第十八章：
第十八章 杂环化合物
§ 18-5 生物碱简介
§ 18-1 杂环化合物的分类和命名
§ 18-2 五元杂环化合物
§ 18-3 六元杂环化合物
§ 18-4 稠杂环化合物第十八章 杂环化合物杂环化合物 是指一类环状有机化合物，构成环的原子除碳外还有其它原子（ 杂原子 ）。
这种 环状化合物 具有 芳香结构 （ 闭合共轭体系 ）和一定程度的 稳定性 。
通常杂原子有,O,N,S 等从形式上看，它们都是含 杂原子 的 环状化合物,但其性质与相应的开链化合物相似，不属于 杂环化合物 讨论的范畴。
O O
内酯
O
NH
内酰胺
O
O
O
环状酸酐
CH2—CH2
O
环氧化合物在自然界中杂环化合物分布很广如,使植物中成绿色的 叶绿素使血液成红色的 血红素具有遗传作用的 核酸许多 中草药 的有效成分大都含有 含氮杂环化合物,部分 维生素 和 抗菌素 以及一些 植物色素 和 植物染料 都含有 杂环,不少合成 药物 和合成 染料 也含杂环。
它们都具有重要的 生理作用 。
杂环化合物 是一大类有机化合物，在理论和实际中都有十分重要的意义。
一,分类二、命名
§ 18-1 杂环化合物的分类和命名分类单杂环稠杂环五元杂环六元杂环
O S N
N N
N
NN
——利用国际通用名称 译音,加 口旁 以表示是杂环化合物 。
1,音译法这种方法的优点是比较简单，缺点是遇到字音相近的字比较难译，并且译出的名字与结构没有联系。
O S NN
O N
N
furan pyridine pyrrolethiophene
pyran pyrimidine
呋喃 吡啶 吡咯吡喃 嘧啶噻吩这种命名方法的缺点是名称太长，使用不便。目前一般都采用音译名称来命名。
O N
N N
N
N
氧（杂）茂 氮（杂）茂氮（杂）苯 1,3-二氮苯氮萘茂 （碳环母核）
苯 （碳环母核）
萘 （碳环母核）
2,根据相应碳环母核命名把 杂环 当作是相应的碳环中碳原子被杂原子置换而形成的，命名时在 碳环母体 名称前加,某杂,（ 杂原子的名称 ）两字，以表示其中的杂原子。
环上有取代基时，应以杂环为母体，将杂环母核编号编号原则
① 杂原子 编号最小 （即从杂原子开始编号）；
② 环上含两个以上相同 杂原子 时，应使杂原子的编号最小（一般从连有取代基的杂原子开始）；
③ 环上有不同 杂原子时,按 O,S,N的顺序编号；
④ 尽可能使连有 取代基 的 碳 原子编号最小。
N
-CH3
N
-CH2COOH
CH3- N
N
N
S
CH3-
N
N
-NH2
N
OH
N
CH3
8-羟基喹啉 N-甲基吡咯或 1-甲基吡咯
4-甲基咪唑
2-氨基嘧啶 5-甲基噻唑
3-甲基吡啶或 β-甲基吡啶
1
2
3
4
5
6 α
β
2
3
45
6
7
8 1
2
34
1
5 2
34
1
5
1 2
3
4
5
6
1
2
34
5
3-吲哚乙酸 或 β-吲哚乙酸
2
345
6
7 1
α
β
典型的 五元杂环 是 呋喃,噻吩,吡咯 。它们是最重要的含一个杂原子的五元环化合物。它们的重要性不在于它们的单体而是它们的 衍生物 。它们的衍生物不单种类繁多，而且有些是重要的工业原料，有些具有重要的 生理 作用。
