14-1 芳香杂环化合物
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chap14-1 杂环(芳香族)化合物
A
聚合 分解 反应剧烈
（吡咯，呋喃，噻吩）
硝化：HNO3/H2SO4 磺化：H2SO4
用温和试剂代替
（1） 五员杂环的硝化反应 硝化试剂
AcONO2 AcO + NO2
• 吡咯和噻酚发生正常亲电取代反应
NO2 AcONO2 N H Ac2O,10 C
o
N H 51%
NO2
+ N H 13% NO2
N
N
N
N
N
环上每个位置的负 电荷密度均增大
吡咯的性质与苯酚类似，具有酸性，但吡咯的酸性比苯 酚小。吡咯与苯胺也有类似性质。
OH
OH-
O
N H
Na 或 K 或浓NaOH
N K+
pKa =10
pKa≈ 17.5
吡咯成盐后，使环上电荷密度增高，亲电取代反应更 易进行。
3.1 五员芳杂化合物的亲电取代反应
第十六章
杂环（芳香族）化合物
构成环的原子除碳原子外还有O、S、N、 P 等杂原子的一类环状化合物称为杂环化合物。 O、N、S
杂原子
酸酐、环氧、内酯、内酰胺不属杂环化合物。
通常，杂环化合物是指含有杂原子构成环的、比 较稳定、有一定芳香性的环状化合物。
O
N
S
核酸碱基 ：
O HO P O OH B O
取代位置
E
+
E
+
A
A
E
A
-取代 主要产物 反应相对活性
-取代
>
N H O
>
S
>
5 109 1
3
1018
6
1011
对取代位置的解释（分析反应中间体的相对稳定性）
聚合 分解 反应剧烈
（吡咯，呋喃，噻吩）
硝化：HNO3/H2SO4 磺化：H2SO4
用温和试剂代替
（1） 五员杂环的硝化反应 硝化试剂
AcONO2 AcO + NO2
• 吡咯和噻酚发生正常亲电取代反应
NO2 AcONO2 N H Ac2O,10 C
o
N H 51%
NO2
+ N H 13% NO2
N
N
N
N
N
环上每个位置的负 电荷密度均增大
吡咯的性质与苯酚类似，具有酸性，但吡咯的酸性比苯 酚小。吡咯与苯胺也有类似性质。
OH
OH-
O
N H
Na 或 K 或浓NaOH
N K+
pKa =10
pKa≈ 17.5
吡咯成盐后，使环上电荷密度增高，亲电取代反应更 易进行。
3.1 五员芳杂化合物的亲电取代反应
第十六章
杂环（芳香族）化合物
构成环的原子除碳原子外还有O、S、N、 P 等杂原子的一类环状化合物称为杂环化合物。 O、N、S
杂原子
酸酐、环氧、内酯、内酰胺不属杂环化合物。
通常，杂环化合物是指含有杂原子构成环的、比 较稳定、有一定芳香性的环状化合物。
O
N
S
核酸碱基 ：
O HO P O OH B O
取代位置
E
+
E
+
A
A
E
A
-取代 主要产物 反应相对活性
-取代
>
N H O
>
S
>
5 109 1
3
1018
6
1011
对取代位置的解释（分析反应中间体的相对稳定性）
芳香杂环化合物的定义
芳香杂环化合物的定义
芳香族化合物是一类具有芳环结构的化合物。
它们结构稳定，不易分解，可能会对环境造成严重的污染。
历史上曾将一类从植物胶中取得的具有芳香气味的物质称为芳香族化合物。
芳香族化合物一般是指分子中至少含有一个离域键的环状化合物，但现代芳香族化合物存在不含有苯环的例子。
芳香族化合物均具有“芳香性”。
芳香族化合物分类
一切具有芳香性苯环或杂环的碳氢化合物的总称。
可分为两类
：①苯烃或单苯芳烃，具有一个苯环的化合物及其衍生物。
如苯、苯酚、卤代苯、甲苯等;
②多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbon，PAH)，具有苯环或杂环共有环边的多环碳氢化合物。
如萘、蒽、䓛、苝、苯并芘等。
