第14章 杂环化合物
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第十四章杂环化合物
吡啶结构 示意图
2 性质 （1）具有一定的芳香性，但不及苯强。这是由 于氮原子的电负性比碳原子大, 使得吡啶环上的 碳原子电子云密度较苯低, 氮原子附近电子云密 度较大,电子云密度分布没有苯环均匀。亲电取 代反应比苯困难，取代基主要进入氮原子的β位 反应比苯难。
是由于吡啶环上氮原子的吸电子作用使得环上
(Ⅰ) 9H -嘌呤
(Ⅱ) 7H -嘌呤
嘌呤本身在自然界中不存在, 但它的衍生物广泛 分布于动植物中, 其中腺嘌呤(adenine)和鸟嘌呤 (guanine)是嘌呤的两个重要衍生物，均为核酸的 碱基。
腺嘌呤(A)
鸟嘌呤(G)
次黄嘌呤、黄嘌呤和尿酸是腺嘌呤与鸟嘌呤在体
内的代谢产物，均为嘌呤的衍生物, 存在于哺乳
吡啶较苯易被还原, 用金属钠和乙醇或催化加氢, 均可使吡啶还原成六氢吡啶。
六氢吡啶又称哌啶(pKb=2.8), 是仲胺化合物, 碱性 较吡啶强106倍 二．嘧啶及其衍生物 嘧啶是含有两个氮原子的六元杂环。无色固体, 熔点为22℃，易溶于水，也具有弱碱性，亲电取 代反应也较困难。
嘧啶的衍生物在自然界分布很广, 它可单独存在
3） 当杂环上有取代基时, 先将取代基的名称放 在杂环基本名称的前面，并把主体环的位号写 在取代基的名称前面，以表示取代基在主体环 上的位置。
2 -甲基呋喃 3-乙基吡啶 4-丙基吡啶
4） 对于一些简单的稠杂环化合物，可直接采 用音译法命名并有其固定的编号
喹啉 异喹啉
吲哚
吖啶
嘌呤
5） 当环上只有一个杂原子时, 有时以希腊字 母α、β、γ编号, 靠近杂原子的碳原子为α-位, 其次为β-、γ-位
或与其它环系稠合存在于维生素、生物碱及蛋白 质中, 许多合成的药物也含有嘧啶结构。在核酸 的组成中, 包括有胞嘧啶(cytosine)、尿嘧啶(uracil) 和胸腺嘧啶(thymine)等。
2 性质 （1）具有一定的芳香性，但不及苯强。这是由 于氮原子的电负性比碳原子大, 使得吡啶环上的 碳原子电子云密度较苯低, 氮原子附近电子云密 度较大,电子云密度分布没有苯环均匀。亲电取 代反应比苯困难，取代基主要进入氮原子的β位 反应比苯难。
是由于吡啶环上氮原子的吸电子作用使得环上
(Ⅰ) 9H -嘌呤
(Ⅱ) 7H -嘌呤
嘌呤本身在自然界中不存在, 但它的衍生物广泛 分布于动植物中, 其中腺嘌呤(adenine)和鸟嘌呤 (guanine)是嘌呤的两个重要衍生物，均为核酸的 碱基。
腺嘌呤(A)
鸟嘌呤(G)
次黄嘌呤、黄嘌呤和尿酸是腺嘌呤与鸟嘌呤在体
内的代谢产物，均为嘌呤的衍生物, 存在于哺乳
吡啶较苯易被还原, 用金属钠和乙醇或催化加氢, 均可使吡啶还原成六氢吡啶。
六氢吡啶又称哌啶(pKb=2.8), 是仲胺化合物, 碱性 较吡啶强106倍 二．嘧啶及其衍生物 嘧啶是含有两个氮原子的六元杂环。无色固体, 熔点为22℃，易溶于水，也具有弱碱性，亲电取 代反应也较困难。
嘧啶的衍生物在自然界分布很广, 它可单独存在
3） 当杂环上有取代基时, 先将取代基的名称放 在杂环基本名称的前面，并把主体环的位号写 在取代基的名称前面，以表示取代基在主体环 上的位置。
2 -甲基呋喃 3-乙基吡啶 4-丙基吡啶
4） 对于一些简单的稠杂环化合物，可直接采 用音译法命名并有其固定的编号
喹啉 异喹啉
吲哚
吖啶
嘌呤
5） 当环上只有一个杂原子时, 有时以希腊字 母α、β、γ编号, 靠近杂原子的碳原子为α-位, 其次为β-、γ-位
