第12章 杂环化合物

O2
CH=CH2 CH3 N N Fe N CH3 N CH2CH2COOH NH N CH3 HOOCH2CH2C
蛋白质
CH3 CH=CH2
N NH
HN N
卟吩
三、含一个杂原子的六元杂环化合物 1. 吡啶（C5H5N）的结构
不等性sp2杂化
H H H H N H
H N
缺电子，不易亲电取代
H H
H
第12章
杂环化合物的定义
杂环化合物
*在环状化合物中，构成环的原子除碳原子外还 含有非碳原子的化合物 *杂原子：（O、S、N） *芳香杂环 *杂环化合物 *非芳香杂环 *下列化合物为非芳香杂环化合物
CH2 O C CH2 C O O
CH3 O O O O CH3
O
O
O
易开环，性质与链状相似，不划归入杂环
H
有成环原子都以sp2杂化轨道 π电子数为6，具有芳香性
2. 吡啶的化学性质
（1） 吡啶的碱性与亲核性 •吡啶氮原子上的未共用电子对未参与共轭，
**碱性： 叔胺(pKb=3-4)﹥氨﹥吡啶﹥ (pKb=8.8)﹥
苯胺(pKb=9.12)﹥吡咯(pKb=13.6)
+ HCl
N
氮原子上的未共用电子对具有一定的亲核性
卤代：
O
O O
+
Br2 0℃
Br2 Br
O
Br
Br Br
N H
0℃
Br
N H
硝化：
N H
O + CH3CONO2
NO2 Ac2O 50℃ N H 83％ NO2 + N H 17％
磺化：
+ N H N 100℃
.
N H
SO3
.
HCl N H N H
SO3H
SO3
+ S
H2SO4 96%
25℃ S 69~76% SO3H

（1）从杂原子开始；
N H CH2CH3
O CHO
N
COOH
2-乙基吡咯 α-
2-呋喃甲醛 α-
3-吡啶甲酸 β-
（2）如有两个杂原子，按O、S、NH、N的顺序确定最 小编号位置，并使另一个杂原子的编号尽可能小；
CH3 N N H
S N CH2CH3
N N OH
4-甲基咪唑
4-乙基噻唑
5-羟基嘧啶
若环上连有钝化基，可用强酸
COOH O 混酸 NO2 COOH O
（2） 吡咯的酸碱性
碱性: pKb=13.6 酸性: pKa=15
+ KOH
N H
比苯胺弱 比苯酚弱，比醇强
固体 △ N + K + H2O
H2O
3. 吡咯的重要衍生物——血红素
CH=CH2 CH3 N Fe N CH3 HOOCH2CH2C N CH3 CH2CH2COOH N CH3 CH=CH2
H H H

富电子，易亲电取代 等性sp2杂化
H N H
N H
H
H
所有成环原子sp2杂化；
H
H
C、N未杂化的5个p轨道相互平行重叠成闭合 的共轭体系，π电子数为6，具有芳香性