如其中由两个或两个以上的苯环与杂环以共有环边形成的多环化合物，称为苯稠杂环化合物，如吲哚、喹啉、芴等。
炼焦、石油化工、染料、制药、农药、油漆等工业及化石燃料的燃烧排放物是环境中芳香烃主要的人为来源。
自然界有些植物、细菌等也能产生这类化合物，如丁香酚、冬青油等。
许多芳香烃都是环境中的有害物，尤其是多环芳烃的污染会引起致突变、致癌性，已引起全世界的重视。
第14章杂环化合物
+N N N H
SO3H
NN N H
SO3H
呋喃和噻吩不能偶联，说明吡咯环电子密度高。
（三）吡咯的重要衍生物(P.306)
与生命有着密切关系的两大色素：叶绿素和血红 素，以及维生素B12都含有卟吩环。
NH N N HN
卟吩(porphine)
卟吩(porphine)是由4个吡咯环的α碳原子通过次甲基 （-CH=）相连而成的复杂的共轭体系，成环的原子 共平面，有26个π电子，符合4n+2的规则，有芳香性， 其取代物则称为卟啉（porphyrin）。
O 1 CH3
2-甲基呋喃 （α -甲基呋喃） (2-methylfuran)
N S CH3
5-甲基噻唑 5-methylthiazole
H3C N
N H
4-甲基咪唑 4-methylimidazole
3. 稠杂环的命名
对于稠杂环则有固定的编号顺序，通常是从一端开始，
依次编号，公用的碳原子一般不编号，并尽可能使杂原
1. 吡咯、呋喃和噻吩的结构 结构特点：
杂原子上的孤对电子，参与闭合的共轭体系。 π电子数为6，具有一定的芳香性，芳香性比 苯差。
芳香性： 苯> 噻吩 > 吡咯 > 呋喃 共振能： 150.6 121.3 87.8 66.9 （kJ·mol-1）
亲电取代活性比苯大， 且α位比β位活泼。
1. 吡咯、呋喃和噻吩的结构
N
S 噻吩
N
N H 咪唑
HC
N3 C H
N1 H
C H
S和仲N原子上的孤对电子处于P轨道，参与共轭; 叔N原子的孤电子对处于SP2杂化轨道，未参与共轭。
水溶性比相应单杂环高。
芳香杂环化合物
抗菌活性
抗菌活性
部分芳香杂环化合物具有抗菌活性，如喹啉、异喹啉等。这些化合物主要通过抑制细菌生 长、破坏细菌细胞壁或影响细菌基因表达等方式发挥抗菌作用。
抑制细菌生长
芳香杂环化合物能够抑制细菌生长，通过干扰细菌代谢和/或抑制细菌酶的活性来达到抗 菌效果。
破坏细菌细胞壁
一些芳香杂环化合物能够破坏细菌细胞壁，导致细菌细胞内容物外泄，从而达到杀菌效果 。
其他应用
高分子材料
芳香杂环化合物在合成高分子材料中也有应用，如聚酰亚胺、聚醚醚酮等，这 些高分子材料具有优良的耐高温、绝缘、耐腐蚀等性能。
电子化学品
芳香杂环化合物在电子化学品如液晶材料、光电材料等的合成中也有应用，这 些材料在显示技术、光电子器件等领域有广泛应用。
03
芳香杂环化合物的生物活性
抗癌活性
抗炎活性
抗炎活性
部分芳香杂环化合物具有抗炎活性，如吲哚、呋喃等。这些化合物 主要通过抑制炎症介质产生、降低炎症反应等方式发挥抗炎作用。
抑制炎症介质产生
芳香杂环化合物能够抑制炎症介质的产生，通过干扰炎症信号传导 和/或抑制炎症基因表达来减轻炎症反应。
降低炎症反应
一些芳香杂环化合物能够降低炎症反应，通过抑制炎症细胞的活化和 /或减少炎症细胞的募集来减轻炎症症状。
杀菌剂
含芳香杂环化合物的杀菌剂如三 唑酮、戊唑醇等，通过抑制病原 菌的生长或干扰其代谢来发挥杀 菌作用。
染料合成
偶氮染料
芳香杂环化合物在偶氮染料的合成中扮演重要角色，如苯胺 、苯酚等，这些染料广泛应用于纺织、皮革、纸张等行业的 染色。
荧光染料
一些荧光染料也含有芳香杂环化合物结构，如荧光素、荧光 黄等，这些染料在生物医学、化学和物理等领域有广泛应用 。
14 杂环化合物习题答案
