1

杂环化合物概述杂环化合物的涵义

杂环化合物的命名

结构与芳香性

五元杂环化合物的化学性质

六元杂环化合物的化学性质

含 2 个杂原子的六元杂环化合物

2

【本章重点】

呋喃、吡咯、噻吩和吡啶的结构与化学性质。

【必须掌握的内容】

1. 杂环化合物的命名方法。

2. 呋喃、吡咯、噻吩和吡啶的结构与芳香性。

3. 呋喃、吡咯、噻吩和吡啶的化学性质

3

等杂原子的环状化合物，统称为杂环化合物。

ÔÓ»· »¯ºÏ Îï

·Ç·¼ÏãÐÔÔÓ»· »¯ºÏ Îï , È磺

·¼ÏãÐÔÔÓ»· »¯ºÏ Îï

O NH

¡¢ ¡¢ ÄÚõ¥¡¢ »· ×´ËáôûµÈ¡£

本章讨论的就是那些环为平面型，环内 π 电子数符合

4n+2 规则，具有一定芳香性的芳杂环化合物。

概 述 一、杂环化合物的涵义：

成环原子除碳以外，还有其它如 O 、 N 、 S 、 P

4

杂环化合物的分类：

ÔÓ»· »¯ºÏ Îï

µ¥ÔÓ»·

ÎåÔªÔÓ»· , ÈçO N

HS

ÁùÔªÔÓ»· , ÈçN

³í ÔÓ»·

±½»· Óëµ¥ÔÓ»· ³í ²¢ , ÈçNH

N

Á½ö ÒÔÉϵ¥ÔÓ»· ³í ²¢

5

二、杂环化合物的命名： 1. 音译法：

O NH

S N

furan pyrrole thiophene pyridine

ß» à« ßÁ ¿© àç ·Ô ßÁ à¤

NH

N

indole quinoline

ßÅ ßá à ßø

2. 杂环及环上取代基的编号：

在同音汉字左边 + 口字。

(1) 母体杂环的编号：杂原子的编号为“ 1” 。

1 1 1 1

1 1

杂原子邻位的碳原子也可依次用 α 、 β 、 γ… 编号。

6

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。

12

NH O S

CH3 CHO

COOH

2 - ¼×»ùßÁ¿© 2 - ߻ૼ×È© 3 - àç·Ô¼×Ëá

N

COOH

COOH

2, 3 - ßÁशþ¼×Ëá

¦Á

¦Â

¦Á¦Á

¦Â

¦Á ¦Â- ¼×»ùßÁ¿© ¦Á- ߻ૼ×È© - àç·Ô¼×Ëá ¦Á , ¦Â- ßÁशþ¼×Ëá

1

3

2

N

NH

N

O

N

S

imidazole oxazole thiazole

ßä ßò ‡f ßò àç ßò

3 3

2 21 1N

N

pyrimidine

1 2

3

à× à¤

7

1

3

2

N

NH

N

O

N

S

5 - ¼×»ùßäßò 4 - Ïõ»ù‡f ßò 4 - ¼×»ù - 5 - ( 2' -ôÇÒÒ»ù ) àçßò

3 3

2 21 1CH3

O2N

HOCH2CH2

55

4 4CH3

O S

N

±½²¢ ߻ૠ±½²¢ àçßò

三、结构与芳香性

1 、杂环化合物为什么具有芳香性？

C

CC

N

C

H

C

CC

O

C

N

H

O

δ ²Î Óë¹² éî¦Ð56

¸» µç×ÓÌå ϵ

8

N

C C

N

CC

C

¦Ð66

µÈµç×ÓÌå ϵ

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。 α- H 由于受杂原子吸电子诱导效应的影响，其 δ 值