§ 18-2 五元杂环化合物一,呋喃、噻吩、吡咯的结构与芳香性物理方法 证明,呋喃,噻吩,吡咯 都是平面结构，环上所有原子都是 SP2 杂化,各原子均以 SP2 杂化 轨道重叠形成 σ键 。
碳未杂化 的 P 轨道中有 一个电子,杂原子 的 P 轨道中有 一对电子,P 轨道 互相平行重叠,形成 闭合的共轭体系 。
符合 休克尔 4 n + 2
规则,故三个杂环均具有芳香性体系中 π
电子数：
4 + 2 = 6
O
··
·
·
···
·
呋喃的分子结构
N—H
··
·
·
·
吡咯的分子结构
S
··
·
·
···
噻吩的分子结构
S
··
· ··
S原子杂化轨道
O
··
· ··
O原子杂化轨道
N
··
· ·
N原子杂化轨道
sp2杂化轨道 P 轨道
（
富电子环
）
五中心六电子
S
噻吩
N
吡咯
··
O
呋喃
··
··
由于 呋喃,噻吩,吡咯 都是 五中心六电子,属于 富电子环三种杂环具有一定程度的 芳香性,杂 原子 电负性 大小：
芳香性 与 稳定性,
＞ ＞ ＞
OS N
电负性,对外层电子 吸引力,孤电子离域,故 芳香性 。
O (3.5) ＞ N (3.0) ＞ S (2.5)
π电子密度,杂环 ＞ 苯环稳 定 性,杂环 ＜ 苯环芳 香 性,杂环 ＜ 苯环反 应 活 性,杂环 ＞ 苯环
HNMR吸收
δ ppm
共振能
KJ / mol化合物呋喃噻吩吡咯苯
71.1
90.4
125.5
152 7.4 1
7.10（ β-H）
7.30（ α-H）
6.20（ β-H）
6.68（ α-H）
6.37（ β-H）
7.42（ α-H）O
S
N
+-
α
β
α
β
α
β
呋喃,噻吩,吡咯 分别存在于 木焦油,煤焦油 和 骨焦油 中，但含量不多。
二、制备方法工业上常用 糠醛 （ α- 呋喃甲醛 ）脱羰基制备 呋喃 。
O
-CHO + H2O
O
+ CO2ZnO-Cr2O3-MnO2400 ℃ ~415℃
噻吩 可用 丁烷 与 硫,丁稀 与 二氧化硫 在 高温 下反应制得
S
+ 4 S + 3 H2SCH2—CH2CH
3 CH3
600 ℃ ~650℃
CH2=CH-CH2CH3
CH3-CH=CH-CH3 + SO2 S
高温苯 噻吩 吡咯 呋喃芳香性稳定性呋喃 和 氨 在高温下反应制得 吡咯
NO
+ NH3 + H2O
430 ℃
Al2O3
三、化学性质五元杂环 ＞＞ 苯
（富电子环）
反应活性 （ 亲电取代 和 加成反应 ）
1,亲电取代反应亲电试剂 进攻发生在 α- 位 和 β- 位,而 α- 位 更容易些。
呋喃,噻吩,吡咯 能像苯一样发生一系列 芳香族化合物 的特征反应，由于它们是 富电子杂环,所以比苯更容易 发生 亲电取代 反应。
溴化反应相对速率反应活性相对次序是吡咯 ＞ 呋喃 ＞ 噻吩 ＞＞ 苯
3× 1018 6× 10 11 5× 10 9 1
① 卤代反应像 苯酚 和 苯胺 一样,吡咯,呋喃,噻吩 很容易发生卤代反应。
氯代,溴代 不但不需 催化剂,而且为避免 多取代物,往往采用 温和条件,如用 溶剂稀释 和采用 低温 。
吡咯 反应 活性最大,在 低温下 进行，一般得 多卤产物 。
N
+ Br2
0 ℃
C2H5OH
N
-Br
-Br
Br-
Br-
