第12章 杂环化合物
第12章杂环化合物和生物碱
嘌呤(purine)
2、系统命名法
① 从杂原子开始 1，2，3，4……（或用希腊字母α、β、 γ…… ） ② 当环上含有两个或两个以上相同的杂原子时，应使杂原子 所在位次的数字最小 ③ 不止一个杂原子，按O，S，N顺序编号
第十二章 杂环化合物和生物碱 5
4
3
H3C 5 O 2 CH3 1
4 COOH 3 5 2 6 N 1
第十二章 杂环化合物和生物碱 25
嘌呤
N H
N N
N
N
NH2 N N N H
N H
O HN H2N N N H N
N H
Purine
腺嘌呤（ A） Carbazole
鸟嘌呤（G）
嘌呤有（Ⅰ）和（Ⅱ）两种互变异构体：
N N N H
N
N N N
NH
（I）9H-嘌呤
（II）7H-嘌呤
第十二章 杂环化合物和生物碱 26
2． 亲核取代 由于氮的吸电子作用，使得吡啶环上电子云密度减低， 不易进行亲电取代，但却有利于亲核取代。例如它与氨基 钠作用，生成α-氨基吡啶。
+ NaNH2 N
-H2 H2O
N
NHNa
N
NH2
3．酸碱性 呋喃、噻吩为中性；吡咯具有弱碱性。吡咯属仲胺，似乎应具 有较强的碱性，但由于氮原子的孤对电子参与形成闭合的共轭体 系，氮原子上的电子密度有所降低，吸引质子的能力降低，因此 吡咯的碱性（pKb=13.6）非常微弱，不但比脂肪族仲胺弱得多， 而且比芳香胺还弱，以至它与酸不能生成稳定的盐；另一方面， 氮原子上的氢原子离解为离子的倾向增大，这就使吡咯反而有弱 酸性，其酸性介与乙醇和苯酚之间，可与固体KOH（或与金属 15 第十二章 杂环化合物和生物碱 K，Na）共热，形成不稳定的盐，遇水即分解。
有机化学第12章 杂环化合物
生物碱
存在于植物体内的一类碱性含氮有机化合物称为生物碱。
HO O
CH3 N H O-C-CH 952年确定结构。）
H O-C H
C H3O
颠茄碱（阿托品）
CH=C H2
N N CH3
N 金鸡纳碱（奎宁）
烟碱（尼古丁）
有芳香性
有芳香性
12.3 五元杂环化合物
12.3.1 呋喃
存在于松木焦油中，为无色液体，难溶于水，易溶于有机溶剂。其蒸汽遇 有被盐酸浸过的松木时，即呈绿色（叫松木反应，鉴别呋喃的存在）。
工业上用糠醛（-呋喃甲醛）制备：
（1）呋喃的制备
• 实验室采用糠酸加热脱羧制得：
（2）化学性质
呋喃具有芳香性，较苯活泼，容易发生取代反应；还有一定程度的不饱和 化合物的性质(发生加成反应)。
芳香性强弱的次序
苯 > 噻吩 呋喃 112 离域能：152
取代反应活性的次序
>
吡咯
>
88
62 KJ/mol
位电子 云密度 -0.10
• 吡咯 > 呋喃 > 噻吩 > 苯 -0.03 -0.06 0 (不一致)
（2）六元杂环化合物——吡啶
氮原子与碳原子处在同一平面。 吡啶的结构与苯相似，符合休克尔规则，具有芳香性。
第12章 杂环化合物
一般把除碳以外的成环原子叫杂原子，常见的杂原子有氧、硫和氮：
• 环系中可含一个、两个或多个相同或不同的杂原子。
•环可以有三元环、四元环、五元环、六元环或更大，可以 是稠合的环。
• 杂环化合物种类繁多，约占全部已知有机化合物的 三分之一。
• 已经学过的杂环化合物：
• 本章介绍的是具有不同芳香性的杂环化合物（简称芳杂 化合物）。
第十二章 杂环化合物
第十二章 杂环化合物一、定义和分类分子中含有由碳原子和其它原子共同组成的环的化合物称为杂环化合物。
杂环中的非碳原子称为杂原子，最常见的杂原子有N 、O 、S 等。
象环醚、内酯、环酐及内酰胺等似乎也应属于杂环化合物。
