第十八章 杂环化合物
第十八章 杂环化合物
O
（3）羟醛缩合反应
CHO + CH3CHO 稀碱 O CH=CHCHO
O
（4）安息香缩合反应
CHO KOH 醇溶液 O O CH C OH O
O
3）糠醛的用途 糠醛是良好的溶剂，常用作精练石油的溶剂，以 溶解含硫物质及环烷烃等。可用于精制松香，脱出色 素，溶解硝酸纤维素等。糠醛广泛用于油漆及树脂工 业。
第十八章
杂环化合物
学习要求
1、掌握杂环化合物的分类和命名； 2、掌握五元杂环化合物的结构和化学性质，了解 它们的制法； 3、掌握糠醛的性质，了解一些含五元杂环化合物 的用途； 4、掌握吡啶的结构和化学性质，了解一些含六元 杂环化合物的用途； 5、了解生物碱的一般性质和提取方法。
第一节
杂环化合物的分类和命名
HCON(CH3)2
DMF
RCOCl
POCl3
N H (1) pKa≈ 17.5 Na 或 K 或浓NaOH N K+ (2)
C6H5N2+XC2H5OH-H2O AcONa
N=N-C 6H5
RX
N R
Hale Waihona Puke 或K+NH2-CO2
加热 加压
N H
RMgX
N H
COOH
N COOH
1 CO2 2 H2O
N MgX
三、六元杂环化合物的命名：
六元杂环：
γ 4 5 6 N 1 3β 2α
5 6 O 1 γ 4 3β 2α
5 6 O 1 O 4 3 2
4 5 6 O 1 3 2 O
吡啶(pyridine)
4 5 6 N 1 3 N2
吡喃(pyran)
4 5 6 N 1 N3 2
杂环化合物
第十八章杂环化合物教学要求1.了解杂环化合物的分类、命名。
2.掌握重要的五元、六元及稠环杂环化合物的结构和性质。
如：呋喃、噻吩、吡咯、喹啉（斯克奥浦合成）。
3.了解嘧啶及嘌呤的结构。
4.了解生物碱的一般概念。
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。
杂环化合物不包括极易开环的含杂原子的环状化合物，例如：本章我们只讨论芳香族杂环化合物。
杂环化合物是一大类有机物，占已知有机物的三分之一。
杂环化合物在自然界分布很广、功用很多。
例如，中草药的有效成分生物碱大多是杂环化合物；动植物体内起重要生理作用的血红素、叶绿素、核酸的碱基都是含氮杂环；部分维生素，抗菌素；一些植物色素、植物染料、合成染料都含有杂环。
第一节杂环化合物的分类和命名一、分类二、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。
当环上有取代基时，取代基的位次从杂原子算起依次用1,2,3,… (或α,β,γ…)编号。
如杂环上不止一个杂原子时，则从O、S、N顺序依次编号。
编号时杂原子的位次数字之和应最小。
第二节五元杂环化合物含一个杂原子的典型五元杂环化合物是呋喃、噻吩和吡咯。
含两个杂原子的有噻唑、咪唑和吡唑。
本节重点讨论呋喃、噻吩和吡咯，简单介绍一下噻唑、咪唑和吡唑。
一、呋喃、噻吩、吡咯杂环的结构呋喃、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。
二、呋喃、噻吩、吡咯的性质1、存在与物理性质2、光谱性质3、化学性质（1）亲电取代反应从结构上分析，五元杂环为∏56共轭体系，电荷密度比苯大，如以苯环上碳原子的电荷密度为标准（作为0），则五元杂环化合物的有效电荷分布为：五元杂环有芳香性，但其芳香性不如苯环，因环上的π电子云密度比苯环大，且分布不匀，它们在亲电取代反应中的速率也比要苯快得多。
第十八章 杂环化合物
N H
(CH3CO)2O,－10℃
N H
NO2
噻吩对酸不那么敏感，可以用混酸硝化。
NO2
HNO3,H2SO4
S
S
+
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。
CH3COONO2 CH3COO－
O
－30~－5℃
O +
H NO2
了解生物碱；了解毒品的种类与危害。
呋喃、吡咯、噻吩的结构和性质； 吡啶、喹啉的结构和性质。
