17第十七章杂环化合物

第十七章 杂环化合物

学习要求：

1. 掌握杂环化合物的分类和命名。

2. 掌握杂环化合物的化学性质。

3. 理解杂环化合物的结构与芳香性。 4．理解吡咯、吡啶的结构与性质的关系。 5．了解嘧啶、喹啉、嘌呤及吲哚。

6．了解几种重要生物碱（麻黄素、烟碱、阿托品、咖啡碱和茶碱）。 计划课时数 4课时

重点：杂环化合物的化学性质，杂环化合物的结构与芳香性。 难点：杂环化合物的结构与芳香性。

教学方法 采用模型、多媒体课件和板书相结合的课堂讲授方法。 引言

杂环化合物是指组成环的原子中含有除碳以外的原子(杂原子——常见的是N 、O 、S 等)的环状化合物。

杂环化合物不包括极易开环的含杂原子的环状化合物，例如：

本章我们只讨论芳香族杂环化合物。 杂环化合物是一大类有机物，占已知有机物的三分之一。杂环化合物在自然界分布很广、功用很多。例如，中草药的有效成分生物碱大多是杂环化合物；动植物体内起重要生理作用的血红素、叶绿素、核酸的碱基都是含氮杂环；部分维生素，抗菌素；一些植物色素、植物染料、合成染料都含有杂环。

§ 杂环化合物的分类和命名

17.1.1 杂环大体可分为：单杂环和稠杂环两类。

NH O ,

,,O O O O

O

O 杂环化合物

非芳香杂环芳杂环（符合休克尔规则的杂环）如如

O O NH N N H

O ,…………

,,

稠杂环是由苯环与单杂环或有两个以上单杂环稠并而成。

17.1.2命名：杂环的命名常用音译法，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：

五元杂环中含有两个杂原子的体系叫唑（azole ）当环上有取代基时，取代基的位次从杂原子算起依次用1,2,3,… (或α,β,γ…)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。例见P 552

杂环化合物的结构与芳香性

呋喃、噻吩、吡咯在结构上具有共同点，即构成环的五个原子都为sp 2杂化，故成环的五个原子处在同一平面，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，它们都具有芳香性。

吡啶的结构

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。 O S

N H S O N

Π56

π为共轭体系

电子= 6

符合4n + 2具有芳性富电子芳环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 2

N

§五元杂环化合物

含一个杂原子的典型五元杂环化合物是呋喃、噻吩和吡咯。含两个杂原子的有噻唑、咪唑和吡唑。本节重点讨论呋喃、噻吩和吡咯，简单介绍一下噻唑、咪唑和吡唑。

呋喃、噻吩、吡咯的性质

（1）存在与物理性质P554

（2）光谱性质呋喃，噻分，吡咯的电子结构和光谱性质。

电子结构：这三个杂环化合物中，碳原子和杂原子均以sp2杂化轨道互相连接成σ健，并且在一个平面上，每个碳原子及杂原子上均有一个p轨道互相平行，在碳原子的p轨道中有一个p电子，在杂原子的p轨道中有两个p电子，形成一个环形的封闭的π电子的共轭体系。这与休克尔的4n+2规则相符，因此这些杂环或多或少的具有与苯类似的性质，故称之为芳香杂环化合物。

芳香性大小,试验结果表明:

光谱性质：IR: νc-H = 3077~3003cm-1,νN-H = 3500~3200 cm-1 (在非极性溶剂的稀溶液中，在3495 cm-1，有一尖峰。在浓溶液中则于3400 cm-1,有一尖峰。在浓和淡的中间浓度时，两种谱带都有),杂环C＝C伸缩振动:1600~1300 cm-1（有二至四个谱带）。

NMR：这些杂环化合物形成封闭的芳香封闭体系，与苯环类似，在核磁共振谱上，由于外磁场的作用而诱导出一个绕环转的环电流，此环电流可产生一个和外界磁场方向相反的感应磁场，在环外的质子，处在感应磁场回来的磁力线上，和外界磁场方向一致，在去屏蔽区域，故环上氢吸收峰移向低场。化学位移一般在7ppm左右。

