第十七章杂环化合物
大学有机化学第十七章杂环
杂环化合物也可以发生还 原反应，如喹啉可以还原 为二氢喹啉。
还原反应通常涉及还原剂 对杂环的攻击，导致电子 转移和还原产物的生成。
杂环化合物在有机合成中的
06
应用
作为合成子构建复杂分子结构
01 杂环化合物作为合成子
杂环化合物具有丰富的反应性和多样的结构，可 以作为合成子用于构建更复杂的分子结构。
02 杂环合成策略
在天然产物的全合成中，杂环的合成是关键步骤 之一。通过设计合理的合成路线，可以实现杂环 的高效构建。
03 实例分析
以某些具有代表性的天然产物为例，阐述杂环化 合物在天然产物全合成中的应用。
在药物设计和合成中的应用
药物分子的结构特点
许多药物分子都含有杂环结构，这些结构对于药物与靶标 的相互作用具有重要影响。
咪唑
由两个氮原子和三个碳原子组成的五元杂环化合物，具有芳香性。咪唑及其衍生物在医药和农药等领域有重要应 用，如抗真菌药物克霉唑、抗寄生虫药物甲硝唑等。
噻唑
由一个硫原子、一个氮原子和三个碳原子组成的五元杂环化合物，具有芳香性。噻唑及其衍生物在染料、农药和 医药等领域有广泛应用，如杀菌剂稻瘟灵、抗癫痫药物卡马西平等。
大学有机化学第十七 章杂环
目录
• 杂环化合物概述 • 五元杂环化合物 • 六元杂环化合物 • 杂环化合物的合成方法 • 杂环化合物的反应与机理 • 杂环化合物在有机合成中的应用
01
杂环化合物概述
定义与分类
定义
杂环化合物是指分子中含有杂原子（非碳原子）的环状 有机化合物。
分类
根据杂原子的种类和数量，杂环化合物可分为单杂环和 多杂环两大类。其中，单杂环又分为含氮杂环、含氧杂 环和含硫杂环等。
呋喃
第十七章 杂环化合物
重要的杂环 N
O 呋喃
furan
N H 吡咯
pyophene
N N
环
吡啶
pyridine
N
嘧啶
稠杂环
N
喹啉
嘌呤
杂环化合物的命名方法有两种：译音法和系统命名法。最常用的是译音法。
O
N H
S
N
furan
呋喃
pyrrole
吡咯
thiophene
噻吩
pyridine
吡啶
有取代基时，将杂原子编为１号，或与杂原子相邻的碳原子编为α，依次 为α，β，γ······
3
溶于水， pKa=8.9，弱碱 性
O
N
嘌呤
NH2 N N
鸟嘌呤
CH3 N
H3C O
N N CH3
N
N
咖啡碱，存在于茶 叶和咖啡中
作业p574
（一） （五）(2)(5)(7)(9)(11)(12)
（十）
（十五）
17.2 五元杂环化合物 17.2.1 五元杂环化合物的化学性质 1、亲电取代反应 相当于苯酚或苯胺的活性——反应主要发生在α-位 硝化
N H
O + H3C C ONO2
乙醇 -10℃
N H SO 3H
N H NO 2
-硝基吡咯
磺化
N H
+ SO3
吡啶 100℃
-吡咯磺酸
O
卤化
O
+ Br2
O 0℃
α –溴代呋喃 (90%)
O
Br
S
+ Br2 AcOH
室温
Br S α –溴代噻吩
Friedel–Crafts酰基化
第十七章杂环化合物
取代
取代
取代
取代位置：哪个为主？
反应活性：比苯快? 还是比苯慢?
亲电取代反应主要进入3位或β 位
Friedel-Crafts 反应 无反应发生
SO3H N Br N
浓 H2SO4 / HgSO4
N
220oC Br2 / 浮石 300oC
有给电子基时反应较易进行
KNO3 / 浓 H2SO4
H3C N CH3 NO2 H3C Br N NH2 N CH3
110oC Br2 / HOAc
N
NH2
20oC
吡啶的亲核取代反应
（1） NaNH2与吡啶的亲核取代 —— Chichibabin 反应
NaNH2 + N NH3 或 PhNMe2 N NH2 H2
（2） PhLi 与吡啶的亲核取代
(C5H8O4)n + nH2O
稀 H2SO4
O
+
CHO
+ CO2 + H2
O
CHO
ZnO- Cr2O3-MnO2 H2O 400 - 415 o C
O
呋喃和糠醛的其它反应
顺丁烯二酸酐 O
O H H O O
O
Ag(NH3)2+ O COOH
CH3COONa O CHO (CH3CO)2O O CH=CHCOOH
(2)其它衍生物
青霉素
头孢霉素
疗效不到青霉素的1%
抗生素 活性与青霉素类似
17.3 六元杂环化合物
17.3.1 吡啶和嘧啶
吡啶的碱性
H C C C C
sp2轨道
H
..