杂环化合物：环状化合物中构成环的原子除碳原子外，
还有其他原子的化合物。 常见的杂原子是O、N、S。 非芳香杂环：
O
芳香杂环：
O
O
S
习惯上把具有芳香结构的杂环，作为杂环化合物的母核， 而把各种氢化的杂环，看作杂环化合物的衍生物。
杂环化合物的内容非常丰富，无论在理论研究或实际应
用方面都很重要，本章只限于几类常见的杂环化合物。
1 杂环化合物的分类
按照环的多少可以分为单杂环和稠杂环两大类。 单杂环：常见的是五元杂环和六元杂环，环上的杂原子 有一个或两个。 五元杂环：
N
O
呋喃 furan
N N H
S
噻吩 thiophene
H2SO4
S
25℃
S
SO3H
常用这个反应除去苯中的噻吩，苯和噻吩的沸点接近， 不能用蒸馏的方法分离。
酰化：呋喃、噻吩的酰化反应在α-C上发生，呋喃要用较 温和的催化剂SnCl4、BF3等。
(CH3CO)2O BF3,－10℃
O
O
COCH3
噻吩的酰化反应可以用酸催化。
第十八章杂环化合物
5 6
4
3 CH3
7 8
H3C
N2
1
N HO
3,8-二甲基喹啉 8-羟基喹啉
如果环内含有不止一种杂原子时，编号的 先后顺序是 O、S、N、C。4-甲基-5-（-羟乙基）噻唑
第二节 五元杂环化合物
代表化合物：呋喃、噻吩、吡咯。
呋喃(furan） 吡咯(pyrrol)
苯噻吩吡咯呋喃
亲电取代反应（α－位取代）： 硝化、磺化、卤化、F-C酰基化、F-C烷基化 活性次序：吡咯＞呋喃＞噻吩＞苯
（1）溴代反应:
（2）硝化反应
（3）磺化反应
噻吩因很容易磺化而溶于 H2SO4,比苯 容易磺化,利用这一性质可以除去苯或 汽油中的噻吩.
（4）酰化反应
2、加成反应
3 吡咯的弱碱性和弱酸性（酸性较醇强较 酚弱）
吡啶能发生亲核取代反应，且主要发 生在 2-位。
+ NaNH2 N
N(CH3)2
NH2 N
2-氨基吡啶
4. 吡啶对氧化剂的稳定性 酸性氧化剂中比苯环稳定：
过氧化物氧化：
5. 还原反应 吡啶环对还原剂比苯环活泼：
嘧啶及其衍生物
嘧啶
有三种嘧啶的衍生物存在于核酸的碱基中， 它们是胞嘧啶、胸腺嘧啶、脲嘧啶
光谱数据
呋喃：δ：α-H 7.42 吡咯：δ：α-H 6.68 噻吩：δ：α-H 7.68 偶极矩：呋喃0.70D
噻吩0.51D 吡咯1.81D
β-H 6.37 β-H 6.22 β-H 7.10
三、五元杂环化合物的化学性质
能发生 SE 反应，且反应主要发生在-位。 其反应活性顺序：
吡咯呋喃噻吩苯 化合物的稳定性顺序：
噻吩(thiophene)
有机化学 第18章 杂环化合物
有机化学Organic Chemistry 第18章杂环化合物(3’)教材:李景宁主编高等教育出版社原则上，环状机化合物中，构成环的原子，除了碳原子外，还有其他原子的，都称为杂环化合物。
2. 杂环化合物的英文？杂环化合物，heterocyclic compound。
[hetərə'saɪklɪk]By the end of eighteen century,experimenters had well established that each pure substance had its own characteristic set of properties such as density, specific heat,melting point,and boiling point. Organic chemistry is a sub-discipline within chemistry involving the scientific study of the structure,properties,composition,reactions,and preparation(by synthesis or by other means)of carbon-based compounds,hydrocarbons,and their derivatives.一、分类ON S五元 杂环第一节杂环化合物的分类和命名H 六 元 杂环NN N 单杂环稠 杂环NN H1. 母体名称呋喃吡咯噻吩咪唑噻唑82. 编号•从杂原子编起（母体的编号是固定的）；•若有不同杂原子时，从O 、S 、N 顺序编号；•杂原子的位次遵循最低系列原则•例：3-1-酸类化合物以酸为母体，杂环为取代基。