吡喃、噻吩结构与吡咯相似 O、S、N的电负性比C的大，使键长和电子云密度 没有达到完全平均化，芳香性不及苯。
143.1pm 136.1pm O 136.2pm 142.3pm 137.0pm S 171.4nm 142.9pm 137.1pm N 138.3pm H
OH N N OH
NH2 N N OH
OH N OH
2、嘌呤杂环
N N H N N
N N N N N H N H N N
嘌呤环系
9H-嘌呤
7H-嘌呤
嘌呤易溶于水，其水溶液显中性，能 与强酸或强碱成盐。其酸性(pKa=8.9)比 苯酚(pKa=10)强，碱性(pKb=11.6)比吡啶 (pKb=8.8)弱。在水溶液中易于发生互变 异构。
（3） 氧化还原反应 氧化反应：比苯难
CH3 KMnO4 /H N △ N COOH
N
KMnO 4
N
COOH
KMnO 4 N N
COOH COOH
还原反应：环上电子云密度低，比苯易
H2/Pt 25℃ /0.3MPa
N
N H
四、含两个杂原子的五元杂环化合物
－－－咪唑的结构 五元环中含有两个或两个以上杂原子其中 至少有一个是氮原子的杂环化合物叫唑。
五、重要的生物杂环化合物 1、嘧啶杂环
O N N N H NH O N H NH2 N O H3C N H O NH O
嘧啶
尿嘧啶(U)
胞嘧啶(C) 2-氧-4-氨基嘧啶 胸腺嘧啶(T)
2，4-二氧嘧啶
2，4-二氧-5-甲基嘧啶
嘧啶杂环的结构互变
O NH N H O
NH2 N N H O
O H3C N H NH O H3C N
（3）存在异构体时，标氢（H）区别。
O O N
4H-吡喃 2H-吡喃 （4）稠杂环固定编号
6 1 2
3H-吲哚
5 4 3 8
NH2
5 4 9
N N
3
N7 N H
8
6 7
N OH
1
2
8-羟基喹啉
6-氨基嘌呤
4 5
COOH
3 2
Br
6
7
N1 H
6-溴-3-吲哚甲酸
二、含一个杂原子的五元杂环化合物
1.结 构 吡咯：C4H5N
一、分类和命名 1. 五元杂环
吡咯
N H
N N H
呋喃
O
N O
噻吩
S
N
S
咪唑
N O N
噁唑
噻唑
N H
吡唑
异 噁唑
2. 六元杂环
N N O N
吡啶
吡喃
嘧啶
N N N N H
3. 稠杂环
N H N
吲哚

百度文库
喹啉
嘌呤
杂环化合物的命名
音译法：英文发音写成中文，并加“口”字旁。 与芳香族化合物相似 若环上连有取代基，需对环进行编号，原则如下：
+ CH3I
N H+Cl-
N
N I CH3
（2） 亲电取代反应
+0.18 +0.05 +0.15
β位电子云密度相对高，亲
电试剂进攻的位置
+ Br2 300℃ N Br
N
-0.58
N
+ HNO3 N
浓H2SO4，KNO3 350℃
HgSO4 200℃ N
NO2 N
SO3H
+ H2SO4(SO3) N
H H N N
吡咯中的N
H H
吡啶中的N
咪唑的酸碱两性
CH3 N N H N CH3 NH
酶蛋白中组氨酸残基的咪唑基pKa为
7.35，在生理条件下（pH=7.35-7.45）咪
唑的质子化状态和未质子化状态同时存在， 既可以作为质子的受体，又可以作为质子 的供体，在酶促反应中具有酸和碱的功能， 这在生理过程中十分重要。
NH2 N N H N N N N H
NH NH N
腺嘌呤(A) (6-氨基嘌呤)
OH N N H N N NH2 N N H N O NH NH2
鸟嘌呤(G) (2-氨基-6-羟基嘌呤)
3、尿酸
OH N HO N N H N OH HN O N H N H O NH O
尿酸为白色晶体，难溶水，具有弱酸性
(pKa=5.75)，可与碱成盐。尿酸是鸟类和爬虫类
动物体内蛋白质的代谢产物，由尿排出。人的血 液和尿液中含量较少，在代谢发生障碍时，尿液
中的尿酸量增加而形成尿结石，血液中的尿酸含
量过高时，可沉淀在关节外形成痛风石。
共振能 ※
呋喃：68kJ·mol-1 吡咯：90kJ·mol-1 噻吩：122kJ·mol-1 苯：150kJ·mol-1 稳定性顺序为： 苯＞噻吩＞吡咯＞呋喃
2. 化学性质
（1） 亲电取代反应
-0.02 -0.04 -0.06 -0.06 -0.08 -0.10 +0.32
O
S
N H
α 位电子云密度高，易受亲电试剂进攻 活性顺序： 吡咯＞呋喃＞噻吩＞苯
O的电负性大于N，使呋喃环上C周围的电子云密 度小于吡咯。 S的原子半径明显大于C，使大π 键共轭得不好，环 上C周围的电子云密度小。
α >β
在酸的作用下质子化，主要在α位
H N H N H
H H
遇强酸，破坏了芳香体系，容易发生开环、氧化、 聚合等反应。另外呋喃和吡咯电子云密度高，对 氧化剂敏感，因此，其亲电取代反应应避免强酸、 强氧化剂，选择较为温和的反应条件。