第十七章 杂环化合物
Heterocycles
N H
2
N
H
O
N
S
C H
3
C H
3
O
H H
C O O N a
N H
2
N
H
O
O
H H
N
S
C H
3
C O O H
NN
N N
Mg
O
CH
3
R
C
2
H
5
C H
3
H
R ' O O C C H
2
C H
2
H
H
CH
3
C O O C H
3
C H C H
2
NN
N
N
Fe
CH
3
C H
3
C H
3
R ' O O C C H
2
C H
2
CH
3
C H
2
C H
2
C O O H
C H C H
2
C H C H
2
.
H
2
O
氨苄青霉素钠 头孢氨苄叶绿素血红素碳原子和至少一个其它原子,如氧,硫,氮等组成的 环,称为杂环 。 含有杂环的化合物称为 杂环化合物 。
O OO O
O
O
特点,1,数量多，约占已知有机化合物的三分之一；
2、对生命科学有极为重要的意义，与生物的生长、
发育,繁殖，遗传、变异关系密切。
本章介绍的杂环化合物,具有 4n+2个?电子的闭合共轭体系，
即芳香杂环化合物
§ 17.1 杂环化合物的分类,命名和结构
§ 17.1.1 分类和命名芳香性杂环、非芳香性杂环一、分类碳 环 并 杂 环苯 并 杂 环其 它 碳 环 并 杂 环杂 环 并 杂 环
N
H
N
稠 杂 环
N
N
N
H
N
N
C O
2
E t
见书上 P559 表 17-1
P560 表 17-2
稠杂环：苯环与单杂环，或两个以上的单杂环稠并而成。
1。 根据每个杂环化合物的英文名称音译，加“口”字旁表示环状化合物。
二,命名
O S N
H N O N
Furan thiophene pyrrole pyridine benzofuran quinoline
呋喃 噻吩 吡咯 吡啶 苯并呋喃 喹啉
2。编号 —— 使杂原子的位号尽可能小，如不止一个杂原子，则按 O,S，
N的顺序编号。
O
C H
3
S C H
3
N
N
H
CH
3
N
C H
3
1
2
4
1
2
3
1
3
1
4
3-甲基呋喃 2-甲基噻吩 4-甲基咪唑 4-甲基吡啶
S
N
CH 3 N
OC H 3 O
1
2
3
4
5
6
1
2
34
5
7
5-甲基噻唑 6-甲氧基苯并 噁唑
α
β
§ 17.1.2 结构和芳香性
Huckél规则,
一个具有 共平面、环状闭合、共轭体系 的单环多烯化合物，
只有当其?电子数符合 4n+2时，才可能有芳香族的稳定性。
n= 0,1,2,3…,符合休克尔规则，此化合物具有芳香性芳香族化合物的特性 —— 芳香性
(a) 苯环易发生取代，难发生加成反应
(b) 不易氧化吡咯的结构符合休克尔规则，具有芳香性呋喃,噻吩 结构相似，同样具有芳香性
..
符合休克尔规则，具有芳香性精美结构 模型数据比较：离域能呋喃 67 kJ/mol
吡咯 88 kJ/mol
噻吩 117 kJ/mol
苯 150.5 kJ/mol
苯 > 噻吩 > 吡咯 > 呋喃亲电取代反应活性吡咯 > 呋喃 > 噻吩 > 苯？
芳香性比较 即稳定性结构决定化合物的性质，对它们的性质预测如下：
1、芳香性：
O SN
H
N
>
2、含氮化合物碱性
N H 2
N
C H 2 N H 2
N
H
> > >
>>>
§ 17.2 五元杂环化合物
§ 17.2.1 物理性质名称 熔点 /? C 沸点 /? C 溶解性能呋喃 - 86 3 1,4 不溶于水，易溶于乙醇、乙醚噻吩 - 38 84 不溶于水，易溶于乙醇、乙醚、苯吡咯 - 18,5 131 不溶于水，易溶于乙醇、乙醚吲哚 52 253 溶于热水，易溶于乙醇、乙醚吡啶 - 4 1,5 1 1 5,6 溶于水，也易溶于乙醇、乙醚喹啉 - 15 238 不溶于水，易溶于乙醇、乙醚亲电取代反应的特点：
活性：吡咯? 呋喃? 噻吩? 苯；?位比?位活泼
§ 17.2.2 化学性质
X
E +
X
E
X
E X E
X
E
X
E
+
进攻 2 位进攻 3 位
+
+
..