或与其它环系稠合存在于维生素、生物碱及蛋白 质中, 许多合成的药物也含有嘧啶结构。在核酸 的组成中, 包括有胞嘧啶(cytosine)、尿嘧啶(uracil) 和胸腺嘧啶(thymine)等。
第十四章杂环化合物
C O O OCH3
CH3
CH3
R'=(CH3)2CHCH2CH2(CH2CHCH2CH2)CH2C=C CH2
O S H3C N H O O CH3
R
OH H3C H3C CH3 CH3 OH O
Epothilone A(R=H)； B(R=CH3)
1993年发现的一种高效抗癌物质
14.1 杂环的分类和命名 14.1.1 分类
o
Br
Br2
Br +
Br
（c ）卤化
N
300 C
o
N
N
（d）还原 吡啶可被催化加氢为六氢吡啶（哌 啶）。六氢吡啶的碱性（PKb=2.7）与一般脂肪族 仲胺相近。
+ 3H2 N Ni 180C
o
N H
5 、 吡啶环上的亲核取代
NaNH2 N
N H2O NHNa
N
NH2
C6H5Li N
N C6H5
吡啶2-和4-位上甲基具有酸性（类羟醛缩合）。
路易斯酸
SO3 N CH2Cl2,室温 N
SO3 N
SO3
N SO3 HCl O ClCH2CH2Cl,1000C O SO3 N H O SO3H (41%)
吡啶是良好的亲核试剂，与卤代烷、酰卤等反应 形成吡啶盐，都是很好的固体，有芳香性（反应时并 未破坏它的环状封闭共轭体系），是活性强而温和的 硝化、磺化、烷基化或酰基化试剂。
2 1
N
5
3 4
9 8
N
7
1,3,5-三嗪 1,3,5-triazine
酞嗪 Phthalazine
6
1,10-菲咯啉
1,10phenanthroline
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。
本科五年制基础有机化学第14章杂环化合物
第14章 杂环化合物
杂环化合物的定义
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） 下列化合物不被划归为杂环化合物
O
O CH2 C O
CH3
O
O
CH2 C
O O CH3
OO
O
易开环，性质与链状相似，不划归入杂环
一、分类和命名 1. 五元杂环
吡咯
N H
H3C OH H N
HO
H3C O
COOH
2. 功能 参与辅酶A的形成，是酶的转酰基辅因子。
轻度缺乏可致疲乏、食欲差、消化不良等。 重度缺乏可致肌肉协调性差; 肌肉及胃肠 痉挛等
3. 来源 肉类、动物肾脏与心脏、谷类、麦芽、
绿叶蔬菜、啤酒酵母、坚果、糖蜜等
（五）维生素B6
1. 结构
CH2OH
CHO
痛、皮疹
3. 来源 动物性食品：肝、蛋黄、奶油 植物性食品：类胡萝卜素（维生素A原 — 本
身不具有VA活性，但在体内可转变为VA的物质）
（二）维生素E（生育酚）
1. 结构
CH3 HO
-生育酚
H3C
O CH3
CH3
CH3
CH3
2. 功能
CH3 CH3
参与多种酶活动，维持和促进生殖机能 天然抗氧化剂、抗衰老、 防癌及增强免疫作用
3. 来源
植物油. 麦胚, 硬果, 种子类, 豆类, 谷类
（三）维生素K
1. 结构
O CH3
维生素K1
O CH3 维生素K2
O
CH3
2、功能
3H CH3
6H
O
CH3
促进凝血因子形成，加速血液凝固。 维生素 K缺乏会导致凝血功能障碍, 出现全身多部位出血 甚至颅内出血。
杂环化合物的定义
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） 下列化合物不被划归为杂环化合物
