15章杂环化合物
有机化学大纲(应用化学专业)
《有机化学》课程教学大纲Orgonic Chemistry适用于四年制本科应用化学专业学分：6 理论学时：64一、课程的性质、任务和要求《有机化学》课程是应用化学专业的一门必修专业基础课。
本课程共64学时，4学分。
考试课。
有机化学课程的主要任务是：使学生通过本大纲所规定的全部教学内容的学习，较熟练地掌握有机化合物的基本性质、分类、命名、反应类型及机理、制备方法、鉴别和有几化合物之间相互转化的基本规律；培养学生初步具有选择有机化合物合成方法的能力及基本知识和理论，为工业分析与检验学科其他后续课程（高分子化学与物理、复合材料学和复合材料聚合物基体等）打下牢固基础。
同时授予学生特有的思维、推理方法，提高学生分析问题和解决问题的能力。
学习本课程后，要求学生应达到要求：1. 熟练掌握各类有机化合物的分类和命名。
2. 熟练掌握各类有机化合物的结构及其官能团的特征。
3. 掌握有机化合物的物理性质、化学性质以及鉴别方法。
4. 掌握各类主要有机化合物合成的主要方法。
5. 掌握某些重要的反应规则及反应历程。
6. 了解各类化合物在一定条件下相互转化的规律。
二、本课程与其它课程的关系、主要参考教材先修课程：无机化学、分析化学等教材名称：《有机化学》付建龙、李红主编化学工业出版社 2009.9年。
参考资料：《有机化学》天津大学编高等教育出版社。
《有机化学》高鸿宾编化学工业出版社（第三版）。
三、课程内容第一章绪论主要内容：有机化学和有机化合物的定义、有机化合物的特点、有机化合物结构理论、有机化合物的分类及研究方法。
第二章烷烃主要内容：烷烃的通式、同系列、同系物、烷烃的命名、烷烃的结构、烷烃的化学性质、杂化轨道理论、碳原子类型、氢原子类型及烷烃的应用。
重点与难点：杂化轨道理论第三章烯烃和二烯烃主要内容：烯烃及二烯烃的命名、异构现象、烯烃的结构、烯烃的物理性质及化学性质、烯烃的制备及用途、亲电加成及加成规则、诱导效应及共轭效应。
有机化学第十五章 杂环化合物
+
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
第十一章,第十二章,第十三章,第十四章有机化学名词解释
名词解释第十一章1.振动光谱——分子振动能级间的能量差比同一振动能级中转动能级之间能量差大100倍左右，他们大多在近红外区域内，因此称为红外光谱。
2.转动光谱——分子转动能级之间的能量差很小，转动光谱位于电磁波谱中的远红外及微波区域内。
3.红外吸收峰的位置——分子振动的频率决定分子所吸收的红外光频率。
4.红外吸收光谱——分子吸收红外光引起的振动和转动能级跃迁产生的信号。
5.红外光谱产生的条件——当一定频率的红外光照射物质时，如果分子中某一基团的振动频率正好与其相同，物质就能吸收这一频率的红外光从低能级跃迁到较高的能级，产生红外吸收光谱。
6.叁键和累积双键区——2500~2000 cm-1各种叁键基团和累积双键的伸缩振动区域7.氢键区——4000~2500cm-1含氢基团的伸缩振动区。
8.双键区——2000~1500 cm-1各种双键基团包括共轭双键以及苯基伸缩振动区域。
9.特征吸收峰——用于鉴定官能团存在的吸收峰。
10.特征谱带区——氢键，双键，叁键区的特征性强，所以4000~1500 cm-1的区域称为官能团特征频率区。
11.核磁共振谱——记录原子核对射频区电磁波的吸收，简称NMR。
12.质子磁共振谱——氢原子核共振谱，简称PMR。
13.化学位移——由于化学环境所引起的核磁共振信号位置的变化。
14.自旋偶合——相邻碳上氢核的相互影响。
15.硝基化合物的还原——硝基苯在强酸介质中，用金属还原时，总是得到苯胺，用催化加氢也可得到同样的结果。
