杂环化合物大全
杂环化合物
含一个杂原子的六元杂环（一）吡啶吡啶是从煤焦油中分离出来的具有特殊臭味的无色液体，沸点为115.3℃，比重为0.982，是性能良好的溶剂和脱酸剂。
其衍生物广泛存在于自然界中，是许多天然药物、染料和生物碱的基本组成部分。
1．电子结构及芳香性吡啶的结构与苯非常相似，近代物理方法测得，吡啶分子中的碳碳键长为139pm ，介于C-N 单键（147pm ）和C=N 双键（128pm ）之间，而且其碳碳键与碳氮键的键长数值也相近，键角约为120°，这说明吡啶环上键的平均化程度较高，但没有苯完全。
吡啶环上的碳原子和氮原子均以sp 2杂化轨道相互重叠形成ζ键，构成一个平面六元环。
每个原子上有一个p 轨道垂直于环平面，每个p 轨道中有一个电子，这些p 轨道侧面重叠形成一个封闭的大π键，π电子数目为6，符合4n+2规则，与苯环类似。
因此，吡啶具有一定的芳香性。
氮原子上还有一个sp 2杂化轨道没有参与成键，被一对未共用电子对所占据，是吡啶具有碱性。
吡啶环上的氮原子的电负性较大，对环上电子云密度分布有很大影响，使π电子云向氮原子上偏移，在氮原子周围电子云密度高，而环的其他部分电子云密度降低，尤其是邻、对位上降低显著。
所以吡啶的芳香性比苯差。
见图14-1。
N 1. 001. 010. 841. 430. 87（a ）吡啶的分子轨道示意图 （b ）吡啶中氮原子的杂化轨道 (c) 吡啶的电子云密度图14-1 吡啶的结构在吡啶分子中，氮原子的作用类似于硝基苯的硝基，使其邻、对位上的电子云密度比苯环降低，间位则与苯环相近，这样，环上碳原子的电子云密度远远少于苯，因此象吡啶这类芳杂环又被称为“缺π”杂环。
这类杂环表现在化学性质上是亲电取代反应变难，亲核取代反应变易，氧化反应变难，还原反应变易。
2．物理性质（1）偶极矩 吡啶为极性分子，其分子极性比其饱和的化合物——哌啶大。
这是因为在哌啶环中，氮原子只有吸电子的诱导效应（-I ），而在吡啶环中，氮原子既有吸电子的诱导效应，又有吸电子的共轭效应（-C ）。
第二十章杂环化合物
杂环化合物
（Heterocyclic compounds） 构成环的原子除碳原子外还有其它原子的一类环状化合物。
最常见的杂原子：氧、氮和硫。 分类和命名
O 非芳香性杂环 如： O N H
N 芳香性杂环 如： O N H N N N H
O
N H
N
N
N
[命名] 音译名
O 呋喃 (Furan)
S 噻吩 (Thiophene)
O CH=CHCOOH
(2) 叶绿素和血红素 卟啉由四个吡咯和四个次甲基(=CH) 交替相连组成的平面共轭体系。有芳香性。
NH N
卟啉环呈平面结构, 环中间空隙里四个氮
N HN
原子可以共价键、配价键与不同的
金属离子结合。叶绿素(镁), 血红素(铁)。
卟啉 p o r p h y r in
(3) 发光材料
+
进攻3位
+
....
