第十七章 杂环化合物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 。
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
O OO O
O
O
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
§ 17.1 杂环化合物的分类,命名和结构
§ 17.1.1 分类和命名单杂环和稠杂环；
单杂环：五元杂环和六元杂环 。
稠杂环：苯环与单杂环，或两个以上的单杂环稠并而成。
见书上 P559 表 17-1
P560 表 17-2
芳香性杂环、非芳香性杂环一、分类吡咯 噻吩 呋喃 咪唑 噻唑 噁唑二,命名英译法，编号：位置从杂原子开始，多杂原子按 O,S,N顺序
N
H
S O
N
N
H
N
S
N
O
1
2
34
5
1
2
34
5
1
2
34
5α
β
N N
N
O
N
H
N
N
N
N
H
1
4
5
6
7
N
6
2
3
1
2
3
45
8
7
N
6
1
2
3
45
8
7
3
2
1
4
5
6
8
7
9
吡啶 嘧啶 吡喃嘌呤喹啉 异喹啉吲哚
§ 17.1.2 结构和芳香性休克儿规则,π 电子数符合 4n+2的环闭体系具有芳香性：
§ 17.1.2 结构和芳香性
O
x x
.,
.,
x x
.
.
.
.
O
呋喃
N
H
.,
N
x x
.,
.
.
.
.
H
x x
.
.,
.
.,
N
N
吡咯吡啶精美结构 模型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
§ 17.2.2 化学性质亲电取代反应的特点：
活性：吡咯? 呋喃? 噻吩? 苯；?位比?位活泼一,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
O
B r 2,C S 2
O B r
Br2的浓度大时易产生 2,5-二溴呋喃
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
O
H 2
O
,N i
② 双烯合成
O
O
O
O
O
H
H顺 丁 烯 二 酸 酐内式产物为主
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
O
C H O + H 2
C u O,C r 2 O 3
150
o C,
10 M P a O
C H 2 O H
O
C H O + H 2 1 8 0 o C,1 0 M P a O C H 2 O H
N i
（ 3）氧化反应
O
C H O
K O H,K M n O 4
O
C O O H
O
C H O + 2 O 2
V 2 O 5,M oO 3
300
o C
OO O
+ C O 2 + H 2 O
（ 4） 歧化反应
O
C H O2 + N a O H
O
C H 2 O H
O
C O O N a+
（ 5） 工业上制备呋喃的主要方法将糠醛蒸气与水气混合，在催化剂存在下加热：
O C H O
+ H 2 O Z n O - C r 2 O 3 - M n O 24 0 0
- 4 1 5 o C
O
+ C O 2 + 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
S
B r 2
C H 3 C O O H S
B r
② 硝化 C H 3 C O O N O 2
S S
N O 2
经水解，又得到噻吩：
S
S O 3 H + H 2 O
1 0 0 - 1 5 0 o C
S
+ H 2 S O 4
S
H 2 S O 4 (? ¨ )
S
S O 3 H
ê ò
③ 磺化 经水解，又得到噻吩：
④ 酰化
S
A c 2 O
S
C O C H 3
H 3 P O 4
2,噻吩的加成反应
① 加氢
S
H 2
S
,N i
S
H 2,N i
② 双烯合成
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
N
H
+ Z n + C H 3 C O O H
N
H3,吡咯的弱酸性弱酸性 （ 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
N
K
+
-
C 6 H 5 C O C l
100
o
C N
C O C 6 H 5
N N
C H 3
K
-
+
C H 3 I
6 0 o C 1 5 0 - 2 0 0 o C
N
H
C H 3
4、吡咯的衍生物
① N-甲基 -2-吡咯烷酮 （ NMP）
一种优良的溶剂 。
N
C H 3
O
