有机化学理论篇第14章 杂环化合物
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有机化学杂环化合物
第十四章 杂环化合物
第一节 杂环化合物
环状有机化合物中，构成环的原子除碳原子外， 还含有非碳原子的化合物称为杂环化合物。环中 的非碳原子称为杂原子。最常见的杂原子是氧、 硫和氮。
N O S N H S
呋喃
噻吩
吡咯
噻唑
N
N H
吡啶
吲哚
我们通常将这种在结构上与芳香环相似，具有闭合 共轭体系，环系比较稳定的杂环化合物称为芳香杂 环化合物。
CH3 N H
CHO
CHO
O
CH3
N
二、杂环化合物的性质
（一）五元单杂环的性质 1、水溶性 2、吡咯的酸碱性 吡咯与脂肪仲胺比较，碱性很弱。
N H
3、取代反应
+
H2SO4 S
+
S
SO3H
H2O
4、氢化反应
N H
（二）六元单杂环的性质
1. 吡啶的水溶性 2. 吡啶的碱性 3. 吡啶的取代反应
发烟硫酸H2SO4,HgSO4 N 230℃ N SO3H
2-甲基-5-硝基咪唑
N,N-二乙基-3-吡啶甲酰胺
N
N OH
H3CLeabharlann SCH2CH38-羟基喹啉
5-甲基-2-乙基噻唑
NH2 N N N H N HO H3C N
6-氨基嘌呤
CH2COOH N H
2-甲基-3-羟基吡啶
COOCH3 N
3-吲哚乙酸
4-吡啶甲酸甲酯
1、3-甲基吲哚 2、2-甲基-5-呋喃甲醛 3、4-喹啉甲醛
4
N N
1
3 2
5 6
N N
1
3 2
N
1
O
1
第一节 杂环化合物
环状有机化合物中，构成环的原子除碳原子外， 还含有非碳原子的化合物称为杂环化合物。环中 的非碳原子称为杂原子。最常见的杂原子是氧、 硫和氮。
N O S N H S
呋喃
噻吩
吡咯
噻唑
N
N H
吡啶
吲哚
我们通常将这种在结构上与芳香环相似，具有闭合 共轭体系，环系比较稳定的杂环化合物称为芳香杂 环化合物。
CH3 N H
CHO
CHO
O
CH3
N
二、杂环化合物的性质
（一）五元单杂环的性质 1、水溶性 2、吡咯的酸碱性 吡咯与脂肪仲胺比较，碱性很弱。
N H
3、取代反应
+
H2SO4 S
+
S
SO3H
H2O
4、氢化反应
N H
（二）六元单杂环的性质
1. 吡啶的水溶性 2. 吡啶的碱性 3. 吡啶的取代反应
发烟硫酸H2SO4,HgSO4 N 230℃ N SO3H
2-甲基-5-硝基咪唑
N,N-二乙基-3-吡啶甲酰胺
N
N OH
H3CLeabharlann SCH2CH38-羟基喹啉
5-甲基-2-乙基噻唑
NH2 N N N H N HO H3C N
6-氨基嘌呤
CH2COOH N H
2-甲基-3-羟基吡啶
COOCH3 N
3-吲哚乙酸
4-吡啶甲酸甲酯
1、3-甲基吲哚 2、2-甲基-5-呋喃甲醛 3、4-喹啉甲醛
4
N N
1
3 2
5 6
N N
1
3 2
N
1
O
1
有机化学-第14章 杂环化合物
KNO3, H2SO4 Fe, 300oC
NO2 22%
N
SO3H
2%SO3, H2SO4
N
HgSO4, 230oC
N
71%
Br
Br2, H2SO4
SO3
N
86%
❖ 吡啶环上若有活化基团，反应则较容易进行
KNO3, 发烟H2SO4
Me N Me
100oC
NO2 Me N Me
81%
Br2, AcOH, 20oC Br N NH2
O
O
Me
AcOH, H2SO4 O Me H2O,
CH3CCH2CH2CCH3
90%
+ N H
N SO3
100oC
N SO3H H
90%
AcONO2
N
-10oC
H
NO2
N H
NO2 +
N H
50%
13%
Me S
CH3COCl SnCl4
Me Me S
O
64%
❖ 呋喃、噻吩和吡咯都有两种不同的取代位置，但通常以α-取代 为主
❖ 呋喃、噻吩和吡咯还可以发生共扼双烯的发应
Br2/MeOH
MeOH
AcOK O
Br O Br
MeO O OMe
❖ 呋喃容易发生Diels-Alder反应
O