N C
第17章杂环化合物
第十七章杂环化合物一、本章知识结构及知识要点本章知识结构知识要点1、杂环化合物命名和结构1命名杂环母核音译法按照IUPAC推荐的普通名称用23个汉字音译使用带口字旁的同音汉字。
如呋喃、吡啶等。
系统命名法根据相应的碳环命名。
如O氧杂-24-环戊二烯原子的编号杂环化合物分类、命名和结构分类和命名结构和芳香性五元杂环化合物化学性质常见的五元杂环化合物呋喃和糠醛噻吩吡咯和吲哚咪唑和噻唑六元杂环化合物吡啶和嘧啶喹啉和异喹啉嘌呤编号从杂原子开始。
含有两种以上杂原子时①让杂原子的位号尽可能小②当两个杂原子不相同时价数小的在前大的在后③价数相等时原子序数小的在前大的在后。
有些稠杂环化合物的原子编号是固定的。
2结构和芳香性呋喃、吡咯、噻吩的结构sp2杂化结构特点杂原子共轭效应是供电子的诱导效应是吸电子的。
杂原子是sp2杂化未成键电子对在2p轨道上参与共轭。
由于6个π电子分布于5个原子上整个环的π电子几率密度比苯大是富电子芳环因而比苯环活泼亲电取代反应比苯快得多。
芳香性由大到小苯噻吩吡咯呋喃吡啶的结构sp2杂化结构特点杂原子的共轭效应和诱导效应都是吸电子的。
未成键电子对在sp2杂化轨道上不参与共轭。
形成∏66共轭体系具有芳香性。
由于N原子的吸电子作用使环的电子云密度降低亲电反应活性比苯低类似硝基苯。
2、五元杂环化合物1吡咯、呋喃和噻吩的化学性质容易发生亲电取代反应主要发生在α-位反应的活性为吡咯呋喃噻吩苯。
由于这些五元杂环容易被破坏稳定性差因而对试剂及反应条件应有所控制。
硝化硝化应在较低的温度下使用温和的硝化剂乙酰硝酸酯。
NHNHNO2CH3COONO210CH3CO2O ℃SSNO2CH3COONO210CH3CO2O ℃呋喃比较特殊先生成稳定的或不稳定的25加成产物然后加热或用吡啶除去乙酸得到硝化产物。
OCH3COONO230 5 ℃ONO2HONO2HHCH3COO吡啶ONO2 磺化吡咯、呋喃不太稳定所以须用温和的磺化试剂磺化。
第17章 杂环化合物
双烯合成：呋喃、吡咯、噻吩都含有共轭二烯结构， 理论上都能发生Diels-Alder反应。 芳香性最弱的呋喃很容易进行双烯合成反应，和顺丁
烯二酸酐加成，主要生成内式异构体。
CO
O +
O O
30℃
O H H + O O
O O H O H
CO O
吡咯一般不发生双烯合成。
内式(90%)
噻吩基本上不发生双烯加成，即使在个别情况下生成也 是一个不稳定的中间体，直接失硫转化为别的产物。
H3C
CH3COONO2
N H
(CH3CO)2O , －10 ℃
N H
NO2
CH3COONO2
S
(CH3CO)2O , －10℃
S
NO2
呋喃比较特殊，先生成稳定的或不稳定的2,5-加成产物， 然后加热或用吡啶除去乙酸，得到硝化产物。
CH3COONO 2
O
5℃ －30 ～ －
O
+
H NO 2
H CH 3COO
（1965年）获诺贝尔化学奖。
Ⅲ、与生物有关的杂环及其衍生物举例
CH2 H3C N H3C H N H H O O COOCH3 CH3 CH3 Mg N CH3 N R CH3
叶绿素A和叶绿素B
R=CH3：叶绿素A R=CHO：叶绿素B
O
CH3 CH3 CH3
Ⅲ、与生物有关的杂环及其衍生物举例 血红素：
Ⅰ、杂环化合物的分类和命名 杂环的命名常用音译法，是按外文名词音译成 带“口”字旁的同音汉字。
N H (pyrrole) 吡咯 N N (pyrimidine) 嘧啶
O (furan) 呋喃
S (thiophene) 噻吩
杂环化合物
O
CHO
O
COONa
+
O
« ¼ ² ¹
CH2OH
«È ¼ ® Á Ã
õ · È Ì £ ·
O
CHO
+ (CH3CO)2O
NaOAc
O
+ CH=CHCOOH
通常，杂环化合物是指含有杂原子构成环的、有一定芳香 性的环状化合物。
•分类
1、脂杂环
三元杂环 四元杂环 五元杂环
O
没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂
H N
O NH
(氮杂环丙烷) (β-丙内酰胺)
O O
(顺丁烯二酸酐)
七元杂环
O
(氧杂 )
N H
(1H-氮杂 )
2 、芳杂环
O H
HO
OH2
OH
OH
OH
亲电取代反应
（1）概述 *1 亲电取代反应的活性顺序为：
N H