较大。

S NH

O

¦Ä

¦Ä

6.99 ¦Ä6.22 ¦Ä6.24

7.18 ¦Ä6.68 ¦Ä7.29

δ ²Î Óë¹² éî

9

Z

Z = O¡¢ NH¡¢ S

ß»à«

ßÁ¿©

àç·Ô

Z C

0.136(0.143) 0.1361 0.14302

34

C2 C3 C3 C4

0.1370(0.147) 0.1383 0.1417

0.1714(0.182) 0.1370 0.1423

C CC C=0.1540.134

1 ） . 五元杂环化合物

2 、具有芳香性的杂环与苯环的异同点

(1) 由此可见，苯分子中的键长完全平均化，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：

S NH

O

离域能： 150.5 117 88 67 kj / mol

10

(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：

SNH

O

2 ） . 六元杂环化合物

N2

3

4

0.139

0.140

0.1340.147

0.128

µ¥

Ë«

吡啶环的键长也发生了较大程度

的平均化， C ―C 键虽与苯相似，但

C ―N 键变化很大，因此，其芳香性

11

也比苯差。

吡啶和苯虽然都属等电子体系，但因

氮原子的电负性较大，从而使环上的电子

云密度降低 ，故其亲电取代反应性能不但N

¦Ä

¦Ä

¦Ä

¦Ä

¦Ä

¦Ä

¦Á

¦Â

¦Ã

比苯差，且亲电取代反应发生在电子云密度较高的 β- 位。

这一特性很类似于硝基苯。

综上所述，五元、六元杂环化合物虽然都具有芳香性，

但其环上的电子云的密度是不同的，其电子云密度由高到

低的顺序是：

S NH

O N

12

三、常见的五元杂环化合物

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

五元杂环化合物的化学性质

13

五元杂环化合物的化学性质一、亲电取代反应

ZZ= ( NH¡¢ O¡¢ S )

X2/ µÍÎÂ

X2=Cl2¡¢Br 2 Z X

CH3COONO2

-5 ~ -30 C¡£

Z NO2

N+ SO3-

Z SO3N

H + HCl

Z SO3H( Z = NH¡¢ O ) àç·Ô¿ÉÖ±½ÓÓÃH2SO4 »Ç»¯¡£

ClCH2CH2Cl

(CH3CO)2O

SnCl4 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。

14

ZZ= ( NH¡¢ O¡¢ S )

+ E+

ZEH

+

ZEH

+Z

EH

+

Z

E

H+

Z

E

H

+

ÕýµçºÉ¿ÉÔÚÈý ö Ô ×ÓÉÏÀëÓò

ÕýµçºÉÖ»ÄÜÔÚÁ½ö Ô ×ÓÉÏÀëÓò

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) α- 位上有取代基

五元杂环化合物亲电取代反应发生在 α- 位可用共振论解释：

15

(2) β- 位上有取代基

S

X = o¡¢ p - ¶¨ λ»ù Y m - ¶¨ λ»ù

X

(Ö÷)(´Î )S

Y

(Ö÷)

=

25 5

5 - λ±»Õ¼, Ôò½øÈë4 - λ , ¶ø²» ½øÈë2 - λ

S

X = o¡¢ p - ¶¨ λ »ù Y m - ¶¨ λ »ù

X(Ö÷)

(´Î )

S Y

(Ö÷)

(´Î )

=

5

3

5

4

这里值得注意的是：吡咯和呋喃也遵循上述规律，但

当 α- 位上有 m – 定位基 ( 如： – CHO 、 – COOH) 时，新引

16

入基团进入的位置与反应试剂有关。如：

O CHO5

4

(CH3)2CHCl

AlCl3

Cl2O CHO

5Cl

O CHO

4(CH3)2CH

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

17

反应和一般的亲电加成反应。如：

O O

=

=

O

O

+30¡æ O

=

=

O

OHH

O+ Br2

CH3COOK

CH3OH O

H HBr Br

CH3OH

O

H HCH3O OCH3

呋喃在 Ni 催化下，易于加氢生成四氢呋喃——良好的

溶剂和重要的有机合成原料。

O

H2 / Ni

O

HCl140¡æ

Cl(CH2)4ClNaCN

NC(CH2)CN

NC(CH2)CN

H2O/H+

HOOC(CH2)COOH

H2 / NiH2N(CH2)6NH2

18

呋喃甲醛又称糠醛，是呋喃的重要衍生物。

糠醛的化学性质与苯甲醛类似，可发生 Cannizzaro 反

应、与含 α-H 的醛或酮的交错缩合反应等。

糠醛是良好的溶剂和重要的有机合成原料。

2. 吡咯和吲哚

吡咯为无色油状液体， b.p131℃ ，微溶于水，易溶于

有机溶剂。

吡咯的酸碱性：

N

H

由于氮上的未共用电子对参与了共

轭体系，难以与 H+ 结合，故基本不显碱性 (pkb=13.6) 。

19

然而，由于氮原子的吸电子作用，使得吡咯会显示出

一定的酸性，但其酸性较弱，需在强碱下方可成盐。

N

H

+ KOH(NaNH2)N

K(Na)

+ H2O (NH3)

吡咯环不如苯环稳定，易被氧化。

吡咯容易发生亲电取代反应，其反应活性与苯胺类似。如：

N

H

I2 + NaOH

N2+Cl

N

H

I I

I I

N

H

N N=

( 屜 )

( ż ºÏ )

