有机化学第十五章 杂环化合物
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杂环化合物
3.1 呋喃、噻吩和吡咯的结构
呋喃、噻吩和吡咯组成环的五个原子都位于 同一平面上，四个碳原子和一个杂原子都为sp2 杂化状态，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 是在p轨道上，这五个p轨道垂直于环所在的平面 并相互重叠形成闭合共轭体系。这个共轭体系是 由五个原子上的六个p电子组成的，其p电子数符 合休克尔4n＋2规则。因此具有芳香性。
N N 四四 puinoline S 四甲 thiazole
N N H 甲甲 imidazole N 吲吲 indole
环上有取代基的杂环化合物，命名时以杂环为母体，从杂原子开始 将环上的原子编号。当环上含有两个或两个以上相同杂原子时，应使杂原 子所在位次的数字最小。当环上的杂原子不同时，按O、S、N的次序编号。
- 封封 I 300℃ N . HI
+
CH3 N . HI
+
N
C6H5COCl
石石石 －20℃ N+
Cl
-
良好的酰 化剂
COC6H5
取代反应
氮原子的电负性比碳原子大，所以氮原子附近电子 密度较高，环上碳原子的电子密度有所降低。因此，吡 啶与硝基苯相似，亲电取代比苯困难，并且主要发生在 β位上，反应条件要求较高。另外，吡啶不能进行付氏 反应。
维生素B 维生素 6是蛋白质代谢过程中的必需物质
1 杂环化合物的分类 2 杂环化合物的命名 3 五元杂环化合物 4 六元杂环化合物 5 生物碱
1 杂环化合物的分类
杂环化合物的成环规律和碳环一样，最 稳定和最常见的也是五元环和六元环。有的 环只有一个杂原子，有的环含有多个或多种 杂原子。杂环化合物一般按环的大小分成五 元环和六元环两大类。
有机化学—稠杂环化合物教材
稠杂环
六元杂环与 苯环稠合
N
喹啉 quinoline
杂环与杂环 稠合
N
N
N
N
H
嘌呤 purine
N H
吲哚
indole
N
S
苯并噻唑 benzothiophene
N
异喹啉 isoquinoline
N N
N
N
蝶啶 pteridine
(一) 吲哚
吲哚是白色结晶，熔点 52.5℃。极稀溶液有香 味，可用作香料，浓的
稠杂环化合物：是指苯环与杂环稠合或杂环与杂环 稠合在一起的化合物。
常见的有喹啉、吲哚和嘌呤
54
6
3
7 8
2
N
1
喹啉 ( Quioline )
4
5 6
7
3
2
N H
1
吲哚 ( indole )
6
5
1N
N7
2
8
N
3
4
N H
9
嘌呤 ( Purine )
五元杂环与 苯环稠合
O
苯并呋喃 benzofunan
4、氧化还原反应
KMnO4 100 ℃
COOH
N COOH
N
CH3CH2OH, Na
N
5、喹啉及其衍生物的合成：斯克劳H普（Z. H. Skraup)合成法：苯胺、甘油、浓硫酸和硝基苯 等共热，即得。
NH2
+
CH2-CH-CH2 OH OH OH
H2SO4 硝基苯
N 84~91%
反应机理：
一般认为首先是甘油受到硫酸的作用失水生成丙烯醛， 其次丙烯醛与 苯胺发生麦克尔加成，并烯醇化、在酸催化 下发生失水作用、关环生成二氢喹啉，最后二氢喹啉受到
第十五章杂环化合物
唑的化学性质
y 碱性
>
>
>
>
1,3-唑 > 1,2-唑
唑的化学性质
y 亲电取代活性
苯 > 唑 > 吡啶
>
>
>
>
N
O
常见的五元杂环化合物
y 含单个杂原子的五元杂环
吡咯
呋喃 噻吩
吲哚
y 含多个杂原子的五元杂环
咪唑
噁唑
噻唑
N
N
吡唑 O 异噁唑 S 异噻唑
嘌呤
嘌呤
6
7
1
5
8 2
49
3
9H-嘌呤
7H-嘌呤
吡咯等的化学性质：亲电取代
y 傅克酰化：使用温和催化剂
吡咯等的化学性质：还原
H2/Ni
O
O
呋喃的双烯加成
呋喃芳香性较差，可体现共轭二烯的性质 吡咯、噻吩一般条件下不发生此类反应
