第十七章杂环化合物
有机化学---第17章 杂环化合物
、 内酯、环状酸酐等。
环为平面型共轭体系，环内π电子数符合4n+2规 则，具有一定芳香性的杂环化合物。
2
2、杂环化合物的分类
五元杂环, 如 单杂环 六元杂环, 如 杂环化合物 稠杂环 两个以上单杂环稠并
N N N H
O N
N H
S
苯环与单杂环稠并, 如 N H
N
N
3
3、杂环化合物的命名 （1）音译法 ——在同音汉字左边 + 口字旁
N ..
H2SO4,HgSO4 220℃
N
N
NO2
β-硝基吡啶
SO3H
β-吡啶磺酸
34
当吡啶环上连有供电子基团时，将有利于亲电取
代反应的发生；反之，就更难以进行亲电取代反应。
NO2
HNO3,H2SO4
H3 C N CH3
100℃
H3 C
N
CH3
吡啶环也象硝基苯一样，不能发生F―C烷基化和 酰基化反应。
吲哚具有芳香性，亲电取代反应发生在吡咯环上； 吲哚亲电取代反应的活性比苯高，但比吡咯低。 亲电取代反应的位置：
5 4 3 7
E+
1
苯 环
6
N H
2
吡咯环
26
进攻 C2 N H + E
+
进攻 C3
只有一个带有完 E N 2 H 整苯环的共振杂化体。 H 3 E 3 E H H + + N N H H
OH
6
S1
苯并呋喃
1
苯并吡咯 喹啉
N
9 7 8
苯并噻唑
N N
3
5 4
HO
N H
OH
大学有机化学第十七章杂环
杂环化合物也可以发生还 原反应，如喹啉可以还原 为二氢喹啉。
还原反应通常涉及还原剂 对杂环的攻击，导致电子 转移和还原产物的生成。
杂环化合物在有机合成中的
06
应用
作为合成子构建复杂分子结构
01 杂环化合物作为合成子
杂环化合物具有丰富的反应性和多样的结构，可 以作为合成子用于构建更复杂的分子结构。
02 杂环合成策略
在天然产物的全合成中，杂环的合成是关键步骤 之一。通过设计合理的合成路线，可以实现杂环 的高效构建。
03 实例分析
以某些具有代表性的天然产物为例，阐述杂环化 合物在天然产物全合成中的应用。
在药物设计和合成中的应用
药物分子的结构特点
许多药物分子都含有杂环结构，这些结构对于药物与靶标 的相互作用具有重要影响。
咪唑
由两个氮原子和三个碳原子组成的五元杂环化合物，具有芳香性。咪唑及其衍生物在医药和农药等领域有重要应 用，如抗真菌药物克霉唑、抗寄生虫药物甲硝唑等。
噻唑
由一个硫原子、一个氮原子和三个碳原子组成的五元杂环化合物，具有芳香性。噻唑及其衍生物在染料、农药和 医药等领域有广泛应用，如杀菌剂稻瘟灵、抗癫痫药物卡马西平等。
大学有机化学第十七 章杂环
目录
• 杂环化合物概述 • 五元杂环化合物 • 六元杂环化合物 • 杂环化合物的合成方法 • 杂环化合物的反应与机理 • 杂环化合物在有机合成中的应用
01
杂环化合物概述
定义与分类
定义
杂环化合物是指分子中含有杂原子（非碳原子）的环状 有机化合物。
分类
根据杂原子的种类和数量，杂环化合物可分为单杂环和 多杂环两大类。其中，单杂环又分为含氮杂环、含氧杂 环和含硫杂环等。
呋喃
第十七章 杂环化合物
重要的杂环 N
O 呋喃
furan
N H 吡咯
pyophene
N N
环
吡啶
pyridine
N
嘧啶
稠杂环
N
喹啉
嘌呤
杂环化合物的命名方法有两种：译音法和系统命名法。最常用的是译音法。
O
N H
S
N
furan
呋喃
pyrrole
吡咯
thiophene
噻吩
pyridine
吡啶
有取代基时，将杂原子编为１号，或与杂原子相邻的碳原子编为α，依次 为α，β，γ······
3
溶于水， pKa=8.9，弱碱 性
O
N
嘌呤
NH2 N N
鸟嘌呤
CH3 N
H3C O
N N CH3
N
N
咖啡碱，存在于茶 叶和咖啡中
作业p574
（一） （五）(2)(5)(7)(9)(11)(12)
（十）
（十五）
17.2 五元杂环化合物 17.2.1 五元杂环化合物的化学性质 1、亲电取代反应 相当于苯酚或苯胺的活性——反应主要发生在α-位 硝化
N H
O + H3C C ONO2
乙醇 -10℃
N H SO 3H
N H NO 2
-硝基吡咯
磺化
N H
+ SO3
吡啶 100℃
-吡咯磺酸
O
卤化
O
+ Br2
O 0℃
α –溴代呋喃 (90%)
O
Br
S