四溴吡咯呋喃 与 Br2 反应也很激烈，在 0 ℃ 与 Br2在二氧六环存在下反应得 一溴代 产物，与 Cl2 在 – 40℃ 下反应得 混合产物 。
O
+ Br2
O
-Br
0 ℃
O O
2-溴呋喃
80%
噻吩 溴化可在 室温下 进行，得 一溴代产物 。
O
+ Cl2
O
-Cl-40 ℃
2-氯呋喃
O
-ClCl-+
2,5-二氯呋喃
S S
+ Br2 -BrAcOH
2-溴噻吩
78%室温
② 硝化反应五元杂环 化合物与 硝酸 （ 强氧化剂 ）反应，得不到预期产物，而是芳环被破坏。因此它们硝化反应必须在 温和条件下，采用 弱硝化剂 ——乙酰硝酸酯 。
(CH3CO)2O + HONO2 CH3COONO2 + CH3COOH
乙酰硝酸酯酸酐
N
-NO2
N
+ CH3COONO2
H H
+
N
-NO2
H83% 17%
Ac2O
5 ℃
O
+ CH3COONO2 Ac2O-30 ℃ ~-5 ℃
O
-NO2
35%
S
-NO2
70%S
+ CH3COONO2 Ac2O-10 ℃ +
S
-NO2
5%
呋喃,噻吩和吡咯易氧化,一般不用硝酸直接硝化 ; 通常用比较温和的非质子硝化试剂，如：硝酸乙酰酯，反应在低温下进行。
③ 磺化反应吡咯,呋喃 不能直接用 硫酸 磺化，因为它们在 浓硫酸 中不稳定，会发生聚合，通常用一种 温和的磺化剂 ——吡啶三氧化硫 进行 磺化 。
+ SO3
N
SO3
N+ - 吡啶三氧化硫吡啶
HCl
N
-SO3H
H
+
H90%
N
-
+
Cl
吡咯 -2-磺酸 吡啶盐酸盐
N
-SO3
N
+
H H
·
H90%
100 ℃
SO3
N+ - N
-
+
吡咯 -2-磺酸吡啶盐
O
+ 室温3天
SO3
N+ - O -SO3·
H
N+
-
47% 呋喃 -2-磺酸
HCl
41%
O
-SO3H
S S
+ H2SO4（ 95%） -SO3H
噻吩 -2-磺酸
69%~71%
室温从 煤焦油 中提取的 苯 （ b.p.80℃ ）含有少量（ 0.5%） 噻吩 （ b.p.84℃ ）很难用分馏的方法将它们分开，由于 噻吩比 苯 活泼，故可在常温下用 浓硫酸 一起振摇,噻吩 比 苯 容易 磺化,生成的 噻吩 -2-磺酸 溶于 硫酸 中，然后 分离除去 。
噻吩 比较稳定，既可以用 硫酸 在室温下直接 磺化 （产率稍低），也可以用温和的 磺化试剂 磺化。
④ 傅克酰基化反应五元杂环 化合物酰化时，需要在较温和 催化剂 甚至不用 催化剂 即可反应。
吡咯 不用 催化剂 可以直接酰化。
N
-COCH3
N
+ (CH3CO)2O
H H
60%
150 ℃ ~160 ℃
2-乙酰基吡咯呋喃 与 酸酐 或 酰氯 在 催化剂 作用下发生酰基化反应。
O
+ (CH3CO)2O BF3
O
-COCH3 75%~92%
2-乙酰基呋喃（或 CH3COCl）
噻吩 酰化反应要用 磷酸 或 氯化锡 作 催化剂 。
S
-COCH3 70%S + (CH3CO)2O
H2PO4
或 SnCl4 2-乙酰基噻吩呋喃,噻吩,吡咯 进行 烷基化 反应 很难得到 一烷基取代物,往往生成混合的 多烷基取代物,甚至不可避免地产生树脂状物质，因此用途不大。
2,加成反应呋喃,噻吩,吡咯 分子中都有一个 顺丁二烯型 结构，
