂环化合物是由碳原子和非碳原子共同组成环状骨架结构的一类化合物。
这些非碳原子统称为杂原子，常见的杂原子为氮、氧、硫等。
前面已经学过的内酯、内酰胺、环醚等化合物都是杂环化合物，但是这些化合物的性质与同类的开链化合物类似，因此都并入相应的章节中讨论。
本章将主要讨论的是环系比较稳定、具有一定程度芳香性的杂环化合物，即芳杂环化合物。
杂环化合物的种类繁多，数量庞大，在自然界分布极为广泛，许多天然杂环化合物在动、植物体内起着重要的生理作用。
例如：植物中的叶绿素、动物血液中的血红素、中草药中的有效成分生物碱及部分苷类、部分抗生素和维生素、组成蛋白质的某些氨基酸和核苷酸的碱基等都含有杂环的结构。
在现有的药物中，含杂环结构的约占半数。
因此，杂环化合物在有机化合物（尤其是有机药物）中占有重要地位。
第一节分类和命名一、杂环化合物的分类芳杂环化合物可以按照环的大小分为五元杂环和六元杂环两大类；也可按杂原子的数目分为含一个、两个和多个杂原子的杂环，还可以按环的多少分为单杂环和稠杂环等。
见表14-1。
表14-1 有特定名称的杂环的分类、名称和标位二、杂环化合物的命名杂环化合物的命名比较复杂。
现广泛应用的是按IUPAC（1979）命名原则规定，保留特定的45个杂环化合物的俗名和半俗名，并以此为命名的基础。
我国采用“音译法”，按照英文名称的读音，选用同音汉字加“口”旁组成音译名，其中“口”代表环的结构。
见表14-1。
（二）杂环母环的编号规则当杂环上连有取代基时，为了标明取代基的位置，必须将杂环母体编号。
杂环母体的编号原则是：1．含一个杂原子的杂环含一个杂原子的杂环从杂原子开始编号。
见表14-1中吡咯、吡啶等编号。
2．含两个或多个杂原子的杂环含两个或多个杂原子的杂环编号时应使杂原子位次尽可能小，并按O、S、NH、N 的优先顺序决定优先的杂原子，见表14-1中咪唑、噻唑的编号。
3．有特定名称的稠杂环的编号有其特定的顺序有特定名称的稠杂环的编号有几种情况。
14-杂环
(3) 氧化与还原 吡啶环对氧化作用较苯环稳定，而对还原剂比苯活泼。 CH3 CO2H
HNO3或 KMnO4，D
b-吡啶甲酸(烟酸)
KMnO4，D
CO2H
Na + C2H5OH
H 六氢吡啶(哌啶) (95%)
H2 / Pt ,乙酸 H
二、嘧啶(pyrimidine C4H4N2)及其取代衍生物
N-H
因其性质与相应的脂肪族化合物较相似，因此并 入脂肪族化合物中讨论，而不列为杂环化合物。
本章讨论的杂环化合物主要指环系较稳定，包 括杂原子在内的环是平面型，环内有4n+2个p电子 处于环闭共轭体系中，统称为芳(香)杂环化合物。
S
吡啶 呋喃 噻吩 吡咯 哌啶 四氢呋喃
其它不具芳香性的杂环化合物，统称为非芳 香杂环化合物或杂脂环化合物。
2. 吡啶的化学性质
(1) 碱性：吡啶环N原子的一对孤电子对处于sp2杂化轨道 上，而一般脂肪胺N上的孤电子对处于sp3杂化轨道。前者s 成分较大，受N的束缚力较强，与 H+ 的结合力较弱。
+ HCl ——> H
Cl -
碱性比较：脂肪胺 >>
Kb： ~ 10-5
> ≈ 苯胺
2.3×10-9 3.6×10-10
5 6
4
3 2
1
环闭 大 p键
嘧啶为无色结晶，mp22 ℃， bp123~124 ℃，能与水混溶.