+ MeO2CC CCO2Me
CO2Me
O
H+
CO2Me
H2/Pd
OH CO2Me
CO2Me
CO2Me O
CO2Me
CO2Me
O
+ C2H4
Me EtO
有机化学课件：第十四章杂环化合物和维生素
O
N H
次黄嘌呤
黄嘌呤
N N H
尿酸
O HN ON
H
H N
N H
O
黄嘌呤（2,6-二羟基嘌呤），存在酮式-烯醇式互变异构
H ON
NHNNH NhomakorabeaO
HO N N
N
N
H
OH
咖啡因 具有利尿和 O
CH3 NN
兴奋中枢
N
N
神经作用 H3C
O
CH3
O
HN
NH
O NH NH O
尿酸
酮式（为主）
OH
6
1N
5
N7
2
4
8
反应活性部位有何不同？ 3. 核酸中存在的嘧啶衍生物有哪些？嘌呤衍生物呢？ 4. 什么是维生素？维生素是如何分类的？ 5. 对人体重要的维生素有哪些？其生理功能分别有何表现？
第十四章 杂环化合物和维生素
主要内容：重点学习杂环化合物的结构、命名、典型性质； 了解磺胺类药物、维生素的结构和功能。
由碳原子与其它原子（O，S，N 等）组成的具有一定程度芳香 性的稳定的环状化合物叫杂环化合物。（属非苯型芳烃）
2. 有几个相同杂原子时，一般从连氢的杂原子开始编号，
并使杂原子的位置数字之和最小。
3. 有几个不同杂原子时，按 O→S→-NH → =N 顺序编号。 4. 少数稠杂环有特定的编号方法，与上述规则不相符合。
呋4
3
喃5O 2
1
4
5
3
6
2
N
1
吡啶
4 N3
5
2
N H
1
咪唑
43
5
2
S
有机化学第8版第十四章杂环化合物与维生素
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2
第十四章 杂环化合物和维生素 第一节 芳香杂环化合物（一、分类和命名）
第一节 芳香杂环化合物
一、分类和命名
五元杂环:
N O S N H N
N
N N N H
上页 下页
N
单杂环
杂环
稠杂环
六元杂环:
N N
N
N
首页
3
第十四章 杂环化合物和维生素 第一节 芳香杂环化合物（一、分类和命名）
N
N
Br2 300 oC
H2SO4, SO3 230 oC, 24 h
Br N
b-溴吡啶 b-吡啶磺酸 b-硝基吡啶
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14
SO3H N
KNO3 + H2SO4 N Fe, 300 oC N
NO2
第十四章 杂环化合物和维生素 第一节 芳香杂环化合物（二、六元杂环）
亲核取代比苯容易，主要发生在α位上。
嘧啶的衍生物分布范围广，如维生素、生物碱、 核酸、蛋白质及许多药物都含有嘧啶结构。
NH2 N O N H O HN O N H O HN O N H CH3 O HN O N H F
胞嘧啶 (cytosine)
尿嘧啶 (uracil)
胸腺嘧啶 (thymine)
5-氟尿嘧啶 (抗肿瘤药)
这些嘧啶衍生物存在酮式和烯醇式互变异构:
H2C=HC CH3
N N
N HN NH N
H3C
CH=CH2
Fe H3C HO2CCH2CH2C
N N
CH3 CH2CH2CO2H
卟吩 (Porphin)
血红素 (Heme)
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27
第十四章 杂环化合物和维生素 第一节 芳香杂环化合物（三、五元杂环）
2
第十四章 杂环化合物和维生素 第一节 芳香杂环化合物（一、分类和命名）
第一节 芳香杂环化合物
一、分类和命名
五元杂环:
N O S N H N
N
N N N H
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N
单杂环
杂环
稠杂环
六元杂环:
N N
N
N
首页
3
第十四章 杂环化合物和维生素 第一节 芳香杂环化合物（一、分类和命名）
N
N
Br2 300 oC
H2SO4, SO3 230 oC, 24 h
Br N