因此它们又具有 不饱和性质,用 共振能 值来衡量。它们的稳定性 和 不饱和性 有如下顺序：
不饱和性增加稳定性增加
S ON
152 125.5 90.4 71.1 12.6共振能（ KJ / mol）
加成反应 是标志化合物不饱和性的最 典型反应,它们能像 环戊二烯 分子一样 催化加氢 生成相应的 饱和化合物 。
O
+ 2 H2 Ni
O
四氢呋喃（ THF）
N
+ 2 H2 Ni
N
四氢吡咯
S
+ 2 H2 Ni
S
四氢噻吩呋喃 由于 芳香性 最小，环的 稳定性 也较低，能发生 双烯合成。
O + △
76%苯炔
O
O O
O
O
=
=
+ △ 90%
顺丁烯二酸酐
O
O =
O
O
=
吡咯 也可以与 苯炔,丁炔二酸 发生类似的反应
N-H + △
N-H
+ △N-H
N-H
-COOH
-COOH
C-COOH
C-COOH
噻吩的 芳香性较大，环比较稳定，
难 发生 双烯合成
N
H
..氮上电子云少,H 易离解，显一定的酸性。
氮上孤电子对参与环内共轭，不能再与酸结合。
N
H
R-OH-OH ＞ ＞酸性：
pka,10 15 18
MgX
NH N
+ RMgX + RH
NH
+ KOH + H2O △
NK
+- 吡咯钾盐
3,吡咯的弱碱性、弱酸性吡咯 表面上是个 仲胺,但实际上 吡咯 是一个很 弱的碱,碱性比 苯胺 弱 得多，
它只能慢慢地溶解在冷的 稀酸 溶液中。
四、糠醛（ α-呋喃甲醛）
1,制备由 米糠,甘蔗渣,高粱杆,玉米芯,花生壳 等与酸 共热、蒸馏制取。
农业副产品含 戊多糖 打碎水解为戊糖进一步脱水 糠醛稀 H2SO4
△
糠醛 是 呋喃衍生物 中最重要的一个，
最初从 米糠 制得而得名。O -CHO
(C5H8O4)n + n H2O n C5H10O53%~5% H2SO4△,水解戊多糖 戊糖
H-CH CH-CHO -3H2O△
HO-CH—CH-OH
OH OH戊糖 O
-CHO
糠醛
2,性质及用途糠醛 是无色透明液体，沸点 161.7℃,在空气中逐渐变为黄棕色，能溶于 醇,醚 及其它 有机溶剂 中,糠醛 本身是一个 良好的溶剂,在工业上有广泛的用途，常用于 精炼石油,精制 松香,溶解 硝酸纤维 等，在有机合成工业上也很重要，是 油漆,树脂 工业的重要原料。
糠醛 与 苯甲醛 具有类似结构，表现出 无 α-H的 醛 的性质。
① 催化加氢
O
-CHO + H2
O
-CH2OH
Cr2O3·CuO
150 ℃,10MPa
糠醇
② 氧化
O
-CHO
O
-COOHKMnO4中性或碱性糠酸
③ 歧化反应
O
-CHO
O
-CH2OH
O
-COOH
浓 OH-2 +
④ 安息香缩合（糠醛偶合）
O
-CHO
KCN2
O
-CH—C-
O
=OOH
呋嗡
O
-CHO + O2
V2O5-MoO3
320 ℃ + CO2 + H2OO OO
顺丁烯二酸酐
⑤ 柏琴反应
O
-CHO + (CH3CO)2O
O
-CH=CHCOOH
CH3COOK
α-呋喃丙烯酸一,吡啶
1,来源和结构吡啶 存在于 煤焦油,页岩油 和 骨焦油 中，它的衍生物广泛分布于自然界，如 植物碱,维生素,辅酶 Ⅰ 和
Ⅱ 中都存在 吡啶环 。
工业上 吡啶 主要有从 糠醛制备法 和 乙炔制备法 中制得。