N H
N H
CH2COOH
CH2CHCOOH NH2
N H
-吲哚乙酸
N H
色氨酸
三.含两个杂原子的五元杂环化合物
含有两个杂原子，其中一个为N，称为唑。分为1，2—唑与1，3—唑
N H N N H sp
2
H H
1.结构与性质
N N N H S O O N N
N H 咪唑
吡唑
噻唑
反应发生在位。、位不发生反应。 (3).吡啶环上的亲核取代
CH3ONa N CH3OH Cl N OCH3 Cl NHC6H5 C6H5NH2 N N
、位，以位为主
NaNH2
+
H2O N NHNa N N
C6H5Li NH2 N
杂环化合物
KNO3+H2SO 4 Fe 350 。 C N
氮相当于间位定位基
NO 2
N
（四）吡啶的氧化和还原反应
与苯相似，侧链可被氧化为羧酸
CH3 COOH
KMnO 4
Δ
★
N
N
吡啶较易被还原
Na+C 2 H 5 OH
1. 比咯氮不与H+结合（不水合，无碱性反应） 2. N 原子上未共电子对参与环的共轭， 电子云密度减少, 接受质子能力弱. N-H 键极性增加，表现出弱酸性(pka=17.5)
无水条件： ★
N H
+ KOH
N K+
+ H2O
（二）吡咯、呋喃和噻吩的亲电取代反应
均为 π 5电子体系，亲电取代反应活性大于苯环。 （强酸易使杂原子，质子化、大π键受破坏） 用较温和的非质子性试剂： 1.吡咯的硝化:(硝酰乙酸酯)
② 两个以上相同的杂原子，编号尽可能小。
③ 不同杂原子优先顺序按：
O、S、NH、N 编号。
④ 稠杂环编号：按稠杂环规则或有特殊编号。
例: 环上只有一个杂原子时，杂原子为“1”号
(常以希腊字母α β γ 编号,相邻碳为“α ”)
4 5 O 1 3 2 CH3
N 1 CH2CH3
(α )2- 甲 基 呋 喃
例:* 四氢吡咯环系、六氢吡啶环系:
莨菪碱 (阿托品) CH N 3 *喹啉异喹啉环系: O 小蘖碱 (黄莲素) H2C
O
H O
O C
CH2OH CH ,
N+ OHOCH 3
杂环化合物的命名
杂环化合物（hetero cyclic compounds）属于环状有机化合物的一种，是指由碳原子和非碳原子共同介入组成环的环状化合物。
这种介入成环的非碳原子称为杂原子。
杂原子大都属于周期表中Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ三族的主族元素，最罕见的是氮、氧、硫，其中以氮原子最为多见。
依照这个定义，在前面一些章节中曾讨论过的内酯、交酯、环状酸酐和内酰胺等，也应属于杂环化合物。
但这些化合物通常容易开环成原来的链状化合物，其性质又与相应的链状化合物相同，因此一般不把它们列入杂环化合物的范围。
有机化学中所要讨论的杂环化合物，一般都比较稳定，不容易开环，有些杂环化合物的性质与苯、萘等相似，具有分歧程度的芳香性。
杂环化合物的种类繁多，数目庞大。
据统计，在已发现的几百万种有机化合物中，杂环化合物约占总数65％以上。
这说明杂环化合物在有机化学的各个研究领域中都占有相当重要的地位。
杂环化合物广泛地存在于自然界中，动植物体内所含的生物碱、苷类、色素等往往都含有杂环结构。
许多药物，包含天然药物和人工合成药物，例如头孢菌素（抗生素）、羟基树碱（抗肿瘤药）、小檗碱（抗菌药）等也都含有杂环。
与人类生命活动及各种代谢关系非常密切的物质──核酸，其碱基部分也含有杂环。
近几十年来，在杂环化合物的理论和应用方面的研究不竭取得重大进展，许多天然杂环化合物，包含维生素B那样结构极其复杂的杂环分子，已经能够用人工方法进行全合成；同时，人类也合成了许多自然界不存在的杂环化合物。
这些化合物作为药物，作为超导资料，作为工程资料，也都具有很重要的意义。
杂环化合物的分类杂环化合物的种类繁多，其罕见的分类方法按所依据的原则分歧，可分为按分子所含环系的多少及其连接方式分类和按分子中所含π电子的状态和数量多少分类两种。
按分子所含环系的多少及其连接方式分类根据这种方法可将杂环化合物分为以下几类：按分子中所含π电子的状态和数量多少分类依照这种方法可将杂环化合物大致分为四类，即：（1）多π-（π-excessive）杂环。
