第十二章杂环化合物

第十七章杂环化合物
基本内容和重点要求
⏹杂环化合物的分类和命名；
⏹杂环化合物的结构和芳香性；
⏹五元杂环化合物的化学性质；
⏹六元杂环化合物的化学性质；
⏹生物碱
重点要求掌握芳香性；五元、六元杂环化合物的化学性质，杂环化合物的亲电取代反应的活性及规律；酸碱性规律。

12.1 杂环化合物的分类和命名
1、分类：杂环大体可分为：单杂环和稠杂环两类。

分子中含有由碳原子和其它原子共同组成的环的化合物称为杂环化合物。

杂环中的非碳原子称为杂原子，最常见的杂原子有N、O、S等。

象环醚、内酯、环酐及内酰胺等似乎也应属于杂环化合物。

但是，由于这些环状化合物容易开环形
成脂肪族化合物，其性质又与相应的脂肪族化合物类似，因此，一般不放在杂环化合物中讨论。

本章讨论的是环系比较稳定，并且在性质上具有一定芳香性的杂环化合物。

根据环数的多少分为单杂环和多杂环；单杂环又可根据成环原子数的多少分为五元杂环及六元杂环等；多杂环稠杂环、桥杂环及螺杂环，其中以稠杂环较为常见。

稠杂环是由苯环与单杂环或有两个以上单杂环稠并而成。

2、命名
（1）用音译法
是按外文名称的音译，并加口字旁，表示为环状化合物。

如杂环上有取代基时，取代基的位次从杂原子算起用1，2，3，4，5……（或可将杂原子旁的碳原子依次编为α ,β, γ, δ …）来编号。

如杂环上不止一个杂原子时，则从O,S,N 顺序依次编号，编号时杂原子的位次数字之和应最小：
（2）系统命名法：
是把杂环看作杂原子转换了相应碳环中的碳原子，命名时以相应的碳环为
母体，在碳环名称前加上杂原子的名称，称为“某（杂）某”。

如吡啶称为氮（杂）苯，喹啉称为1-氮（杂）萘。

杂环母环的编号规则
（1）含1个杂原子的杂环，从杂原子开始用阿拉伯数字或从靠近杂原子的碳原子开始用希腊字母编号。

（2）如有几个不同的杂原子时，则按O 、S 、-NH-、-N=的先后顺序编号，并使杂原子的编号尽可能小。

（3）有些稠杂环母环有特定的名称和编号原则。

杂环的命名如下：
2-硝基吡咯 4-甲基吡啶 2-甲基-5-苯基噻唑 α-硝基吡咯 γ-甲基吡啶
3-甲基-8-羟基喹啉 1-甲基-7-氯异喹啉 1-甲基-2-巯基咪唑
2-呋喃甲醛（糠醛） 2-噻吩磺酸 3-吡啶甲酰胺 α-呋喃甲醛 α-噻吩磺酸 β-吡啶甲酰胺
12.2五元杂环化合物
12.2.1 呋喃、噻吩和吡咯的结构
呋喃、噻吩和吡咯组成环的五个原子都位于同一平面上，四个碳原子和一个杂原子都为sp2杂化状态，彼此以σ键相连接；每个碳原子还有一个电子在p 轨道上，杂原子的未共用电子对也是在p 轨道上，这五个p 轨道垂直于环所在的
N
H
NO 2
N
CH 3N
S
C 6H 5
CH 3
N
CH 3
CH 3N Cl
N 3N
SH
O CHO
S SO 3H N
CONH 2
O S
N H O
S
N H
.. ..
.. ..
..
..
..
..
..
..
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
平面并相互重叠形成闭合共轭体系。