能与醇、醚、酮、芳烃、氯代烃、植物油混溶，能溶解聚氯乙烯、尼龙、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等。
② 叶绿素
O C C H 2 C H 2
O N
C H 3
N
C H 3
C H C H 2
N
N
C H 3
C H 2 C H 3
C H 3
O
C
O
H O
M g
③ 血红素
N
C H
3
N
C H
3
C H C H
2
N
N
C H
3
C H
2
C H
3
C H
2
H O O C C H
2
C H
2
H O O C C H
2
C H
2
F e
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 剂很好的溶剂，由于与氯化钙络合，常用氢氧化钾干燥。
亲电取代反应与硝基苯相似。
一、碱性 (pKb = 8.8)
比苯胺 (pKb = 9.3),吡咯 (pKb = 13.4)强，但比脂肪胺及氨 (甲胺
pKb = 3.36)弱,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：
N
+ H 2 S O 4
N
H
+
H S O 4 -
O H -
N
§ 17.3 六元杂环化合物
§ 17.3.1吡啶和嘧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
A：卤代,溴,300?C,或发烟硫酸催化,130?C,
C
o3 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
液 N H 3 N N H
2
E,氧化与还原侧链被氧化，如 3-甲基吡啶被高锰酸钾碱性溶液氧化为 3-吡啶甲酸
N
C H 3
K M n O 4
O H -,N
C O O H
用过酸氧化，生成氧化吡啶
N N
O
C H 3 C O O H
O
催化氢化，或乙醇和钠还原得六氢吡啶一,存在与制法存在于煤焦油和骨焦油中 。
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
C H O
C H
C H
2
C
6
H
5
N H
2
N
C H
2
C H
2
C H O
H
N
C H
2
C H
H
C
H
H O
H
2
S O
4
-
H
2
O
N
H
C
6
H
5
N O
2
N
§ 17.3.2 喹啉和异喹啉用 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：
+
N
N O 2
N
N O 2
C
o0
H N O 3,H 2 S O 4
N
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
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。
N N H
2
N
N a N H 2
液 N H 3
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
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
§ 17.3.3 嘌啉
N
N N
N
H
N
N N
N
H
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
O OO O
O
O
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
§ 17.1 杂环化合物的分类,命名和结构
§ 17.1.1 分类和命名单杂环和稠杂环；
单杂环：五元杂环和六元杂环 。
稠杂环：苯环与单杂环，或两个以上的单杂环稠并而成。
见书上 P559 表 17-1
P560 表 17-2
芳香性杂环、非芳香性杂环一、分类吡咯 噻吩 呋喃 咪唑 噻唑 噁唑二,命名英译法，编号：位置从杂原子开始，多杂原子按 O,S,N顺序
N
H
S O
N
N
H
N
S
N
O
1
2
34
5
1
2
34
5
1
2
34
5α
β
N N
N
O
N
H
N
N
N
N
H
1
4
5
6
7
N
6
2
3
1
2
3
45
8
7
N
6
1
2
3
45
8
7
3
2
1
4
5
6
8
7
9
吡啶 嘧啶 吡喃嘌呤喹啉 异喹啉吲哚
§ 17.1.2 结构和芳香性休克儿规则,π 电子数符合 4n+2的环闭体系具有芳香性：
§ 17.1.2 结构和芳香性
O
x x
.,
.,
x x
.
.
.
.
O
呋喃
N
H
.,
N
x x
.,
.
.
.
.
H
x x
.
.,
.