杂环化合物
S
N H
有机含氮化合物
O
18
1、酸碱性
•呋喃和噻吩是中性 化合物
•吡咯是弱碱性化合物
碱性 N H
+ KOH N H
N H
NK+ + H2O
有机含氮化合物
19
2、亲电取代反应
•吡咯、呋喃和噻吩环上碳原子电子云密度较苯增大， 导致芳香性亲电取代活性较苯增大，取代基一般进入 -位。 反应活性顺序：吡咯、呋喃、噻吩>苯
8
N1 H
2
N
3
吲哚
N N N H N
嘌呤
N N N N H
9H-嘌呤
7H-嘌呤
有机含氮化合物
15
第二节 五元杂环化合物
一、单杂原子五元杂环化合物 （一）结构 吡咯
激发 杂化
1 1 1 2S2 2Px 2Py 2Pz
N H
有机含氮化合物
16
呋喃和噻吩的结构
激发 杂化
2 2s2 2px 2py1 2pz1
O
有机含氮化合物
六元环：
4 5
3
CH － 3
6 N
1
2
N
4 －甲基吡啶 γ－甲基吡啶
CH3
Br N N
SO3H N
N
3-溴吡啶
3-吡啶磺酸
有机含氮化合物
12
(2)如有不止一个杂原子，编号尽可能小;
N 1 N
H3C OH
CH3
N
N 4－甲基咪唑
1-甲基-2-羟基咪唑 N-甲基-2-羟基咪唑
但比吡咯低。
有机含氮化合物
49
吲哚的性质
1、酸碱性
酸性强度与吡咯相似
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杂环化合物大全【药师学习百科】——第5期20090609杂环一概念与碳环相对，指的是成环的原子不仅包括碳，还包括氮、氧或硫等原子。
简单的杂环环系从3到10元不等；可以是脂环（如四氢呋喃），也可以是芳环（如吡啶）。
复杂的杂环系可以由2个或更多简单环并合而成（如吲哚）。
杂环化合物的系统命名法如下把杂环看作碳环中碳原子被杂原子替换而形成的环，称为“某杂（环的名称）”；给杂原子编号，使杂原子的位置号尽量小。
其他官能团视为取代基。
杂环化合物大全(部分学员对基本杂环方面知识还有所欠缺，本人特整理此表，志于全面，欢迎补充）【张泽谈学习】如何记忆药物的结构式？原创作者：张泽(哥们我够意思吧,哈哈)作者博客：/bjzxm/某学员：听了一遍课，看了一遍书，感觉还是好难记得，不知道要看多少遍才能把这药化的结构式记住。
有方法吗？张泽：不要想着单纯、孤立地记结构式，因为——除非你的大脑是扫描仪，不然你记也记不住。
那么，到底该怎样记化学结构式呢？我认为做到以下几点就可以达到快速、有效记忆的效果：一、基本化学结构的掌握。
药物化学结构无论多么复杂，都是由简单的链状、环状结构组合拼接而成的，因此如果丝毫不懂基本的化学结构及他们简单的连接规律，一上来就看药物结构式，无疑于看鬼画符，人脑又并并非扫描仪，又何谈记忆呢！而药物结构式中最常见的就是杂环，学药物化学一定要熟记它们，我曾做过一个总结，大家请看：❤杂环化合物大全【药师学习百科】——第5期❤。
希望对大家会有帮助。
一些学员可能化学基础非常差，连双键、单键、苯环、化学式、分子式、结构式都搞不明白，可能学习起来会更有困难，建议大家看一看中学的化学教科书或在网上搜搜相关资料，如果不明白再在答疑板上提问。
二、记忆结构式要按药物分类来记忆。
通常同一类药物都有相同或相似的母核，比如青霉素类抗生素的基本母核是6-氨基青霉烷酸（6-APA）、头孢类是7-氨基头孢霉烷酸（7-ACA）、肾上腺皮质激素的甾环、肾上腺素能激动药的苯乙胺、喹诺酮类抗生素的喹诺酮等等。
第8章杂环化合物
另一个N上的电子云密度降低碱性变弱
使
环上电子云密度降低亲电取代变难 （不能发生硝化、磺化，只发生卤代）
N N
Br2 160℃ Br N
N
（5-位取代）
pKb＝12.7
亲核取代变易：
NH2 N H3C N NaNH2 H3C N N + H3C N N NH2
碱
O HN O N H HNO2 NH2 O C HN O
O NO N H O OC2H5 HN O N H NH2 NH2 NH2 [H]