但是，由于这些环状化合物容易开环形成脂肪族化合物，其性质又与相应的脂肪族化合物类似，因此，一般不放在杂环化合物中讨论。
本章讨论的是环系比较稳定，并且在性质上具有一定芳香性的杂环化合物。
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；多杂环稠杂环、桥杂环及螺杂环，其中以稠杂环较为常见。
二、命名杂环化合物的名称包括杂环母体及环上取代基两部分。
杂环母环的命名有音译法和系统命名法2种。
音译法：是用外文谐音汉字加“口”偏旁表示杂环母环的名称。
如呋喃等。
系统命名法：是把杂环看作杂原子转换了相应碳环中的碳原子，命名时以相应的碳环为母体，在碳环名称前加上杂原子的名称，称为“某（杂）某”。
如吡啶称为氮（杂）苯，喹啉称为1-氮（杂）萘。
杂环母环的编号规则（1）含1个杂原子的杂环，从杂原子开始用阿拉伯数字或从靠近杂原子的碳原子开始用希腊字母编号。
（2）如有几个不同的杂原子时，则按O 、S 、-NH-、-N=的先后顺序编号，并使杂原子的编号尽可能小。
（3）有些稠杂环母环有特定的名称和编号原则。
杂环的命名如下：2-硝基吡咯 4-甲基吡啶 2-甲基-5-苯基噻唑 α-硝基吡咯 γ-甲基吡啶3-甲基-8-羟基喹啉 1-甲基-7-氯异喹啉 1-甲基-2-巯基咪唑 2-呋喃甲醛（糠醛） 2-噻吩磺酸 3-吡啶甲酰胺α-呋喃甲醛 α-噻吩磺酸 β-吡啶甲酰胺N H NO 2N CH 3N S C 6H 5CH 3N CH 3CH 3N Cl N CH 3N SH O CHO S SO 3H N CONH 2三、五元杂环化合物（一）吡咯、呋喃和噻吩1、结构与芳香性吡咯环的4个碳原子和1个氮原子都以SP 2杂化轨道成键。
大学有机化学 第二版 叶非 袁光耀主编 课后习题答案第12章
第 12 章 杂环化合物
(1) α-呋喃乙酸 (2) α-噻吩磺酸 (3) 4-甲基咪唑 吡咯 > 呋喃 > 噻吩 > 苯 > 四氢吡咯>吡啶>苯胺>吡咯 习题
12-1 (1) 2,4-二甲基噻唑 (2) N-甲基吡咯 (3) 5-溴-2-呋喃甲酸 (4) 3,5-二甲基吲哚 (5) 3,5-二溴吡啶 (6) 8-羟基喹啉 (7) 6-氨基嘌呤 (8) 2,3-吡啶二甲酸 (9) 2-氨基嘧啶 12-2
3-呋喃甲醛
12-3
12-4 (1) 六氢吡啶>氨>吡啶>吡咯 (2) 甲胺>γ-甲基吡啶>吡啶>苯胺 12-5 (1) 加入盐酸，吡啶与盐酸成盐，过滤后得甲苯 (2) 加苯磺酰氯，与六氢吡啶生成沉淀，过滤后得吡啶 (3) 加入浓硫酸，与噻吩生成噻吩磺酸而溶于硫酸中，分液得苯 12-6
12-8 2-呋喃甲醛 或
第十二讲 杂环化合物
S
1 2 a
O
O
基本环环边编号
N O N H N
基本环
N N
N N
O
噻吩并[3,2b]吡咯
呋喃并[3,2b]吡喃
吡唑并[4,5d]恶唑
吡嗪并[2,3d]哒嗪
二、六元杂环化合物
（一）吡啶：
H H H N
吡啶分子 中的键
H H
吡啶分子 中的p轨道
N
吡啶分子中 的共轭体系
吡啶键长平均化程度较高，有芳香性。 吡啶环亲电取代比苯难。 取代基进入间位，且收率偏低。
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
α-吡喃 α-吡喃酮 γ-吡喃 γ-吡喃酮 香豆素
O
H
+
色酮
OH
O
O
γ -吡喃酮的徉盐是芳香体系。
CH=CHPh N PhCH=CH N CH=CHPh
羟醛缩合型
CH3 N H3C N CH3
PhLi
CH2Li N H3C N CH3
C H3I