b-溴吡啶 b-吡啶磺酸 b-硝基吡啶
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14
SO3H N
KNO3 + H2SO4 N Fe, 300 oC N
NO2
第十四章 杂环化合物和维生素 第一节 芳香杂环化合物（二、六元杂环）
亲核取代比苯容易，主要发生在α位上。
嘧啶的衍生物分布范围广，如维生素、生物碱、 核酸、蛋白质及许多药物都含有嘧啶结构。
NH2 N O N H O HN O N H O HN O N H CH3 O HN O N H F
胞嘧啶 (cytosine)
尿嘧啶 (uracil)
胸腺嘧啶 (thymine)
5-氟尿嘧啶 (抗肿瘤药)
这些嘧啶衍生物存在酮式和烯醇式互变异构:
H2C=HC CH3
N N
N HN NH N
H3C
CH=CH2
Fe H3C HO2CCH2CH2C
N N
CH3 CH2CH2CO2H
卟吩 (Porphin)
血红素 (Heme)
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第十四章 杂环化合物和维生素 第一节 芳香杂环化合物（三、五元杂环）
大学有机化学课件第十四章 杂环化合物
将杂环化学化合物的分类作简单介绍，在五元杂环和六元杂环中重点讨论吡咯和吡啶的 化学性质，同时讲述安息香缩合和斯克劳普合成法作为次重点，将命名和化学性质让学生反 复练习；将生物碱的一般性质和提取方法留给学生自学。 参考书：
邢其毅主编 基础有机化学 下册 高等教育出版社 1983 年 花文廷编著 杂环化学 北京大学出版社 1995 年
青霉素 V
磺胺噻唑（ST）是磺胺类药物的一种，用作肠道消炎药。2-巯基苯并噻唑是一种重要的 橡胶硫化促进剂。
H2N
N
SO2NH
S
磺胺噻唑
N SH
S
2-巯基苯并噻唑
第三节 六元杂环
一、吡啶的结构和性质
1．吡啶的结构 在吡啶分子中，碳原子与氮原子均以sp2杂化，形成了六个σ链，每个原子还均有一个
含一个电子的p轨道，相互交差形成一个闭合的共轭体系，此体系的π电子数为 6，符合 4n+2 规律，故具有芳香性，但是氮原子上还有一个sp2杂化轨道上有一对未成键电子，易与质子 结合，所以吡啶具有碱性。吡啶的pKb=8.75，碱性比苯胺（pKb=9.40）强。
O
CHO Zn4O0-0。CCr2O3
H2 , Ni O
O
呋喃
四氢呋喃（THF）
五、噁唑、噻唑、咪唑和吲哚的性质
N
N
N
O
S
N H
N H
噁唑
噻唑
咪唑
吲哚
(oxazole)
(thiazole)
(imidazole)
(indole)
以咪唑为例来讨论含二个杂原子的五元环的结构，咪唑环上五个原子都采用sp2杂化，
糠醛
糠醛是重要的化工原料，它的主要反应和用途有：
邢其毅主编 基础有机化学 下册 高等教育出版社 1983 年 花文廷编著 杂环化学 北京大学出版社 1995 年
青霉素 V
磺胺噻唑（ST）是磺胺类药物的一种，用作肠道消炎药。2-巯基苯并噻唑是一种重要的 橡胶硫化促进剂。
H2N
N
SO2NH
S
磺胺噻唑
N SH
S
2-巯基苯并噻唑
第三节 六元杂环
一、吡啶的结构和性质
1．吡啶的结构 在吡啶分子中，碳原子与氮原子均以sp2杂化，形成了六个σ链，每个原子还均有一个
含一个电子的p轨道，相互交差形成一个闭合的共轭体系，此体系的π电子数为 6，符合 4n+2 规律，故具有芳香性，但是氮原子上还有一个sp2杂化轨道上有一对未成键电子，易与质子 结合，所以吡啶具有碱性。吡啶的pKb=8.75，碱性比苯胺（pKb=9.40）强。
O
CHO Zn4O0-0。CCr2O3
H2 , Ni O
O
呋喃
四氢呋喃（THF）
五、噁唑、噻唑、咪唑和吲哚的性质
N
N
N
O
S
N H
N H
噁唑
噻唑
咪唑
吲哚
(oxazole)
(thiazole)
(imidazole)
(indole)
以咪唑为例来讨论含二个杂原子的五元环的结构，咪唑环上五个原子都采用sp2杂化，
糠醛
糠醛是重要的化工原料，它的主要反应和用途有：