§ 18-3 六元杂环化合物六元杂环 化合物中最重要的有 吡啶 和 嘧啶,
N N
N
吡啶 嘧啶
· ·N
··
· ···吡啶 结构与 苯 相似：
N· ·
SP2 杂化
1,吡啶的结构共轭效应和诱导效应都是吸电子的
N NH
孤电子对在 sp2杂化轨道上。
吡 啶结构：吡啶 N是 sp2杂化，孤电子对不参与共轭。
反应：碱性较强。环不易发生亲电取代反应但易发生亲核取代反应。发生亲电取代反应时，环上 N起间位定位基的作用。发生亲核取代反应时，环上 N起邻对位定位基的作用。
=2.20D?=1.17D
氮 上 未成键电子对 未参与共轭,因此具有 碱性 。
核磁共振 数据也可以证明 吡啶 的 芳香性吡啶环 上的 氢 的 ’ H NMR 数据
N H
H
H
8.50 ppm
6.98 ppm
7.36 ppm
吡啶环 上的 N以 SP2 杂化 成键。一个 P电子 参与共轭,
形成具有 6个 P 电子 的 闭合的共轭体系,具有 芳香性 。
N· ·
· ·N
··
· ···
SP2 杂化吡啶 的 偶极矩 与 吡咯 方向 相反：
N N
Hμ= 0 D μ= 2.26 D
μ= 1.81 D
这是由于杂环上氮原子作用不同，吡啶环上的 N 是吸电子作用。（电负性 N > C ） ——吡啶具有碱性，在发生亲电取代反应时比苯难。（相当于环上有一个吸电子基）
吡咯环上的 N 把电子转移给环 ——吡咯具有酸性，亲电取代反应时比苯容易（相当于环上有一个供电子基）
2,吡啶的性质吡啶是一个无色有恶臭的液体，沸点 115.5℃,与水及许多有机溶剂如乙醇、乙醚等混溶，它是良好的溶剂。
吡啶的化学性质体现在芳环的取代反应（包括亲核、亲电）及氮上未成键电子对的碱性及亲核性上。
① 碱性和亲核性吡啶分子中氮原子的 SP2杂化轨道上有一对未共用电子，这对电子不参与环的共轭，它像叔胺一样这对电子可以接受质子，
具有碱性。但碱性弱于叔胺，强于吡咯。
碱性,叔胺 >> 吡啶 > 吡咯
N N
H
叔胺
NH2
pKb,~ 4 8.8 9.37 ~ 14
碱性增强
N
+ HCl
N
· Cl -
+
H 吡啶盐酸盐吡啶 氮 原子还可以作为 亲核试剂 与 R-X,Br2等亲核试剂反应形成 吡啶盐
N
+ Br2
N
· Br -
+
Br
N
+ CH3I
N
· I -
+
CH3三级胺 季铵盐
300℃
重排 N
I -+
-CH3
H
N I -+
CH3
H
+
甲基吡啶盐
② 亲电取代反应吡啶是缺电子芳杂环，由于氮原子的吸电子作用，
降低环上碳原子密度，它的亲电取代反应似硝酸苯。
与富电子芳杂环的呋喃、吡咯和噻吩相反，吡啶在亲电取代反应中很不活泼，比苯的取代反应难得多，一般反应必需在激烈的条件下才能硝化、卤代和磺化，不能进行傅克反应。
反 应 特 点
*1 不能发生傅氏烷基化、酰基化反应。
*2 硝化、磺化、卤化必须在强烈条件下才能发生；
*3 吡啶环上有给电子基团时，反应活性增高；
*4 吡啶 N可以看作是一个间位定位基。
反应 主要 发生 在 β位 （电子云 密度 β > α）
N· ·
+ Br2
N
300℃
气相
3-溴吡啶
-Br
39%
N
+ 浓 HNO3 300℃,一天浓 H2SO4
N
3-硝基吡啶
-NO2