N CH3甲基吡咯(β-甲基吡咯)甲基吡咯(N -甲基吡咯)α-呋喃甲酸(2-呋喃甲酸)α-噻吩磺酸N第二节五元杂环化合物OSHfuran pyrrole thiophene 呋喃吡咯噻吩一、呋喃、噻吩、吡咯杂环的结构π电子数满足4n +2，分子是闭合的共轭体系，NMR 谱图δ值为7左右，具有芳香性。
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（2）
（3）
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（4）
8．完成下列反应，写出主要有机产物。
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答：
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5．为什么五元杂环的芳香性顺序是噻吩＞吡咯＞呋喃？ 答：这三个化合物环上的杂原子电负性顺序为 O＞N＞S，与其相应的呋喃、吡咯、噻 吩分子中，O、N、S 的未共用电子对向芳环的给电子能力正好相反，S 最强，O 最差，因
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7．分离和鉴别： （1）试用化学方法区别 2-氯丙酸和丙酰氯。 （2）试用化学方法区别丙酸乙酯和丙酰胺。 （3）用简单的化学方法分离丁醚和 2-庚酮。 （4）试用化学方法分离喹啉和 8-羟基喹啉。 答：（1）
8．不能用于从水相中萃取呋喃甲醇的试剂是（ ）。 A．乙醚 B．乙酸乙酯 C．乙醇 D．二氯甲烷 【答案】C
9．下列化合物中酸性最大的是（ ）。
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【答案】D
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二、填空题
1．将下列化合物按亲电取代反应活性高低排列成序：
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台
4．（1）呋喃甲醛在浓 NaOH 作用下能发生歧化反应生成呋喃甲醇和呋喃甲酸，呋喃
甲醛在使用前需要减压蒸馏进行钝化，请画出减压蒸馏装置图。简述反应结束后，将采取
18杂环化合物(heterocyclic
尿嘧啶
胸腺嘧啶
胞嘧啶
三、喹啉与异喹啉
1.结构
5 6 7 8 4 3 6 7 8 1 5 2 4 3
N
1
N2 异喹啉
喹啉
2.化学性质 喹啉与异喹啉的化学性质和吡啶相似； 亲电取代位置：苯环（5 -位或8-位） 亲核取代位置：吡啶环（2 -位或4-位）
混酸
NO2
+
N Br Br2 + 浓 H 2S O4 N Ag2S O4 △ NO2 N
N H
七、卟啉化合物
血红素、叶绿素等
第三节 六元杂环化合物
一、吡啶 1.吡啶的结构
0.87 1.01
N
0.84
N
2.吡啶的碱性及其盐的性质
N H2
N H
N
N H
碱性： 脂肪胺＞吡啶＞苯胺＞吡咯 环上有拉电子取代基，碱性减弱，尤其 是2-，6-取代。
成盐：
+
N HCl
+
N H Cl
重排 H
O
C H2O H
② Micheal加成
O OHC C H2 NH C H2
+
N H2
H
③ 亲电取代
O H C C H2 NH C H2 H
+
H
OH
H OH -H O 2 NH N H
C C H2 NH C H2
+
④ 氧化：
+
N H
N O2
N
N H2
合成思路:
N
1)切割分子,找出前体(原料); 苯环上无取代基,则原料是苯胺,有取代基则 是取代芳胺; 吡啶环上无取代基,则原料是丙三醇,如有取 代基则是取代丙烯醛;