O
O CH2 C O
CH3
O
O
CH2 C
O O CH3
OO
O
易开环，性质与链状相似，不划归入杂环
一、分类和命名 1. 五元杂环
吡咯
N H
H3C OH H N
HO
H3C O
COOH
2. 功能 参与辅酶A的形成，是酶的转酰基辅因子。
轻度缺乏可致疲乏、食欲差、消化不良等。 重度缺乏可致肌肉协调性差; 肌肉及胃肠 痉挛等
3. 来源 肉类、动物肾脏与心脏、谷类、麦芽、
绿叶蔬菜、啤酒酵母、坚果、糖蜜等
（五）维生素B6
1. 结构
CH2OH
CHO
痛、皮疹
3. 来源 动物性食品：肝、蛋黄、奶油 植物性食品：类胡萝卜素（维生素A原 — 本
身不具有VA活性，但在体内可转变为VA的物质）
（二）维生素E（生育酚）
1. 结构
CH3 HO
-生育酚
H3C
O CH3
CH3
CH3
CH3
2. 功能
CH3 CH3
参与多种酶活动，维持和促进生殖机能 天然抗氧化剂、抗衰老、 防癌及增强免疫作用
3. 来源
植物油. 麦胚, 硬果, 种子类, 豆类, 谷类
（三）维生素K
1. 结构
O CH3
维生素K1
O CH3 维生素K2
O
CH3
2、功能
3H CH3
6H
O
CH3
促进凝血因子形成，加速血液凝固。 维生素 K缺乏会导致凝血功能障碍, 出现全身多部位出血 甚至颅内出血。
第十四章杂环化合物
1 五员芳杂化合物的亲电取代反应
取代位置
E
+
E
+
A
A
E
A
a-取代 主要产物 反应相对活性
b-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）
i. 取代在a位
E+ A a取代 A E A E A
中间体较稳定
H E
贡献最大
H
（满足八隅体）
主要产物（例外）
Br HNO3 / Ac2O S S
Br
NO2
b位给电子基
COOH
Br2 CH3COOH Br S
COOH
S
b位吸电子基
从中间体稳定性分析取代基对反应取向的影响
(i) a 位有给电子基
E E
4 5 3
+
E G G
进入3位
A A
• 二个共振式 • 推电子基使 稳定
A
G E+ E+
较稳定
进入4位
E G
E A G
进入5位
A
• 二个共振式 • 推电子基未 起作用
不稳定 • 三个共振式 • 推电子基使 稳定
E
A
G
E
A
G
E
A
G
最稳定
(ii) a 位有吸电子基
E 4 5 3 E
E 进入3位
+
A A W
W
A
W
• 二个共振式 • 吸电子基使 不稳定
不稳定
E+ E
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
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
第十四章芳香杂环化合物
键长：
0.144 nm 0.1354 0.1371 0.1352 0.1455 nm 0.1371 0.1429 nm
O
0.1718
S
0.1383
N H
饱和化合物
C C O: 0.143 nm C: 0.154 nm C N: 0.147 nm C S: 0.182 nm
C=C: 0.134 nm
NH3 Cl
+
Cl+
N CH3 N
嘧啶环
C N H2 s
C CH3 CH2CH2OH
噻唑环
N
维 素 1 生 B
5
s
2
1
噻唑为无色有吡啶气味的液 体，b.p. 117oC, 与水混溶. 环上的 氮原子有碱性, 化学性质稳定，不 易发生亲电取代反应。