由于两个N的强吸电子作用，使嘧啶的 碱性比吡啶弱得多，也比吡啶难于发生亲电 取代反应，而亲核取代反应则比吡啶容易； 嘧啶难以被氧化。
胞嘧啶
HO
NH2
NH2
O
OH
O H
H
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O (3.5) ＞ N (3.0) ＞ S (2.5)
若电负性 , 则对外层电子吸引力 , 孤电子离域性
, 故芳香性
。
芳香性与稳定性: ＞ S ＞ ＞
N H
O
由于呋喃、噻吩、吡咯都是五中心六电子，属于富电子环
π电子密度： 反 应 活 性： 稳 芳 定 性： 香 性： 杂环 ＞ 苯环 杂环 ＞ 苯环 杂环 ＜ 苯环 杂环 ＜ 苯环
编号原则 ② 环上含两个以上相同杂原子时，应使杂原子的 编号最小（一般从连有取代基的杂原子开始）； ③ 环上有不同杂原子时，按O、S、N的顺序编号； ④ 尽可能使连有取代基的碳原子编号最小。
4 5 6 β 3 -CH 5 4 3
3
6 7
CH34 5
N3
4
3 2
N1
2α
8
N
1
2
3-甲基吡啶 或β-甲基吡啶
三、化学性质
1. 亲电取代反应
吡咯、呋喃、噻吩能像苯一样发生一系列芳香族化合物的 特征反应，由பைடு நூலகம்它们是富电子杂环，所以比苯更容易发生亲电 取代反应。 反应活性相对次序是
吡咯
溴化反应 3×1018 相对速率
＞
呋喃
6×10 11
＞
噻吩
5×10 9
＞＞
苯
1
H
α- 位
H X Y X
H Y X
H Y 正电荷分布在四个原子上 稳定
进一步脱水
糠醛
(C5H8O4)n + n H2O
戊多糖
3%~5% H2SO4 △，水解
n C5H10O5
戊糖
HO-CH—CH-OH H-CH CH-CHO 戊糖 OH OH
-3H2O
△
O
-CHO
糠醛
2. 性质及用途
糠醛是无色透明液体，沸点161.7℃,在空气中逐渐变 为黄棕色，能溶于醇、醚及其它有机溶剂中，糠醛本身是 一个良好的溶剂，在工业上有广泛的用途，常用于精炼石 油、精制松香、溶解硝酸纤维等，在有机合成工业上也很 重要，是油漆、树脂工业的重要原料。
· ·· O · · ·
体系中π 电子数： 4+2=6
噻吩的分子结构
吡咯的结构:
共轭效应是给电子的。 诱导效应是吸电子的。
N
孤电子对在p轨道上。
吡
咯
结构：吡咯N是sp2杂化，孤电子对参与共轭。 反应：碱性较弱，环易发生亲电取代反应，环上相当于
有一个邻对位定位基。
呋喃、噻吩的结构请同学自己分析。
三种杂环具有一定程度的芳香性，杂原子电负性大小：
·
· ·
·
N—H
· ·
sp2杂化轨道
· ·· N · ·
P 轨道
吡咯
吡咯的分子结构
N原子杂化轨道
· ·
·
·
O 呋喃
· ·
· ·
O · ·
呋喃的分子结构
· · ·
·
· ·
S 噻吩
S ·
· ·
符合休克 O原子杂化轨道 尔 4 n + 2 规则，故 三个杂环 · ·· 均具有芳 S · · 香性 ·
S原子杂化轨道
70%
-NO2 S
5%
③ 磺化反应 呋喃、吡咯不能直接用硫酸磺化，因为它们在浓硫酸中不 稳定，会发生聚合，通常用一种温和的磺化剂—— 吡啶三 氧化硫进行磺化。
ßà ¤ßßßß ò ßßßßßßßßß
Ç » » ¯
C5H5N SO3
O
C5H5N SO3
O
SO3H » Ä ² Ü Ó Ã Ç ¿ á Ë £ ¡ SO3H
呋喃与 Br2 反应也很激烈，在 0 ℃与 Br2在二氧六环存在 下反应得一溴代产物，与 Cl2 在 – 40℃ 下反应得混合产物。
2-氯呋喃
2,5-二氯呋喃
噻吩溴化可在室温下进行，得一溴代产物: + Br2 S ② 硝化反应
AcOH 室温
S
-Br
78%
2-溴噻吩
五元杂环化合物与硝酸（强氧化剂）反应，得不到预期 产物，而是芳环被破坏。呋喃、吡咯和噻吩易被氧化, 一般 不用硝酸直接硝化。通常用比较温和的非质子硝化试剂，如 乙酰基硝酸酯，反应在低温下进行。
吡咯表面上 是个仲胺，但实 际上吡咯是一个 很弱的碱，碱性 比苯胺弱得多， 它只能慢慢地溶 解在冷的稀酸溶 液中。 氮上电子云 少，H 易离 解，显一定 的酸性。 酸性： pka： N H
CH3 I
N MgBr N CH3
.. N H -OH
氮上孤电子 对参与环内 共轭，减弱 了对H+吸引 能力。 ＞ R-OH 18 + H 2O
利用磺化反应可分离苯和噻吩：
(
ß b.p81 C)
¨± ß ßßß
¨ Å H2SO4 Ò Î Ê Â Ö Ò · º ô Á Õ ó
Þ à Î ç · Ô ± ½
S ß ( b.p84 C) .