18 杂环化合物
(3) 电致发光材料
Ar-C8H17 S 红光 n
(OCH2CH2)4O
H17C8 S n 绿光 C18H17
H2C S 蓝光
CH2 S n
2. 含两个杂原子的五元杂环化合物 1). 结构与物理性质
N N N H S O O N N
N H 咪唑 H H N H N H N sp2
吡唑
噻唑
噁唑
异噁唑
N N
未参与共轭 未参与成键
sp2
H 7.36 H 6.98
与 亲 核 性
N
环 氮 的 碱 性
N
2.22D
+ HCl
N H 1.17D
N
H 8.50
SO3
N H Cl
PhCOCl N ICH3
+
+
N
CH2Cl2
N SO3
+
CH3I N N
ROH N COPh
+
+ PhCOOR N ClH
+
2) 吡啶环上的亲电取代反应 吡啶的亲电取代反应活性是大于苯还是小于苯？ 吡啶的亲电取代反应活性是大于苯还是小于苯？若 发生亲电取代, 则反应发生在哪一个位？ 发生亲电取代 则反应发生在哪一个位？
(2) 叶绿素、血红素和维生素 12 叶绿素、血红素和维生素B
N CH3 HOOCCH2CH2 N H CH2COOH CH2NH2
N H
N H
(CH2)4CH3
灵菌红素
卟吩胆色素原 卟吩由四个吡咯和四个次甲基(=CH)交替相 卟吩由四个吡咯和四个次甲基(=CH)交替相 (=CH) 连组成的共轭体系。 连组成的共轭体系。 卟吩呈平面结构， 卟吩呈平面结构，环中间的空隙里四个氮原 子可分别以共价键、 子可分别以共价键、配价键与不同的金属离 子结合。 子结合。
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NO2
N
300℃
N
H2SO4, HgSO4 220℃
SO3H N
显然，当吡啶环上连有供电子基团时，将有利于亲电
取代反应的发生；反之，就更加难以进行亲电取代反应。
HNO3, H2SO4
NO2
CH3 N CH3
100℃
CH3 N CH3
27
吡啶环也象硝基苯一样，不能发生F―C烷基化和酰 基化反应。
吡啶的亲电取代反应所以发生在b -位，除用电子理
2 - 呋喃甲醛 α - 呋喃甲醛
COOH
β
S 3 - 噻吩甲酸 β - 噻吩甲酸
β COOH
α
N COOH 2, 3 - 吡啶二甲酸 α , β - 吡啶二甲酸
当环上有不同杂原子时，按O→S→N的次序编号。若
环上连有不同的取代基，其编号按次序规则和最低系列原 则。
N3
12
N H imidazole 咪唑
11
二、五元杂环化合物的化学性质 （一）、亲电取代反应 （二）、五元杂环化合物的亲电取代反应的定位规则 （三）、常见的五元杂环化合物
12
（一）、亲电取代反应
Z Z = ( NH、O、S )
X2/ 低温 X2=Cl2、Br2 CH3COON。O2
-5 ~ -30 C N+ SO3-
ClCH2CH2Cl
CH3
N CH3
N
N
a -甲基吡啶和g -甲基吡啶
甲基吡啶的侧链甲基的活泼性与硝基甲苯中的甲基 相似，具有一定的酸性。因此，在强碱的催化下可进行
缩合反应，且主要发生在a -位和g -位。如：
O
=
+
C
NaNH2
N CH3
N CH2 C OH
30
CH3 CH2CH3 NaNH2
N
CH2Na+ CH2CH3
(CH3CO)2O SnCl4
ZX
乙酰基硝酸酯
Z NO2 吡啶三氧化硫
H
N+
HCl
Z SO3
Z SO3H
( Z = NH、O )
噻吩可直接用H2SO4 磺化。
Z COCH3
五元杂环化合物进行亲电取代反应的特点是：使用较
为温和的试剂或反应条件。
13
五元杂环化合物亲电取代反应发生在α- 位可用共振论解
CH3NH2
NH3
N
NH2
pkb 3.36
4.75
8.8
9.3
24
N
N
sp3 H sp2
CH3 C≡N
sp
吡啶环上有供电子基时将使碱性增强。如：
a.
+
N H
pka
5.17
b.
+
N CH3 H
5.79
c.
CH3
+
N
H
5.68
CH3 d.