>
O
>
S
>
①电子密度 ②σ-络合物
E N H H
E H
E N H H
E H
E N H H
E H
八隅体结构最稳定
无最稳定结构
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
*2 取代反应主要发生在α-C上； *3 吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感，选择试 剂时需要注意； *4 噻吩、吡咯的芳香性较强，所以易取代而不易 加成；呋喃的芳香性较弱，虽然也能与大多数 亲电试剂发生亲电取代，但在强亲核试剂存在 下，能发生亲核加成。
离域能：噻吩：121.3 kJ· mol-1 呋喃：66.9 kJ· mol -1
有机化学 第十七章杂环化合物
第十七章杂环化合物(heterocyclic compounds)在环状化合物的环中含有碳以外的杂原子，这类化合物统称为杂环化合物。
常见的杂原子是: O, N, S1芳杂环的数目很多，可根据环的大小、杂原子的多少以及单环和稠环来分类。
•常见的杂环为五元、六元单杂环及稠杂环。
稠杂环是由苯环及一个或多个单杂环稠合而成的。
317.2 杂环化合物的命名杂环化合物的命名采用外文名的译音，用带“口”字旁的同音汉字表示。
编号从杂原子开始，用阿拉伯数字(1,2,…) 表示顺序，也可以将杂原子旁的碳原子依次用α、β、γ表示。
417.3 结构和芳香性呋喃、噻吩、吡咯是最重要的含一个杂原子的五元杂环化合物。
呋喃、噻吩、吡咯都是平面结构，环上所有原子都是sp2杂化，各原子均以sp2杂化轨道重叠形成σ键。
9碳未杂化的p 轨道中有一个电子，杂原子的p轨道中有一对电子，p 轨道相互平行重叠，形成闭合的共轭体系,具有芳香性。
下表中给出的1H NMR数据可证实这一点，环上质子的化学位移在7ppm左右与苯类似。
1011表17-1 五元芳杂环的物理性质分别存在于木焦油、煤焦油和骨焦油中αβαβαβ17.4 五元杂环化合物4.1 五元杂环化合物的化学性质呋喃、噻吩、吡咯具有芳香性，容易进行亲电取代反应。
杂原子的大小及电负性不同，它们的活性有差异，但它们的活性都比苯大，顺序为：吡咯> 呋喃> 噻吩> 苯12（丙）吡咯和吲哚•吡咯的物理性质和鉴定•无色油状液体，沸点131℃，微溶于水，易溶于有机溶剂。
•吡咯蒸气遇浸过盐酸的松木片呈红色，可用来检验吡咯。
•吡咯环不如苯环稳定，易被氧化呈褐色并发生树脂化。
2017.5 六元杂环化合物5.1 吡啶和嘧啶吡啶存在于煤焦油和骨焦油中，工业上用无机酸从煤焦油的轻油部分中提取。
吡啶的衍生物广泛存在于自然界中，许多药物也含有吡啶环。
23一、吡啶的物理性质及结构吡啶是一个无色有恶臭的液体b.p. 115.5℃，m.p.-42℃，d: 0.9819与水及许多有机溶剂如乙醇，乙醚等混溶它是良好的溶剂25吡啶的结构与苯的相似吡啶环上的氮以sp2杂化成键，一个p电子参与共轭，形成具有6个p电子的闭合的共轭体系，具有芳香性。
第17章 杂环化合物
平面结构 一个闭合的共轭体系 符合休克尔4n+2规则
具有芳香性。
21
2、 吡啶的性质 １）弱碱性 （pKb=8.8） 碱性: 仲胺＞伯胺＞叔胺＞氨＞吡啶＞苯胺＞吡咯
+ HCl N + SO3 CH2Cl2 室温 N HCl NH3 N 此反应常用于 在反应中吸收 生成的气态酸
N
N SO3 (90%) 吡啶三氧化硫络合物 是常用的缓和磺化剂
HNO3,H2 SO4
NO2 + NO2 N H 17%
NO2 S NO2
(86%) +
S
（14%）
S
14
（3）磺化 吡咯和呋喃也不能用硫酸直接磺化，要用温和的 非质子磺化试剂。
+ N H
N SO3
+
100oC
HCl N H SO3H (90%)
N · SO 3
N H
100℃
N H
SO3
-
HCl
N H
S
Cl2
50℃
S
Cl
（36%）
I2,HgO
C6H6, 0℃
S
I
（70%）
吡咯极易卤化生成四卤吡咯。
13
（2）硝化 呋喃和吡咯很易被氧化，遇无机酸容易发生聚合， 因而不能用硝酸硝化。通常用比较温和的非质子硝化试 剂，如用硝酸乙酰酯 。
O N H + CH3CONO2 Ac2O 5oC N H 83%
N H
进攻2位 E+ N H 进攻3位 N H
+ +
H N H E H H
....