+
+
.,+
X = O,S,N H
一,呋喃及其衍生物缓和的条件下进行亲电取代 。 遇强酸立即分解,甚至发生聚合 。
1、呋喃的亲电取代反应
① 卤代
Br2的浓度大时易产生 2,5-二溴呋喃
O
B r 2 O
O
O Br
+
90%
② 硝化
O
H N O 3
O N O 2A c 2 O
( C H 3 C O ) 2 O + H N O 3 C H 3 C O O N O 2 + C H 3 C O O H
③ 磺化
O O S O 3 H
SO 3 - 吡啶
④ 酰化
O O
O
( C H 3 C O ) 2 O
B F 3
C H 3 C O O H+
2,呋喃的加成反应
① 加氢
② 双烯合成内式产物为主
O
H 2 / N i
O
ClH C l( C H
2 ) 4 C l140oC,0.4MPa
O
O
O
O
O
O
O
O
+
30
90%
.
C
3、糠醛糠醛 （?－呋喃甲醛 ）,最初是从米糠与稀酸共热制得的 。
O
C H O
性质和用途无色液体,沸点 162?C,能溶于醇,醚等有机溶剂中,对水的溶解度为 9%.无?-氢的醛 ;具不饱和呋喃杂环,
(1) 良好的溶剂精炼石油的溶剂 ;精制松香 ;脱除色素 ;溶解硝酸纤维等 ;
( C 5 H 8 O 4 ) n H 2 S O 4
O C H O
+ nH 2 O 稀
（ 2）催化加氢
（ 3）氧化反应
O C H O
H2
O C H 2 O H
O C H O O C O O H
O
（ 4） 歧化反应
O C H O O C O O H
N a O H
O C H 2 O H
2 +
二,噻吩亲电取代反应在较缓和的条件下进行,
1 噻吩的亲电取代反应
① 卤代 ② 硝化经水解，又得到噻吩：
S
B r
2
S
Br
C H
3
C O O H
S S
N O
2
C H
3
C O O N O
2
+
③ 磺化
④ 酰化
2,噻吩的加成反应
① 加氢
② 双烯合成 比呋喃更难反应
S
R O O C C O O R S
C O O R
C O O R
C O O R
C O O R
沸点：吡咯? 噻吩? 呋喃亲电取代反应活性：
吡咯? 呋喃? 噻吩? 苯
S
H 2 / N i
C H 3 C H 2 C H 2 C H 3H 2 / M o S 2
S 2 0 M Pa2 0 0,C
三,吡咯和吲哚缓和条件下进行亲电取代 。 遇强酸极易发生开环,聚合等反应 。
1：吡咯的亲电取代反应
① 卤代 N
H
B r 2
N
H
B r
B r B r
B r
N
H
N B S
N
H
B r
N
H
I
II
I
N a O H
I 24
N
H
② 硝化
N
H
H N O 3
N
H
N O 2( C H
3 C O ) 2 O
③ 磺化
N
H
N
H
N O 2
SO 3 - 吡啶
④ 酰化
N
H
N
O
H
( C H
3
C O )
2
O
C H
3
C O O H
+
1 5 0 - 2 0 0 o C
2,吡咯的加成反应
① 加氢 N
H
H 2
N
H
,N i
N
H
H 2,N i
3,吡咯的 极弱碱性 （ 共用电子对参与共轭 ） 和 弱酸性弱酸性 （ 酸性介于醇和酚之间 ）,Ka = 10-15;
① 与固体 KOH反应生成钾盐
N
H
K O H
N
K
+
+ +(s ) H 2 O
吡咯烷
5、吲哚
N
H
1
2
35
6
7
4
A,亲电取代反应 (发生在 3位 )
（ 1）卤代
（ 2） 硝化
N
H
C 6 H 5 C O O N O 2
0
o C
N
H
N O 2
（ 3） 磺化
N
H
O
O
B r 2 N
H
Br
0 o C
N
H
N
H
S O 3 H
0 o C
沙瑞特试 剂
§ 17.3 六元杂环化合物
§ 17.3.1吡啶和嘧啶
N N
N
Pyridine pyrimidine
很好的溶剂，由于与氯化钙络合，常用氢氧化钾干燥。
一,碱性 (pKb = 8.8)
N
+ H 2 S O 4
N
H
+
H S O 4 -
O H -
N
N
N H 2
N
C H 3 N H 2
pKb 8.8 9.3 13.4 3.36
与盐酸生成吡啶盐酸盐，与硫酸生成吡啶硫酸盐，碱化后生成吡啶：