.,
N
N
吡咯吡啶精美结构 模型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
§ 17.2.2 化学性质亲电取代反应的特点：
活性：吡咯? 呋喃? 噻吩? 苯；?位比?位活泼一,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
O
B r 2,C S 2
O B r
Br2的浓度大时易产生 2,5-二溴呋喃
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
O
H 2
O
,N i
② 双烯合成
O
O
O
O
O
H
H顺 丁 烯 二 酸 酐内式产物为主
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
O
C H O + H 2
C u O,C r 2 O 3
150
o C,
10 M P a O
C H 2 O H
O
C H O + H 2 1 8 0 o C,1 0 M P a O C H 2 O H
N i
（ 3）氧化反应
O
C H O
K O H,K M n O 4
O
C O O H
O
C H O + 2 O 2
V 2 O 5,M oO 3
300
o C
OO O
+ C O 2 + H 2 O
（ 4） 歧化反应
O
C H O2 + N a O H
O
C H 2 O H
O
C O O N a+
（ 5） 工业上制备呋喃的主要方法将糠醛蒸气与水气混合，在催化剂存在下加热：
O C H O
+ H 2 O Z n O - C r 2 O 3 - M n O 24 0 0
- 4 1 5 o C
O
+ C O 2 + 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
S
B r 2
C H 3 C O O H S
B r
② 硝化 C H 3 C O O N O 2
S S
N O 2
经水解，又得到噻吩：
S
S O 3 H + H 2 O
1 0 0 - 1 5 0 o C
S
+ H 2 S O 4
S
H 2 S O 4 (? ¨ )
S
S O 3 H
ê ò
③ 磺化 经水解，又得到噻吩：
④ 酰化
S
A c 2 O
S
C O C H 3
H 3 P O 4
2,噻吩的加成反应
① 加氢
S
H 2
S
,N i
S
H 2,N i
② 双烯合成
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
N
H
+ Z n + C H 3 C O O H
N
H3,吡咯的弱酸性弱酸性 （ 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
N
K
+
-
C 6 H 5 C O C l
100
o
C N
C O C 6 H 5
N N
C H 3
K
-
+
C H 3 I
6 0 o C 1 5 0 - 2 0 0 o C
N
H
C H 3
4、吡咯的衍生物
① N-甲基 -2-吡咯烷酮 （ NMP）
一种优良的溶剂 。
N
C H 3
O
能与醇、醚、酮、芳烃、氯代烃、植物油混溶，能溶解聚氯乙烯、尼龙、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等。
② 叶绿素
O C C H 2 C H 2
O N
C H 3
N
C H 3
C H C H 2
N
N
C H 3
C H 2 C H 3
C H 3
O
C
O
H O
M g
③ 血红素
N
C H
3
N
C H
3
C H C H
2
N
N
C H
3
C H
2
C H
3
C H
2
H O O C C H
2
C H
2
H O O C C H
2
C H
2
F e
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 剂很好的溶剂，由于与氯化钙络合，常用氢氧化钾干燥。
亲电取代反应与硝基苯相似。
一、碱性 (pKb = 8.8)
比苯胺 (pKb = 9.3),吡咯 (pKb = 13.4)强，但比脂肪胺及氨 (甲胺
pKb = 3.36)弱,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：
N
+ H 2 S O 4
N
H
+
H S O 4 -
O H -
N
§ 17.3 六元杂环化合物
§ 17.3.1吡啶和嘧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
A：卤代,溴,300?C,或发烟硫酸催化,130?C,
C
o3 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
液 N H 3 N N H
2
E,氧化与还原侧链被氧化，如 3-甲基吡啶被高锰酸钾碱性溶液氧化为 3-吡啶甲酸
N
C H 3
K M n O 4
O H -,N
C O O H
用过酸氧化，生成氧化吡啶
N N
O
C H 3 C O O H
O
催化氢化，或乙醇和钠还原得六氢吡啶一,存在与制法存在于煤焦油和骨焦油中 。
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
C H O
C H
C H
2
C
6
H
5
N H
2
N
C H
2
C H
2
C H O
H
N
C H
2
C H
H
C
H
H O
H
2
S O
4
-
H
2
O
N
H
C
6
H
5
N O
2
N
§ 17.3.2 喹啉和异喹啉用 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：
+
N
N O 2
N
N O 2
C
o0
H N O 3,H 2 S O 4
N
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
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。
N N H
2
N
N a N H 2
液 N H 3
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
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
§ 17.3.3 嘌啉
N
N N
N
H
N
N N
N
H