CH2CH3 N H3C N CH3
烷基化反应
嘧啶的合成
由-二羰基化合物（或类似物）与1,1-二胺类 化合物合成
常用的1,1-二胺类化合物：
H2N O H2N
N
-甲基吡啶
COOH
N
H
N
-呋喃甲醛 3-呋喃甲醛
-吡啶甲酸 3-吡啶甲酸
-吡咯甲酰胺 2-吡咯甲酰胺
-吡啶甲酸 3-吡啶甲酸
互变异构
H N H3C N N H N
H3C
Br
H N N Br
N NH
第十二章杂环化合物
第十二章杂环化合物【学习目标】1、说出杂环化合物的概念；2、能按照IUPAC（1979）原则对杂环化合物进行命名；3、掌握简单杂环化合物的结构特点，了解其性质和应用；4、认识常见的杂环化合物的衍生物，了解它们的应用。
在有机化合物中，除碳、氢以外的其他元素的原子通常被称为杂原子，而在环状化合物中，如果其环中除碳原子外，还含有杂原子，则该环即为杂环，该化合物称为杂环化合物，杂环中所含杂原子一般为氮、氧、硫等。
杂环化合物在自然界中分布广泛，例如，植物中的叶绿素和动物血红蛋白中的血红素同属卟啉类的杂环化合物，由于其结构中心的金属离子不同而显不同颜色，叶绿素为镁卟啉显绿色，血红素为铁卟啉显红色；此外，其他如核酸中含嘌呤、嘧啶等杂环化合物等等。
在现代药物体系中，含杂环结构的药物也占了相当大的比例，例如增强胃动力的多潘立酮（又称吗丁啉）结构中含有两个苯并咪唑杂环，再如人类发现的第一个抗生素——青霉素也含有杂环结构，还有常用于治疗肠道感染的氟哌酸结构中含有喹啉杂环结构，诸如此类含有杂环结构的药物数不胜数。
因此，杂环化合物在有机化合物中占有非常重要的地位，学好本章内容是我们步入药学学科领域的关键一步。
内酯、内酰胺和环醚等化合物都属于杂环化合物，但这些化合物的性质与其同类的开环化合物基本相同，因此，本章不再对其重点介绍，本章着重讨论芳香性杂环化合物，亦称其为芳（香）杂环化合物（aromatic heterocycles）。
第一节分类和命名一、分类杂环化合物有多种分类方法，按含杂原子数目分为含一个、两个或多个杂原子的杂环；按环的形式可分为单杂环和稠杂环；还可以按照环的大小分为五元杂环和六元杂环。
二、命名杂环结构纷繁复杂，其命名亦如是。
按照IUPAC（1979）（国际纯粹应用化学联合会）原则的规定，保留45个杂环化合物的俗名并以此作为命名的基础。
我国则对这45个俗名进行音译，并以此为基础对其他的杂环化合物进行命名。
这些被保留下来的俗名主要有：命名的注意事项有：（1）以上杂环的俗名已表明杂环含有最多数目的非积累双键，结构中的饱和氢原子被称为“指示氢．．．”或“标氢”。
第十二章 杂环化合物
S
N H
O
C、S、N、O中电负性是O > N >S >C 因此芳香 性的强弱为以上排列。
(2) 五元杂环化合物是富电子体系，而苯环为等电子 体系，故环上的电子云密度比苯高，其亲电取代反应比苯 容易，尤其易发生在α- 位。杂原子的存在相当于在环上 引入了― NH2、―OH、 ―SH 等活化基团而使环活化， 故进行亲电取代反应的活泼顺序是：
1. 五元杂环化合物
4 3 2
Z
C
C2
C3
C3
C4
呋喃 吡咯 噻吩
0 .1 3 6 (0 .1 4 3 ) 0 .1 3 7 0 (0 .1 4 7 ) 0 .1 7 1 4 (0 .1 8 2 )
0 .1 3 6 1 0 .1 3 8 3 0 .1 3 7 0 C =C 0 .1 3 4
0 .1 4 3 0 0 .1 4 1 7 0 .1 4 2 3 C C
发生部分α位。富电子五员杂环与吡咯相似。
O + C H 3C O O N O 2 硝酸乙酰酯
-5 ~ 3 0 ℃ __