这个共轭体系是由五个原子上的六个p电子组成的，其p电子数符合休克尔4n＋2规则。

因此具有芳香性。

呋喃、噻吩和吡咯的原子轨道示意图：
芳香性大小：苯>噻吩>吡咯>呋喃
吡咯环的4个碳原子和1个氮原子都以SP2杂化轨道成键。

环上各原子以σ键相连成平面环状结构。

氮原子的P轨道（有2个电子）与各碳原子的4个P 轨道相互侧面重叠，并垂直于σ键所在的平面，形成了具有6个π电子的闭合共轭体系。

呋喃、噻吩的结构与吡咯相似，不同的是呋喃中的氧原子和噻吩中的硫原子都有两对末共用电子对。

其中一对参与共轭体系，另一对处于SP2杂化轨道内。

以上3种五元杂环，成环原子均参加共轭，π电子数又符合休克尔规则，因此都具有芳香性。

但由于环中杂原子的电负性大小不同，电子云密度平均化程度也不同，所以芳香性强弱有所差异。

其中氧原子的电负性较大，不易提供电子参与共轭体系，因此呋喃环上电子云密度平均化程度较小，芳香性也较弱。

硫原子电负性在三者中最小，参与共轭的双是一对3P电子，电子受核约束力较小容易供出，因此噻吩环上电子云密度平均程度较大，芳香性较强。

但它们的芳香性都小于电子云密度高度平均化的苯环。

它们的亲电取代反应比苯容易进行。

12.2.2 呋喃、噻吩和吡咯的性质
呋喃是无色液体，沸点32℃，具有类似氯仿的气味，微溶于水，易溶于乙醇、 乙醚等有机溶剂。

呋喃能使盐酸浸过的松木片显绿色,此现象可检验呋喃的存在。

噻吩与苯共存于煤焦油中， 噻吩是无色而有特殊气味的液体，沸点84℃。

噻吩和靛红(吲哚满二酮)在硫酸作用下呈蓝色，此现象可检验噻吩的存在。

吡咯存在于煤焦油和骨焦油中，是无色液体,沸点131℃，有弱的苯胺的气味。

其蒸气遇盐酸浸湿的松木片则呈红色，可检验吡咯的存在。

1、对氧化剂、酸及碱的稳定性
呋喃和吡咯对氧化剂不稳定，特别是呋喃可被氧化成树脂状物，但噻吩对氧化剂比较稳定。

三种杂环化合物对碱是稳定的，但对酸的稳定性则不同，噻吩对酸较稳定，吡咯与浓酸作用可聚合成树脂状物。

呋喃对酸很不稳定，稀酸就可使其破坏生成不稳定的二醛，然后聚合成树脂状物。

2、吡咯的弱碱性和弱酸性
从结构上看，吡咯似环状仲胺，但因其氮原子上的共用电子对参与了环的共轭体系，使氮原子的电子云密度降低，减弱了对氢离子的结合能力。

吡咯的碱性很弱（pK a =0.4)，不能与稀酸或弱酸成盐。

反而能与干燥的氢氧化钾加热生成盐，表现出弱酸性。

由于氮原子上的末共用电子对参与环的共轭体系，使其电子云密度降低，减弱了它接受质子的能力。

所以吡咯的碱性很弱。

+ H +
3、亲电取代反应
多π芳杂环的杂原子提供了2个电子参与环的共轭，使环碳原子电子云密度有所增大，因而亲电取代反应比苯容易进行，而其中又以α位较大，所以亲电取代反应主要发生在α位上。

上述几个杂环的亲电取代反应活性为：吡咯 > 呋喃 > 噻吩 > 苯
N
H
Δ N K N H
N H 2
O
O
Br
Br 2
Br
H +
+
二噁烷0℃
S
Br 2
S
Br
CH COOH Br
H ++室温
N H N I I
I
H
I 2NaOH
NaI O
H 2++4+444+O
O
HNO
NO 2
CH 3COOH
+
+
α－硝基呋喃
S
3
S
NO 2
CH 3COOH
(CH CO)O ++
-10℃
α－硝基噻吩
N H
HNO N NO 2
H CH 3COOH
(CH CO)O +
+
-10℃
α
－硝基吡咯
（1）卤代反应
呋喃、噻吩和吡咯的卤代反应都比苯容易。

吡咯、呋喃和噻吩在室温与氯或溴反应很激烈，得到多卤代产物。

若要得到一氯代和一溴代产物，需用溶剂稀释并在低温下进行反应。

（2）硝化反应
呋喃、噻吩和吡咯必须在特殊的条件下硝化，即用酸酐和硝酸在低温下进行硝化，生成相应的α-硝基化合物。

O
O
SO
3
H
N H
N
SO
3
H
H
S S SO3H
H SO
S
4
Cl-C-CH
3
O
S
C-CH
3
O
O
4
O
C-CH
3
O
32
CH
3
COOH
+
O
S N H
H,Ni
H
2
,Ni
2
O
S
N
H
125℃，10
MPa
MPa
200
℃，压力
℃，20MPa
四氢呋喃
四氢吡咯
四氢噻吩
（3）磺化反应
吡咯和呋喃的磺化反应也需在较缓和的条件下进行，呋喃、吡咯必须用吡啶的三氧化硫加合物作为磺化剂，噻吩可直接用硫酸磺化。

尽管噻吩的活性在三者中最差，但反应仍比苯快得多。

噻吩在室温下即能与浓硫酸作用，生成可溶于水的α-噻吩磺酸。

苯在同样的条件下不反应。

利用这种区别可从粗苯中除去少量的噻吩。

（4）付氏反应
4、加成反应
吡咯、呋喃和噻吩均可进行催化加氢反应，被还原为饱和的杂环化合物，并失去芳香性。

(C 5H 8O 4)n O H 2H 2SO 4C 5H 10O 5
CH CH OH
HO CH CH CHO
OH
OH
H
H SO 2O
CHO
+n 3加热－O CHO
NH 2
32NH
N
CH
CH CH C CH
OH 糠醛
+
2
-显红色
O
CHO
H CuO,Cr 2O 3O CH 2OH O CHO
H
O
CH 2OH
糠醛+150℃,糠醇
糠醛
+
骨架镍
170－180℃7－10MPa
四氢糠醇
2
2
12.2.4 糠醛
糠醛是无色透明的液体，沸点162℃，熔点-36.5℃，相对密度1.160。