呋喃：α－H δ= β－H δ=

噻吩：α－H δ= β－H δ=

吡咯：α－H δ= β－H δ=

（3）化学性质

1．亲电取代反应

从结构上分析，五元杂环为Π56共轭体系，电荷密度比苯大，如以苯环上碳原子的电荷密度为标准（作为0），则五元杂环化合物的有效电荷分布为：

γ

Nα

β

1.43

0.84

1.01

0.87

电荷分布

亲电取代

亲核取代

N >

β

βαγ

γ

α，

>>

位

位

五元杂环有芳香性，但其芳香性不如苯环，因环上的π电子云密度比苯环大，且分布不匀，它们在亲电取代反应中的速率也比要苯快得多。

亲电取代反应的活性为： 吡咯 > 呋喃 > 噻吩 > 苯，主要进入α-位。 五元杂环吡咯、呋喃、噻吩的反应实例见P 555~556

说明：吡咯、呋喃、噻吩的亲电取代反应，对试剂及反应条件必须有所选择和控制。 卤代反应 不需要催化剂，要在较低温度和进行。

硝化反应 不能用混酸硝化，一般是用乙酰基硝酸酯(CH 3COONO 2)作硝化试剂，在低温下进行。

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——吡啶三氧化硫的络合物，噻吩可直接用浓硫酸磺化。

2．加氢反应

3．呋喃、吡咯的特性反应 （1） 呋喃易起D-A 反应

吡咯、噻吩要在特定条件下才能发生D-A 反应。

（2）吡咯的弱酸性和弱碱性

吡咯虽然是一个仲胺，但碱性很弱。

吡咯具有弱酸性，（其酸性介与乙醇和苯酚之间。

O S N H 0

00000+ 0.1- 0.03- 0.02+ 0.20- 0.06

- 0.04+ 0.32- 0.10- 0.06O N

H

S H , Ni or Pd H , Ni or Pd

H , Ni O

N H

S 四氢呋喃四氢吡咯( THF )不能用

催化因噻吩能 使中毒Pd

Pd O O O O +℃

+内式外式(90%)N H N

H

NH 2K b ×3.8 10-10 2 10-42.5 10-14××原因：

上的未共用电子对参与了环的共轭体系，

减弱了与

的结合力。N H

故吡咯能与固体氢氧化钾加热成为钾盐，与格式试剂作用放出RH 而生成吡咯卤化镁。

吡咯钾盐和吡咯卤化镁都可用来合成吡咯衍生物。

重要的五元杂环衍生物

（1）糠醛（α- 呋喃甲醛） 1．制备

由农副产品如甘蔗杂渣、花生壳、高粱杆、棉子壳……用稀酸加热蒸煮制取。

N

H OH

K a =×1.3 10-10 1 10-18

1 10-15××CH 3CH 2

OH

N H + KOH N K

+ H 2O 固体N H + RMgX N + H 2O MgX

干乙醚N H N K （固体）热N COR N R

N

H COR N H

R N H N MgX 干乙醚N COR N R

N H COR N H

R (C 5H 8O 4)n 24

HO CH CH OH

CH 2OH CH CHO OH

24稀CHO 多聚戊糖戊糖呋喃甲醛

水蒸气

2．糠醛的性质 同有α-H 的醛的一般性质。 （1）氧化还原反应

（2）歧化反应

（3）羟醛缩合反应 （4）安息香缩合反应

3．糠醛的用途

糠醛是良好的溶剂，常用作精练石油的溶剂，以溶解含硫物质及环烷烃等。可用于精制松香，脱出色素，溶解硝酸纤维素等。糠醛广泛用于油漆及树脂工业。

（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。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 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 。

血红素的功能是运载输送氧气（P 564）叶绿素是植物光合作用的能源。

1964年，Woodward 用55步合成了叶绿素。1965年接着合成VB 12，用11年时间完成了全合成。 Woodward 一生人工合成了20多种结构复杂的有机化合物，是当之无愧的有机合成大师。

Woodward 20岁获博士学位，30岁当教授，48岁时（1965年）获诺贝尔化学奖。

O

CHO O CH=CHCHO +CH 3

CHO O CHO 320℃,2,O CH 2OH O COOH O

O O + CO 2 + H 2O

O CHO O CH 2OH O

COOH

+浓碱O CHO O CH 醇溶液

O OH

δ4567

8

绿素与蛋白质结合存在于植物的叶和绿色的茎中。植物光合作用时，叶绿素吸收太阳能转变为化学能，是植物进行光合作用时必需的催化剂。自然界的叶绿素不是一个单纯的化合物，而是由两种叶绿素组合而成，即蓝绿色的叶绿素a（熔点：117～120 ℃）和黄绿色的叶绿素b（熔点：120～130 ℃），两者的比例为：3a：4b,叶绿素环中含镁。叶绿素a 已经被合成（1960年）