S
SO3H ¨ ßß á ßß
④ 傅克酰基化反应 五元杂环化合物酰化时，需要在较温和催化剂甚至不 用催化剂即可反应。
一、 呋喃、吡咯、噻吩的结构与芳香性
物理方法证明：呋喃、吡咯、噻吩都是平面结构，环上所 有原子都是SP2 杂化，各原子均以SP2 杂化轨道重叠形成σ键。 碳原子未杂化的 P 轨道中有一个电子，杂原子的 P 轨道 中有一对电子，P 轨道互相平行重叠，形成闭合的共轭体系。
N H
· ·
五 中 心 六 电 子 （ 富 电 子 环 ）
有 机 化 学
第十四章
杂环化合物
ORGANIC CHEMISTRY
学习内容
1.基本掌握杂环化合物的命名规则
2.掌握五元杂环化合物的物理和化学性质
3.掌握六元杂环化合物的物理和化学性质 4.了解部分稠杂环化合物和生物碱的性质
ORGANIC CHEMISTRY
在自然界中杂环化合物分布很广 如：使植物中成绿色的叶绿素
吡咯不用催化剂可以直接酰化：
+ (CH3CO)2O
150 ℃~160 ℃
N N H H 2-乙酰基吡咯 呋喃与酸酐或酰氯在催化剂作用下发生酰基化反应。 + (CH3CO)2O
BF3
-COCH3 60%
O
（或CH3COCl）
H2PO4
或SnCl4
O 2-乙酰基呋喃
-COCH3 75%~92%
噻吩酰化反应要用磷酸或氯化锡作催化剂。
二、制备方法
呋喃、吡咯、噻吩分别存在于木焦油、骨焦油和煤焦油中， 但含量不多。 工业上常用糠醛（α- 呋喃甲醛）脱羰基制备呋喃。 -CHO + H2O
ZnO-Cr2O3-MnO2 400 ℃ ~415℃
+ CO2
O O 呋喃遇到盐酸浸湿的松木片呈绿色，称为松木片反应 噻吩可用丁烷与硫、丁稀与二氧化硫在高温下反应制得 CH2—CH2 + 4S CH3 CH3 CH2=CH-CH2CH3 CH3-CH=CH-CH3
5 6 4
OH
8-羟基喹啉
4
N1 2-氨基嘧啶
N -NH 2 2
3
CH3-
N3
2
N1 CH3 4-甲基咪唑 N-甲基吡咯 或1-甲基吡咯 4 β 3 -CH2COOH 5
N
2
5
1
S1 5-甲基噻唑
5
6
3-吲哚乙酸
7
N1
2α
或β-吲哚乙酸
第二节 五元杂环化合物
典型的五元杂环是呋喃、吡咯、噻吩。它们是最重要的含 一个杂原子的五元环化合物。它们的衍生物不单种类繁多，而 且有些是重要的工业原料，有些具有重要的生理作用。 呋喃（Furan）是最简单的含氧五元杂环化合物。它存在
S
+ (CH3CO)2O
S 2-乙酰基噻吩
-COCH3 70%
2. 加成反应
加成反应是标志化合物不饱和性的最典型反应，它们 能像环戊二烯分子一样催化加氢生成相应的饱和化合物。 + 2 H2
O + 2 H2
Ni Ni
O
四氢呋喃（THF）
N H
+ 2 H2
Ni
N H
四氢吡咯
S
S
四氢噻吩
3. 吡咯的弱碱性、弱酸性
于松木焦油中，为无色液体，沸点为32℃，具有类似氯仿的
气味，难溶于水，易溶于有机溶剂，常用作溶剂。它有麻醉 和弱刺激作用，极度易燃。吸入后可引起头痛、头晕、恶心、 呼吸衰竭。呋喃具有毒性且致癌。呋喃环具有芳环性质，可 发生卤化、硝化、磺化等亲电取代反应，常作为合成其他复
杂有机物的起始原料。
吡咯（Pyrrole）是最简单的含氮五元杂环化合物，主要存 在于骨焦油中，煤焦油中存在的量很少。 健康危害：吡咯属低毒类，虽然急性口服毒性不强，但有 积蓄性毒性，注射于哺乳动物能使尿变色。对中枢神经系统有 抑制麻醉作用，吸入蒸气可致麻醉，并可引起体温持续增高。 吡咯在空气中加热能产生毒性强的气体，使用时需加注意。 燃爆危险：易燃，其蒸气与空气可形成爆炸性混合物，遇 明火、高热能引起燃烧爆炸。其蒸气比空气重，能在较低处扩 散到相当远的地方，遇火源会着火回燃。 噻吩(Thiophene)是最简单的含硫五元杂环化合物，存在于 煤焦油和页岩油中。无色流动性、有难闻的臭味的液体，熔点38.2℃，沸点84.2℃ ，易燃、有毒，经皮肤吸收或吸入蒸气会 引起中毒。其蒸气与空气形成爆炸性混合物，遇明火、高热能 引起燃烧爆炸。与氧化剂能发生强烈反应。其蒸气比空气重， 能在较低处扩散到相当远的地方，遇火源会着火回燃。
(CH3CO)2O + HONO2
酸酐
CH3COONO2 + CH3COOH
乙酰基硝酸酯 Ac2O 5℃