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
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。
有机化学第14章 芳香杂环化合物
42
大多数磺胺类药物是不同杂环取代 了磺胺的N1位上的一个H原子 。
O N S-NH N O
H2N
磺胺嘧啶
H2N
O NO S-NH O CH3
磺胺甲基异噁唑
43
本 章 要 点
1. 杂环的命名 译音＋“口 ”旁
2. 吡啶
结构： 6原子6电子环闭π键/缺π芳杂环
性质：亲电取代(多在β位)比苯难(似硝基苯);亲核取代 (多在α位)比苯易;氧化变难;还原变易;有弱碱性
7.19
135 pm 6.15
H
S 172 pm
7.26 7.26
H
N 138 pm H7.25
H
O 135 pm
7.26
7.26 7.26
7.26
26
二、吡咯、呋喃和噻吩的性质 1．吡咯的酸碱性
吡咯N上孤电子对因参与环的共轭, 故碱性极 弱, 比苯胺还弱得多, 不能与酸形成稳定的盐。
NH2 > NH3 >
NH N
4-甲基咪唑
35
咪唑的碱性比吡咯强（pKb=6.8），这是由于 其中的一个氮原子的孤对电子没有参加共轭体系， 因而较易与质子结合。 在组氨酸分子中含有一个咪唑基, 其pKa值 接近生理pH(7.35)，它既是一个弱酸，又是一 个弱碱，能起到质子传递的作用。组氨酸中的 咪唑环是构成酶活性中心的重要基团，使酶能 催化生物体内酯和酰胺的水解。
乙酸酐
N H O
CH3
吡咯和呋喃遇强酸时, 杂原子能质子化, 使芳香大键 破坏, 所以不能用强酸进行硝化和磺化反应, 需选用较温和 的非质子性试剂。例如吡咯硝化需用硝酸乙酰基酯。
N H
+ CH3 C ONO2 O
大多数磺胺类药物是不同杂环取代 了磺胺的N1位上的一个H原子 。
O N S-NH N O
H2N
磺胺嘧啶
H2N
O NO S-NH O CH3
磺胺甲基异噁唑
43
本 章 要 点
1. 杂环的命名 译音＋“口 ”旁
2. 吡啶
结构： 6原子6电子环闭π键/缺π芳杂环
性质：亲电取代(多在β位)比苯难(似硝基苯);亲核取代 (多在α位)比苯易;氧化变难;还原变易;有弱碱性
7.19
135 pm 6.15
H
S 172 pm
7.26 7.26
H
N 138 pm H7.25
H
O 135 pm
7.26
7.26 7.26
7.26
26
二、吡咯、呋喃和噻吩的性质 1．吡咯的酸碱性
吡咯N上孤电子对因参与环的共轭, 故碱性极 弱, 比苯胺还弱得多, 不能与酸形成稳定的盐。
NH2 > NH3 >
NH N
4-甲基咪唑
35
咪唑的碱性比吡咯强（pKb=6.8），这是由于 其中的一个氮原子的孤对电子没有参加共轭体系， 因而较易与质子结合。 在组氨酸分子中含有一个咪唑基, 其pKa值 接近生理pH(7.35)，它既是一个弱酸，又是一 个弱碱，能起到质子传递的作用。组氨酸中的 咪唑环是构成酶活性中心的重要基团，使酶能 催化生物体内酯和酰胺的水解。
乙酸酐
N H O
CH3
吡咯和呋喃遇强酸时, 杂原子能质子化, 使芳香大键 破坏, 所以不能用强酸进行硝化和磺化反应, 需选用较温和 的非质子性试剂。例如吡咯硝化需用硝酸乙酰基酯。
N H
+ CH3 C ONO2 O
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
有机化学 第五版 高等教育出版第十四章 杂环化合物
N H
吡咯
Z
Z= O S NH
碳原子p轨道中有一个电子， 杂原子p 轨道中有两个电子， 形成环状离域大π 键。 π电子数: 6 有芳香性。
2、光谱性质
IR： 3077～3003 cm－1有C－H伸缩吸收峰 吡咯化合物在3500～3200 cm－1处有NH伸缩吸收峰 1H NMR：呋喃 噻吩 吡咯 6.37 （β－H） 7.42（α－H） 7.10 （β－H） 7.30（α－H） 6.20 （β－H） 6.68（α－H） 8.0 （N－H）
N H