+ Br2 AcOH
室温
Br S α –溴代噻吩
Friedel–Crafts酰基化
第十七章杂环化合物
H
H
N
H
N
H
H
图17.2 吡啶的轨道结构
N
由于吡啶环中氮原子上的一对孤对电 子与苯环共平面（填入sp2轨道中），不 参与环状共轭体系，所以这一对孤对电子 很容易给出去从而表现出碱性。
0.140 nm
0.139 nm
N
0.134 nm
C–N: 0.147 nm C=N: 0.128 nm
吡啶的键长有较大程度的平均化。
E
XH E H
X
E XH
亲电试剂进攻 2 位的中间体稳定，反 应主要发生在 2 位上 。
呋喃、噻吩、吡咯的制备（不讲）
Paal–Knorr合成法
γ –二羰基化合物在酸催化下脱水或与 氨或硫化物作用
TsOH
甲苯,△ H3C O CH3
H3C O O CH3
P2S5 170℃
H3C S CH3
NH3 甲苯,△
它们在亲电取代反应中，使用温和的 试剂。
(1) 硝化 一般采用硝酸乙酰脂 CH3COONO2
作硝化剂。
S
+
CH3COONO2
Ac2O–AcOH －0℃
S
NO2 +
NO2 S
2–硝基噻吩(66%) 3–硝基噻吩(10%)
(2) 磺化 吡咯、呋喃通常采用吡啶与SO3的加
合物。
N + SO3
N·SO3
HNO3,H2SO4
N
0oC
50%
NO2
48%
+
N
N
NO2
17.3.3 嘌呤（不讲）
习题
（一）（1）（3） （三） （五）（1）（4）（7）（11）（12）（13） （六）
【全文】杂环化合物
噻吩(thiophene)
4
3β
5
1
N H
2α
吡咯(pyrrole)
4
5
3
6
2
7
N H
1
苯并吡咯 吲哚 (indole)
43
5
N H
N 1
2
吡唑(pyrazole)
4 N3
5
2
N H
1
咪唑(inidazole)
4 N3
5
2
S1
噻唑(thiazole)
六元杂环化合物
γ 4
5
3β
6 N 2α 1
吡啶(pyridine)
吡
咯
的
结 构
N H
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、噻吩的结构与吡咯类似。
三. 呋喃、噻吩、吡咯的反应
1. 呋喃、噻吩、吡咯的亲电取代反应
（1）概述 *1 亲电取代反应的活性顺序为：
O NH
NO H
NH2 N
NO H
O
H3C
NH
NO H
尿嘧啶(U) 胞嘧啶(C) 胸腺嘧啶(T)
二 嘌呤的两个重要衍生物
NH2
6 1N
5N
2
N 3
4
N H
腺嘌呤(A)
(6-氨基嘌呤)
OH
6 1N
5N
H2N
2
N 3
4
N H
鸟嘌呤(G)
(2-氨基-6-羟基嘌呤)
第十七章 杂环化合物
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。
呋喃与噻吩有相似的结构。
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。
三、杂环化合物的化学性质
7
1
4
5
3
6
2
7
N1 H
例如：
CHO O
2-呋喃甲醛(糠醛）
O2N
O
CHO
5-硝基-2-呋喃甲醛
CH3 COOH
N
4-甲基-2-吡啶甲酸
CH2COOH
N H
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。
4
3
5
N
N
1
2
H
4 N3
5
2
N H
CH3
4
N3
5
HOCH2CH2
2
S
1
4-甲基-5-(2,-羟乙基)噻唑
（4）嘌呤环的编号
6
7
1N
5N
1
第十七章杂环化合物
-NO2 S
5%
③ 磺化反应 吡咯、呋喃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。
+ SO3
+
吡啶
N
N 吡啶三氧化硫 SO3
100 ℃
+ N H
HCl
N SO3 -SO3H +
90%
+
N H 90% Cl
-SO3 ·
-
N+ H
4 - 甲基 - 5 - ( 2' -羟乙基 ) 噻唑
N O 苯并呋喃 S 苯并噻唑
3) 根据相应碳环母核命名
把杂环当作是相应的碳环中碳原子被杂原子置换而形 成的，命名时在碳环母体名称前加“某杂” （杂原子的名 称）两字，以表示其中的杂原子。 N 氮（杂）茂 N