叶绿素α 的结构

维生素B12,是含钴的类似卟啉环化合物。但其卟啉环在δ－位少一个碳原子。它具有强的医治贫血的功能。

4噻唑和咪唑

1．噻唑

噻唑是含一个硫原子和一个氮原子的五元杂环，无色，有吡啶臭味的液体，沸点117℃，与水互溶，有弱碱性。是稳定的化合物。

一些重要的天然产物几合成药物含有噻唑结构，如青霉素、维生素B1等。

青霉素是一类抗菌素的总称，已知的青霉素大一百多种，它们的结构很相似，均具有稠合在一起的四氢噻唑环和β- 内酰胺环。

S

N

CH

C O

NH C R

O

HOOC

CH3

CH3

青霉素具有强酸性(pKa≈,在游离状态下不稳定(青霉素O例外)，故常将它们变成钠盐、钾盐或有机碱盐用于临床。

维生素B1（VB1）

呋喃，噻吩，吡咯的制备。

1.玉米心，稻糠，花生壳，大麦壳，高粱秆等用稀硫酸处理得戊糖，戊糖失水得糠醛，再在400℃下加热，同时在催化剂ZnO,Cr2O3存在下，失去一氧化碳而得呋喃。

2.工业上制备噻吩是用丁烷，丁烯或丁二烯与硫磺混合，在600℃反应得到：

3.噻吩也可用琥珀酸钠盐与五硫化二磷一起加热反应制得：

R =CH2

CH2O

CH CH CH2S CH3

R =

R =

G

V

O

常用青霉素

为青霉素

为青霉素

为青霉素

N

N

CH2N

S

CH3

CH2CH2OH

NH3Cl

CH3

Cl

噻唑环

对糖类的新陈代谢有

显著的影响，人体缺

乏时可以引起脚气病

4.帕尔——克诺尔（—）合成法：

1，4—二羰基化合物常在无水的酸性条件下，得到呋喃及其衍生物。1，4—二羰基化合物与氨或硫化合物反应，可制备噻吩，吡咯及他们的衍生物，这个方法称为帕尔—克诺尔合成法：

5.取代吡咯的另一个一般的合成法，称为克诺尔合成法，即用氨基酮与有α－亚甲基的酮进行缩合。例如用氨基酮酸酯与酮酸酯或1，3—二酮缩合，氨基酮酸脂由相应的β－羰基酯制得。

α—氨基酮α—亚甲基酮

§六元杂环化合物

六元杂环化合物中最重要的有吡啶、嘧啶和吡喃等。

吡啶是重要的有机碱试剂，嘧啶是组成核糖核酸的重要生物碱母体。

17.4.1吡啶

(1) 来源、制法和应用

吡啶存在于煤焦油页岩油和骨焦油中，吡啶衍生物广泛存在于自然界，例如，植物所含的生物碱不少都具有吡啶环结构，维生素PP、维生素B6、辅酶Ⅰ及辅酶Ⅱ也含有吡啶环。吡啶是重要的有机合成原料（如合成药物）、良好的有机溶剂和有机合成催化剂。

吡啶的工业制法可由糠醇与氨共热（500℃）制得，也可从乙炔制备（P565）。

吡啶为有特殊臭味的无色液体，沸点115.5℃，相对密度，可与水、乙醇、乙醚等任意混和。

（2）吡啶的结构

N N

N

O

吡啶嘧啶吡喃

N N N

H

上的孤电子对在

轨道上，参与

环内共轭，为富

上的孤电子对在

轨道上，在环外

成环原子

共平面

体系

C_ sp2

N_ sp2

Π66

N

P

sp2

N

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。

（3）吡啶的性质 1．碱性与成盐

吡啶的环外有一对未作用的孤对电子，具有碱性，易接受亲电试剂而成盐。 吡啶的碱性小于氨大于苯胺。

吡啶易与酸和活泼的卤代物成盐。

2．亲电取代反应

吡啶环上氮原子为吸电子基，故吡啶环属于缺电子的芳杂环，和硝基苯相似。其亲电取代反应很不活泼，反应条件要求很高，不起傅-克烷基化和酰基化反应。亲电取代 反应主要在β-位上。