O HN O
H N
H N
O
Cl
OC2H5 NH2
Cl N Cl N H
NH2 N N Cl N N H HI N
NH2 N N H 腺嘌呤 N
NH
Cl N Cl N N
稠杂环
N H Indole N H Carbazole
吲哚
嘌啉
咔唑
命名：
1. 音译名 （同音汉字加“口”字旁） 2. 当作碳环芳香化合物的衍生, 如：
O 氧杂茂 茂 N 氮杂苯
苯
3. 环上原子的编号顺序
① 从杂原子开始 1，2，3，4……
② 不止一个杂原子，按O，S，N顺序编号
③ 取代基位次之和最小原则
+ N H O + CH2=CH—C—OR BF3 N H CH2CH2COOR N2Cl N H N=N
瑞穆尔－蒂曼反应 NaOH + CHCl3 N H N H CHO
三、含一个杂原子的六元环化合物
1. 吡啶的结构
N
5C、1N共面，都是sp 2 杂化， 6个p轨道侧面交叠形成闭合大π 键。
13杂环化合物
卟吩胆色素原
卟吩胆色素原; 通过生物体内特定酶的作用可转变成 卟啉、叶绿素和维生素B12等重要生物活性物质
NH N
N HN
卟吩 (P ro p h in e)
卟吩由四个吡咯和四个次甲基(=CH)交替相 连组成的共轭体系。
卟吩呈平面结构，环中间的空隙里四个氮原 子可分别以共价键、配价键与不同的金属离 子结合。
K O H
- +H 2 O
N
N
H
K +
C H 3 M g I N 乙 醚 H
2) 呋喃、噻吩、吡咯的反应
(1) 亲电取代反应
+ C H 4 N
M g I
呋喃、吡咯和噻吩的亲电取代反应都比苯活 泼(吡咯>呋喃>噻吩>苯) 。由于它们的高度活泼 性以及呋喃和吡咯对于无机强酸的敏感性，其亲 电取代反应需要比较温和的条件。
H 3 C
C H 3
H 3 C
T sO H
C H 3 H 3 C
C H 3
H 3 C
H-H 2 O
C H 3
O O 甲 苯 ， H OO
O O H
O
C H 3
C H 3 O O
P 2 S 5
CH3
OO
NH3 CH3 甲苯，
C H 3 S
CH3
CH3 N H
C H 3
4) 呋喃、吡咯、噻吩的衍生物 (1) 糠醛
1). 结构与物理性质
N
N
N N H
吡唑
S
噻唑
O
噁唑
N O
异噁唑
N
HN
H
N
H
H
咪唑
N
sp2
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【药师学习百科】——第5期20090609
杂环一概念与碳环相对，指的是成环的原子不仅包括碳，还包括氮、氧或硫
等原子。简单的杂环环系从3到10元不等；可以是脂环（如四氢呋喃），也可以是
芳环（如吡啶）。复杂的杂环系可以由2个或更多简单环并合而成（如吲哚）。
杂环化合物的系统命名法如下
把杂环看作碳环中碳原子被杂原子替换而形成的环，称为“某杂（环的名
称）”；
给杂原子编号，使杂原子的位置号尽量小。
其他官能团视为取代基。
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(部分学员对基本杂环方面知识还有所欠缺，本人特整理此表，志于全面，欢迎
补充）
环数 名称 分子式 结构式 衍生物
单环
三元环
吖丙啶
C2H5N
环氧乙烷 C2H4O 环氧丙烷
环硫乙烷
C2H4S
四元环 吖丁啶 C3H7N 恶丁烷
C3H6O
噻丁环
C3H6S
五元环
含一个
杂原子
呋喃
C4H4O
四氢呋喃
呋喃甲醛
吡咯 C4H5N 四氢吡咯
噻吩
C4H4S
四氢噻吩
含两个
杂原子
吡唑
C3H4N2
咪唑
C3H4N2
恶唑
噻唑
异恶唑
异噻唑
六元环
含一个
杂原子
吡啶
C5H5N
六氢吡啶
烟酸
烟酸胺
异烟肼
吡喃
C5H6O
噻喃
C5H6S
含两个
杂原子
哒嗪
嘧啶
吡嗪
哌嗪
七元环及以上
杂䓬
䓬指环庚三烯正离子
……
稠环
五元及六元稠
杂环
吲哚
苯并咪唑
咔唑
喹啉
异喹啉
蝶啶
7H-嘌呤
吖啶
吩嗪
吩噻嗪
非杂环
环戊二烯
或称茂
C5H6
萘
蒽
菲
蒽醌
……