N CO 青霉素G中四元环内酰胺很不 HOOC 稳定，对酸、碱都很敏感，特 CH3 CH-NH-CO-CHC6H5 别容易被酸水解。口服后在胃 2 CH3 s 中水解，β内酰胺的四元环打 氢化噻唑环 开而失效，现口服青霉素就是 青 素 霉 G 将其中-CH2C6H5换为
吡啶又称氮杂苯。最初由干馏动物的骨骼得到，其衍生物 广泛存于自然界，例维生素PP、维生素B6。辅酶Ⅰ及辅酶Ⅱ 也含有吡啶环。工业上从煤焦油提取吡啶和甲基吡啶。一些 生物碱中常含有吡啶或氢化吡啶环。
CO2CH3
N N CH3 N N CH3
NCH3
OCOC6H5
烟碱
新烟碱
古柯碱(可卡因)
吡啶的重要衍生物有维生素、异烟肼（抗结核药物）等。
第十四章 芳香杂环化合物和维生素
Ａromatic ｈeterocycles and vitamin
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反应强烈，易得多卤取代物。为了得一卤代(Cl, Br)产物，要采用低温、溶剂稀释等温和条件。
Br2,ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ0℃
O
O
O 稀释
O
Br
(86 %)
Br Br N H
Br Br Br2, 0℃ EtO H
NB S
N H
N H
Br
1.亲电取代反应 小 结：
因吡咯、呋喃、噻吩的环上电子云密度比苯大， 故比苯活泼。取代基进入α 位。 亲电取代反应活性：吡咯>呋喃>噻吩>苯。 吸电子诱导：O(3.5) > N(3.0) > S(2.6) 给电子共轭：N > O > S 综合：N贡献电子最多，O其次，S最少
吡咯、呋喃不太稳定，磺化时直接使用质子酸会 发生聚合或开环，所以使用较温和的磺化剂：吡啶 与三氧化硫的加合物。
N + SO3 CH2Cl2
室温
N SO3
HCl
N SO3
N H 100℃ N H
SO3-
N H
SO3
-
SO3H N H
HCl
N SO3
O ClCH2CH2Cl r.t.days O
N H
SO3H O
五元杂环的反应有两点需要注意： （1）呋喃、吡咯、噻吩对氧化剂都敏感， 遇到氧化剂时环都很容易被破坏。 （2）呋喃、吡咯、噻吩在酸性条件下能不同程 度发生质子化。吡咯在强酸作用下会发生聚
合生成吡咯红；呋喃在稀酸水溶液中质子
化发生在氧上，会导致开环反应发生。相对来说 噻吩对于酸比较稳定。
（1）磺化反应
第14章 杂环化合物 内容提要: 一、杂环化合物的定义、分类与 命名 二、五元单杂环化合物 三、六元单杂环化合物 四、稠杂环化合物
一、杂环化合物的定义、分类与命名 （一）定义
广义来讲，构成环的原子除了碳原子外，还含有一个 或多个非碳原子(杂原子)的化合物称为杂环化合物 。
常见的杂原子（hetero-atom）：N、O、S 。
一、杂环化合物的定义、分类与命名
O O
O
环氧乙烷
O 氮杂环丙烷 γ-丁酸内酯 γ-丁内酰胺 马来酸酐
N H
O
O
N H
O
这些化合物中虽然含有杂原子，但不稳定 易开环，性质类似于开链化合物。习惯上认为 的杂环化合物是： 定义：含有杂原子，具有芳香性或一定程度稳 定性的环状化合物叫杂环化合物。
一、杂环化合物的定义、分类与命名 （二）杂环化合物的分类和命名 单杂环 五元杂环、六元杂环。
异喹啉 (isoquinoline)
吲哚 (indole)
1. 基本杂环结构
杂环与杂环的稠合：
6 1N 2 5 4
N N H N7
8 7 6 5
9
1 2 3 4
3
9
8
嘌呤 (purine)
10 吖啶 (acridine)