与三氧化硫生成三氧化硫 -吡啶加合物，是缓和的磺化剂；
N + S O 3 N + S O 3 -
与三氧化铬的加合物是缓和的氧化剂：
与酰氯生成盐，是良好的酰化剂。
N + C r O 3 C r O 3 2 N
N + C l C R
O
N C R
O +
C l -
与卤烷生成相当于季铵盐的产物：
N + C 1 6 H 3 3 C l N C 1 6 H 3 3
+
C l -
二,取代反应 亲电取代反应与硝基苯相似。 E +
N
N E N E N E
N
E
N
E
N
E
+
进攻 2 位进攻 3 位
+ +
+
+
+
+
不稳定极 限结 构
A：卤代,溴,300?C,或发烟硫酸催化,130?C,
Co3 0 0
B r 2
N
B r
N
+ H B r
B,磺化,硫酸,300?C,硫酸汞催化：
N N
S O 3 H
3 0 0 o C
H 2 S O 4,H g S O 4
+ H 2 O
C：硝化,混酸,300?C：
N N
N O 2
3 0 0 o C
K N O 3,H 2 S O 4
+ H 2 O
D：亲核取代反应与氨基钠反应生成?－氨基吡啶。
N
N a N H 2
N H 3 ( l )
N N H 2
E：氧化与还原 侧链被氧化
N
C H 3
K M n O 4
N
C O O H
Or
ga
nic
Ch
em
ist
ry
W
en
zh
ou
Un
ive
rsi
ty
用过酸氧化，生成氧化吡啶
N
C H 3 C O O O H
N
O
催化氢化，或乙醇和钠还原得六氢吡啶
N
H 2 / N i
N
H
Or
ga
nic
Ch
em
ist
ry
W
en
zh
ou
Un
ive
rsi
ty
§ 17.3.2 喹啉和异喹啉
N N
quinoline isoquinoline一,存在与制法存在于煤焦油和骨焦油中 。
Skraup(斯克洛浦 )合成法：苯胺、甘油、浓硫酸和硝基苯共热：
C H
2
O H
C H O H
C H
2
O H
H
2
S O
4
OH
2
C H O
C H
C H
2
C
6
H
5
N H
2
N
H
O
H
N
H
O H
H
H
2
S O
4
- H
2
O
N
H
C
6
H
5
N O
2
N
-2
M i c ha el 加成用 CH2=CHCOCH3代替甘油，则得到 4-甲基喹啉：
N
C H 3
如用 2-丁烯醛 CH3-CH=CH-CHO代替甘油，得到 2-甲基喹啉：
N C H 3
二,亲电取代反应,发生在苯环上,
① 与混酸反应生成 5-硝基喹啉或 8-硝基喹啉：
② 与发烟硫酸 (90?C)或浓硫酸 (220?C)反应，主要生成 8-喹啉磺酸：
N
发 烟 H 2 S O 4
o C
N
S O 3 H
9 0
N
H N O 3
H 2 S O 4
N
N O 2
N
N O 2
浓浓
+
Or
ga
nic
Ch
em
ist
ry
W
en
zh
ou
Un
ive
rsi
ty
三,亲核取代反应发生在吡啶环，如与氨基钠反应生成 2-氨基喹啉。
四,氧化反应苯环被破坏，如用高锰酸钾氧化得 2,3-喹啉二甲酸
N
K M n O 4
1 0 0 o C
N
C O O H
C O O H
- C O
2 N
C O O H
N
N a N H 2
N H 3 ( l )
N N H 2
五、还原反应首先吡啶环被还原，如锡加盐酸为还原剂，易得 1,2,3,4-四氢喹啉
N N
S n + H C l
六,异喹啉其亲电取代反应，发生在 5-位。而亲核取代反应，发生在 1-位。
N
1
2
3
45
6
7
8
Heterocycles
N H
2
N
H
O
N
S
C H
3
C H
3
O
H H
C O O N a
N H
2
N
H
O
O
H H
N
S
C H
3
C O O H
NN
N N
Mg
O
CH
3
R
C
2
H
5
C H
3
H
R ' O O C C H
2
C H
2
H
H
CH
3
C O O C H
3
C H C H
2
NN
N
N
Fe
CH
3
C H
3
C H
3
R ' O O C C H
2
C H
2
CH
3
C H
2
C H
2
C O O H
C H C H
2
C H C H
2
.