16.胺的碱性——胺与氨相似，氮原子上的未共用电子对能与质子结合，形成带正电的铵离子。
17.胺——可看作氨的衍生物，即氨分子中的氢原子被烃基取代的产物。
18.胺的烃基化——与卤代烃（通常为伯卤代烃和具有活泼卤原子的芳卤化物），醇等烃基化试剂作用，胺基上的氢原子被烃基取代。
19.胺的酰基化——伯胺和仲胺作为亲核试剂可与酰卤，酸酐等酰基化试剂反应，生成N-取代酰胺和N,N-二取代酰胺。
杂环1
4 5 6 7 N H1 3 2
苯并呋喃 (benzofuran)
苯并噻吩 (benzothiophene)
N
苯并吡咯 吲哚 (indole)
N OH
O
COCH3
H5C2
S 5-乙基噻唑
N CH3
2-乙酰基呋喃
N-甲基-2-羟基咪唑
PhCO N H
有机化学 第十四章 杂环化合物 17
4 化学反应
(1) 氮原子上的反应
+ 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
+ PhCOCl N
N COPh
+
Cl-
氯化N-苯甲酰基吡啶
有机化学 第十四章 杂环化合物
15
2 物理性质（自学）
氮原子的电负性较大,使吡啶有较大极性,其偶极距数值较大.
N
=2.20D
N H
=1.17D
吡啶能与水以任意比例混溶,又能溶解大多数极性或非极性 有机化合物,甚至许多无机盐类,是一个良好的溶剂。
有机化学 第十四章 杂环化合物
16
3 碱性
► 吡啶的碱性比脂肪胺弱，比苯胺、吡咯强。 ►解释：吡啶的碱性比脂肪胺弱，主要由于孤对电子所占据 的轨道S成分的较多（N为SP2 杂化）。 利用它的碱性，可从混合物中分离吡啶类化合物，在化学 反应中还可用作催化剂和除酸剂。
H3CO
氧化剂
NH2
甘油
N
NO2
N H NO2
【有机化学】杂环化合物【课件PPT】
NN
O + Br2 0 OC
O Br 80%
S
95% H2SO4
25oC
S
SO3H (69~76%)
21
+ Ac2O
N
乙酸酐
H
N H
CH3 O
吡咯和呋喃遇强酸时, 杂原子能质子化, 使芳香大 键破坏, 所以不能用强酸进行硝化和磺化反应, 需选用较温和的非质子性试剂。例如吡咯硝化需 用硝酸乙酰基酯。
1N 6 5
7
N
2
N
3
4
NH9
8
嘌呤
嘌呤是由咪唑和 嘧啶两个杂环稠 合而成。
23
6
1N 5
7
N
2
8
N
3
4
NH9
9H-嘌呤
N Quinoline
6
1N 5
7
NH
2 N4 N 8
39
7H-嘌呤
N Isoquinoline
CH3O
CH3O
N
罂粟碱
OCH3
OCH3
24
水溶度： ∞ 1:1
1:1
微溶
答: 吡啶能与水形成氢键。羟基或氨基取代的 吡啶因分子间氢键的形成而降低了水溶度。
14
2. 碱性：吡啶环 N 原子的孤电子对处于sp2杂化 轨道上，而一般脂肪胺N上的孤电子对处于sp3杂化 轨道。前者碱性较弱 (pKb=8.8) 。
+ HCl N
+ Cl N H
碱性比较：脂肪胺 >>
N N Pyridazine
哒嗪
N
N Pyrimidine
嘧啶
N
N Pyrazine
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。
泳衣品牌
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。
杂环化合物
在环上含有杂原子(非碳原子 的有机物称为杂环化合物 在环上含有杂原子 非碳原子)的有机物称为杂环化合物。 非碳原子 的有机物称为杂环化合物。 没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂环。 一、 脂杂环 没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂环。
