第十六章 杂环化合物
第十六章 杂环化合物
双烯合成。
O
OO
=
=
O+
O
△
O 90%
=
=
O 顺丁烯二酸酐
O
吡咯也可以与苯炔、丁炔二酸发生类似的反应
N-H
△
N-H +
C-COOH N-H +
△
C-COOH
N-H -COOH -COOH
噻吩芳香性强不发生反应
3. 吡咯的酸碱性
吡咯表面上 是个仲胺，但实 际上吡咯是一个 很弱的碱，碱性 比苯胺弱得多， 基本可以认为其 无碱性
S
+ (CH3CO)2O
H2PO4 或SnCl4
S
-COCH3 70%
2-乙酰基噻吩
呋喃、噻吩、吡咯进行烷基化反应很难得到一烷基取 代物。
呋喃、噻吩、吡咯亲电取代以α-位为主
2. 加成反应
呋喃、噻吩、吡咯分子中都有一个顺丁二烯型结构， 因此它们又具有不饱和性质：
稳定性增加
共振能
S
N
O
（KJ / mol）152 125.5 90.4 71.1 12.6
① 碱性和亲核性 碱性：叔胺 >> 吡啶 > 吡咯
叔胺
N
pKb: ~ 4
8.8
N
NH2
H
9.37
~ 14
碱性增强
+ HCl N
· Cl -
N+ H 吡啶盐酸盐
吡啶氮原子还可以作为亲核试剂与R-X、Br2等亲电 试剂反应形成吡啶盐
+ Br2 N
· Br N+ Br
② 亲电取代反应
亲电取代反应似硝基苯。
常见芳香性六元杂环化合物（单环、稠环）
第十六章杂环化合物
第十六章
20
呋喃在镍催化下，加氢可得四氢呋喃。四氢呋喃沸点65.5℃，
是良好的溶剂，也是有机合成的原料。从四氢呋喃可得到己二酸和
己二胺，它们是制造尼龙—66的原料。
第十六章
21
尽管呋喃在温和条件下容易发生亲电取代反应，但由于它的芳
香性较弱，呋喃及其衍生物可以容易地进行Diels—Alder反应和一般
合物。最常见的和最稳定的杂环化合物可分为五元杂环和六元杂环 两大类，在每一类中又根据杂原子种类、数目、单环或稠环等再分 类。
第十六章
4
第十六章
5
第十六章
6
杂环化合物的命名采用英文名称的音译，一般在同音汉字的左
边加一“口”旁。对于含一个杂原子的杂环也可把靠近杂原子的位
置叫做α位，其次为β位和γ位。
沸点162℃。糠醛在醋酸存在下遇苯胺呈亮红色，可用来定性检验 糠醛。糠醛可由农副产品如燕麦壳、玉米芯、棉子壳等原料来制取。 这些原料中含有戊醛糖的高聚物 (戊聚糖)。戊聚糖用盐酸处理后， 先解聚变为戊醛糖，然后再失水而成糠醛。
第十六章
19
糠醛是一个很好的溶剂，也是有机合成的原料。糠醛的化学性
质同苯甲醛类似，例如糠醛与约50％氢氧化钠水溶液作用可生成糠
第十六章
7
16.1.2 结构和芳香性
呋喃、噻吩和吡咯是含一个杂原子的五元杂环化合物，组成环
的五个原子位于同一平面上，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在p轨道上，这五个 p轨道都垂直于环所在的平面。
第十六章
8
呋喃、吡咯和噻吩的离域能分别为67 kJ· mol-1、88 kJ· mol-1和
第十六章--杂环化合物
HOOC
N CO
CH3 CH3
S
CH NH C R O
R = CH2
为青霉素 G
R = CH2 O
为青霉素 V 常用青霉素
R = CH CH CH2 S CH3 为青霉素 O
青霉素具有强酸性(pKa≈2.7),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。
0
0
0
0
0
0
- 0.02
- 0.03
O
+ 0.1
- 0.04
- 0.06
S
+ 0.20
- 0.06
- 0.10
N H
+ 0.32
五元杂环具有芳香性，但其芳香性不如 苯环，因环上旳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旳速率也 比要苯快得多。
亲电取代反应旳活性为：
吡咯 > 呋喃 > 噻吩 > 苯，主要进入α-位。
四、 呋喃、噻吩、吡咯旳制备
试验室制备 1、帕尔-诺尔(Paal, C.-Knorr, L.)合成法