6%
N
+ 发烟 H2SO4 220℃
N
吡啶 -3-磺酸
-SO3H
70%
如果 吡啶 环上有 供电子 基团，则能 增加 反应 活性 。
提高产率。
N
+ 浓 HNO3 浓 H2SO4
N
-NO2
66%-CH3H3C- -CH3H3C-
N
+ Br2 AcOH
N-NH2 -NH2
Br-
20℃ 90%· ·
· ·
③ 亲核取代由于 环上电子云 密度降低,吡啶 易与亲核试剂（如芳基锂,烷基锂 等）作用，主要生成 α-位 取代产物若 α-
位 被占据，则生成 γ-位 取代产物。
N
+ NaNH2 - H2
N -NHNa
H2O
α-氨基吡啶
N -NH2 + NaOH
④ 吡啶环对氧化剂的稳定性吡啶 比 苯 稳定,难 于 氧化因 吡啶 为 叔胺,很 容易 被 H2O2,过氧化酸 氧化 成 N-氧化物 。
N
HNO3
△ N -COOH
-COOH
H+
KMnO4
N
-COOH
N
-CH3
β-甲基吡啶 β-吡啶甲酸
HNO3
N NH
（烟酸或尼古丁酸） 尼古丁（烟碱）
NN
+ H2O2 （ 30%）
吡啶 N-氧化物
O
+
-
95%
吡啶 N-氧化物 是有机合成的重要中间体，由于 O上孤电子对与 吡啶环 发生动态 共轭 的结果，它使 吡啶环 活化,使之容易 在 α和 γ位发生 亲电取代 反应，且产率较高
NN
+ CH3-C-O-OH 吡啶 N-氧化物
O
+
-
O
吡啶 N – 氧化物 用 三氯化磷 处理，可恢复为 吡啶环 。
N
NO2
+ POCl3
PCl3
CHCl3 △
80%
+ （发烟） HNO3
吡啶 N-氧化物
N
O
+
-
N
O
+
-
发烟 H2SO4
90℃,4h
NO2
90%
⑤ 还原反应吡啶 还原反应 比 苯 更 容易 进行，还原生成 六氢吡啶
N
H
C2H5OH + Na
N 六氢吡啶
95%N
H
N
+ H2 Pt,CH
3COOH
25℃
二、嘧啶
N
N
1
6
5
4
3
2
嘧啶 是含有二个 氮 原子的六元 杂环,
易溶于水,嘧啶 中的 氮 是 SP2杂化，都以一个 P 电子参与 共轭,性质 与 吡啶 类似。
由于体系中 氮 的 吸电子 作用,碱性 比 吡啶 弱 得多，其 亲电取代 反应比 吡啶 困难,
亲核取代 则比 吡啶 容易 。
自然界有许多 嘧啶衍生物 。在新陈代谢中起着重要作用，如用 氨基,羟基 取代的 嘧啶,尿嘧啶,胞嘧啶、胸腺嘧啶 是组成 核酸 的三个 碱基 。
N
N
OH
OH
H3C
NH2
N
N
OH
OH
N
N
OH
尿嘧啶 胸腺嘧啶 胞嘧啶维生素 及 药物 中许多含有 嘧啶 环系
N
N
磺胺嘧啶
—NH-S— -NH2
O
O=
= 治疗肺炎、脑炎等维生素 B1是 嘧啶 的重要衍生物之一，是维持 糖 的正常代谢 必需的物质，体内缺乏 维生素 B1时，可引起多发性 神经炎,脚气病 及 食欲不振 等。 维生素 B1存在于 米糠,麦麸,
瘦肉,绿叶,花生,豆类,酵母 中。
H3C N
N
NH2·HCl
维生素 B1（也称盐酸磺胺素）
N
S
— CH2—
CH2CH2OH
Cl+ -
一、吲哚吲哚 存在于煤焦油中，为 无色片状 结晶,熔点 52.5℃,