20

吲哚系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。

吲哚亲电取代反应发生在什么位置？

NH

±½ »· ßÁ¿©»·1

2

34

5

67

E+

NH

E+ 2

3

+NH

½ø¹¥ C2

½ø¹¥ C3

HE

+

NH

HE

+ NH

HE

+

3

Ö»ÓÐÒ»ö ´ø ÓÐÍêÕû±½»· µÄ¹² ÕñÔÓ»¯Ìå ¡£

ÓÐÁ½ö ´ø ÓÐÍê Õû±½»· µÄ¹² ÕñÔÓ»¯Ìå ¡£

21

NH

CH2COOH

¦Â- ßÅßáÒÒËá

Ò»ÖÖÖ²Îï Éú³¤ ´Ù½ø¼Á

NH

C

HN

C

=

=

O

O

µå À¶

Ò»ÖÖȾÁÏ

22

六元杂环化合物的化学性质 一、吡啶的化学性质

N

¦Ä

¦Ä

¦Ä

¦Á

¦Â

¦Ã

¼îÐÔÓë³ÉÑÎ

Ç×µçÊÔ¼Á½ø¹¥ ²¿ λÇ׺ËÊÔ¼Á½ø¹¥ ²¿ λ

1. 碱性与成盐：

CH3NH2 NH3N

NH2

pkb 3.36 4.75 8.8 9.3

23

NN

H

CH3 ¡ÔC NNN

H

CH3 ¡ÔC N

sp3 sp2 sp

吡啶环上有供电子基时将使碱性增强。如：

NNH

NH

NH

NH

CH3

CH3

CH3

a. b. c. d.+ + + +

Ëá ÐÔ£º a £¾ c £¾ b £¾ d

pka 5.17 5.79 5.68 6.02

¼î ÐÔ£º d £¾ b £¾ c £¾ a

24

吡啶既然是一个碱，遇酸便形成稳定的盐。

如果用非质子的硝化试剂、磺化试剂，或用卤素、卤

代烷、酰氯与吡啶环进行反应，也将形成相应的吡啶盐：

NN

NO2+BF4

Et2O

HCl

SO3

CH2Cl2

Br2 / CCl4

CH3I

PhCOClÊ ÓÍÃÑ

NN+

H

NN+

NO2

NN+

SO3

NN+

Br

NN+

CH3

NN+

PhCO

Cl

BF4

Br+

I

Cl

25

如前所述，吡啶的亲电取代反应比恁困难，需在较强

的条件下方可发生，且发生在 β- 位。

N

HNO3, H2SO4

300¡æ N

NO2

N

BrBr2300¡æ

220¡æ N

SO3HH2SO4, HgSO4

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。

N

NO2

CH3 CH3

HNO3, H2SO4

100¡æ NCH3 CH3

2. 吡啶环上的亲电取代反应

26

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 β- 位，除用电子理

论解释外，还可以用中间体的稳定性加以说明：

NHE

+

NHE

+

NHE+

N+ E+

N N+

NHE

+HE+

HE

Ìز» Îȶ¨

N N N

+H E

+H E H E

Ìز» Îȶ¨

¦Â λ

¦Ã λ½ø¹¥

½ø¹¥

½ø¹¥ ¦Á λ

27

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 α- 位和 γ- 位，被

取代的可以是氢原子，也可以是易于离去的基团。如：

N

Li

N

NaNH2( - H2 ) N NHNa

H2O

N NH2

N Cl

CH3ONa

NaOH ,N OCH3

NH3 , ZnCl2220¡æ N NH2

N

BrBr NH3 , H2O

160¡æN

NH2Br

28

α- 甲基吡啶和 γ- 甲基吡啶

吡啶同系物中以甲基吡啶最为重要，它有三个异构体：

N N NCH3

CH3

CH3

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 α- 位和 γ- 位。如：

N CH3

C

=

O

+NaNH2

N CH2 C OH

二、常见的六元杂环化合物

1. 甲基吡啶

29

N

CH3CH2CH3 NaNH2

N

CH2Na+

CH2CH3 CH3I

( 1 mol ) N

CH2CH3CH2CH3

那么为什么 α- 位、 γ- 位的侧链氢酸性强？

N C

H

H

H C

H

H

HN

=O

O

N

N

CH2

CH2

N CH2 N CH2 N CH2

N

CH2

N

CH2

N

CH2

N

CH2

N

CH2

N

CH2

N

CH2

ÌرðÎȶ¨

ÌرðÎȶ¨

¦Â - λ

¦Ã - λ

¦Á - λ

30

N CH3+ CH3CHO

ZnCl2

N CH2CHCH3

OH

N CH=CHCH3

H2/ Ni

N CH2CH2CH3

¶¾ ÇÛ ¼î

4 Cl2 ( - 4 HCl )

N CCl3Cl

µª ·ÊÔöЧ¼Á

N

CH3

O2. V2O5 / ¹èËá

or KMnO4 N

COOH

NH2NH2 H2O

N

CONHNH2

Òì ÑÌ Ëá Òì ÑÌ ë (À×Ã×·â )