t-Bu
Bu-t
OO
H2SO4-H2O, HAc TsOH, 甲苯, △
t-Bu
Bu-t
OH O
t-Bu
P2S5, 170℃
H
OH -H2O
t-Bu
O Bu-t
O
t-Bu
Bu-t (~40 %)
S
Bu-t
五元杂环 六元杂环
呋喃
O N
噁唑
杂环化合物
吡咯 —无色液体，b.p. 130～131℃，有弱的苯胺气味 —松木片反应：遇盐酸浸湿的松木片呈红色
二、吡啶的物理性质
▪ 吡啶为具有特殊臭味的无色液体, b.p. 115.5℃, 密度 0.982, 可与水、乙醇、乙醚任意混合
▪ 化学性质稳定 可作溶剂（碱性）
三、五员杂环化合物的化学性质
1.亲电取代反应 反应活性顺序：吡咯>呋喃>噻吩>苯
(1) 卤化 呋喃、噻吩在温和条件下(如溶剂稀释及低温)反应 可得一卤代产物；
Br2, 0℃
O Br O O
Cl2
O
-40℃
+ O Cl Cl O Cl
80%
吡咯卤化常得四卤化物，唯有2－氯吡咯可直接卤化制
得。
Br
Br
Br N Br H
Br2, 0℃
AcONO2
O
-5~-30℃
HNO3/(CH3CO)2O
N H
H O NO2
N NO2 H
AcOPyridine
S
H
H
AcO O NO2
O NO2 35%
混酸
S NO2
(3)磺化
呋喃、噻吩和吡咯常用较温和的磺化试剂－吡 啶与三氧化硫加合物进行反应
SO3, CH2Cl2
N
r. t.
综上所述，五元、六元杂环化合物虽然都具有芳香性，
但其环上的电子云的密度是不同的，其电子云密度由高到 低的顺序是：
S
N
O
N
H
§16-4 杂环化合物的性质
一、呋喃、噻吩、吡咯的物理性质
▪ 呋喃 ▪ —无色液体，b.p. 31.36℃，有氯仿气味 —松木片反应：遇盐酸浸湿松木片呈绿色
有机化学第十六章杂环
按照英文字母顺序排列取代基，并按照取代基的数目和位置进行编 号。
编号顺序
按照取代基的编号顺序进行编号，取代基的编号越小，优先级越高。
分类方法
1
根据杂环母核的环状结构分类：分为单环、双环 和多环杂环化合物。
2
根据杂环母核中杂原子的种类分类：分为含氧、 含氮、含硫和含磷等杂环化合物。
3
根据杂环母核中碳原子和杂原子的成键情况分类： 分为碳-碳键和碳-杂原子键杂环化合物。
杂环化合物的特点
01
02
03
稳定性
杂环化合物通常比相应的 碳环化合物更加稳定，因 为杂原子可以提供额外的 电子，增加环的稳定性。
芳香性
有些杂环化合物具有芳香 性，其特点是具有特殊的 电子分布和化学性质。
反应性
杂环化合物的反应性取决 于其结构和取代基的性质， 有些杂环化合物容易进行 亲电或亲核反应。
THANKS
感谢观看
随着科学技术的发展，杂环化合物在 未来的应用将更加广泛和深入。
同时，随着人们对环境保护和可持续 发展的重视，开发环境友好型的杂环 化合物合成方法和技术也将成为未来 的重要研究方向。
未来发展的方向包括开发新的杂环化 合物合成方法、研究杂环化合物的生 物活性与作用机制、探索杂环化合物 在其他领域的应用等。
杂环化合物的取代反应机理通常涉及亲核和亲电取代反应。
详细描述
杂环化合物的取代反应机理通常涉及亲核和亲电取代反应。在亲核取代反应中，亲核试剂进攻杂环上 的碳原子，形成负离子中间体；在亲电取代反应中，亲电试剂进攻杂环上的碳原子，形成正离子中间 体。这些中间体可以进一步发生重排或水解，最终形成取代产物。
05
在材料科学中的应用
杂环化合物在材料科学中也有广泛的应用，如高分子材料、功能材料和复合材料等。
第十六章-杂环化合物精选全文完整版
Ag(NH3)2OH
O CHO
O
糠醛具有典型的无α－H的醛的性质：
+ Ag COONH4
浓 NaOH O CHO
+
O COONa
O CH2OH
NaOAc
O CHO + (CH3CO)2O
O
C C COOH HH
糠醛在醋酸存在下遇苯胺呈亮红色，可用于鉴别 26
二、吲哚
N H 吲哚为白色片状晶体，熔点52.5℃，具有极臭的气味，但纯粹的 吲哚在极稀时有素馨花的香味，可作香料。