N
几个重要的含氮杂环化合物
吲 哚 喹 啉 左 并 苯
4 5 3 (β ) 2 (α )
第14章 杂环化合物
杂环化合物广泛地存在于自然界，是有机化 合物中数目最庞大的一类。邢其毅先生在给花 文廷《杂环化合物》一书的序言中写到：杂环 化合物占有机化合物总数的65%，论文占有机 化学的1／3…..。 生物体内具有重要生理功能的两大色素： 血红素和叶绿素具有杂环； 对生物的生长、繁殖、遗传、变异起决定性 作用的核酸具有杂环。
为什么吡咯分子的偶极矩与四氢吡咯 的方向相反？
N H
N H
2. 吡咯、呋喃和噻吩的化学性质
（1）亲电取代反应 亲电取代活性比苯大， 且α位比β位活泼。
143pm -0.06 -0.10
pm N +0.32
H
13 8
吡咯的电荷分布和键长
富有电子的大π键。电子离域的 结果，使得杂原子上的电子云密 度降低，环上各碳原子的电子云 密度升高（杂原子的活化作用相 当于酚羟基），键长在一定程度 上发生平均化。
4 4 5
N3 N1 H
4 3 2 5 6
N N3
5 6
N
N1 H
2
2
吡咯
4 5 6 7
N1 H
咪唑
5 3 2 6 7 8
N
吡啶
4 3 2 1
1
嘧啶
6 5 4
N N7 N H
1
1N 2
3
9
8
间 氮 咪 唑 和 嘧 啶
吲哚
喹啉
嘌呤
嘧（啶）咪（唑）稠合是嘌呤。
记 忆 口 诀： 氮五吡咯六吡啶； 间氮咪唑和嘧啶； 吲哚喹啉左并苯； 嘧咪相稠是嘌呤。
指出下列杂环化合物中，各含有哪些杂环 母核？
（ 1）
N N N H NH CH2 N
（ 2）
O CH3 N N CH2 NH2
Cl N
+
S CH2CH2OH CH3
激动素（一种植物激素）
维生素 B1（硫胺素）
（1）含嘌呤环和呋喃环 （2）含嘧啶和噻唑环
2.取代杂环的命名(P.298)
编号的原则：对于单杂环，从杂原子开 始，用阿拉伯数字（或α、β、γ）表示； 若同一环上有多个杂原子，则按O、S、NH （仲氮）和N（叔氮）的顺序编号。
5 6 7 8
4
CH3
NH2
6
3
N CH3
1 N 2
2
5 4
N7
8
1
N
3
N H
9
1,4-二甲基异喹啉 1,4-二甲基异喹啉 (1,4-dimethylisoquinoline)
6-氨基嘌呤 6-氨基嘌呤（腺嘌呤， A） （腺嘌呤）
(6-aminopurine, adenine)
2.取代杂环的命名
有时，为了命名的方便，也将杂环作为取代 基，以官能团作为母体来命名。
通常用比较温和的非质子硝化剂，且在低温下进行。
O O O
=
CH3COCCH3 + HNO3
= =
CH3CONO2 + CH3COOH
乙酰硝酸酯
O N H + CH 3CONO2 Ac2O 50℃ N H NO2 NO2 + N H β-硝基吡咯 17%
α-硝基吡咯 83%
（2）硝化反应
O
+
S
CH 3CONO 2
+
Α-呋喃磺酸或 呋喃-2-磺酸
N Cl H
（1）磺化反应
浓H2SO4 S 室温 S SO3H
浓H2SO4 室温
噻吩环较稳定，磺化可在室温下直接使用浓硫酸， 生成的α-噻吩磺酸溶于浓硫酸。苯在室温下不与浓
硫酸反应，据此，常用浓硫酸洗涤来除去苯中的噻吩。
（2）硝化反应
呋喃,吡咯和噻吩易氧化, 一般不用硝酸直接硝化;
4 5
O1
3β 2α
N S CH3
H 3C
N N H
CH3
2-甲基呋喃 （α -甲基呋喃） (2-methylfuran)
5-甲基噻唑 5-methylthiazole