吲哚的化学性质
C6H5CO2NO2
N H
O
O 0oC
NO2 N H
亲电取代反应性与呋喃类似 注意取代主要发生于3-位
Br2, 300oC
Br 39%
N
吡啶的化学性质：亲电取代
CH3
CH3
H3C
N
H2SO4 / HNO3 CH3 100oC, 5h H3C
N
NO2 CH3
93%
吡啶的化学性质：亲核取代
Cl
OMe
NaOMe/MeOH
N
N
吡啶的化学性质：亲核取代
(Chichibabin反应)
吡啶的化学性质：还原
常见的五元杂环化合物
基础有机化学王兴明主编十五章杂环答案
15 杂环化合物习题参考答案1.N HSSO 3H H NCH 2COOHNCH 3H 3CI -+NCOOHCOOHONN CH 3NNH 2N OH(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)2.(1) 苯并吡嗪 (2) 5-羟基嘧啶 (3) N-甲基吡咯(4) 2-噻吩磺酸 (5) 4-氯-6-甲氧基-8-氨基喹啉 (6) 2-噻吩乙酮 3.N COOHCOOHNC C ON HN H 3CCH 3I +OCOCH 3(1)(2)(3)OONCH 3NC O (4)KMnO 4NCOOHNCOClNCNH 2NNH 2NCOClPCl 5NH 3NaOH+Br 2+AlCl 3+HClO OOOH (5)+Br 2CH 3COOH室温O OOBrMgBrOMgBrH 2OO无水乙醚Mg4.OCHO+催化剂400-415℃O OH 2/Ni(1) HX(2)NaOH/H 2OHOOHCH 3COOEt EtONaCH 3COCH 2COOEt(1)EtONa(2)I 2P 2S 3OO EtO 2C H 3CCO 2EtCH 3(1)OH /H 2O(2)H +/OO H 3CCH 3SCH 3H 3CSNCOCH 3Cl++SCH 3OCH 3MgClS H 3COH CH 3S H 3COMgCl CH 3H 2O(1)(2)(3)H 2CCH 2CH 2COOC 2H 5CH 2CH 2COOC 2H 5ClCH 2CCH 3CH 2OCH 3C 2H 5ONaCOOC 2H 5OH 2O H +O 3Zn,H 2OP 2O 5OCH 3O C 2H 5ONaO COOC 2H 5CH 3CH 2O CH 3CH 2(4)OCHO400-415℃H 2O Zn-Cr 2O 3-MnO 2OH 2NiO浓HCl2NaCN140℃,0.4MPaH 2Ni H 3+On H 2N CH 2NH 2n CH 2HOOC COOHH NH CH 2NHCOCH 2CO OH(n-1)H 2OCH 2CH 2CN CH 2CH 2CN6H 2N CH 2NH 2CH 2HOOC COOH64+催化剂缩聚4n+(5)645.(1) 在两者中分别加入浓硫酸，在室温下溶于浓硫酸者为噻吩，不溶者为苯。
第十五章 杂环化合物与生物碱
Kb： 2.5×10-15
2×10-4
15.3 六元杂环化合物
六元杂环化合物包括环中有1个杂原子的六元 杂环(如吡啶等)；环中有多个杂原子的六元杂环 (如嘧啶等)；以及稠杂环(如喹啉、嘌呤等)。 一、吡啶(C5H5N) 吡啶存在于煤焦油、骨焦油中，其衍生物广泛 存在于自然界。工业上主要从煤焦油的轻油部分提 取吡啶。 吡啶是具有特殊臭味的无色液体， bp115.5℃ ， 可与水、乙醇、乙醚等混溶。
1. 吡啶的结构
结构似苯，也是平面六边形分子(但不是正六边形)。 分子中 C—C键长139pm(与苯的相等)，C—N键长137pm， 介于一般的 C—N 单键 (157pm) 与 C=N 双键 (128pm) 之间。
139pm
139pm
137pm Pyridine Benzine
H
H
H
环中的N和C都 以 sp2 杂化轨道相互 以s 键相连。每个原 子余下的 p 轨道相互 平行重叠，形成环 闭共轭体系， p 电子 数为6，具有芳香性.