苯（碳环母核）
茂（碳环母核）
O 氧（杂）茂
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%
-COCH3 75%~92%
O
（或CH3COCl）
H2PO4
或SnCl4
O 2-乙酰基呋喃
噻吩酰化反应要用磷酸或氯化锡作催化剂。
S
+ (CH3CO)2O
① 卤代反应 像苯酚和苯胺一样，吡咯、呋喃、噻吩很容易发生卤代 反应。 氯代、溴代不但不需催化剂，而且为避免多取代物，往 往采用温和条件，如用溶剂稀释和采用低温。 吡咯反应活性最大，在低温下进行，一般得多卤产物。 Br-Br C2H5OH + Br2 Br-Br 0℃ N N
[理学]第十七章杂环_OK
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15
3-吲哚乙酸
§17-2 杂环化合物的结构和物理性质
一、结构与芳香性
H
H
O
H
H
H
H
S
H
H
2P2
呋喃 O：sp2
3P2
16
噻吩 S：sp2
H H
H
NH H
2P2
吡咯 N：sp2
1.五元杂环化合物 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和较高的热
力学稳定性。
18
2.六元杂环化合物 吡啶的结构也符合休克 尔规则，和以上三种五元杂环化合物类似，也 有一定程度的芳香性和较高的热力学稳定性。 但氮原子上电子的排布与吡咯不同，孤电子对 处于sp2杂化轨道，没有参与共轭。
H
H
H
N
H
H
2P1
吡啶 N：sp2 19
二、结构与性质 五元和六元杂环化合物偶极矩方向及数 值（10-30 C · m）如下：
N
§17-5 重要杂环化合物
一、嘧啶衍生物 尿嘧啶互变异构
HO N
ON H
亚胺醇式
O
HN
ON H
49
酰胺式
NH2 N HO N
HO
NH2 N
ON H
O
胞嘧啶 互变异构
N
CH3
HN
CH3
HO N
ON
H
50
胸腺嘧啶互变异构
二、嘌呤衍生物
NH2
腺嘌呤
N
N
NN
H
HO
O
N
N
HN
N
H2N N N
H2N N N
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第十七章 杂环化合物
（heterocyclic Ring compounds ）
一、教学目的和要求
1．掌握杂环化合物的分类和命名。
2．掌握五元单杂环、六元单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。
二、教学重点与重点
重点：杂环化合物、甾体化合物结构特征与命名（俗名）。
难点：杂环化合物的结构。
三、教学方法和教学学时
（1）教学方法：以课堂讲授为主，结合必要的课堂讨论。
教学手段以板书和多媒体相结合。
（2）教学学时：4学时 四、教学内容 1、杂环化合物
（1）杂环化合物概述 （2）吡咯及其衍生物 （3）吡啶及其衍生物 （4）吲哚及其衍生物 （5）苯并吡喃及其衍生物 （6）嘧啶和嘌呤及其衍生物 2、生物碱
（1）生物碱概述 （2）生物碱举例 五、总结、布置作业
17.1 几种基本杂环 (分类和命名)
杂环化合物定义 ：杂环化合物是指环比较稳定、含杂原子的环状化合物，包括芳香性杂环和非芳香杂环。
杂环化合物的种类很多，有单环，也有与芳香环或其他杂环并联成的稠杂环。
环上的杂原子可以是一个、两个或更多个，而且可以是相同的或是不同的。
一般最常见的杂环是五元或六元环。
根据1980年中国化学会颁布的有机化学命名原则，杂环化合物的命名按外文名称音译，并以一口字旁表示是环状化合物。
以下是几种常见的杂环化合物的结构与名称。
O S
N
S
N
N
N
H H
呋喃 噻吩 吡咯 噻唑 咪唑 Furan Thiophene Pyrrole Thiazole Imidazole
N O
N N
N N
N N
吡啶 吡喃 哒嗪 嘧啶 吡嗪 Pyridine Pyran Pyridazine Pyrimidine Pyrazine
H
N
O
N
N
N
N
吲哚 苯并呋喃 嘌呤
N
N
N
喹啉 异喹啉 吖啶
17.2 几种重要杂环化合物的结构
吡咯、吡啶 、呋喃、噻吩