噻吩与乙炔的亲双烯试剂加成，失硫后得苯的衍生物
ROOCC S CCOOR COOR
S
COOR
-S
COOR
COOR
（3）吡咯的弱碱性、弱酸性 吡咯的碱性比苯胺还弱；吡咯的酸性比醇强比酚弱
KOH(s) CH3MgI
N H
N K
+ H2O
N H
醚
N MgI
+ CH4
吡咯甲盐和吡咯卤化镁可用来制备吡咯的衍生物
Cl N
+
N SO3H N NO2 N
HgSO4 230℃ H2SO4 + HNO3 300℃, 1d
（2）亲核取代反应
亲核取代反应主要发生在3，5位
Cl CH3ONa CH3OH Cl C6H5NH2 N OCH3 N N NHC6H5
N
NaNH2
+
H2O N NHNa N NH2 N
C6H5Li N
6 7
5
4 3 6 7
5
4 3
8
N
1
2
N2
8 1
喹啉
异喹啉
（1）反应
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
有机化学第十四章 杂环化合物
稠环公用碳原子不用编，嘌呤结构例外
3、当杂环侧链含有羧基、醛基、羟基等官能团时， 杂环可以当做取代基命名
14.2 五元杂环化合物
一、吡咯、呋喃和噻吩的结构与芳香性
吡咯
呋喃
噻吩
休克尔规则：环状共轭多烯分子所有原子处于同平面，且π电子数等于4n+2.
14.2 五元杂环化合物
一、吡咯、呋喃和噻吩的结构与芳香性
四：氧化与还原
N
CH3 KMnO4
COOH N
用过酸氧化，生成氧化吡啶
N
CH3COOOH N O
H2/Ni
N
N
H
14.3 六元杂环化合物
五、甲基取代吡啶甲基H的活性
N
CH3 + OHC
KOH,DMF N
CC H
H
α, γ位的甲基活泼，能被抜氢形成碳负离子，具有亲核性。 β 位没有该性质
14.2 五元杂环化合物
课堂习题
1、 命名下列化合物
3-甲基吡啶 2、 完成下列反应
（1）
3-吡啶甲酸 3,5-二甲基喹啉 2-吲哚甲醛
（2）
（3）
（4） （5）
14.2 五元杂环化合物
课堂习题
3、 解释吡咯、呋喃具有芳香性的原因
4、 解释吡咯、呋喃、噻吩亲电取代位点在α位的原因
14.2 五元杂环化合物
1. 对于单环化合物，编号都从杂原子开始编，取代基的编号尽量小。当环
里含有两个或两个以上杂原子时，要以O>S>NH>N的顺序。
43
5
2
1
2-甲基呋喃 或者α-甲基呋喃
4
5
3
6
2
1
3-溴吡啶 或者β-溴吡啶
3、当杂环侧链含有羧基、醛基、羟基等官能团时， 杂环可以当做取代基命名
14.2 五元杂环化合物
一、吡咯、呋喃和噻吩的结构与芳香性
吡咯
呋喃
噻吩
休克尔规则：环状共轭多烯分子所有原子处于同平面，且π电子数等于4n+2.
14.2 五元杂环化合物
一、吡咯、呋喃和噻吩的结构与芳香性
四：氧化与还原
N
CH3 KMnO4
COOH N
用过酸氧化，生成氧化吡啶
N
CH3COOOH N O
H2/Ni
N
N
H
14.3 六元杂环化合物
五、甲基取代吡啶甲基H的活性
N
CH3 + OHC
KOH,DMF N
CC H
H
α, γ位的甲基活泼，能被抜氢形成碳负离子，具有亲核性。 β 位没有该性质
14.2 五元杂环化合物
课堂习题
1、 命名下列化合物
3-甲基吡啶 2、 完成下列反应
（1）
3-吡啶甲酸 3,5-二甲基喹啉 2-吲哚甲醛
（2）
（3）
（4） （5）
14.2 五元杂环化合物
课堂习题
3、 解释吡咯、呋喃具有芳香性的原因
4、 解释吡咯、呋喃、噻吩亲电取代位点在α位的原因
14.2 五元杂环化合物
1. 对于单环化合物，编号都从杂原子开始编，取代基的编号尽量小。当环
里含有两个或两个以上杂原子时，要以O>S>NH>N的顺序。
43
5
2
1
2-甲基呋喃 或者α-甲基呋喃
4
5
3
6
2
1
3-溴吡啶 或者β-溴吡啶
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。
第十四章杂环化合物
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第十，四章遇杂火环化源合物会着火回燃。