H H N H
+
....
亲电取代主要发生在杂环3位
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O
O
S
S
N H
HN
为
Π
6 5
共轭体系
π 电子 = 6
符 合 4n + 2
具有芳性
富电子芳环
吡啶的结构
NH
N上的孤电子对在 P轨道上，参与 环内共轭，为富 电子芳环。
N
N
N上的孤电子对在 sp2 轨道上，在环外 未参与环内共轭。
C_ sp2
N_ sp2
6
Π6
体系
成环原子
共平面
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。
叶绿素 α 的结构
叶绿素与蛋白质结合存在于植物的叶和绿色的茎中。植 物光合作用时，叶绿素吸收太阳能转变为化学能，是植 物进行光合作用时必需的催化剂。自然界的叶绿素不是 一个单纯的化合物，而是由两种叶绿素组合而成，即蓝 绿色的叶绿素a（熔点：117～120 ℃）和黄绿色的叶绿 素b（熔点：120～130 ℃） ，两者的比例为：3：1。
4 3
7 8
2
O
1
苯并吡喃
5 6
4
5
36
4
4
3 3N
5
N
6
7 8
27
N
1
8
N2 2
N
1
1
7
N
8
喹啉
异喹啉
喋啶
二.几种重要环系的结构与性质
1.呋喃、噻吩、吡咯、吡啶的结构
呋喃、噻吩、吡咯在结构上具有共同点，即构成环的五个 原子都为sp2杂化，故成环的五个原子处在同一平面，杂原 子上的孤对电子参与共轭形成共轭体系，其π电子数符合 休克尔规则（π电子数 = 4n+2），所以，它们都具有芳香性。
IN I H
噻吩在室温就能与浓硫酸发生磺化反应：
+H2SO4
S
+H2O
S SO3H
由煤焦油所得的粗苯中总含有噻吩，由于噻吩与苯的沸点 相近，很难用分馏的方法除去，利用噻吩比苯容易磺化的 特点，可以与苯分离，这是制备无噻吩苯的常用方法。
试推断呋喃、吡咯、噻吩发生亲电取代反应，比苯容易发生 还是难发生？
吡咯：弱酸性 原因：共轭给电子作用。 可与NaOH，KOH成盐，而不与HCl及弱酸成盐。
吡啶：显碱性 原因：诱导吸电子作用。 可与酸成盐（相当于叔胺）
三.与生物有关的杂环及其衍生物 1. 呋喃及α-呋喃甲醛
呋喃是一种无色易挥发的液体，沸点为32℃，不溶于水，易 溶于乙醇、乙醚等有机溶剂。α-呋喃甲醛俗名叫做糠醛，是 由米糠、玉米芯、花生壳等农产品废料进行酸性水解得到。
O
H2, Pd
四氢呋喃 ( THF ) O
H2,Pd N H
H2, Ni S
四氢吡咯 N H
不能用Pd 催化
S
因噻吩能使Pd中毒
噻吩在化学还原剂的作用下，可被部分还原为二氢衍生物，如：
N a + C 2 H 5 O H
+
S
S
S
吡啶在催化氢化时，得到六氢吡啶：
H2, Pd N
六氢吡啶（哌啶）
N
H
(4).吡咯与吡啶的碱性
鉴别：少量的吡咯蒸汽遇到蘸有盐酸的松木片，显红色， 称为松木片反应。
（2）.吡咯的重要衍生物
最重要的吡咯衍生物是含有四个吡咯环和四个次甲基(-CH= ) 交替相连组成的大环化合物。其取代物称为卟啉族化合物。
2
α
3
1
NH N
4
δ
β
8
N HN
5
7γ
6
卟啉族化合物广泛分布于自然界。血红素，叶绿素都是含卟吩环 的卟啉族化合物。在血红素中卟吩环络合的是Fe，叶绿素中卟吩 环络合的是Mg。
稠杂环是由苯环与单杂环或有两个以上单杂环稠并而成。
命名：按外文名词译音，并以口做偏旁，表示环状化合物。 例如：呋喃，读作“夫南”
杂环编号：⑴ 单杂环编号时,总是以杂原子为”1”位. ⑵ 环中有相同的原子则由带取代基的一个杂原子开始. (或从离取代基最近的一个杂原子开始.) ⑶ 如果环中有两个或几个不同的杂原子,则按照 O---S----N的顺序编号.