----C 、N 、O 、S 皆为 SP2 杂化 ，符合休克尔规则，有芳香性。
但根据具体情况的不同，有的是富电子芳杂环，有的是缺电子芳杂环。
1. 1. 五元杂环
吡咯的共轭体系及比例模型如下：
吡咯是富电子芳杂环。
2. 2. 六元杂环
吡啶的共轭体系及比例模型如下：
吡啶是缺电子芳杂环。
富电子芳杂环与缺电子芳杂环因为结构特点的不同而表现出不同的化学
性质，其中亲电取代反应的差异尤为明显。
17.3 几种重要杂环化合物的化学性质
一、亲电取代反应
富电子芳杂环比苯容易发生亲电取代，取代基主要进入杂原子的α－位；缺电子芳杂环比苯难发生亲电取代，取代基主要进入杂原子的β－位。
1. 卤代
O
O
Cl
O
Cl
Cl
N
N
Cl
2. 磺化
S
S
H
SO SO 3H
3. 硝化
N
N
NO
2
HNO 3, H 2SO 4
二、氧化
富电子芳杂环易氧化，特别使酸性条件下，氧化结果导致环的破裂或聚合物的生成。
缺电子芳杂环不易被氧化，但其侧链可被氧化：
N
N
CH 3
COOH
HNO
COOH HNO 3
N
N
COOH
三、加氢(还原
)反应
无论富电子或缺电子芳杂环都比苯易加氢，原因是环的稳定性相对于苯减弱了。
N H
N H
N
N H
四、酸碱性
富电子芳杂环如吡咯由于N 原子的孤电子对参与了共轭，降低了N 原子接受质子的能力，因此碱性减弱，甚至在某些反应中表现出弱酸性，如：
N H
N
-
而缺电子芳杂环如吡啶，N 上孤电子对未参与共轭，且N 的吸电子诱导效应使N 上电子云密度更高，因而其碱性比苯胺还强：
N
N +
17.4 杂环化合物及其衍生物选述
1. 糠醛（呋喃甲醛）
O
CHO
2. 维生素 B6
N
O H C
H 3CH 2OH
CH 2OH N
O
H C
H 3CH 2OH CHO
N O H C
H 3CH 2NH 2
CH 2OH
吡哆醇 吡哆醛 吡哆胺
3. 卟吩环
HN
N
N NH
卟吩环是卟啉化合物的母体，具有芳香性。
叶绿素和血红素都是卟啉化合物。
4. 维生素B12
H 3
5. 黄酮
O
O
银杏素(双黄酮类化合物)[1][2]：
O
O
O
O
HO
OH
CH 3O
OMe
OH
OH
6. 几种杂环高效新农药
NH
N
N
N Cl
NO 2N N O N
S
Cl
CH 3
N
O 2N
吡虫灵 噻虫嗪
F
F
N
N
N N
F
OMe NHSO 2
N
N
N S
Cl
F COOCH 3
速收(flumioxazin) fluthiacet-ethyl
17.5 核酸(Nucleic Acid)
核酸的含氮碱基是嘧啶或嘌呤的衍生物：
N
N OH
NH 2
NH
N
NH 2
O
N
N OH
OH
O
NH O N H
胞嘧啶(C) 脲嘧啶 (U)
N
N
OH
OH
C
H 3
O
NH
O
N H C
H 3
胸腺嘧啶(T)
H
N N
N N NH 2H
N
N
N N OH
N
H 2
腺嘌呤(A) 鸟嘌呤(G)
几种核苷酸：
H
H H 3T
A
ATP(腺三磷）：
O
P O OH
P O OH
O
H OH
O
P
DNA 一级结构片断：
N
O O
H O
N
N N
N H 2
N O O
O O H
O P N
O
O
O OH
O P N N
N NH 2
N
O O
N
NH 2
O
P O
O H N H O O
C
H 3A T G
C
NH
N O
O
C
H 3H
N
N
NH
N
N
H H 0.28nm
0.30nm T
A
17.6生物碱
茶碱、咖啡碱均为嘌呤的衍生物，存在于植物茶叶、咖啡中。
茶碱：
C
H 3O
O
N N H N
N CH 3
咖啡碱：
C
H 3O
O
N N
N
N CH 3CH 3
MDMA （摇头丸）[3]
：
N H CH 3
CH 3
O
17.7 参考文献
[1] 周欣，李章万，张雪琴，等. 银杏叶片剂中银杏黄酮的HPLC 指纹图谱研究[J]. 中国药学杂志，2005，40（2）：93-95
[2] 卢锦花，胡小玲，岳红. 吸附树脂提取分离银杏叶提取物的研究进展[J].化工进展，2001，（3）：1-4 [3] 李素霞，黄明生. 3,4-亚甲二氧基甲基苯丙胺神经毒性的行为反应 [J].中华精神科杂志，2005，38（3）：190-192。