70%
NO2 NO2 S
5%
磺化: 95%H2SO4 25℃
(69%~76%)
S
SO3H
噻吩-2-磺酸
溴代: Br2 (或I2) 乙醇(稀释)/0℃
Br Br
Br Br
产物均为 四卤吡咯
硝化: CH3CO2NO2 乙酸酐/5℃
NO2 NO2 51% 13%
吡咯
磺化：吡啶.SO3 100℃
SO3H
吡咯-2-磺酸
亲电取代反应主要在2-位发生；若2、5两个位 置已有基团存在，则亲电取代在b位发生。
-0.06 -0.10 +0.32
这些杂环进行亲电取代反应时， 须用缓和的试剂在温和的条件下进行。
杂环化合物和生物碱-有机化学
溶解1份吡咯、呋喃及噻吩，分别需要17、 35、700份的水。 当五元杂环上连有羟基时，溶解度增大。
如： O
H3C O OH
S
S
OH
(1:35)
(1:20)
(1:700)
(1:16)
3. 杂环化合物的化学性质 (1)、亲电取代反 应
N H O S
HNO3
I2 NaOH
吡咯、呋喃、噻吩 α位取代
I
第四节 稠杂环化合物
稠杂环化合物是指苯环与杂环稠合或杂环与杂环稠合在一起的化 合物。常见的有喹啉、吲哚和嘌呤。
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3 2 d ★ c
N
a b
N
1
N
★ b 2 a 3
N1
S
N
吡啶并[2,3-d]嘧啶
咪唑并[2,1-b] 噻唑
第二节
五元杂环化合物
五元杂环化合物包括含有1个杂原子的五元杂 环和含2个杂原子的五元杂环。 一、含1个杂原子的五元杂环化合物 1.结构
4 5 1N 3 2
4 5 3 2 4 5 3 2
OH
2．亲电取代反应
Cl2, AlCl 3 100 ℃ Br2, 浮石催化 300 ℃ 气相
Cl
3 氯吡啶
N
Br
3 溴吡啶
N
NO2
N
浓 H2SO4 HgSO4 催化， ℃ 220 混酸 300 ℃
3 硝基吡啶
N
SO3H
吡啶 3 磺酸
N
3．氧化还原反应
（1）氧化反应
COOH N β 吡啶甲酸（烟酸） HNO 3 N COOH N α 吡啶甲酸
由于吡啶环的N上在环外有一孤对电子，故吡啶环上的电荷分布不均。
有机化学第十五章杂环化合物
第十五章 杂环化合物 糠醛经催化加氢转化为四氢糠醇，具有醇和醚的性 质，是优良的溶剂。
糠醛用KMnO4的碱溶液或用Cu或Ag的氧化物为催化 剂，用空气氧化生成糠酸。
糠醛作为溶剂，可选择性地从石油、植物油中萃取其中的 不饱和组分和含硫化合物。如从润滑油中萃取芳香烃等以精致 润滑油。在合成橡胶工业中用于提纯丁二烯和异戊二烯。
第十五章 杂环化合物 六元单杂环吡啶的结构与苯环很相似，氮原子与碳原子 处在同一平面上，原子间是以sp2杂化轨道相互交盖形成六个 σ键，键角为120°。环上每一原子还有一个电子在p轨道上， p轨道与环平面垂直，相互交盖形成包括六个原子在内的分 子轨道。π电子分布在环的上方和下方。每个碳原子的第三 个sp2杂化轨道与氢原子的s轨道交盖形成σ键。氮原子的第三 个sp2杂化轨道上有一对未共用电子对。 由于这些杂环化合物都是闭合的 共轭体系，所以环中的单、双键都不 同程度地趋向平均化，单键比普通单 键短，双键比普通双键长。