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 子的编号较小如喹啉、异喹啉和吲哚。值得注意的是嘌 呤，不仅公用碳参与编号，而且编号的顺序很特殊。
（三）吡咯的重要衍生物
2.叶绿素
叶绿素是绿色植物进行光合作用所必须的催化剂。光 合作用的实质是绿色植物将太阳的光能转化成化学能 的过程。叶绿素由“现代有机合成之父”Woodward历 时4年经30多步反应，于1960年合成。(1965或诺奖)
（三）吡咯的重要衍生物
3.维生素B12
1926年发现肝脏提取 液可治疗恶性贫血， 1948年得到纯品暗红 色的结晶物。1954年 测得其结构。 合成工作在Woodward 的组织下前后有19个国 家的一百多位化学家参 加，经95步反应，历时 11年，于1972年宣告完 成。VB12的合成被成为 有机化学界的“阿波罗 登月”。
(四)、含两个杂原子的五元杂环化合物 （一）唑的结构和物理性质
N S 噻吩 N H 咪唑 N
H 3 N C H C C H N H
1
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。
（二）咪唑
1. 咪唑的酸碱性
结构特点：有一个氮原子的孤电子对未参与杂化， 既能与水形成氢键，又能与质子结合。
O
CHO
2-呋喃甲醛(糠醛)
2-furan formaldehyde
3-吡啶甲酸 3-pyridine formic acid
COOH N
二、含一个杂原子的五元杂环化合物
（一）呋喃、噻吩和吡咯的结构与性质 1. 呋喃、噻吩和吡咯的结构
Z Z
呋喃、噻吩和吡咯的结构
Z= O、S、N
杂原子均为sp2杂化，形成的都是
亲电取代活性比苯大， 且α位比β位活泼。
143pm -0.06 -0.10
pm N +0.32
H
吡咯的电荷分布和键长
137pm
13 8
富有电子的大π键。电子离域的 结果，使得杂原子上的电子云密 度降低，环上各碳原子的电子云 密度升高（杂原子的活化作用相 当于酚羟基），键长在一定程度 上发生平均化。
1. 吡咯、呋喃和噻吩的结构
稠杂环
苯环和杂环稠合、杂环和杂环稠合。
（二）杂环化合物的分类和命名
1.基本杂环结构 3 (β ) 五 4 5 2 (α ) 元 O1 五 一 呋喃 杂 (furan)
4 5
Br2,ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ0℃
O
O
O 稀释
O
Br
(86 %)
Br Br N H
Br Br Br2, 0℃ EtO H
NB S
N H
N H
Br
1.亲电取代反应 小 结：
因吡咯、呋喃、噻吩的环上电子云密度比苯大， 故比苯活泼。取代基进入α 位。 亲电取代反应活性：吡咯>呋喃>噻吩>苯。 吸电子诱导：O(3.5) > N(3.0) > S(2.6) 给电子共轭：N > O > S 综合：N贡献电子最多，O其次，S最少
吡咯、呋喃不太稳定，磺化时直接使用质子酸会 发生聚合或开环，所以使用较温和的磺化剂：吡啶 与三氧化硫的加合物。
N + SO3 CH2Cl2
室温
N SO3
HCl
N SO3
N H 100℃ N H
SO3-
N H
SO3
-
SO3H N H
HCl
N SO3
O ClCH2CH2Cl r.t.days O
N H
SO3H O
五元杂环的反应有两点需要注意： （1）呋喃、吡咯、噻吩对氧化剂都敏感， 遇到氧化剂时环都很容易被破坏。 （2）呋喃、吡咯、噻吩在酸性条件下能不同程 度发生质子化。吡咯在强酸作用下会发生聚
合生成吡咯红；呋喃在稀酸水溶液中质子