具有 极臭 的气味，与 β-甲基吲哚 共存于粪便中。但 纯 吲哚的 极稀 溶液有愉快香气，可制 香精 。
吲哚 是闭合的 共轭体系,它的 性质 和 吡咯 很相似，几乎没有 碱性,但比 吡咯 稳定。
§ 18-4 稠杂环化合物主要介绍三种化合物
N N NN
N
吲 哚 喹 啉 嘌 呤吲哚主要衍生物：
无色叶状晶体，是一种广泛存在于植物幼芽中的植物生长素。
亦称粪臭素是大粪的臭味来源，可用于制香精。
N
-CH2COOH
β- 吲哚乙酸
N
-CH2CH-COOH
NH2
N
-CH3
β-甲基吲哚色氨酸主要存在于蛋白质中。
二、喹啉喹啉 和 异喹啉 都是 苯 环与 吡啶 环 稠合 而成的化合物，
它们是 同分异构 体，都存在于 煤焦油 中，很多 生物碱 中含有 喹啉 杂环。
1,喹啉的合成法 ——斯克普（ Skraup）法由 苯胺,甘油,浓硫酸 及一种 弱氧化剂 （如 硝基苯,氧化铁 ）共热来制得。
N
喹 啉 异喹啉
1
2
3
45
6
7
8
N
1
2
3
45
6
7
8
NNH2
CH2-OH
CH2-OH
CH-OH+
浓 H2SO4
硝基苯，△
84 % ~ 91%甘油反应历程含有取代基的喹啉可用苯胺与 α,β-不饱和醛酮合成
NH2
+ CH3CH=CHCHO 硝基苯
NH2
硝基苯+ CH
2=CH-C=O
CH3
浓 H2SO4
硝基苯，△N
CH3O CH2-OH
CH2-OH
CH-OH+
NH2
OCH3
浓 H2SO4
硝基苯，△
N CH2-OH
CH2-OH
CH-OH+
NH2
N
CH3
4-甲基喹 啉
N CH3
2-甲基喹 啉
2,喹啉的化学性质 喹啉 是 无色油状 液体，有 特殊气味,化学性质和 吡啶 及 α-硝基萘有些相似，喹啉 中的 氮 原子，相当于硝基萘,进行 亲电取代 反应较难,反应 主要 在 苯环上 进行，
生成 5,8位 取代物。
① 亲电取代反应
SO3H
N
浓 H2SO4
220℃
浓 HNO3
浓 H2SO4,0℃ N
NO2
N
NO25-硝基喹啉
8-硝基喹啉
52% 48%
+
△
Br2,H2SO4
N
Br
N
Br5-溴喹啉
8-溴喹啉
51% 49%
+N
1
2
3
45
6
7
8
② 亲核取代反应喹啉 分子中用 吡啶 环，可发生 亲核取代 反应，主要在 2,4位
③ 氧化和还原反应喹啉 加氢还原时,吡啶环 最先被还原生成 四氢化喹啉
N
H
十氢喹啉
H2 / Ni
N N
H
四氢喹啉
H2 / Pt
或 C2H5OH + Na
N N
-COOH
-COOH 吡啶 -2,3-二甲酸
H+
KMnO4
N N NH2100℃
二甲苯
2-氨基喹啉
+ KNH2
三、嘌呤嘌呤 为 无色 晶体，熔点 216~ 217℃,易溶于 水,水溶液呈 中性,但它却能与 酸 或 碱 生成盐嘌呤 本身不存在于自然界中，但它的 羟基 和 氨基 衍生物却存在于 自然界 中。
由一个 嘧啶 环和一个 咪唑 环稠合 而成。它有 两种 互变异构体 。
NH
NN
N
1,尿酸 —— 是鸟类和爬虫类动物排泄物中的主要成分无色 晶体，难溶于 水,它的 酸性 很弱,pKa = 5.7
N
NN
N
嘌呤
H
NH
NN
HN
O=
O O
HH
2,6,8-三羟基嘌呤
NH
NN
N
OH
OHHO
1
2
3
4