O
0℃ 乙酸或乙酐
-1 0 ℃ 乙酐
4
N O 2 + C H 3C O O H
S
+ C H 3C O O N O 2
__
S
__
N O 2 + C H 3C O O H
N H
+ C H 3C O O N O 2
S 四氢噻吩
N H
+ 2H 2
Ni 200℃
N H 四氢吡咯
+ H2 N
Pt C H 3C O O H
N H
碱性强弱：六氢吡啶 > 吡啶 （仲胺） （叔胺）
第十二章杂环化合物
第⼗⼆章杂环化合物第⼗⼆章杂环化合物【学习⽬标】1、说出杂环化合物的概念；2、能按照IUPAC（1979）原则对杂环化合物进⾏命名；3、掌握简单杂环化合物的结构特点，了解其性质和应⽤；4、认识常见的杂环化合物的衍⽣物，了解它们的应⽤。
在有机化合物中，除碳、氢以外的其他元素的原⼦通常被称为杂原⼦，⽽在环状化合物中，如果其环中除碳原⼦外，还含有杂原⼦，则该环即为杂环，该化合物称为杂环化合物，杂环中所含杂原⼦⼀般为氮、氧、硫等。
杂环化合物在⾃然界中分布⼴泛，例如，植物中的叶绿素和动物⾎红蛋⽩中的⾎红素同属卟啉类的杂环化合物，由于其结构中⼼的⾦属离⼦不同⽽显不同颜⾊，叶绿素为镁卟啉显绿⾊，⾎红素为铁卟啉显红⾊；此外，其他如核酸中含嘌呤、嘧啶等杂环化合物等等。
在现代药物体系中，含杂环结构的药物也占了相当⼤的⽐例，例如增强胃动⼒的多潘⽴酮（⼜称吗丁啉）结构中含有两个苯并咪唑杂环，再如⼈类发现的第⼀个抗⽣素——青霉素也含有杂环结构，还有常⽤于治疗肠道感染的氟哌酸结构中含有喹啉杂环结构，诸如此类含有杂环结构的药物数不胜数。
因此，杂环化合物在有机化合物中占有⾮常重要的地位，学好本章内容是我们步⼊药学学科领域的关键⼀步。
内酯、内酰胺和环醚等化合物都属于杂环化合物，但这些化合物的性质与其同类的开环化合物基本相同，因此，本章不再对其重点介绍，本章着重讨论芳⾹性杂环化合物，亦称其为芳（⾹）杂环化合物（aromatic heterocycles）。
第⼀节分类和命名⼀、分类杂环化合物有多种分类⽅法，按含杂原⼦数⽬分为含⼀个、两个或多个杂原⼦的杂环；按环的形式可分为单杂环和稠杂环；还可以按照环的⼤⼩分为五元杂环和六元杂环。
⼆、命名杂环结构纷繁复杂，其命名亦如是。
按照IUPAC（1979）（国际纯粹应⽤化学联合会）原则的规定，保留45个杂环化合物的俗名并以此作为命名的基础。
我国则对这45个俗名进⾏⾳译，并以此为基础对其他的杂环化合物进⾏命名。
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N N H
N
N H
N
N S
O
N
S
O
N
噁唑 吡唑 异噁唑 噻 唑 异噻唑 咪唑 (imidazole) (pyrazole) (thiazole)(isothiazole) (oxazole) (i
N
碱性
N
H
咪唑
1.物理性质 分子极性增加，熔沸点较高，水溶性增加(与水有氢键） 2.化学性质
N5
4
f h g
a b c ed
N c 4
6H- 吡唑并［4,5 -d］噁唑
9-甲基苯并［h］异喹啉
三、五元杂环化合物 （一）结构 与芳香性
O
O
环上所有原子都采取sp2杂化； 各原子以sp2轨道相互形成σ键；
S
6 5
三种杂环均具有芳香性
S
噻吩 (thiophene )
N1 H
5 α
吡咯 (pyrrole )
五元杂环中含两个或两个（至少含有一个氮原子）以上 的杂原子的体系称唑(azole) 编号按O,S,NH,N的顺序编号
N3 4 3 2 N2 5 5 N1 N1 H H 咪唑 吡唑 (imidazole ) (pyrazole )