CH 3NH 2NH 3

N

NH 2

pK b 3.38 4.768.80

9.42N + HCl N HCl N

NH 3

N + SO 3CH 2Cl 2

N SO 3(90%)

此反应常用于在反应中吸收生成的气态酸室温吡啶三氧化硫络合物

是常用的缓和磺化剂N N N RI

R I 300℃I N I +R R

N N

R

R 制取烷基吡啶的一种方法

γN α

β1.43

0.841.010.87电荷分布亲电取代亲核取代N >ββαγγα，>>位

位

N N Cl

N Br

N NO 2SO 3H

氯吡啶

溴吡啶硝基吡啶

吡啶

磺酸3333

3．氧化还原反应 （1）氧化反应

吡啶环对氧化剂稳定，一般不被酸性高锰酸钾、酸性重铬酸钾氧化，通常是侧链烃基被氧化成羧酸。

吡啶易被过氧化物（过氧乙酸、过氧化氢等）氧化生成氧化吡啶。

氧化吡啶在有机合成中用于合成4-取代吡啶化合物。

（2）还原反应

吡啶比苯易还原，用钠加乙醇、催化加氢均使吡啶还原为六氢吡啶（即胡椒啶）。 4．亲核取代

由于吡啶环上的电荷密度降低，且分布不均，故可发生亲核取代反应。例如：

17.4.2 稠杂环化合物

稠杂环化合物是指苯环与杂环稠合或杂环与杂环稠合在一起的化合物。常见的有喹啉、吲哚和嘌呤。

N

N N N 吡啶甲酸（烟酸）

CH 3 / H HNO 3COOH COOH

αβ吡啶甲酸N

N 3O

O N HNO O N O

NO 22490℃N NO 2

+ POCl 3N NaNH N 2NHNa

N NH 2二甲苯胺中回流N N H N N N H

N 2

3456789111223

3445566778喹啉吲哚嘌呤( Quioline )( indole )( Purine )

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。素馨花、柑桔花中含有吲哚。吲哚环的衍生物广泛存在于动植物体内，与人类的生命、生活有密切的关系。

吲哚的性质与吡咯相似，也可发生亲电取代反应，取代基进入β-位。见P 563。

N H

CH 2CH COOH NH 2

N H CH 3β色氨酸构成蛋白质的重要成分甲基吲哚（粪臭素）

很稀时有茉莉香味

N H CH 2CH 2NH 2HO 5羟基色氨

动物激素，参与神经思维的物质。

N

H CH 2COOH β吲哚乙酸植物激素，少量能调节植物生长，量大则杀伤植物。如在侧链多一个 就失去生理效能。CH

2N H β吲哚磺酸

Br 2,O O 溴吲哚硝基吲哚

33N H

N H

N

H Br

NO 2SO 3H 70%

35%N

H CH 2CH 2NHAc CH 3O 脑白金Melatonine

2.喹啉

喹啉存在于煤焦油中，为无色油状液体，放置时逐渐变成黄色，沸点238.05℃，有恶臭味，难溶于水。能与大多数有机溶剂混溶，是一种高沸点溶剂。

1．喹啉的性质 （1）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。

（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。

2．喹啉环的合成法——斯克劳普（Skraup ）法：

喹啉的合成方法有多种，常用的是斯克劳普法。是用苯胺与甘油、浓硫酸及一种氧化剂如硝基苯共热而生成。

其反应过程见P 571。 N

1.63

0.790.930.771.000.950.96

0.98N

N N

NO 2Br

N

NH 2++

H O

N

N N H

KMnO COOH COOH N

NH 2 CH 2-CH-CH 2

OH +

H SO 硝基苯84~91%

3．喹啉的衍生物

喹啉的衍生物在自然界存在很多，如奎宁、氯喹、罂粟碱、吗啡等。

17.4.2嘌呤嘧啶、嘌呤及其衍生物

嘧啶本身不存在于自然界，其衍生物在自然界分布很广，脲嘧啶、胞嘧啶、胸腺嘧啶是遗传物质核酸的重要组成部分，微生素B 1也含有嘧啶环。合成药物的磺胺嘧啶也含这种结构。