杂原子具有+C效应，活化杂环。 亲电取代反应活性顺序： 吡咯 > 呋喃 > 噻吩 > 苯。
亲电取代发生在位还是位？
位比位活泼。亲电取代主要发生在位。
吡啶比苯难于发生亲电反应，使吡啶硝化需要300 ℃以上 的高温。取代基主要进入β位：
+H N O 浓 H 2SO 4
3 370℃ N
N O 2 N
由于吡啶环上的电子密度低，所以吡啶容易发生亲核的 取代或加成反应。
咖啡碱和茶碱）。
杂环化合物是指组成环的原子中含有除碳以外的原子 (杂原子——常见的是N、O、S等)的环状化合物。
杂环化合物
非芳香杂环 如 O , O O ,
NH ……
芳杂环（符合休克尔规则的杂环）如
,
N H
N
……
杂环化合物不包括极易开环的含杂原子的环状化合物，例如：
, O
O O,
O
O,
NH
Oቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
O
一.分类和命名 杂环大体可分为：单杂环和稠杂环两类。
γ 0.87 β 1.01
N α 0.84
1.43
电荷分布 N>β >α >γ 亲电取代 β 位 亲核取代α，γ 位
2.呋喃、噻吩、吡咯、吡啶的性质
（1）．亲电取代反应
同芳环一样,可以发生某些亲电取代反应。例如吡咯与碘的 碘化钾溶液作用，得到四碘代吡咯，而不是一元取代产物。
+4I2
N H
I
I
+ 4HI
（2）．氧化
呋喃、噻吩、吡咯非常活波，容易发生氧化反应，在空气中 就能被氧化。而 吡啶稳定难于氧化如以高锰酸钾氧化 γ－苯基吡啶，得到得是γ－吡啶甲酸，而不是苯甲酸。
N K M nO 4 H O O C
N
γ － 苯 基 吡 啶
γ － 吡 啶 甲 酸
由此说明吡啶环比苯环还要难于被氧化。
（3）．还原 吡咯、呋喃、噻吩容易被还原，产物为饱和环系。
例如:Ⅰ五元环:
O
呋 喃
S
噻 吩
N H
吡 咯
N
N H
咪 唑
N N H
吡 唑
N S
噻 唑
五元环中含多个杂原子的,其中有一个为氮原子的叫做唑.
Ⅱ 六元环:
O
吡喃
4
5
3
6
2
1N
吡啶
4
5
N 3
6
2
1N
咪啶
4N
5
3
6
2
1N
吡嗪
Ⅲ 稠杂环
4 5
6
3 1N
5
N7
6 7
22 NH1
3N 4
8 NH9
吲哚
嘌呤
5 6
第十七章 杂环化合物 (Heterocyclic compounds)
学习要求： 1.掌握杂环化合物的分类和命名。 2.掌握杂环化合物的化学性质。 3.理解杂环化合物的结构与芳香性。 4.理解吡咯、吡啶的结构与性质的关系。 5. 了解嘧啶、喹啉、嘌呤及吲哚。 6.了解几种重要生物碱（麻黄素、烟碱、阿托平、
CHO (CHOH)3
稀H2SO4
CHO + 3H2O
CH2OH
戊醛糖
呋喃甲醛
鉴别反应：苯胺醋酸盐与糠醛作用，显深红色，可以用于糠 醛或戊糖的鉴别。
2.吡咯 、叶绿素、血红素及维生素B12
（1）.吡咯
吡咯存在于煤焦油和骨焦油中，是无色液体，沸点131℃， 难溶与水，易溶于乙醇，乙醚、苯等有机溶剂。易被氧化， 在空气中即可 被氧化，而变为褐色。