练习14-1：命名下列杂环化合物：（1） （2） （3）（4） （5） （6）答：略练习14-2：（1）为什么呋喃能与顺丁烯二酸酐进行双烯合成反应，而噻吩及吡咯不能？（2）为什么呋喃、噻吩及吡咯比苯容易进行亲电取代反应？（3）呋喃在溴的甲醇溶液中反应，没有得到溴化产物，而是得2,5-二甲氧基二氢呋喃，请写出相应的反应方程式并解释原因。
答：（1）因为呋喃的芳香性较弱，呋喃及其衍生物可以容易地进行 Diels-Alder 反应，吡咯只能和极活泼亲双烯体发生Diels-Alder 反应，而噻吩则难于发生Diels-Alder 反应。
（2）呋喃、噻吩、吡咯具有芳香的共轭体系，因此可以发生芳香的亲电取代反应，由于这些环上的杂原子有给电子的共轭效应，能使杂环活化，与苯比较，反应较易进行。
（3）反应过程首先是甲醇与溴反应，生成次溴酸甲酯，次溴酸甲酯很不稳定，形成后立即与具有共轭双烯性质的呋喃进行反应。
练习14-3： 2,5-二甲氧基二氢呋喃经催化氢化后再用酸性水溶液处理，得到什么化合物，请写出相应的反应方程式并标明反应类别。
答：琥珀醛练习14-4： 2-氨基吡啶能在比吡啶温和的条件下进行硝化或磺化，取代主要发生在5位，说明其原因。
答：氨基是强供电子基，使吡啶环上电子云密度提高，所以2-氨基吡啶能在比吡啶温和的条件下进行硝化或磺化。
5位是氨基的对位和吡啶氮原子的间位，亲电试剂进攻5位时，所产生正电荷能够离域到氨基氮原子上，活化能低。
进攻3位的电子效应与5位类似，但存在一定空间效应。
所以2-氨基吡啶进行硝化或磺化取代主要发生在5位。
练习14-5：如何理解γ-甲基吡啶的甲基的酸性比β-甲基吡啶的强这一事实？答：可以从共轭碱的稳定性去解释，γ-甲基吡啶共轭碱的负电荷可以离域到电负性大的氮原子上，而β-甲基吡啶的共轭碱则不能。
因此，γ-甲基吡啶甲基上的氢更容易电离，酸性OC H 2C O O H S C H 3OC H 2C O O HN HC H 2C H 2O H SNH 3C H O H 2C H 2CNN O 2O +Br 3C H 3OH O H B r H Br 3O HO C H 3H H 3C O OH C H 3HH 3C O催化加氢OH C H 3H H 3C OH +, H 2OC H 2H 2CC H OC H O更强。
第十四章芳香杂环化合物
环化合物。如果N4上的氢原子被其他基团取代时，将降低 甚至丧失其抗菌作用。但如果N4 上的取代基在体内能被 分解而恢复原来的游离氨基时，则仍具有原来的抑菌作用。
磺胺的抑菌作用是由于其结构与细菌生长所必须的对氨基
苯甲酸（PAPB）的结构极为相似，能产生竞争性拮抗， 干扰细菌的酶系统对PAPB的利用。
临床上使用的药物：
N
N
发烟 H2SO4
250oC
N
NO2
亲电取代发生在 SO3H β位。
齐齐巴宾反应
亲核取代发生 在α位。 当α位上有易离 去基团时，与 较弱的亲核试 剂就能发生亲 核取代反应
（4）、吡啶类化合物侧链氧化反应 氧化难、还原易（抗氧化性比苯强）
N KMnO4 HOOC
N
N HNO3
COOH NH3
N
全饱和时可不标明位置。例如：
N H
N H
O
1,2,3,4-四氢喹啉 2,5-二氢吡咯 四氢呋喃
含活泼氢的杂环化合物及其衍生物,可能存在着互变异 构体,命名时需按上述标氢的方式标明之。例如：
N
N
H
N
N
N
N H
NN
9H-嘌呤
7H-嘌呤
第二节、芳香五元杂环化合物
一、吡咯、呋喃和噻吩 1、结构与芳香性
sp2
O
H2N
N SO2NH
N
磺 胺 嘧 啶 （ SD）
F HN
5-氟 尿 嘧 啶
O
N H
（ 5-FU）
抗肿瘤药
第四节 稠杂环化合物
嘌呤及衍生物
嘌呤 两个互变异构体的平衡体系
6
1N
5
7
N
2
98
磺胺的抑菌作用是由于其结构与细菌生长所必须的对氨基