第十五章 杂环化合物 教学指导 杂环化合物的分类和命名法 杂环化合物的结构 杂环化合物的性质
第十五章 杂环化合物 教学目的： 了解一些常见的重要杂环化合物物理和化学性质； 熟悉杂环化合物命名规则； 掌握呋喃、吡咯及其衍生物的物理和化学性质。 教学难点：
杂环化合物命名规则；
呋喃、吡咯及其衍生物的物理和化学性质。 教学重点： 呋喃、吡咯及其衍生物的物理和化学性质。
第十五章 杂环化合物 2.吡咯及其衍生物 吡咯与呋喃相似，亲电取代也必须在缓和的条件下 进行，在酸性条件下同样极易发生开环、聚合反应。 溴化：
第十五章 杂环化合物 根据环数的多少分为单杂环和多杂环；单杂环又可根据 成环原子数的多少分为五元杂环及六元杂环等；多杂环可分 为稠杂环、桥杂环及螺杂环，其中以稠杂环较为常见。
15章杂环化合物
第十五章 杂环化合物
第一节 分类与命名
一、分类 1、按环的大小分：五元与六元芳杂环 2、依环的形式分：单杂环与稠杂环 二、命名：
保留特定的45个杂环化合物的俗名和 半俗名,采用“音译法”。
（一）特定杂环的命名规则
1、含一个杂原子的五元单杂环
43
5
2
O
1
呋喃
furan
β
β
α S
噻吩
3β 2α N H 吡咯
1、基本环的选择原则
① 芳环和杂环组成的稠环，选杂环为基本环;
② 杂环和杂环组成的稠环，按照 N→O→S
顺序选为基本环，且所选基本环应最大. ③ 杂原子数目以及杂原子种类应最多.
O
苯并呋喃
H N S
噻吩并吡咯
O O
呋喃并吡喃
N NN
吡啶并嘧啶
2、稠合边表示方法
① 基本环各边：1-2原子之间为a； 2-3原子 之间为b； 3-4原子之间为c 等等。 ② 附加环: 用1、2、3………标注各原子
thiophene pyrrole
2、含两个杂原子的五元单杂环 (按照 O > S > -NH- > -N= 顺序编号)
4 N3
5
2
O1
恶唑
3
N
2
S1
噻唑
N3
2
N H
1
咪唑
3
N2
N H
1
吡唑
3、含一个杂原子的六元单杂环
N2 O
1
异 恶唑
4
5
3
6
2
N1
吡啶
4
5
3
6 O2
1 2H-吡喃
4、含2个杂原子的六元单杂环
第一节 分类与命名
一、分类 1、按环的大小分：五元与六元芳杂环 2、依环的形式分：单杂环与稠杂环 二、命名：
保留特定的45个杂环化合物的俗名和 半俗名,采用“音译法”。
（一）特定杂环的命名规则
1、含一个杂原子的五元单杂环
43
5
2
O
1
呋喃
furan
β
β
α S
噻吩
3β 2α N H 吡咯
1、基本环的选择原则
① 芳环和杂环组成的稠环，选杂环为基本环;
② 杂环和杂环组成的稠环，按照 N→O→S
顺序选为基本环，且所选基本环应最大. ③ 杂原子数目以及杂原子种类应最多.