化发生在氧上，会导致开环反应发生。相对来说 噻吩对于酸比较稳定。
（1）磺化反应
第14章 杂环化合物 内容提要: 一、杂环化合物的定义、分类与 命名 二、五元单杂环化合物 三、六元单杂环化合物 四、稠杂环化合物
一、杂环化合物的定义、分类与命名 （一）定义
广义来讲，构成环的原子除了碳原子外，还含有一个 或多个非碳原子(杂原子)的化合物称为杂环化合物 。
常见的杂原子（hetero-atom）：N、O、S 。
一、杂环化合物的定义、分类与命名
O O
O
环氧乙烷
O 氮杂环丙烷 γ-丁酸内酯 γ-丁内酰胺 马来酸酐
N H
O
O
N H
O
这些化合物中虽然含有杂原子，但不稳定 易开环，性质类似于开链化合物。习惯上认为 的杂环化合物是： 定义：含有杂原子，具有芳香性或一定程度稳 定性的环状化合物叫杂环化合物。
一、杂环化合物的定义、分类与命名 （二）杂环化合物的分类和命名 单杂环 五元杂环、六元杂环。
异喹啉 (isoquinoline)
吲哚 (indole)
1. 基本杂环结构
杂环与杂环的稠合：
6 1N 2 5 4
N N H N7
8 7 6 5
9
1 2 3 4
3
9
8
嘌呤 (purine)
10 吖啶 (acridine)
N
几个重要的含氮杂环化合物
吲 哚 喹 啉 左 并 苯
4 5 3 (β ) 2 (α )
第14章 杂环化合物
杂环化合物广泛地存在于自然界，是有机化 合物中数目最庞大的一类。邢其毅先生在给花 文廷《杂环化合物》一书的序言中写到：杂环 化合物占有机化合物总数的65%，论文占有机 化学的1／3…..。 生物体内具有重要生理功能的两大色素： 血红素和叶绿素具有杂环； 对生物的生长、繁殖、遗传、变异起决定性 作用的核酸具有杂环。
为什么吡咯分子的偶极矩与四氢吡咯 的方向相反？
N H
N H
2. 吡咯、呋喃和噻吩的化学性质
（1）亲电取代反应 亲电取代活性比苯大， 且α位比β位活泼。
143pm -0.06 -0.10
pm N +0.32
H
13 8
吡咯的电荷分布和键长
富有电子的大π键。电子离域的 结果，使得杂原子上的电子云密 度降低，环上各碳原子的电子云 密度升高（杂原子的活化作用相 当于酚羟基），键长在一定程度 上发生平均化。
4 4 5
N3 N1 H
4 3 2 5 6
N N3
5 6
N
N1 H
2
2
吡咯
4 5 6 7
N1 H
咪唑
5 3 2 6 7 8
N
吡啶
4 3 2 1
1
嘧啶
6 5 4
N N7 N H
1
1N 2
3
9
8
间 氮 咪 唑 和 嘧 啶
吲哚
喹啉
嘌呤
嘧（啶）咪（唑）稠合是嘌呤。
记 忆 口 诀： 氮五吡咯六吡啶； 间氮咪唑和嘧啶； 吲哚喹啉左并苯； 嘧咪相稠是嘌呤。
指出下列杂环化合物中，各含有哪些杂环 母核？
（ 1）
N N N H NH CH2 N
（ 2）
O CH3 N N CH2 NH2
Cl N
+
S CH2CH2OH CH3
激动素（一种植物激素）
维生素 B1（硫胺素）
（1）含嘌呤环和呋喃环 （2）含嘧啶和噻唑环
2.取代杂环的命名(P.298)
编号的原则：对于单杂环，从杂原子开 始，用阿拉伯数字（或α、β、γ）表示； 若同一环上有多个杂原子，则按O、S、NH （仲氮）和N（叔氮）的顺序编号。
5 6 7 8
4
CH3
NH2
6
3
N CH3
1 N 2
2
5 4
N7
8
1
N
3
N H
9
1,4-二甲基异喹啉 1,4-二甲基异喹啉 (1,4-dimethylisoquinoline)
6-氨基嘌呤 6-氨基嘌呤（腺嘌呤， A） （腺嘌呤）
(6-aminopurine, adenine)