通常杂原子有：O 、N 、S 等
这种环状化合物具有芳香结构（闭合共轭体系）和一定
程度的稳定性。
OO 内酯
O NH 内酰胺
O O O 环状酸酐
CH2—CH2 O
环氧化合物
从形式上看，它们都是含杂原子的环状化合物，但其性 质与相应的开链化合物相第十似四，章杂不环化属合物于杂环化合物讨论的范畴。
一 、杂环化合物的分类和命名
的起始原料。
第十四章杂环化合物
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。
呋喃（Furan）是最简单的含氧五元杂环化合物。它存在
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
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第十，四章遇杂火环化源合物会着火回燃。
通常杂原子有：O 、N 、S 等
这种环状化合物具有芳香结构（闭合共轭体系）和一定
程度的稳定性。
OO 内酯
O NH 内酰胺
O O O 环状酸酐
CH2—CH2 O
环氧化合物
从形式上看，它们都是含杂原子的环状化合物，但其性 质与相应的开链化合物相第十似四，章杂不环化属合物于杂环化合物讨论的范畴。
一 、杂环化合物的分类和命名
的起始原料。
第十四章杂环化合物
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。
呋喃（Furan）是最简单的含氧五元杂环化合物。它存在
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
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茂 (环戊二烯)
N
N H
ห้องสมุดไป่ตู้
O
S
氮茂
氧茂
N
硫茂
苯
苯
氮杂苯
N
N
N
氮苯
萘
1,3-二氮苯
1-氮杂萘
12
第14章 杂环化合物
14.2 杂环化合物的结构与芳香性
有机化学(理论篇)
14.2.1 五元杂环化合物的结构 五元杂环化合物如呋喃、噻吩、吡咯在结构上有共同点：即 五元环的五个原子都位于同一平面上，彼此以 σ 键相连接；每一 碳原子还有一个电子在 p轨道上，杂原子有两个电子在p轨道上， 这五个 p轨道垂直于环所在的平面相互交盖形成一个闭合的共轭 体系。因此五元杂环化合物如呋喃、噻吩及吡咯在环上都有六个 π电子，符合休克尔规则，所以都具有芳香性。如图14-1所示。
有机化学(理论篇)
14.3.2
14.3.3 14.3.4
糠醛
噻吩 吡咯
14.3.5
14.3.6
噻唑、吡唑、咪唑及其衍生物
吲哚
14.4 六元杂环化合物
14.4.1
14.4.2
吡啶
喹啉和异喹啉
2
第14章 杂环化合物
【学习目标】
有机化学(理论篇)
掌握杂环化合物的概念及一些主要杂环化合物的命名； 初步掌握主要杂环化合物的化学反应； 了解杂环化合物的结构，各类杂环化合物的芳香性与结
图14-1 呋喃、噻吩、吡咯的原子轨道示意图
13
第14章 杂环化合物
有机化学(理论篇)
呋喃、噻吩、吡咯分子中，由于杂原子不同，因此它们的
芳香性在程度上也不完全一致，键长的平均化程度也不一样。
芳香性强弱顺序如下：苯＞噻吩＞吡咯＞呋喃。
由于呋喃、噻吩、吡咯环中的杂原子上的未共用电子对参
与了环的共轭体系，使环上的电子云密度增大，故它们都比苯 容易发生亲电取代反应，取代通常发生在α-位上。
第14章 杂环化合物
14.1 杂化化合物的分类和命名
14.1.1 14.1.2 杂环化合物的分类 杂环化合物的命名
有机化学(理论篇)
14.2 杂环化合物的结构与芳香性
14.2.1 五元杂环化合物的结构 14.2.2 六元杂环化合物的结构
1
第14章 杂环化合物
14.3 五元杂环化合物
14.3.1 呋喃
O
S
N H
N
环中可以含有一个、两个或更多个杂原子，环可以是三元 环、四元环、五元环、六元环或更大的环，也可以是各种稠合 的环。