在空气中放置时逐渐变为黄色至棕色，能溶于水中，并与乙醇、乙醚混溶。

1、制备
2、化学性质 （1）显色反应
下面的显色反应可用来定性检验糠醛：
（2）催化加氢
O CHO 4
O COOH
糠醛糠酸O CHO
NaOH
O CH2OH O COONa
糠醛
+
糠醇
+
O CHO (CH
3
CO)
2
O
CH COONa
O CH CHCOOH
CH
3
COOH
糠醛
+
+
呋喃丙烯酸
α－
O CHO
O
H
2
O
CO
2
H
2 ZnO-Cr
2
O
3
-MnO
2
糠醛+++ 400-415℃
（3）氧化反应
（4）康尼扎罗反应
糠醛没有α-氢，与苯甲醛相似，可以发生康尼扎罗反应。

（5）柏琴反应
(6)脱羰反应
糠醛和水蒸气混合物在高温时通过混合催化剂，糠醛可脱去羰基生成呋喃。

3、糠醛的用途
N N
N
H
上的孤电子对在
轨道上，参与环内共轭，为富电子芳环。

上的孤电子对在
轨道上，在环外
未参与环内共轭。

成环原子共平面
体系
C _ sp 2
N _ sp 2 Π
6
6N P sp 2N
12.4 六元杂环化合物 12.4.1 吡啶的结构和性质 1、结构与芳香性
由于吡啶环的N 上在环外有一孤对电子，故吡啶环上的电荷分布不均。

吡啶环上的5个碳原子和1个氮原子也都以SP 2杂化轨道相互重叠，形成以σ键相连的环平面。

环上每个原子的P 轨道相互侧面重叠，且垂直于环平面，构成具有6个电子的闭合共轭体系。

与吡咯不同的是，吡啶环上氮原子的末共用电子对占据着SP 2杂化轨道，没有参与环的共轭。

吡啶的结构也符合休克尔规则，因此具有芳香性。

由于环中氮原子的电负性比碳原子大，所以环上碳原子电子云密度降低，形成缺π芳杂环，它的亲电取代反应比苯难进行。

γN α
β1.43
0.84
1.01
0.87
电荷分布
亲电取代亲核取代N >ββαγ
γα，>>位
位
2、物理性质
吡啶是具有特臭的无色液体。

能以任何比例与水互溶，同时又能溶解大多数极性和非极性有机化合物。

3、化学性质 （1）碱性
吡啶分子的氮原子上有1对末参与共轭的电子，能结合H +而显碱性，吡啶的碱性比脂肪胺和氨弱，而近似于芳胺。

三甲胺 氨 吡啶 苯胺 pK a 9.8 9.3 5.23 4.6 吡啶能与无机酸成盐。

+ HCl ·HCl
(2)亲电取代反应
由于吡啶分子中氮原子的电负性比碳原子大，环上碳原子电子云密度有所降低；同时，在亲电取代反应中试剂通常是酸性，使氮原子先与酸结合成吸电性的铵离子，因而环上碳原子电子云密度更加降低。

所以，吡啶比苯难进行亲电取代反应，其反应条件要求较高。

吡啶环上碳原子的电子云密度普遍降低，而其中以β位降低的较少，所以亲电取代反应主要发生在β-位。

+ Br 2
+ 混酸
+ 浓H 2SO 4 + HgSO 4
若吡啶环上有第一类定位基时，能使吡啶环活化。

它们的亲电取代反应就可以在较温和的条件下进行，取代位置由第一类定位基决定。

+ Br 2
N
N N N N 300℃
300℃
220℃
N Br
N NO 2N SO 3H
N NH 2乙酸
N Br
NH 2
+ 浓H 2SO 4 + KNO 3 （3）氧化还原反应 吡啶环上的电子云密度因氮原子的存在而降低，因此环对氧化剂比较稳定。