O
苯并呋喃
H N S
噻吩并吡咯
O O
呋喃并吡喃
N NN
吡啶并嘧啶
2、稠合边表示方法
① 基本环各边：1-2原子之间为a； 2-3原子 之间为b； 3-4原子之间为c 等等。 ② 附加环: 用1、2、3………标注各原子
thiophene pyrrole
2、含两个杂原子的五元单杂环 (按照 O > S > -NH- > -N= 顺序编号)
4 N3
5
2
O1
恶唑
3
N
2
S1
噻唑
N3
2
N H
1
咪唑
3
N2
N H
1
吡唑
3、含一个杂原子的六元单杂环
N2 O
1
异 恶唑
4
5
3
6
2
N1
吡啶
4
5
3
6 O2
1 2H-吡喃
4、含2个杂原子的六元单杂环
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+
N
N
NO 2
N
N S O 3H
Br
B r2/H 2 S O 4
H+
+
N
N
B r 2 /CCl 4
OH -
Br Br
N
K MnO 4 /H +
CO 2 H
N
CO 2 H
H 2/P t N H
易发生亲电取代和氧化
5
8
N
易发生亲核取代和还原3
N +C3 H I
N
+ N C3 H I N
N
Br
+Br2 NH 2 N
1、亲电取代——困难：发生在β 位
混 酸 P hH室 温 P hN2O
混 酸
N2O
3 0 0 ℃ /1 天
N
N
H2SO4/H+g
220℃
N
N
SO3H
C3H N
H 2SO 4/K N3 O
100℃
C3H
C3H N
N2 O C3H
Br2/HcA Br NH 2 N
N—氧化物 δ+
NH 2 N
δ+
N
N+
吡唑和咪唑的分子聚合和互变异构：
b.p
水溶性
N
188
N
H N 263
N H
11 易溶
N
N
H
H
N
N
二聚体
N HN
N HN
N N
H
多聚体
嘌呤
N
N
N
NH
N
N
H 9—H
NH2
N
N
N
N
2
N 1 嘧啶
N 1 哒嗪
N 1 吡嗪
5
4
5
4
5
4
6 稠杂环
36
36
N3
7
27
N2 7
2
8
N 1
喹啉
8
1
异喹啉
8 喹
唑
N 1啉
OO 苯 并 α -吡 喃 酮
（香豆素）
2、有两个杂环稠合： ①大环优先于小环：
吡啶环优先于吡咯环
NN
吡咯并吡啶
②如果两环的大小相同，按所含杂原子N、O、S顺序（注意和杂 环的编号顺序相反）：
和边的字母写在后面，数字和字母之间用“—”相连，然后将[ ]
放在附加环和基本环之间，稠和处数字顺序以基本环字母顺序
为准：
cN
d
b
N 2aS b
Sa 苯并[d]噻唑
N 1 咪唑并[2，1-b]噻唑
Na
1HN
5c N
d
b
2 N 4 Sa 3
咪 唑 并 [5， 4-d]噻 唑
b c 3 2 N1
吡 啶 并 [2,3-c]喹 啉
N 5.2
N
N
C3H
C3H H
5.1
11.2
C3H C3H N
C3H
Ph N2 H
9.8
4.6
NC ( 3 H )3 >N3 H>
>Ph N2 H
N
N
N Pka 5.2 O
+R C Cl N
N Cl C
R
N 1.3
O ROH
+R O C Cl O
N
3、互变异构：
+ CH 3I N
SO3
IN CH 3 + N SO3
NO2 N
二、吡啶的性质：
1、水溶性： 由于吡啶分子中有偶极，是个极性分子，且N原子上电子
云密度升高，从而增大了其和水分子形成氢键的能力，故可以 和水混溶
吡啶 混溶 苯 1 660
萘 4000 喹啉 150
蒽 不溶 吖啶20000
> N
2、碱性：
Pka
N N
>
N
NN
N
17
1100
> N H3C N C3 H
A、原苯环中的一个H原子被N原子的一对孤电子对所取代，因 此，吡啶应具有一定的碱性，同时又由于N原子的电负性大于C 原子，使环上的电子云向N原子偏移，又增大了N原子的碱性；
B、由于电子云向N原子方向偏移，吡啶分子中应有偶极：
+0.18
偶 极 矩 ： 2.2D
C、电子云分布不均匀：
0.932
+0.05
N -0.58
+0.15
1.000
1.166
1.000
N 1.064
0.866
1.000 1.000
与苯环相比，N原子上的电子云密度增大，α、γ位电子云密 度降低，β位变化不大。
由分析可知：N原子具有碱性， β位克发生亲电取代，α、γ 可以发生亲核取代。总体上讲由于N原子的电负性较大，使环上的 电子云向N原子方向偏移，从而降低了环上的电子云密度，故其亲 电取代困难，而在一定条件下可发生亲核取代，即类似于硝基苯：
891
9
10 N
1
6 1N 5 N7
N 5 10 4
吖啶
螺桥杂环的命名：
S 6 54
吩噻嘜
2
8
N4 3
N9
H
嘌呤
按通常的螺、桥环命名，把杂原子的命名放在最前面
910 1 O2
8 5 3
76 4
1 氧杂螺[4.5]癸烷
21 O
7 R
3
8
45
1 7
O 6 2
2,6 二 氧 杂 双 环 [3.2.1]— 7— R .