苯甲酸（PAPB）的结构极为相似，能产生竞争性拮抗， 干扰细菌的酶系统对PAPB的利用。
临床上使用的药物：
N
N
发烟 H2SO4
250oC
N
NO2
亲电取代发生在 SO3H β位。
齐齐巴宾反应
亲核取代发生 在α位。 当α位上有易离 去基团时，与 较弱的亲核试 剂就能发生亲 核取代反应
（4）、吡啶类化合物侧链氧化反应 氧化难、还原易（抗氧化性比苯强）
N KMnO4 HOOC
N
N HNO3
COOH NH3
N
全饱和时可不标明位置。例如：
N H
N H
O
1,2,3,4-四氢喹啉 2,5-二氢吡咯 四氢呋喃
含活泼氢的杂环化合物及其衍生物,可能存在着互变异 构体,命名时需按上述标氢的方式标明之。例如：
N
N
H
N
N
N
N H
NN
9H-嘌呤
7H-嘌呤
第二节、芳香五元杂环化合物
一、吡咯、呋喃和噻吩 1、结构与芳香性
sp2
O
H2N
N SO2NH
N
磺 胺 嘧 啶 （ SD）
F HN
5-氟 尿 嘧 啶
O
N H
（ 5-FU）
抗肿瘤药
第四节 稠杂环化合物
嘌呤及衍生物
嘌呤 两个互变异构体的平衡体系
6
1N
5
7
N
2
98
大学化学(有机物医学)第十四章杂环化合物和维生素
pKb
8.8
9.3
13.6
+ HCl
N
+ Cl N H
（碱性）
+ KOH(s)
N
H
-
+ H2O
N K
+
（弱酸性）
为什么咪唑的碱性比吡咯强？
·
N·
N··
H
咪唑
pKb
6.8
N· ·
H
吡咯 13.6
请把组胺的3个氮原子按碱性强弱排序:
②
弱碱 N
咪唑
③
弱酸 N
①
CH2 CH2 NH2
H
①>②>③
接受质子
吡啶是六元环，与苯相似，都是六原子六电子体系，由于N的吸电子诱导效应和共轭效
应，是环上的电子云密度降低，亲核性变弱，这与硝基使苯环的反应性降低是类似的；
另一方面，由于反应在强的亲电性的介质入Br＋、＋NO2中进行，容易与吡啶形成吡啶 盐，吡啶盐也是芳香性的，且具有一个正电荷，不易进行亲电反应。
¨N
5 6
4 3
7 8
N2
1
异喹啉
isoquinoline
N N
NN
蝶啶
pteridine
67
1N 5 N
2
9
N
4
N
H
8
3
嘌呤
purine
N
口丫啶
acridine
2. 命名
β CH3 S α Br
3-甲基-2-溴噻吩 （β-甲基-α-溴噻吩）
COOH
β-吡啶甲酸
N
（烟酸、尼克酸）
CONH2 N
β-吡啶甲酰胺 （烟酰胺、尼克酰胺）
第十四章 杂环化合物(已修改)
7,没有固定名称的稠杂环命名(自学) ,没有固定名称的稠杂环命名(自学)
21
第二节 五元杂环化合物
Pentheterocycles
22
一,呋喃,噻吩,吡咯 呋喃,噻吩, ) (Furan, Thiophene and pyrrole)
(一) 结构
电子离域的结果使环上 各C原子的电子云密度增大 原子的电子云密度增大 ),这类杂环称 (6/5),这类杂环称"多π" ),这类杂环称" 芳杂环. 芳杂环.它们的亲电取代 比苯容易. 比苯容易.
H N 1H-吡咯 N 2H-吡咯 O O
2H-吡喃
4H-吡喃
15
4,若杂环不含有最多数目的非聚集双键, ,若杂环不含有最多数目的非聚集双键, 这样的饱和H称为"外加氢" 命名时, 这样的饱和 称为"外加氢".命名时, 称为 需标明外加氢的位置和数目, 需标明外加氢的位置和数目,全饱和的 可省略位置, 可省略位置,例:
5
本章着重讨论的杂环化合物, 本章着重讨论的杂环化合物,其环系较稳定并 具有一定程度的芳香性, 具有一定程度的芳香性,把它们统称为芳(香)杂环 其它不具有芳香性的杂环化合物, 化合物.其它不具有芳香性的杂环化合物,统称非 芳香杂环化合物(或称杂脂环化合物) 芳香杂环化合物(或称杂脂环化合物).