三元杂环 四元杂环 五元杂环
O
O
O
O O
(环氧乙烷 环氧乙烷) 环氧乙烷 (β-丙内酯 丙内酯) 丙内酯
AcO-
O
AcONO2 -5~-30℃ ℃
O
H NO2
H AcO
H O NO2
Pyridine
NO2 O 35%
HNO3/(CH3CO)2O
混酸
N H
N H
NO2
S
S
NO2
13
第十二章 杂环化合物
(3)磺化 (3)磺化
呋喃、噻吩和吡咯常用较温和的磺化试剂－吡 呋喃、噻吩和吡咯常用较温和的磺化试剂－ 啶与三氧化硫加合物进行反应
呋喃、噻吩和吡咯通常用较温和的硝化试剂－ 呋喃、噻吩和吡咯通常用较温和的硝化试剂－硝酸乙酰 酯在低温下进行反应； 酯在低温下进行反应；
O O CH3COCCH3 + HNO3 O CH3CONO2 O + CH3COH
呋喃在此反应中先生成稳定或不稳定的2,5-加成产物, 呋喃在此反应中先生成稳定或不稳定的2,5-加成产物, 2,5 然后加热或用吡啶除去乙酸,得硝化产物。 然后加热或用吡啶除去乙酸,得硝化产物。
N H
N
N H
N H
噁唑
噻唑
咪唑
第十二章 杂环化合物
吡唑
2
六元杂环
N N N O
吡啶
苯并杂环
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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
β CH2COOH Nα
-吲哚乙酸
H
43
5
COOH
6
2
3-吡 啶甲 酸
N1
◆ “标氢-H ”：对部分饱和的杂环，根据饱和碳 原子的位次标明氢原子的位次.
N H
1
1H-吲哚
3
N
1
3H-吲哚
4
4
2
O1
4H-吡喃
2
O
1
2H-吡喃
◆ 含活泼氢的杂环及衍生物，存在互变异构体
6
1N
5 N7
6
1N
5
H N7
2
Ph 5 1 4 N
3
6
b
N3 7 2 S1 2
3c N
bd 2a O
4
4
5
1
2
N6
N
5
1H
5-苯基咪唑[2，1-b]并噻唑
6H-吡唑并[4，5-d]恶唑
第二节 六元杂环化合物
一、吡啶
（一）结构与芳香性
p
.
.
. .
.
N : sp2
.
+
N
..
N
N
..
.. + .N.
+ .. .N.
分子立体图
（二）物理性质
4
5
3
6
N2
N1
哒嗪
4
4
5
N3
N
5
3
6
2
N1
6
2
N1
嘧啶
吡嗪
H N
4
5
3
6
2
N H
1
哌嗪
5、五元及六元稠杂环
5
N
6
4
N3
7
N
8
2
N
1
喋啶
6
1N
5
H N7
2 N 4N 8
3
9
7H-嘌啉
嘌呤编号 非常特别
4
5
3
6 7
2
N H
1
吲哚
4
5
N3
6 7
2
N H
1
苯 并咪唑
5 6
4
3
7 8
2
N
1
喹啉
5 6
4
3
7 8
H
E
+
N
+
CH
H
E
+
E
C
N
N
H +E C N
H
E
+
C
N
H
E
H
E
+
C
+
N
N
特别不稳定
4、亲核取代反应(主要发生在α-位)
+ PhLi
N
+ LiH
N
+ NaNH2
N
+ H2
N
NH2
(Chichibabin反应)
5、氧化和还原反应
SeO2 N CH3
N CH=O
※ 特殊氧化剂使吡啶氧化
H2O2 / AcOH, 65℃
pKa 4.7 5.2 9.2 10.6 11.2
+ SO3
N
（Lewis酸）
+
or
. SO3
N
N
SO3 N-磺酸吡啶
+ CrO3
N
+
or
. CrO3
N
N
CrO3 N-铬酸吡啶
2、与卤代烷、酰卤和酸酐的反应
+ CH3-I
N ..