uracil thymine cytosine

CH 3CH CH 2

奎宁（金鸡钠碱）存在于金鸡钠树皮中，有抗疟疾疗效N

N Cl

NH CH HO (CH 2)3-N C 2H 5C 2H 5

CH 2

OCH 3OCH 3

CH 3O

CH 3O 氯喹（合成抗疟疾药）

罂粟碱

CH 37

吗啡

含一个被还原了的异喹啉环，是从鸦片中提取出来的。

吗啡的盐酸盐是很强的镇痛药，能

持续6小时，也能镇咳，但易上瘾。

将羟基上的氢换成乙酰基，即为海洛因，不存在于自然界。海洛因比吗啡更易上瘾，可用来解除晚期癌症患者的痛苦。

N N

N N

N

N N N OH HO OH HO HO CH 3NH 2尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶( U )( T )( C )

嘌呤为无色晶体，~217℃，易溶于水，其水溶液呈中性，但能与酸或碱成盐。 纯嘌呤环在自然界不存在，嘌呤的衍生物广泛存在于动植物体内。

1．尿酸 存在于鸟类及爬虫类的排泄物中，含量很多，人尿中也含少量。

2．黄嘌呤 存在于茶叶及动植物组织和人尿中。

3生物碱

生物碱是一类存在于生物体内，对任何动物有强烈生理作用的含氮碱性有机化合物，如烟叶中的主要生物碱组分是

尼古丁（

）。生物碱在植物体内常于有机酸（果酸，

柠檬酸，草

酸，琥珀酸，醋酸，丙酸等）结合成盐而存在，也有和无机酸（磷酸，硫酸，盐酸）结合的。

中草药治病有效成分有生物碱，苷等。生物碱的研究促进有机合成药物的发展，为合成新药提供线索，如古柯碱化学的研究导致局部麻醉剂普鲁卡因的合成。

古柯碱

N N N H

N N N N NH ⅡⅠ( )( )9H 7H 嘌呤

嘌呤HN N H N H NH N N N H

N O O O OH HO OH HN N H

N H

N N N

N H

N O O OH HO

古柯碱具有局部麻醉的效能，上面结构式中虚线部分代表有效部分。但古柯碱毒性大，具有易产生毒瘾等缺点，于是进行代用品的研究，药学家合成出许多比古柯碱分子简单而更有效的麻醉药，普鲁卡因等，它是良好的局部麻醉药。

同时归纳出局部麻醉药具有下式的基本结构：

生物碱的一般性质

1.游离生物碱物理性质：

一般是无色固体结晶，有色的很少（黄连素黄色），液体也很少（烟碱为液体），有苦味。分子中含有手征碳原子，具有旋光作用，如天然烟碱（尼古丁）是左旋的。能溶于氯仿，乙醇，醚等有机溶剂，多半不溶或难溶于水。能与无机酸或有机酸结合成盐。这种盐一般易溶于水。

2.化学性质：

（1）生物碱的沉淀反应：生物碱的中性或酸性水溶液与一些试剂（如10%苦味酸）能发生沉淀。

（2）生物碱的颜色反应：生物碱与一些浓酸能呈现出各种颜色，其颜色随各种生物碱而各有特征。

二．生物碱的提取方法：

1.有机溶剂提取法(略)

2．稀酸提取法(略)

三.. 生物碱结构的化学测定。

化学方法通常是先测定其分子式和所含官能团，然后通过降解反应使之成为一些结构的碎片，推测出可能的结构式。最后用可靠的合成方法加以验证。

3．咖啡碱、茶碱和可可碱

三者都是黄嘌呤的甲基衍生物，存在于茶叶、咖啡和可可中，它们有兴奋中枢作用，其中以咖啡碱的作用最强。

咖啡碱 茶碱 可可碱 4．腺嘌呤和鸟嘌呤 是核蛋白中的两种重要碱基。

腺嘌呤（A ） 鸟嘌呤（G ）

§18~5 生 物 碱

（自学）

作业1： P 429 1，2，3，5，7，8，10，11

N N N N O O N N N N NH O O N HN N N N O O CH 3CH 3

CH 3CH 3CH 3CH 3CH 3N N N

H

N HN N N H N H 2N O NH 2