中性
N pKb=2.7 H
pKb=3.42
N
◆ 未共用电子对参与共轭的情况不同：
pKb=8.8
N
NH2 pKb=9.3
N
H
pKb=13.6
含氮化合物碱性强弱顺序: 脂肪胺 > 氨 > 吡啶 > 苯胺 > 吡咯
29
(2) 亲核性 吡啶与叔胺相似，也可与卤代烷作用生成季铵盐。
+ C15H31Cl N
+ N C15H31 Cl 氯化十五烷基吡啶
H
OO O + H3C C O C CH3
BF3
O N C CH3 H
O O C CH3
OO S + H3C C O C CH3
H3PO4
O S C CH3
由于呋喃、噻吩、吡咯很活泼，故傅-克烷基化反应往往得到多烷
基取代混合物，甚至不可避免产生树脂状物质，用处不大。
21
◆ 取代呋喃、噻吩、吡咯的定位效应：
HNO3 N
COOH NH3
N
CH3
N
CONH2 N
尼古丁（烟碱） 尼古丁酸（烟酸） 尼古丁酰胺（烟酰胺）
第16章 杂环化合物
Br2 300℃ 气 相 (产率 39%)
Br2 发烟 H2SO4 130℃ (产率 86%)
0.87 1.01
0.84
N
1.43
电子云密度
Br
N
H2SO4
N
350℃
SO3H
浓 H2SO4 22℃(产率 70%)
N
混酸 300℃ 24h (产率 6%)
NO2 N
b、亲核取代
7.50
N
7.87 9.15
异喹啉
二、化学性质
1、碱性 异喹啉 pKa=5.4
喹啉
吡啶
pKa=4.94
pKa=5.2
2、取代反应
（1）亲电取代——发生在苯环 (5-或8-位)上
NO2
浓 H2SO4 浓 HNO3
0℃ N
+
N
N
NO2
NO 2
HNO 3,H2SO4 N
+
N
N
NO 2
（2）亲核加成——发生在吡啶环上1,2-位加成
100 82 67 45 43 37 12
呋喃和噻吩均为无色液体。
1HNMR
δ 6.99 δ 7.18
S
δ 6.24 δ 7.29
O
二、化学性质 1、亲电取代 噻吩：对酸敏感性较低
S
呋喃
Br2 CH3COOH
HNO3 (CH3CO)2O
H2SO4
SnCl2 CH3COCl
Br S
S
NO2
S
SO3H
轭酸）=5.2]，比苯胺强
(pKa=4.7)，比脂肪胺弱。
+ HCl
Cl-
、有机化学：杂环化合物(H)
SO3H 2-吡咯磺酸
N H
SO3H 2-呋喃磺酸
O
H2SO4
H2O
r.t S
SO3H S
S
2-噻吩磺酸：易 溶于水，该性质 可用来鉴别苯与
噻吩。
该反应常用来除去 粗苯中的噻吩，也可用 来提纯噻吩。
付-克反应
Ac2O
COCH3
N 150~200C N
H
H
2-乙酰基吡咯
Ac2O, BF3
COCH3
粱杆、棉子壳等为原料，用稀酸加热蒸煮制取。
玉米芯等 3~5%H2SO4 HOCH CHOH 3~5%H2SO4
农副产品
CH2 CHCHO
CHO + 3H2O O
HO OH
戊醛糖
糠醛
1.2 化学性质
氧化还原反应
CHO O
H2, CuO-Cr2O3 T.P
H2, RaneyNi T.P
CH2OH O
吡咯碘化镁
N-甲基吡咯
四、重要的五元杂环化合物的衍生物
1、糠醛（α- 呋喃甲醛） 糖醛最初是由米糠制得，故而得名之。它为无
色透明具有苦杏仁气味的油状液体，b.p162 ℃，略 溶于水，能和乙醇、乙醚等有机溶剂混溶。在空气 中，糠醛易被氧化而变色（黄色~棕褐色）。
其鉴别方法：
糠醛
苯胺 醋酸
呈鲜红色
1.1 制备 由农副产品如甘蔗渣、玉米芯、花生壳、高
NO2 +
N H
N H
2-硝基吡咯 3-硝基吡咯
（51%）
（13%）
CH3CO2NO2
O
Ac2O, -5~30C
O NO2 2-硝基呋喃（35%）
CH3CO2NO2
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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。