当环上有烃基时，烃基容易被氧化。

+ KMnO 4
+ KMnO 4
吡啶比苯容易还原，在常压下就可以被还原为六氢吡啶。

六氢吡啶又名哌啶，为无色液体，能与水混溶。

它的碱性（pK a =11.2)比吡啶强，性质与脂肪仲胺相似，在有机反应中用作碱性试剂。

4、重要吡啶衍生物
烟酸和烟酰胺：烟酸是维生素B 族中的一种，能促进细胞的新陈代谢，并有血管扩张作用。

烟酰胺是辅酶I 的组成成分，作用与烟酸相似。

烟酸 烟酰胺 β-吡啶甲酸 β-吡啶甲酰胺
尼可刹米和异烟肼：尼可米刹又名可拉明，为呼吸中枢兴奋药，用于中枢性
呼吸和循环衰竭。

异烟肼又名雷米封，为抗结核病药。

尼可米刹 异烟肼 N ，N-二乙基-3-吡啶甲酰胺 4-吡啶甲酰肼 12.4.1 喹啉的结构和性质
N CH 3CH 3100℃
N NO 2
CH 3CH 3N CH 3H 2O
Δ N COOH
N H +
Δ N
COOH N
H 2
Ni
N H
N COOH
N CONH 2N CON(C 2H 5)2N
CONHNH 2
喹啉是苯环与吡啶环稠合而成的化合物，存在于煤焦油和骨焦油中，可用稀硫酸提取，也可用合成方法制得。

喹啉是无色油状液体，有特殊气味，沸点238℃，相对密度 1.095，难溶于水，易溶于有机溶剂，如乙醚等。

它在空气中放置逐渐变成黄色。

1、制取
（1）斯克劳普（Z.H.Skraup）合成法：是合成喹啉及其衍生物最重要的方法，是用苯胺（或其他芳胺），甘油，硫酸和硝基苯（相应于所用芳胺）等氧化剂一起作用下发生反应。

反应的第一步是甘油受到硫酸的作用失水而成丙烯醛，其次是丙烯醛与苯胺发生迈克尔型加成作用生成β—苯胺基丙醛，然后通过醛的烯醇式在酸的催化下发生失水作用，关环生成二氢化喹啉，二氢化喹啉受到硝基苯氧化作用，失去一分子氢芳构化，就得喹啉。

此反应实际上一步完成，产率很高：
其反应过程是
如苯胺环间位有给电子基团，主要在给电子基团对位关环，得7—取代喹啉，如苯胺环上间位有吸电子基团，主要在吸电子基团的邻位关环，得5—取代喹啉。

（2）其他方法：
(C 8H 7N)2 H 2Cr 2O 7
.
2、化学性质 （1）弱碱性
喹啉与吡啶很相似，也具有弱碱性（p K b ＝9.1）。

喹啉与酸作用生成盐，例如它与重铬酸形成难溶于水的复盐。

（2）取代反应
喹啉是有吡啶稠合而成的，由于吡啶环的电子云
密度低于与之并联的
苯环，所以喹啉的亲电取代反应
发生在电子云密度较
大的苯环上，取代基主要进入5或
8位。

而亲核取代则主要
发生在吡啶环的2或4位.
N
1.63
0.79
0.930.771.00
0.95
0.960.98
N
N
N
NO2
Br
N
NH2
+
+
H O
N
4
N
COOH
COOH
CO
2
N
COOH
－
140
N
（2）氧化还原反应
喹啉用高锰酸钾氧化时，苯环发生破裂，用钠和乙醇还原是其吡啶环被还原，这说明在喹啉分子中吡啶环比苯环难氧化，易还原。

N Cl H NaOH
N H Cl
∶
生物碱
∶生物碱
+
(水中析出)
(溶于水中)
12.4 生物碱（自学）
生物碱是一类存在于生物体内含氮的碱性有机化合物。

它们主要存在于植物中，具有很强的生理作用。

生物碱的结构一般都是比较复杂的多环化合物。

生物碱是人们研究得最早和最多的一类中草药有效成份。

12.4.1 生物碱的物理性质
生物碱一般为无色或白色结晶形固体，少数是有颜色的液体，难溶于水，易溶于乙醇、乙醚、氯仿和苯等有机溶剂。

生物碱大多都有旋光性，自然界中存在的一般都是左旋体。

左旋体和右旋体的生理作用往往差别很大。

1、弱碱性
生物碱分子中的氮原子一般结合在环状结构中，以仲胺、叔胺和季铵碱3种形式存在，显弱碱性。

能与酸作用生成盐。

其盐一般易溶于水、乙醇，难溶于其他有机溶剂。

烟碱
烟酸
N
N
CH 3
4
HNO 3
N COOH
4C
H 3CH 3N
N N N O
O
CH 3C
H 3CH 3N N O
O
O O
CH 3NH-C-NH 2
O
+咖啡碱
尿酸
红紫酸铵(紫红色)
3H
N
H N
H N
H O O
O N
H N H O O
O O N NH O O
O N
H N H O
O O H O NH 4
2、氧化反应
3、沉淀和颜色反应
许多试剂能与生物碱作用，生成不溶性的沉淀或产生颜色反应，这些试剂称为生物碱试剂。

可用这些试剂来检验生物碱的存在。