NH 3/Zn2Cl
Cl N
NH 2 N
N2H
PhLi
Ph
N
N
NO2
OH
O
+ H2O60℃
N
N
N
Br
H NH2
Br 液氨
Br
160℃
N
N
+Na2NH N
N2H N
N 喹啉
N 异喹啉
NH 2 Na
N
NH 2
n-BuLi
N B u- n
CH 3 ONa
N NO 2
OCH 3
HNO 3 /H 2 SO 4 H 2S O 4/A g +
HN
C
H
吡咯
1、组成环上的五个原子均为SP2杂化，其中一个 N原子的2P轨 道上由2个P电子，故符合贺克尔规则。
2、两个N原子结构上存在的差异：
NH
NH
N
N
和吡咯一样
和吡啶中的氮一样
讨论：
1、由于符合贺克尔规则，因此应该具有芳香性； 2、由于环中引入了一个吸电子的N原子，所以其反应活性应小 于含有一个N原子的五元杂环，而大于吡啶；
1.37
N 1.38 H
1.35 O 1.37
1.37 S 1.71
1、五元杂环π电子数符合贺克尔规则，因此应该具有芳香性， 由于环上电子云密度增大，且α位增大较多，因此环上主要发生亲 电取代反应，且应在α位；
2、由于杂原子不等性杂化及其电负性的影响，其键长并没有 完全平均化，因此其稳定性不如苯环，可以开环和氧化，苯>噻吩> 吡咯>呋喃；
O-
O-
α 、γ -易发生亲核取代 α 、γ -易发生亲电取代
混酸 N O
P hMgX
NO 2
NO 2
CHCl 3
N+ O CH 3ONa
N
OCH 3 [O]
OCH 3
N
N
Ph
N
O
环上的亲核取代反应（齐齐巴宾—Chichibabin）：
+N2N Ha N
NaOH
300℃
N
N
N
H 2O
NHNa N
OH
O2N
N
400 O2N
NH
N
CH 3 N
安替比林：
H
H
H
CH 3
N ON
Ph
次甲基式
4、反应活性：
电负性：O>S>N
N
N
N
>
>
H CH 3
NH
ON
O
Ph 亚胺式
N
S
O
H
5、叔N原子碱性的比较：
正系>异系
CH 3
N N
Ph 酚式
由于一个杂原子的诱导效应：
咪唑>噻唑>噁唑
吡 啶 咪 唑 噻 唑 噁 唑 吡 唑 异 噁 唑 P k a 5 . 2 7 . 0 2 . 50 . 82 . 5- 2 . 3
3、反应部位：1，3——5位，1，2——4位
N
Z
咪唑的互变异构：
N Z
1
3
N CN
1
3
NC N
H
H
N
NH
CH 3
N
CH 3
N
H 5— 甲 基
4— 甲 基
因 此 咪 唑 的 4， 5位 是 相 同 的
CH3
CH3
N N
N
N
H
H 3— 甲 基
5— 甲 基
3， 5位 是 相 同 的
由于取代基的种类不相同，有时是一种异构体占优势：
正常 CC CC CN CN
1.54 1.34 1.47 1.28
1、组成吡啶环上的5个C原子和1个N原子，均为SP2杂化，共同 平面。环上的π电子数为6，符合4n+2规则，故其具有芳香性，即 可以发生取代反应。
2、由于吡啶环上有一个N原子代替了苯环中的一个CH，因此和 苯环相比，必然产生下列差异：