4
第14章 杂环化合物
有机化学(理论篇)
由于组成杂环的杂原子的种类和数量不同，环的大小及稠 合的方式不同，因此杂环化合物的种类繁多，数目可观，约占 全部已知的有机化合物的三分之一。近年来，在有机化学领域 内，有关杂环化合物的研究工作占了相当大的比重。杂环化合 物广泛存在于自然界中，如植物中的叶绿素和动物中的血红素 都含有杂环结构，石油、煤焦油中有含硫、含氮及含氧的杂环 化合物；许多药物如止痛的吗啡、抗菌消炎的黄连素、抗结核 的异烟肼、抗癌的喜树碱和不少维生素、抗菌素、染料等都是 杂环化合物。许多杂环化合物的结构相当复杂，而且不少具有 重要的生理作用，因此，杂环化合物无论在理论研究或实际应 用方面都很重要。
构的关系；
了解主要杂环化合物在自然界中的存在方式与应用。
3
第14章 杂环化合物
有机化学(理论篇)
前面学过的环状化合物，它们的环都是由碳原子组成的。 在环状化合物中，组成环的原子除碳原子外，还有其他原子时， 这类化合物通常称为杂环化合物。碳原子以外的其它原子叫杂 原子，最常见的杂原子有氧、硫、氮。例如：
8
第14章 杂环化合物
有机化学(理论篇)
当环上只有一个杂原子时，有时也把靠近杂原子的位置
叫做α-位，其次是 β-位，再其次是 γ-位。在五元杂环中只有 α和β-位，六元杂环则有α-、β-和γ-位。
9
第14章 杂环化合物
有机化学(理论篇)
当环上连有不同 取代基时， 编号根据
顺序规则及最低系列
原则。 结构复杂的杂 环化合物是将杂环当 作取代基来命名。
有机化学(理论篇)
7
第14章 杂环化合物
有机化学(理论篇)
环上有取代基的杂环化合物，若取代基是烃基、硝基、卤 素、氨基、羟基等，则以杂环为母体；若取代基是磺酸基、醛 基、羧基等，则以杂环当作取代基。 杂环上原子的编号，一般从杂原子开始，顺着环编号。当 环上含有两个及两个以上相同的杂原子时 ，应从连有取代基 （或氢原子）的那个杂原子开始编号，并使另一杂原子的位次 保持最小。环上有不同的杂原子时，按O、S、N的次序编号。
10
第14章 杂环化合物
4 5 6 7 3
有机化学(理论篇)
5 6 4 3
1N
稠杂环的编号
H
N1
2
7
8 1
N2
异喹啉
2
一般和稠环芳烃相
6 同，但有少数稠杂 5 6 4 1 N1 6 环有特殊的编号顺 3 N
吲哚
5
OH
5
N7 7 N
8 8
6 1N 2
5 4
1N 2
6
5
7
序。例如： N2
8 1
2
2
N7
14
第14章 杂环化合物
14.2.2 六元杂环化合物的结构
有机化学(理论篇)
六元杂环化合物的结构可以用吡啶为例来说明。吡啶环与苯 环很相似，氮原子与碳原子处在同一平面上，原子间是以 sp2 杂 化轨道相互交盖形成六个σ键，键角为120°。环上每一原子还有 一个电子在 p 轨道上， p 轨道与环平面垂直，相互交盖形成包括 六个原子在内的分子轨道，π电子分布在环的上方和下方。每个 碳原子的第三个 sp2 杂化轨道与氢原子的 s 轨道交盖形成 σ 键。氮 原子的第三个sp2杂化轨道上有一对未共用电子对。
5
第14章 杂环化合物
14.1 杂环化合物的分类和命名
14.1.1杂环化合物的分类
有机化学(理论篇)
6
第14章 杂环化合物
14.1.2 杂 环 化 合 物 的 命名 1.译音法 杂环化合物的命名 比较复杂，各国多用习 惯名称，我国目前一般 习惯采用译音法，即按 英文名称译音，选用同 音汉字，并以“口”字旁 表示为杂环化合物。杂 环的分类和命名见表 14-1。
N
7
N9 N N 44 N 9 3 3 H H
HO
N
3
8 4 N N9 OH N9 3
H
9-H 嘌呤 嘌呤
2,6,8-三羟基嘌呤
7-H嘌呤
11
第14章 杂环化合物
有机化学(理论篇)
2. 系统命名法 系统命名法是以相应的碳环为母体来命名，把杂环化合物看 作相应碳环中的碳原子被杂原子取代后的产物。命名时，化学介 词为“杂”字，称为“某杂某”。“杂”字一般可以省略。例如， 五元杂环相应的碳环定名为“茂”，茂中的“戊”表示五元环， 草头表示具有芳香性。