+
N H
6.02
酸 性： a ＞ c ＞ b ＞ d 碱 性： d ＞ b ＞ c ＞ a
+ N K (Na) 吡咯钾（钠）盐
吡咯环不如苯环稳定，易被氧化。
H2O (NH3)
吡咯容易发生亲电取代反应，其反应活性与苯胺类似。如：
II
I2 + NaOH I N I
( 卤代 )
N H
N2+C l
H
(偶合)
N N=N
19
H
吲哚是由苯环和吡咯环稠并而成，故又称苯并吡咯。 吲哚仍具有芳香性，其亲电取代反应的活性比苯高， 但比吡咯低。
释：
+ E+ Z Z = ( NH、O、S )
+
E
ZH
E
+
ZH
正电荷可在三个原子上离域
E
E
H
H
+
Z
Z
+
正电荷只能在两个原子上离域
E
ZH
+
由此可见，进攻2-位所形成的共振杂化体比进攻3-位所 形成的共振杂化体稳定。
(二)、五元杂环化合物亲电取代反应的定位规律
以噻吩为例：
(1) a-位上有取代基
14
X = o、p - 定位基
噻吩 0.1714(0.182) 0.1370
0.1423
C =C
CC
0.134
0.154
(1) 由此可见，苯分子中的键长(0.1397 nm)完全平均化，
而五元杂环化合物分子中的键长只是有一定程度的平均化。
因此，五元杂环化合物的芳香性比苯差。其芳香性次序是：
离域能： 152 (共轭能)
S
N
H
125.5
论解释外，还可以用中间体的稳定性加以说明：
+ E+ N
进攻 α 位
+
H NE
进攻 β 位
H N +E
HE
进攻 γ 位 +
N
+
H NE
H +N E
HE
N
+
特不稳定
H
N
+
E
特不稳定
+
H NE
HE
+
N
28
3. 吡啶环上的亲核取代反应
吡啶环的亲核取代反应主要发生在a - 位和g - 位，被
取代的可以是氢原子，也可以是易于离去的基团。如：
3
二、杂环化合物的分类
杂环化合物
五元杂环, 如
O
N
S
单杂环
H
六元杂环, 如 N
稠杂环
苯环与单杂环稠并, 如
N H 吲哚
两个或两个以上单杂环稠并 N
N 喹啉
N
NN H
嘌呤
4
三、杂环化合物的命名 1. 音译法： 在同音汉字左边 + 口字。
1
O
furan 呋喃
1
N H pyrrole
吡咯
1
S thiophene
N 异烟酸
N 异 烟 肼 (雷米封)
CH3 KMnO 4 N
COOH
NH3
N 烟酸
CONH2
N 烟酰胺
COOH
N
KMnO4
N CH3
N
32
烟碱 (nicotine)
烟酸
2. 喹啉 喹啉在常温下为无色油状液体，b.p 238℃。与吡啶
相似，具有弱碱性(pkb=9.15)。喹啉的许多衍生物在医药 上具有重要意义，特别是抗疟类药物。
基团进入的位置与反应试剂有关。如：
15
4
5
O
CHO
C l2
5
Cl O CHO
(CH3)2CHCl (CH3)2CH 4
Al C l3
O
CHO
(三)、常见的五元杂环化合物
1. 呋喃和糠醛
呋喃为无色液体，难溶于水而易溶于有机溶剂，b.p
为32℃。
尽管呋喃在较温和的条件下就可发生亲电取代反应，
但因其芳香性较弱，呋喃及其衍生物容易进行Diles-Alder反
一、结构与芳香性 1、杂环化合物为什么具有芳香性？
N
C C
C NH
C
C
sp2
C
O
C
O
H
C
sp2
未参与共轭
C
C
sp2
π
6 5
富电子体系
C
S
C
未参与共轭 S
8
五元杂环化合物具有芳香性的另一个标志就是环上的 氢受离域电子环流的影响，其核磁共振信号都出现在低场
区。a- H 由于受杂原子吸电子诱导效应的影响，其d值
N
C H3I ( 1 mol )
那么为什么a - 位、g - 位的侧链氢酸性强？
H N CH
=
O
H
N
CH
H
O
H
CH2CH3 CH2CH3
N
α-位
N CH2
β-位
CH2 N
N CH2
CH2 N
N CH2
=CH2
N
N CH2 特别稳定
=CH2
N
CH2
CH2
CH2
CH2
= = =
γ-位
31
N
N
N
N
特别稳定
噻吩
1
N pyridine
吡啶
1
N H indole
吲哚
N
1
quinoline
喹啉
2. 杂环及环上取代基的编号：
(1) 母体杂环的编号：杂原子的编号为“1”。
杂原子邻位的碳原子依次用1, 2, 3, 4, 5…(或a、b、g…)编号5。
21
CH3 α N H
2 - 甲基吡咯 α - 甲基吡咯
α
O CHO
喹啉及其衍生物通常用斯克劳普(Skraup Z H)合成法
来合成。
CH2 CH CH2
吲哚亲电取代反应发生在什么位置？
E+
4
5
3
1
苯环 6
N 2 吡咯环
7H
+ E+ N H
进攻 C2 进攻 C3
+ 只有一个带有完整苯环
N2 H
E H
的共振杂化体。
3E
3E
H N+
H
+
N
H
H
有两个带有完整苯环的共振杂化体。
20
= =
CH2COOH
N H β - 吲哚乙酸 一种植物生长促进剂
OH N
CC N HO