芳香性:平面环, 个电子, ※ 芳香性:平面环,4n+2个电子,难氧化 个电子 而易取代. 而易取代.
4
O
O
O
N H
O
杂环化合物种类繁多,数量庞大, 杂环化合物种类繁多,数量庞大,在自然界分 布极为广泛,大多数的生物碱为杂环化合物, 布极为广泛,大多数的生物碱为杂环化合物,植 物中的叶绿素,动物中的血红蛋白等,中心结构 物中的叶绿素,动物中的血红蛋白等, 都为杂环, 都为杂环,作为生命基础物质的核酸基本组成单 碱基也为杂环碱. 位—碱基也为杂环碱.在现代药物中,杂环化合 碱基也为杂环碱 在现代药物中, 物占了相当大的比重, 物占了相当大的比重,现在已成为一门独立的学 杂环有机化学. 科—杂环有机化学. 杂环有机化学
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一、吡咯的结构
Π
6 5
富电子共轭体系
亲电取代
α
N
H
碱性消失
弱酸性
18
呋喃和噻吩的结构
Π
6 5
富电子共轭体系
结论
π电子数符合Hückel的4n+2规则,具有芳香性
19
证据
1HNMR:
环上H的NMR信号在低场 (6~8)
吡咯、呋喃和噻吩芳香性的特征
1、杂原子(N/O/S)的电负性大, 环上π电子云密度不均匀 2、键长的平均化程度较差
尿酸（酮式） (2，6，8-三氧嘌呤)
白色晶体, 难溶于水, 弱酸性, 与强碱成盐存在于 体内尿结石?
29
α位亲核取代
10
β位
亲电取代
二、吡啶的性质 (一) 水溶性
极性分子,孤电子对与水形成氢键 环上有-OH或-NH2, 水溶性降低??
原因: 分子间氢键阻碍了与H2O的缔合,导
致分子中-OH或-NH2越多,水溶性越低!
水溶度 ∞
1:1
1:1
微溶
11
(二) 碱性
吡啶显弱碱性,比苯胺强,比脂肪胺和氨弱?
N
230℃, 24h
N
β-吡啶磺酸
13
吡啶可发生亲核取代? 在α位?
原因: N的电负性, 电子云密度比苯低,
为缺点子共轭体系, 较易亲核取代.
α 位有易离去基团时, 亲核反应更易发生
14
(四) 侧链氧化反应
电子云密度较低, 对氧化剂更稳定, 易被还原.
β-吡啶甲酸(烟酸) 六氢吡啶(哌啶) 六氢吡啶(哌啶), 类仲胺, pKb=2.8, 碱性 比吡啶强得多? 与水互溶.
+ HCl N + SO3 CH2Cl2 室温 N HCl NH3 N
此
在
N
N SO3 (90%) 吡啶三氧化硫络合物 是常用的缓和磺化剂
12
生
(三) 亲电取代和亲核取代
吡啶的亲电取代比苯难? 在β位?
原因: 电子云密度比苯低, N结合质子或
Lewis酸, 环上电子云密度更低.