β- 甲基吡啶

N

CH3 KMnO4

N

COOHNH3

N

CONH2

ÑÌ Ëá ÑÌ õ£ °·

NN

CH3

KMnO4

N

COOH

ÑÌ ËáNicotine

31

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。 喹啉及其衍生物通常用 Skraup 合成法来合成。

CH2

CH

CH2

OH

OH

OH

H2SO4

( - H2O )

CHO

CH

CH2OH

=

H2N

NH

C=O

H

NH

CHO H

H2SO4

NH

C6H5NO2

N

若用邻羟基苯胺代替苯胺，则可制备 8- 羟基喹啉。

32

OHNH2

+ CH2=CHCHOH2SO4

ÁÚÏõ»ù±½·Ó NOH

N»î »¯»·

ÓÐÀûÓÚÇ×µçÈ¡´ú ·´ Ó¦µÄ

·¢ Éú,ÇÒÖ÷Òª·¢ ÉúÔÚ5, 8 -λ ¡£

¶Û»¯»·

ÓÐÀûÓÚÇ׺ËÈ¡´ú ·´ Ó¦µÄ

·¢ Éú, ÇÒÖ÷Òª·¢ ÉúÔÚ2 - λ ¡£

(1) 亲电取代反应

N

HNO3

H2SO4 N N

NO2

NO2

+H2SO4

220¡æNSO3H

N

Br2, H2SO4

AgSO4, N N+

Br

Br

Br2, CCl4

N

Br

ÔÚËáÐÔÌõ ¼þÏÂ, ÔÓ»· µª ¿É

½ÓÊÜÖÊ×Ó, ʹ»· ¸ü ¼Ó¶Û»¯¡£

33

(2) 亲核取代反应

N

NaNH2

N NHNa

H2O

N NH2

N Ph

NaNH2 H2O

N Ph

NH2

(3) 氧化反应

N

KMnO4

N

COOH

COOH N

COOH

34

含 2 个杂原子的六元杂环化合物一、嘧啶的性质

1 、溶解性 易溶于水2 、酸碱性 弱碱性，碱性比吡啶弱3 、环的稳定性 比吡啶环的稳定性强

N

N

35

4 、亲电取代和亲核取代

5 、加成反应

N

N

N

N

N

N

BrBr2

130°C

N

N

N

N

NaNH2

NH2

H2 ， Pt

75°C

反应一般发生在 C5-C6 双键处

36

二、嘧啶的衍生物

嘧啶本身不存在于自然界，其衍生物在自然界分布很广，脲嘧啶、胞嘧啶、胸腺嘧啶是遗传物质核酸的重要组成部分，微生素 B1 也含有嘧啶环。合成药物的磺胺嘧啶也含这种结构。

N

N

N

N

N

N

OH

HO

OH

HO HO

CH3

NH2

Äòà×ठÐØÏÙà×ठ°ûà×à¤( U ) ( T ) ( C )

37

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。

N NH

N

N NH

N

2

3

45

6

7

8 9

1

11

2 2

3

3

4

4

55

6

6

7

7

8

à ßø ßÅßá àÑßÊ( Quioline ) ( indole ) ( Purine )

38

一、吲哚 吲哚是白色结晶，熔点 52.5℃ 。极稀溶液有香味，可用作香料，浓的吲哚溶液有粪臭味。素馨花、柑桔花中含有吲哚。吲哚环的衍生物广泛存在于动植物体内，与人类的生命、生活有密切的关系。 吲哚的性质与吡咯相似，也可发生亲电取代反应，取代基进入 β- 位。