H
2
O
氨苄青霉素钠 头孢氨苄叶绿素血红素碳原子和至少一个其它原子,如氧,硫,氮等组成的 环,称为杂环 。 含有杂环的化合物称为 杂环化合物 。
O OO O
O
O
特点,1,数量多，约占已知有机化合物的三分之一；
2、对生命科学有极为重要的意义，与生物的生长、
发育,繁殖，遗传、变异关系密切。
本章介绍的杂环化合物,具有 4n+2个?电子的闭合共轭体系，
即芳香杂环化合物
§ 17.1 杂环化合物的分类,命名和结构
§ 17.1.1 分类和命名芳香性杂环、非芳香性杂环一、分类碳 环 并 杂 环苯 并 杂 环其 它 碳 环 并 杂 环杂 环 并 杂 环
N
H
N
稠 杂 环
N
N
N
H
N
N
C O
2
E t
见书上 P559 表 17-1
P560 表 17-2
稠杂环：苯环与单杂环，或两个以上的单杂环稠并而成。
1。 根据每个杂环化合物的英文名称音译，加“口”字旁表示环状化合物。
二,命名
O S N
H N O N
Furan thiophene pyrrole pyridine benzofuran quinoline
呋喃 噻吩 吡咯 吡啶 苯并呋喃 喹啉
2。编号 —— 使杂原子的位号尽可能小，如不止一个杂原子，则按 O,S，
N的顺序编号。
O
C H
3
S C H
3
N
N
H
CH
3
N
C H
3
1
2
4
1
2
3
1
3
1
4
3-甲基呋喃 2-甲基噻吩 4-甲基咪唑 4-甲基吡啶
S
N
CH 3 N
OC H 3 O
1
2
3
4
5
6
1
2
34
5
7
5-甲基噻唑 6-甲氧基苯并 噁唑
α
β
§ 17.1.2 结构和芳香性
Huckél规则,
一个具有 共平面、环状闭合、共轭体系 的单环多烯化合物，
只有当其?电子数符合 4n+2时，才可能有芳香族的稳定性。
n= 0,1,2,3…,符合休克尔规则，此化合物具有芳香性芳香族化合物的特性 —— 芳香性
(a) 苯环易发生取代，难发生加成反应
(b) 不易氧化吡咯的结构符合休克尔规则，具有芳香性呋喃,噻吩 结构相似，同样具有芳香性
..
符合休克尔规则，具有芳香性精美结构 模型数据比较：离域能呋喃 67 kJ/mol
吡咯 88 kJ/mol
噻吩 117 kJ/mol
苯 150.5 kJ/mol
苯 > 噻吩 > 吡咯 > 呋喃亲电取代反应活性吡咯 > 呋喃 > 噻吩 > 苯？
芳香性比较 即稳定性结构决定化合物的性质，对它们的性质预测如下：
1、芳香性：
O SN
H
N
>
2、含氮化合物碱性
N H 2
N
C H 2 N H 2
N
H
> > >
>>>
§ 17.2 五元杂环化合物
§ 17.2.1 物理性质名称 熔点 /? C 沸点 /? C 溶解性能呋喃 - 86 3 1,4 不溶于水，易溶于乙醇、乙醚噻吩 - 38 84 不溶于水，易溶于乙醇、乙醚、苯吡咯 - 18,5 131 不溶于水，易溶于乙醇、乙醚吲哚 52 253 溶于热水，易溶于乙醇、乙醚吡啶 - 4 1,5 1 1 5,6 溶于水，也易溶于乙醇、乙醚喹啉 - 15 238 不溶于水，易溶于乙醇、乙醚亲电取代反应的特点：
活性：吡咯? 呋喃? 噻吩? 苯；?位比?位活泼
§ 17.2.2 化学性质
X
E +
X
E
X
E X E
X
E
X
E
+
进攻 2 位进攻 3 位
+
+
..