2.取代杂环的命名
有时，为了命名的方便，也将杂环作为取代 基，以官能团作为母体来命名。
通常用比较温和的非质子硝化剂，且在低温下进行。
O O O
=
CH3COCCH3 + HNO3
= =
CH3CONO2 + CH3COOH
乙酰硝酸酯
O N H + CH 3CONO2 Ac2O 50℃ N H NO2 NO2 + N H β-硝基吡咯 17%
α-硝基吡咯 83%
（2）硝化反应
O
+
S
CH 3CONO 2
+
Α-呋喃磺酸或 呋喃-2-磺酸
N Cl H
（1）磺化反应
浓H2SO4 S 室温 S SO3H
浓H2SO4 室温
噻吩环较稳定，磺化可在室温下直接使用浓硫酸， 生成的α-噻吩磺酸溶于浓硫酸。苯在室温下不与浓
硫酸反应，据此，常用浓硫酸洗涤来除去苯中的噻吩。
（2）硝化反应
呋喃,吡咯和噻吩易氧化, 一般不用硝酸直接硝化;
4 5
O1
3β 2α
N S CH3
H 3C
N N H
CH3
2-甲基呋喃 （α -甲基呋喃） (2-methylfuran)
5-甲基噻唑 5-methylthiazole
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 子的编号较小如喹啉、异喹啉和吲哚。值得注意的是嘌 呤，不仅公用碳参与编号，而且编号的顺序很特殊。
（三）吡咯的重要衍生物
2.叶绿素
叶绿素是绿色植物进行光合作用所必须的催化剂。光 合作用的实质是绿色植物将太阳的光能转化成化学能 的过程。叶绿素由“现代有机合成之父”Woodward历 时4年经30多步反应，于1960年合成。(1965或诺奖)
（三）吡咯的重要衍生物
3.维生素B12
1926年发现肝脏提取 液可治疗恶性贫血， 1948年得到纯品暗红 色的结晶物。1954年 测得其结构。 合成工作在Woodward 的组织下前后有19个国 家的一百多位化学家参 加，经95步反应，历时 11年，于1972年宣告完 成。VB12的合成被成为 有机化学界的“阿波罗 登月”。
(四)、含两个杂原子的五元杂环化合物 （一）唑的结构和物理性质
N S 噻吩 N H 咪唑 N
H 3 N C H C C H N H
1
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。
（二）咪唑
1. 咪唑的酸碱性
结构特点：有一个氮原子的孤电子对未参与杂化， 既能与水形成氢键，又能与质子结合。
O
CHO
2-呋喃甲醛(糠醛)
2-furan formaldehyde
3-吡啶甲酸 3-pyridine formic acid
COOH N
二、含一个杂原子的五元杂环化合物
（一）呋喃、噻吩和吡咯的结构与性质 1. 呋喃、噻吩和吡咯的结构
Z Z
呋喃、噻吩和吡咯的结构
Z= O、S、N
杂原子均为sp2杂化，形成的都是
亲电取代活性比苯大， 且α位比β位活泼。
143pm -0.06 -0.10
pm N +0.32
H
吡咯的电荷分布和键长
137pm
13 8
富有电子的大π键。电子离域的 结果，使得杂原子上的电子云密 度降低，环上各碳原子的电子云 密度升高（杂原子的活化作用相 当于酚羟基），键长在一定程度 上发生平均化。
1. 吡咯、呋喃和噻吩的结构
稠杂环
苯环和杂环稠合、杂环和杂环稠合。
（二）杂环化合物的分类和命名
1.基本杂环结构 3 (β ) 五 4 5 2 (α ) 元 O1 五 一 呋喃 杂 (furan)
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