NH

¦Â ßÅßá»ÇËá

Br2, O O

0 ¡æ

C6H5COONO2

CH3CN, 0 ¡æ

N . SO3

äåßÅßá

Ïõ »ùßÅßá3

3NH

NH

NH

Br

NO2

SO3H

70%

35%

39

NH

CH2 CH COOHNH2

NH

CH3 ¦Â

É«°±Ëá¹¹ ³Éµ°°×ÖʵÄÖØÒª³É·Ö

¼×»ùßÅßᣨ ·à ³ô ËØ£©

ºÜÏ¡ ʱÓÐÜÔÀòÏã ζ

·Ö½â

NH

CH2CH2NHAcCH3O

ÄÔ°×½ð

Melatonine

40

二、喹啉喹啉存在于煤焦油中，为无色油状液体，放置时逐渐变成黄色，沸点 238.05℃ ，有恶臭味，难溶于水。能与大多数有机溶剂混溶，是一种高沸点溶剂。

1 ．喹啉的性质（ 1 ）取代反应 喹啉是有吡啶稠合而成的，由于吡啶环的电子云密

度低于与之并联的苯环，所以喹啉的亲电取代反应发生在电子云密度较大的苯环上，取代基主要进入 5 或8 位。而亲核取代则主要发生在吡啶环的 2 或 4 位。

N1.63

0.79

0.93

0.77

1.00

0.95

0.96

0.98

41

N¡æ

NN

N

N

N

NO2

NO2

Br

Br

NSO3H

NHNaN

NH2

+

+

H2O

Ũ

HNO3 H2SO4ŨŨ +

H2SO4Ũ+Br2

Ag2SO4

H2SO4, 220

KNH2. ¶þ¼×±½

100 ¡æ

¡æ0

42

（ 2 ）氧化还原反应喹啉用高锰酸钾氧化时，苯环发生破裂，用钠和乙醇还原是其吡啶环被还原，这说明在喹啉分子中吡啶环比苯环难氧化，易还原。

N

¡æ

N

NH

100KMnO4

CH3CH2OH, Na

COOH

COOH

43

2 、喹啉的衍生物

喹啉的衍生物在自然界存在很多，如奎宁、氯喹、罂粟碱、吗啡等。

N

CH3O

CHHO N CH CH2

¿üÄþ£¨ ½ð¼¦ÄƼ´æÔÚÓÚ½ð¼¦ÄÆÊ÷ƤÖУ¬Óп¹ ű¼²ÁÆЧ

44

N

N

Cl

NH

CHHO (CH2)3-NC2H5

C2H5

CH2

OCH3

OCH3

CH3O

CH3O

ÂÈà £¨ ºÏ ³É¿¹ ű¼²Ò©£© ó¿ËÚ¼î

HO O OH

N

CH3

12

3

4

5 6

7

8

Âð·È

º¬Ò»ö ±»»¹ Ô Á˵ÄÒìà ßø»· £¬ÊÇÓѻƬÖÐÌá È¡³ö À´µÄ¡£

Âð·ÈµÄÑÎËáÑÎÊǺÜÇ¿µÄÕòÍ´ Ò©£¬ÄÜ

³ÖÐø6Сʱ£¬Ò²ÄÜÕò¿È£¬µ«Ò×ÉÏñ«¡£

½«ôÇ»ùÉϵÄÇâ»»³ÉÒÒõ£»ù£¬¼ Ϊ

º£ ÂåÒò£¬²» ´æÔÚÓÚ×ÔÈ»½ç¡£ º£ ÂåÒò±ÈÂð

·È¸ü Ò×ÉÏñ«£¬¿ÉÓÃÀ´½â³ý Íí ÆÚ°©Ö¢»¼Õß

µÄÍ´ ¿à¡£

45

三、嘌呤 N

N NH

N N

N N

NH

¢ò¢ñ( ) ( )9H 7H àÑßÊàÑßÊ

嘌呤为无色晶体， m.p216-217℃ ，易溶于水，其水溶液呈中性，但能与酸或碱成盐。纯嘌呤环在自然界不存在，嘌呤的衍生物广泛存在于动植物体内 1 ．尿酸 存在于鸟类及爬虫类的排泄物中，含量很多，人尿中也含少量。

HN

NH

NH

NH N

N NH

N

OO

O OH

HO OH

46

2．黄嘌呤 存在于茶叶及动植物组织和人尿中。

HN

NH

NH

N N

N NH

N

O

O OH

HO

3 ．咖啡碱、茶碱和可可碱 三者都是黄嘌呤的甲基衍生物，存在于茶叶、咖啡和 可可中，它们有兴奋中枢作用，其中以咖啡碱的作用最强。

N

N N

N

O

O

N

N N

N

O

O

N

N N

NH

O

O

N

N N

N

O

O

HN

N N

N

O

O

CH3

CH3CH3CH3

CH3CH3 CH3

咖啡碱 茶碱 可可碱

47

4 ．腺嘌呤和鸟嘌呤 是核蛋白中的两种重要碱基。

N

N NH

N HN

N NH

N

H2N

ONH2