+ .I N
CH3 碘化N-甲基吡啶
+ PhCOCl
N ..
+ . Cl N
③ 将稠合的原子所在位次与稠合边方括号之， 置于“并”字后，且数字在前，字母在后。
3
b
S 2aO
1
1
噻吩并[2,3-b]呋喃
3
HN a b 2 1S
噻吩并[3,2-b]吡咯
பைடு நூலகம்
※ 附加环数字的先后应 与基本环的走向一致！
3、整个稠杂环的周边编号方法： ① 共用碳原子不编号，共用杂原子编号. ② 编号用于确定取代基的位次.
N
or CH3COOOH
+
N
95%
O
吡啶N-氧化物
※ 吡啶N-氧化物易进行亲电取代反应
γNO2
HNO3 / H2SO4
+
N
90℃
+ N
90%
O
O
◆ N-氧化物常用来活化吡啶与起定位作用
H2O2
+
N
N
O
HNO3 / H2SO4 90℃
NO2
+ N O
PCl3 CHCl3
H2/Ni
NO2
N NH2
N
COPh
氯化N-苯甲酰基吡啶
3、亲电取代反应
CH3
CH3
N
+ H2SO4 HgSO4
N
SO3H
环N原子起决定性的定位作用
OH
+ Br2
N
OH
N
Br
羟基或氨基是强邻对位定位基
+ E+
N
进攻α-位
H
+
N E
+
C H
N E
+
C N
H E
H
+
N E
特别不稳定
+ E+
N
进攻β-位
H
E
+
N
+ E+
N
进攻γ-位
N2
1
异喹 啉
※※ 苯稠杂环从杂原子开始编号，两环稠合
处的碳原子不编号
◇ ◇ ◇ 苯稠杂环命名方式： 先确立特定杂环母核名称与编号，然后将取
代基以词头/词尾的形式冠于杂环名前/后。
PhCO
5
3
N
N H
1
NH2
2-氨基-5-苯甲酰基 苯并咪唑
SO3H
I
N
OH
8-羟基-7-碘喹啉 -5-磺酸
※ 当杂环上连有 -CHO，-COOH， -SO3H等， 应以杂环作取代基。
1、吡啶环上引入-OH，水溶性下降，所引入
-OH越多，其水溶性越小。
2、IR
C-H
3000cm-1
C=C、C=N 1600～1400cm-1
3、NMR
吡啶 α-H δ=8.16ppm
其余环上H与苯环类似
（三）化学反应
1、碱性与成盐反应
+ HCl
N
+ Cl NH
苯胺 < 吡啶 < 氨 < 三乙胺 < 哌啶
N
3
4N 8 H9
9H-嘌啉
OH
2 N 4N 8
3
9
7H-嘌啉
O
N OH N
2,4-二羟基嘧啶
HN
O
N H
嘧啶-2,4-二酮
(二)无特定杂环的稠杂环母环的命名规则
将稠杂环看作是两个单杂环并合在一起， 一个环选定为基本环（母环）作为词尾，另一个 环为附加环作为词首，中间加“并”字！
SO 噻吩并[2,3-b]呋喃
COOH NO
β-吡啶甲酸（烟酸）
C NH2 N
β-吡啶甲酰胺（烟酰胺）
CONHNH2
γ-吡啶甲酰肼（雷米封中间体）
N
二、喹啉和异喹啉
N N
1、亲电取代反应 (主要发生在苯环上 )
浓 HNO3/H2SO4 0℃
N
NO2
5
◆ N-氧化物常用来活化吡啶与起定位作用
H2O2 N
CH3ONa CH3OH