β-硝基吡啶
H2 SO4, SO3 SO3 H
CH3 3 CH
4个吡咯环
卟 吩 卟 吩
COOH COOH
血 红 素 血 红 素
含卟吩结构的化合物还有维生素B12和叶绿素等
25
四、咪唑的结构与功能
6 Π5
具有一定的芳香性
sp2杂化, 孤对电子不参与共轭 具有碱性(pKb=6.8) 具有酸性
结论: 咪唑环同时是质子供体和质子受体
咪唑分子存在互变异构
Chap14 芳香杂环化合物
(Aromatic Heterocyclic Compounds) §1 Classification and Nomenclature §2 芳香六元杂环 §3 芳香五元杂环
§4 稠杂环化合物
1
§1 Classification and Nomenclature
Classification ：
8
CH3 H3C N O CHO CH2COOH N H
4-甲基吡啶 5-甲基-2-呋喃甲醛 3-吲哚乙酸
4 5 1 3 2 2 1 3 4 5
4-甲基咪唑
5-甲基噻唑
9
§2 芳香六元杂环
一、吡啶的结构
Π
6 6
等(缺)电子 共轭体系
孤对电子: 碱性
0.87
N
1.01 0.84
1.43 相对电子云密度
温和的硝化剂
(乙酸酐+硝酸)
温和的磺化剂
N H SO 3 . N
(吡啶+三氧化硫)
N H
SO 3H
24
三、吡咯衍生物-卟吩
CH CH CH2 2 CH
α位
4个次甲基
HH3C C 3
CH3 3 CH CH CH CH2 2 CH
H NN H NN
NN Fe Fe NN
NN
NN HH N N
NN
HH3C C 3 CH2 2 CH CH2 2 CH COOH COOH CH2 2 CH CH2 2 CH
喹啉(quinoline)
异喹啉(isoquinoline)
吖啶(acridine)
杂环并杂环
6 1N 2 7 5 N 8 N 4 N9 H 3
嘌呤(purine)
7
Nomenclature：
1. 音译名（同音汉字加“口”字旁） 2. 以杂环为母体 （醛基, 羧基 , 磺酸基除外） 3. 环上原子的编号顺序 ① 从杂原子开始 1，2，3…或α,β,γ…) 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 ④ 稠杂环和稠环芳烃同, 少数特殊
139pm
3、 Π 5 ,环上电子云密度比苯环大, 亲电取代活性更高 20
6
二、吡咯、呋喃和噻吩的化学性质
（一）吡咯的酸碱性 吡咯的碱性？ (N孤电子对接受H+的能力) 吡咯的酸性？
(N孤电子对参与共轭, N-H键极性增强)
+ + K OH △ K OH + K OH + +H2O O - + H2O H2 NN N K+ + K+ K
按杂原子数目分:
一个、两个或多个杂原子的杂环
按环的形式分:
单杂环和稠杂环
按环的大小分:
五元杂环和六元杂环 小于五元或大于六元的杂环??
2
3
五元杂环
4 5
N 1H
3β 2α
4 5
S 1
3β 2α
4 5
O 1
3β 2α
吡咯(pyrrole)
噻吩(thiophene)
呋喃(furan)
吡唑(pyrazole)
4-甲基咪唑
5-甲基咪唑
26
§4 稠杂环化合物
嘌呤及其衍生物:
6 1N 2 5 6 1N 2 5
N H N
9 8
7
7
N N9 H
8
N
3
4
N34来自7H - 9H互变异构
白色固体, 易溶于水(中性), 可与酸或碱成盐
27
核酸的碱基
N
NH2 N N N H
OH N NH2 N N H N
腺嘌呤adenine(A) (6-氨基嘌呤)
N NN
HH H
21
（二）亲电取代反应
1、亲电取代的难易程度? 原因? 2、取代位置?
结论: 亲电取代比苯易, 取代位置在α位
22
α-位取代：
三种共振形式, 正电荷分布在四个原子上
β-位 取代：
两种共振形式, 正电荷分布在两个原子上 23
问题: 1、苯及同系物硝化、磺化反应的条件? 五元杂环的硝化、磺化反应? 原因? 吡咯和呋喃杂原子易质子化, 芳香大π键被破坏
鸟嘌呤guanine(G) (2-氨基-6-羟基嘌呤)
O
几种代谢产物
H N
O N N N
H N O
N N N H
H 次黄嘌呤 (6-氧嘌呤)
黄嘌呤 (2，6-二氧嘌呤)
28
尿酸的酮式和烯醇式互变
O HN O N H N H
尿酸（烯醇式） (2，6，8-三羟基嘌呤)
OH NH O HO N N N NH OH
5
稠杂环
五元杂环苯并体系
4 5 6 7 O 1 3 2 5 6 7 S 1 4 3 2
5 6 7 N H1 4 3 2
苯并呋喃 (benzofuran)
苯并噻吩 (benzothiophene)
苯并吡咯 吲哚 (indole)
6
六元杂环苯并环系
5 6 7 8 N 1 4 3 2 6 7 8 1 5 4 3 N2
15
三、嘧啶及其衍生物
4 5 6 1 3 2
环上电子云密度比吡啶更低, 亲电取代更困难 易溶于水, 弱碱性(pKb=11.30) 嘧啶衍生物
N O N H O NH2 HN N H
16
O CH3
胞嘧啶(C)
胸腺嘧啶 (T)
嘧啶衍生物有酮式和烯醇式互变异构体 如尿嘧啶:
酮式
烯醇式
17
§3 芳香五元杂环
咪唑(imidazole)
噻唑(thiazole)
4
六元杂环
γ 4 5 6 3β
5 6 O 1 γ 4 3β 2α
2α N 1 吡啶(pyridine)
吡喃(pyran)
5 6
4 N N 1
4
3 2
4
5 6 N 1
N3 2
5 6 N 1
3 N2
吡嗪(pyrazine)
嘧啶(pyrimidine)
哒嗪(pyridazine)
Π
6 5
富电子共轭体系
亲电取代
α
N
H
碱性消失
弱酸性
18
呋喃和噻吩的结构
Π
6 5
富电子共轭体系
结论
π电子数符合Hückel的4n+2规则,具有芳香性
19
证据
1HNMR:
环上H的NMR信号在低场 (6~8)
吡咯、呋喃和噻吩芳香性的特征
1、杂原子(N/O/S)的电负性大, 环上π电子云密度不均匀 2、键长的平均化程度较差
尿酸（酮式） (2，6，8-三氧嘌呤)
白色晶体, 难溶于水, 弱酸性, 与强碱成盐存在于 体内尿结石?