S
+
H2SO495%
25℃
S SO3H α-噻吩磺酸
④F-C酰化反应 吡咯、呋喃、噻吩在温和催化剂下，可发生F-C反应；吡咯 活性最大，直接酰化。 O 2-乙酰基吡咯 200℃ CCH3 Ac2O N + N H H
O
+ +
Ac2O
BF3 O
H3 PO4 S COCH3
COCH3
S
Ac2O
备注：F-C烷基化反应是多烷基化的混合物
N
2H-吡咯
O
α
O
α
α--吡喃 2H-吡喃
γ--吡喃 4H-吡喃
N
N H
N
N N N H
N N N H
9H-嘌呤
1H-吲哚
3H-吲哚
N
7H-嘌呤
②杂环不含有最多数目的非累积双键时，多出的氢 原子为外加氢，要指明外加氢的位置和数目。
N H
2,5-二氢吡咯
O
四氢呋喃 THF
③无特定名称的稠杂环命名：将两个单杂环 合并在一起， 在此基础上命名。
血红素
叶绿素A
4、呋喃及其重要衍生-----糠醛
O CHO α-呋喃甲醛
无色液体，沸点162℃，在空气中易被氧化变黑。 用途：优良溶剂；精炼石油，溶解含硫物质及环烷烃 ，脱除 色素，溶解硝酸纤维 ，重要的化工原料，用于合成酚醛树脂 及药物 [o]
O NaOH 33% (CH3CO)2O CH3COOK H2NOH O CH NOH O CH CHCOOH COOH
N H
COOH
α-吡咯甲酸
N H
CHO >150℃ N COCH3 N H N H
α-吡咯甲醛
COCH3
α-乙酰基吡咯
CH3
CH3l 60℃
>150℃ N CH3
α-甲基吡咯
（2）亲电取代反应（呋喃、吡咯避免强酸下开环）
β4 α5 3β β4 α5 3β
β4 α5
亲电取代主要在α位
3β
O1
2α
S1
（1）碱性 唑类分子中2-位或3-位氮有孤对电子，呈碱性 碱性： 咪唑＞噻唑 ＞噁唑 (2）亲电取代反应 唑类分子中2-位或3-位氮有吸电子性，使环电子云密 度降低,亲电反应比苯难. N N N > > N > N O S N H H
亲电反应活性降低，对氧化剂、对酸不敏感.
发烟 HNO3
N
发烟 HNO3
附加环
O
基本环 苯 并 呋喃 原则(1)杂环为基本环 （2）大环为基本环
（3）N.O.S顺序 （4）杂原子数多 （5）杂原子种类多 （6）编号小的
命名步骤：①确定基本环和附加环（原则） ②附加环用1,2,3· · · · · · 标注各原子 ③基本环用a,b,c· · · · · · · 表示各边
1
杂环化合物在自然界分布很广，如叶绿素、血红素、 花色素、核酸等。生物碱、维生素、抗生素中大多含有杂环， 不少合成药物（磺胺、吡唑酮、呋喃类）、染料中也含有杂 环。
CH2CONH N
青霉素G
S
CH3 CH3 COOH
O
一、杂环化合物的分类
五元环 （1） 按环的大小分 六元环
N O
O
S
N H
单环 （2） 按环的数目分 稠环
（3）催化加氢
呋喃、吡咯、噻吩催化加氢后，失去芳香性，得到饱和的杂环化合物。
N H
H 2 Ni 200℃
四氢吡咯 有机碱
N H
O
H 2 Ni 50℃
O
四氢呋喃 THF 性质类似环醚 重要溶剂
S
H2 MoS2
四氢噻吩
S
3、吡咯及其重要衍生物
（1）性质 无色液体，苯胺味，难溶于水，易溶于有机溶剂，易 氧化，颜色变深，遇酸易聚合成树脂状。 （2）重要衍生物---血红素、叶绿素
NO2 N H N
N H
N N H SO3H
N
4-硝基吡唑
1,2-二唑亲电取代位置
N H N
N H
N N H
NO2
5-硝基咪唑
发烟 H2SO4
思考:
S
N
O
N
亲电取代反应发生在几号位?