+
+
.,+
X = O,S,N H
一,呋喃及其衍生物缓和的条件下进行亲电取代 。 遇强酸立即分解,甚至发生聚合 。
1、呋喃的亲电取代反应
① 卤代
Br2的浓度大时易产生 2,5-二溴呋喃
O
B r 2 O
O
O Br
+
90%
② 硝化
O
H N O 3
O N O 2A c 2 O
( C H 3 C O ) 2 O + H N O 3 C H 3 C O O N O 2 + C H 3 C O O H
③ 磺化
O O S O 3 H
SO 3 - 吡啶
④ 酰化
O O
O
( C H 3 C O ) 2 O
B F 3
C H 3 C O O H+
2,呋喃的加成反应
① 加氢
② 双烯合成内式产物为主
O
H 2 / N i
O
ClH C l( C H
2 ) 4 C l140oC,0.4MPa
O
O
O
O
O
O
O
O
+
30
90%
.
C
3、糠醛糠醛 （?－呋喃甲醛 ）,最初是从米糠与稀酸共热制得的 。
O
C H O
性质和用途无色液体,沸点 162?C,能溶于醇,醚等有机溶剂中,对水的溶解度为 9%.无?-氢的醛 ;具不饱和呋喃杂环,
(1) 良好的溶剂精炼石油的溶剂 ;精制松香 ;脱除色素 ;溶解硝酸纤维等 ;
( C 5 H 8 O 4 ) n H 2 S O 4
O C H O
+ nH 2 O 稀
（ 2）催化加氢
（ 3）氧化反应
O C H O
H2
O C H 2 O H
O C H O O C O O H
O
（ 4） 歧化反应
O C H O O C O O H
N a O H
O C H 2 O H
2 +
二,噻吩亲电取代反应在较缓和的条件下进行,
1 噻吩的亲电取代反应
① 卤代 ② 硝化经水解，又得到噻吩：
S
B r
2
S
Br
C H
3
C O O H
S S
N O
2
C H
3
C O O N O
2
+
③ 磺化
④ 酰化
2,噻吩的加成反应
① 加氢
② 双烯合成 比呋喃更难反应
S
R O O C C O O R S
C O O R
C O O R
C O O R
C O O R
沸点：吡咯? 噻吩? 呋喃亲电取代反应活性：
吡咯? 呋喃? 噻吩? 苯
S
H 2 / N i
C H 3 C H 2 C H 2 C H 3H 2 / M o S 2
S 2 0 M Pa2 0 0,C
三,吡咯和吲哚缓和条件下进行亲电取代 。 遇强酸极易发生开环,聚合等反应 。
1：吡咯的亲电取代反应
① 卤代 N
H
B r 2
N
H
B r
B r B r
B r
N
H
N B S
N
H
B r
N
H
I
II
I
N a O H
I 24
N
H
② 硝化
N
H
H N O 3
N
H
N O 2( C H
3 C O ) 2 O
③ 磺化
N
H
N
H
N O 2
SO 3 - 吡啶
④ 酰化
N
H
N
O
H
( C H
3
C O )
2
O
C H
3
C O O H
+
1 5 0 - 2 0 0 o C
2,吡咯的加成反应
① 加氢 N
H
H 2
N
H
,N i
N
H
H 2,N i
3,吡咯的 极弱碱性 （ 共用电子对参与共轭 ） 和 弱酸性弱酸性 （ 酸性介于醇和酚之间 ）,Ka = 10-15;
① 与固体 KOH反应生成钾盐
N
H
K O H
N
K
+
+ +(s ) H 2 O
吡咯烷
5、吲哚
N
H
1
2
35
6
7
4
A,亲电取代反应 (发生在 3位 )
（ 1）卤代
（ 2） 硝化
N
H
C 6 H 5 C O O N O 2
0
o C
N
H
N O 2
（ 3） 磺化
N
H
O
O
B r 2 N
H
Br
0 o C
N
H
N
H
S O 3 H
0 o C
沙瑞特试 剂
§ 17.3 六元杂环化合物
§ 17.3.1吡啶和嘧啶
N N
N
Pyridine pyrimidine
很好的溶剂，由于与氯化钙络合，常用氢氧化钾干燥。