29
α位亲核取代
10
β位
亲电取代
二、吡啶的性质 (一) 水溶性
极性分子,孤电子对与水形成氢键 环上有-OH或-NH2, 水溶性降低??
原因: 分子间氢键阻碍了与H2O的缔合,导
致分子中-OH或-NH2越多,水溶性越低!
水溶度 ∞
1:1
1:1
微溶
11
(二) 碱性
吡啶显弱碱性,比苯胺强,比脂肪胺和氨弱?
N
230℃, 24h
N
β-吡啶磺酸
13
吡啶可发生亲核取代? 在α位?
原因: N的电负性, 电子云密度比苯低,
为缺点子共轭体系, 较易亲核取代.
α 位有易离去基团时, 亲核反应更易发生
14
(四) 侧链氧化反应
电子云密度较低, 对氧化剂更稳定, 易被还原.
β-吡啶甲酸(烟酸) 六氢吡啶(哌啶) 六氢吡啶(哌啶), 类仲胺, pKb=2.8, 碱性 比吡啶强得多? 与水互溶.
+ HCl N + SO3 CH2Cl2 室温 N HCl NH3 N
此
在
N
N SO3 (90%) 吡啶三氧化硫络合物 是常用的缓和磺化剂
12
生
(三) 亲电取代和亲核取代
吡啶的亲电取代比苯难? 在β位?
原因: 电子云密度比苯低, N结合质子或
Lewis酸, 环上电子云密度更低.
β-硝基吡啶
H2 SO4, SO3 SO3 H
CH3 3 CH
4个吡咯环
卟 吩 卟 吩
COOH COOH
血 红 素 血 红 素
含卟吩结构的化合物还有维生素B12和叶绿素等
25
四、咪唑的结构与功能
6 Π5
具有一定的芳香性
sp2杂化, 孤对电子不参与共轭 具有碱性(pKb=6.8) 具有酸性
结论: 咪唑环同时是质子供体和质子受体
咪唑分子存在互变异构
Chap14 芳香杂环化合物
(Aromatic Heterocyclic Compounds) §1 Classification and Nomenclature §2 芳香六元杂环 §3 芳香五元杂环
§4 稠杂环化合物
1
§1 Classification and Nomenclature
Classification ：
8
CH3 H3C N O CHO CH2COOH N H
4-甲基吡啶 5-甲基-2-呋喃甲醛 3-吲哚乙酸
4 5 1 3 2 2 1 3 4 5
4-甲基咪唑
5-甲基噻唑
9
§2 芳香六元杂环
一、吡啶的结构
Π
6 6
等(缺)电子 共轭体系
孤对电子: 碱性
0.87
N
1.01 0.84
1.43 相对电子云密度
温和的硝化剂
(乙酸酐+硝酸)
温和的磺化剂
N H SO 3 . N
(吡啶+三氧化硫)
N H
SO 3H
24
三、吡咯衍生物-卟吩
CH CH CH2 2 CH
α位
4个次甲基
HH3C C 3
CH3 3 CH CH CH CH2 2 CH
H NN H NN
NN Fe Fe NN
NN
NN HH N N
NN
HH3C C 3 CH2 2 CH CH2 2 CH COOH COOH CH2 2 CH CH2 2 CH
喹啉(quinoline)
异喹啉(isoquinoline)
吖啶(acridine)
杂环并杂环
6 1N 2 7 5 N 8 N 4 N9 H 3
嘌呤(purine)
7
Nomenclature：
1. 音译名（同音汉字加“口”字旁） 2. 以杂环为母体 （醛基, 羧基 , 磺酸基除外） 3. 环上原子的编号顺序 ① 从杂原子开始 1，2，3…或α,β,γ…) 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 ④ 稠杂环和稠环芳烃同, 少数特殊