(3)互变异构现象
CH3 N
CH3 NH
N N 3(5)甲基吡唑 H 3-甲基吡唑 5-甲基吡唑
N CH3 N H 4(5)-甲基咪唑
N
7 8
6 7 8 9
5
4 3 2 1
N
10
S
吩嗪
N 10 H
吩噻嗪
请务必熟练掌握以下16个杂环化合物！
O 呋喃
S 噻吩
N H 吡咯
N N H
咪唑
N
N O
噁唑
N H 吡唑
N
S
噻唑
O
N
异噁唑
N
N
N
吡啶
N
N H 吲哚
N
N
N
嘧啶
N
N
吡嗪
哒嗪
N
N H 嘌呤
N
喹啉 异喹啉
N
（二）取代杂环化合物的命名 编号原则：
N H
哌嗪
1,4-环 已 二 烯 1,4-cyclohexadiene
O
O
O
O
α--吡喃
γ--吡喃
α--吡喃酮
γ--吡喃酮
3、稠杂环
4 5 6 7 N1 H 3 2
吲 哚(indole)
茚
7 N 1N 8 2 N 4 N H9 3 5
5 6 7 8 N 1 4 4 3 2
6
嘌 呤(purine)
2α
N1 H
Br
2α
①卤代
O
Br2 0℃
O O
O
Br2 20℃ S HAc S Br
吡咯活性最大，往往得到四取代物。
Br2 0℃ EtOH Br Br N H Br Br
N H
② 硝化
非质子硝化试剂:
O CH3 C ONO2 硝酸乙酰基酯
O CH3 C O
O CCH3+ HNO3
O CH3 C ONO2 + CH3 COOH
1
④取代稠杂环化合物的命名
首先对环编号，确定取代基位置，原则与单环相似，共用
杂原子编号，共用碳原子一般不编号，如需编号时，则根 据其前面相连碳原子号X以Xa标示（如2a,3a)
7
N
6 5 4
aS b Nc
3 1
1 2
5-苯基咪唑并［2,1 -b］噻唑
Ph
aO e b d
H
5
N1
N
3 2
2 3N
O
H N6
1,3,7-三甲基嘌呤-2,6-二酮
SO3H
7-溴-8-羟基喹啉-5-磺酸
Br OH N
命名时，这些问题需要注意：
①杂环含有最多数目的非累积双键时，常含互变异构体，
饱和氢原子（“指示氢”或“标氢”）的位置不相同。 常用位号加“H”作词头（斜体）表示标氢位置不同的异 γ γ 构体。 β
β
N H
1H-吡咯
4-甲基咪唑
H N N
CH3
5-甲基咪唑
3.吡唑及其重要衍生物 吡唑无色针状晶体，熔点70℃ CH3 嘧吡唑 N 解热镇痛消炎药 CH3O N
N CH3O N CH3
4-甲基-2-（3-甲基-5-甲氧基吡唑基）-6-甲氧基嘧啶
O
+
H3 C
安乃近（罗瓦尔精） Na O S CH2
O
N N
CH3 N CH3
N
N H
O
S
N H
N
二、杂环化合物的命名
（一）基本杂环的名称 A、母杂环：杂环化合物的命名采用外文名的音译，用带 “口”字的同音汉字表示。 B、编号：从杂原子开始编号；有些稠杂母环有特定编号。
茂（环戊二烯）
1、五元杂环
β 4 α 5
3 β
β 4 α 5
3 β
β 3 α 2
4 β
O1
2α
S1
2α
呋喃 (furan )
O
CHO
糠醛 α- 呋喃 甲醛
杂环作取代基
5 6