一,碱性 (pKb = 8.8)
N
+ H 2 S O 4
N
H
+
H S O 4 -
O H -
N
N
N H 2
N
C H 3 N H 2
pKb 8.8 9.3 13.4 3.36
与盐酸生成吡啶盐酸盐，与硫酸生成吡啶硫酸盐，碱化后生成吡啶：
与三氧化硫生成三氧化硫 -吡啶加合物，是缓和的磺化剂；
N + S O 3 N + S O 3 -
与三氧化铬的加合物是缓和的氧化剂：
与酰氯生成盐，是良好的酰化剂。
N + C r O 3 C r O 3 2 N
N + C l C R
O
N C R
O +
C l -
与卤烷生成相当于季铵盐的产物：
N + C 1 6 H 3 3 C l N C 1 6 H 3 3
+
C l -
二,取代反应 亲电取代反应与硝基苯相似。 E +
N
N E N E N E
N
E
N
E
N
E
+
进攻 2 位进攻 3 位
+ +
+
+
+
+
不稳定极 限结 构
A：卤代,溴,300?C,或发烟硫酸催化,130?C,
Co3 0 0
B r 2
N
B r
N
+ H B r
B,磺化,硫酸,300?C,硫酸汞催化：
N N
S O 3 H
3 0 0 o C
H 2 S O 4,H g S O 4
+ H 2 O
C：硝化,混酸,300?C：
N N
N O 2
3 0 0 o C
K N O 3,H 2 S O 4
+ H 2 O
D：亲核取代反应与氨基钠反应生成?－氨基吡啶。
N
N a N H 2
N H 3 ( l )
N N H 2
E：氧化与还原 侧链被氧化
N
C H 3
K M n O 4
N
C O O H
Or
ga
nic
Ch
em
ist
ry
W
en
zh
ou
Un
ive
rsi
ty
用过酸氧化，生成氧化吡啶
N
C H 3 C O O O H
N
O
催化氢化，或乙醇和钠还原得六氢吡啶
N
H 2 / N i
N
H
Or
ga
nic
Ch
em
ist
ry
W
en
zh
ou
Un
ive
rsi
ty
§ 17.3.2 喹啉和异喹啉
N N
quinoline isoquinoline一,存在与制法存在于煤焦油和骨焦油中 。
Skraup(斯克洛浦 )合成法：苯胺、甘油、浓硫酸和硝基苯共热：
C H
2
O H
C H O H
C H
2
O H
H
2
S O
4
OH
2
C H O
C H
C H
2
C
6
H
5
N H
2
N
H
O
H
N
H
O H
H
H
2
S O
4
- H
2
O
N
H
C
6
H
5
N O
2
N
-2
M i c ha el 加成用 CH2=CHCOCH3代替甘油，则得到 4-甲基喹啉：
N
C H 3
如用 2-丁烯醛 CH3-CH=CH-CHO代替甘油，得到 2-甲基喹啉：
N C H 3
二,亲电取代反应,发生在苯环上,
① 与混酸反应生成 5-硝基喹啉或 8-硝基喹啉：
② 与发烟硫酸 (90?C)或浓硫酸 (220?C)反应，主要生成 8-喹啉磺酸：
N
发 烟 H 2 S O 4
o C
N
S O 3 H
9 0
N
H N O 3
H 2 S O 4
N
N O 2
N
N O 2
浓浓
+
Or
ga
nic
Ch
em
ist
ry
W
en
zh
ou
Un
ive
rsi
ty
三,亲核取代反应发生在吡啶环，如与氨基钠反应生成 2-氨基喹啉。
四,氧化反应苯环被破坏，如用高锰酸钾氧化得 2,3-喹啉二甲酸
N
K M n O 4
1 0 0 o C
N
C O O H
C O O H
- C O
2 N
C O O H
N
N a N H 2
N H 3 ( l )
N N H 2
五、还原反应首先吡啶环被还原，如锡加盐酸为还原剂，易得 1,2,3,4-四氢喹啉
N N
S n + H C l
六,异喹啉其亲电取代反应，发生在 5-位。而亲核取代反应，发生在 1-位。
N
1
2
3
45
6
7
8