139pm
3、 Π 5 ,环上电子云密度比苯环大, 亲电取代活性更高 20
6
二、吡咯、呋喃和噻吩的化学性质
（一）吡咯的酸碱性 吡咯的碱性？ (N孤电子对接受H+的能力) 吡咯的酸性？
(N孤电子对参与共轭, N-H键极性增强)
+ + K OH △ K OH + K OH + +H2O O - + H2O H2 NN N K+ + K+ K
按杂原子数目分:
一个、两个或多个杂原子的杂环
按环的形式分:
单杂环和稠杂环
按环的大小分:
五元杂环和六元杂环 小于五元或大于六元的杂环??
2
3
五元杂环
4 5
N 1H
3β 2α
4 5
S 1
3β 2α
4 5
O 1
3β 2α
吡咯(pyrrole)
噻吩(thiophene)
呋喃(furan)
吡唑(pyrazole)
4-甲基咪唑
5-甲基咪唑
26
§4 稠杂环化合物
嘌呤及其衍生物:
6 1N 2 5 6 1N 2 5
N H N
9 8
7
7
N N9 H
8
N
3
4
N34来自7H - 9H互变异构
白色固体, 易溶于水(中性), 可与酸或碱成盐
27
核酸的碱基
N
NH2 N N N H
OH N NH2 N N H N
腺嘌呤adenine(A) (6-氨基嘌呤)
N NN
HH H
21
（二）亲电取代反应
1、亲电取代的难易程度? 原因? 2、取代位置?
结论: 亲电取代比苯易, 取代位置在α位
22
α-位取代：
三种共振形式, 正电荷分布在四个原子上
β-位 取代：
两种共振形式, 正电荷分布在两个原子上 23
问题: 1、苯及同系物硝化、磺化反应的条件? 五元杂环的硝化、磺化反应? 原因? 吡咯和呋喃杂原子易质子化, 芳香大π键被破坏
鸟嘌呤guanine(G) (2-氨基-6-羟基嘌呤)
O
几种代谢产物
H N
O N N N
H N O
N N N H
H 次黄嘌呤 (6-氧嘌呤)
黄嘌呤 (2，6-二氧嘌呤)
28
尿酸的酮式和烯醇式互变
O HN O N H N H
尿酸（烯醇式） (2，6，8-三羟基嘌呤)
OH NH O HO N N N NH OH
5
稠杂环
五元杂环苯并体系
4 5 6 7 O 1 3 2 5 6 7 S 1 4 3 2
5 6 7 N H1 4 3 2
苯并呋喃 (benzofuran)
苯并噻吩 (benzothiophene)
苯并吡咯 吲哚 (indole)
6
六元杂环苯并环系
5 6 7 8 N 1 4 3 2 6 7 8 1 5 4 3 N2
15
三、嘧啶及其衍生物
4 5 6 1 3 2
环上电子云密度比吡啶更低, 亲电取代更困难 易溶于水, 弱碱性(pKb=11.30) 嘧啶衍生物
N O N H O NH2 HN N H
16
O CH3
胞嘧啶(C)
胸腺嘧啶 (T)
嘧啶衍生物有酮式和烯醇式互变异构体 如尿嘧啶:
酮式
烯醇式
17
§3 芳香五元杂环
咪唑(imidazole)
噻唑(thiazole)
4
六元杂环
γ 4 5 6 3β
5 6 O 1 γ 4 3β 2α
2α N 1 吡啶(pyridine)
吡喃(pyran)
5 6
4 N N 1
4
3 2
4
5 6 N 1
N3 2
5 6 N 1
3 N2
吡嗪(pyrazine)
嘧啶(pyrimidine)
哒嗪(pyridazine)