56 7
8
9
2,黄嘌呤 —— 存在于动物的 血液,肝脏 和 尿 中
N
NN
HN
O=
O
HH
黄嘌呤 本身不太重要，而其衍生物则比较重要。
它们都是 嘌呤 的 甲基衍生物,都是 生物碱 类药物。它们都有刺激 中枢神经 的作用，以 咖啡碱 的效为力最好，被广泛地用于医药中，它们存在于 茶叶,咖啡 和 可可 中。
N-CH3
NN
H3C-N
O=
O
CH3
NH
NN
H3C-N
O=
O
CH3
N-CH3
NN
HN
O=
O
CH3
咖啡碱 茶碱 可可碱
1,3,7-三甲基黄嘌呤 1,3-二甲基黄嘌呤 3,7-二甲基黄嘌呤
N
NN
N
OH
HO
H
3,腺嘌呤和鸟嘌呤腺嘌呤 和 鸟嘌呤 是核蛋白中的两种 嘌呤衍生物 。它们与 尿嘧啶,胞嘧啶 和 胸腺嘧啶 构成 核酸 的五大 碱基,
对 核酸 的 生物功能 起重要作用。
N
NN
HN
H2N
H
O=
鸟嘌呤
N
NN
N
NH2
H
腺嘌呤一 结构
N
N NH
N1
2
3
4
5
6 7
8
9
N
N NH
N1
2
3
4
5
6 7
8
9
N
N N
HN
1
2
3
4
5
6 7
8
9
9H-嘌呤 7H-嘌呤嘌呤是一对互变异构体的平衡体系
N
N
O H
O H NH
N H
O
ON
N
N H 2
O H NH
N
N H 2
ON
N
O H
O H NH
N H
O
O
H 3 C H 3 C
尿嘧啶 (U) 胞嘧啶 (C) 胸腺嘧啶 (T)
二 嘌呤的两个重要衍生物
N
N N
H
N
1
2
3
4
5
6
N H 2
N
N N
H
N
1
2
3
4
5
6
O H
H 2 N
腺嘌呤 (A) 鸟嘌呤 (G)
(6-氨基嘌呤 ) (2-氨基 -6-羟基嘌呤 )
生物碱 又称 植物碱,是指一类由生物体中取得的 有机碱性 物质。它们大多数具有含 氮杂环,有很强的 生理作用,
是非常有效的药物，例如 当归,甘草,贝母,麻黄,黄连等许多 草药 中的 有效成分 都是 生物碱 。
生物碱 大多为固体，难溶于 水,而能溶于 乙醇 等有机溶剂。大部分生物碱具有 旋光性 （ 左旋体 ）
许多试剂能与 生物碱 生成不溶性的 沉淀 或发生 颜色反应,这些试剂叫做 生物碱试剂,可以用它们检验出生物碱。
§ 18-5 生物碱简介
1,生物碱的一般性质
① （生物碱的）沉淀反应能与 生物碱 生成沉淀 的试剂有,碘化汞钾 （ K2HgI4),苦味酸,丹宁酸 等。
② （生物碱的）颜色反应能与生物碱产生颜色反应的有,浓硫酸,硝酸,甲醛 和 氨水 等
2,几种重要的生物碱
① 烟碱（尼古丁）
从 烟草 中提取，有 剧毒,少量有兴奋 中枢神经,能增高 血压,大量则抑制 中枢神经 系统，使 心脏麻痹 以致死亡。
N NCH
3
沸点,246.1℃
[α]D = -169 。
② 麻黄素麻黄素 亦称 麻黄碱,有兴奋 交感神经,收缩血管,
抗张支气管 的作用，用于治疗 支气管哮喘 症。
-CH—CH-NH-CH3
OH CH3
* * 熔点,38℃
[α]D = - 6.8 。
-CH2—CH-NH-CH3
CH3
去氧麻黄碱或冰毒
③ 颠茄碱颠茄碱 又叫 阿托平,存在于茄科植物如 颠茄,曼陀罗,
天仙子 等。在医药上用作抗胆碱药，能抑制 汗腺,唾液,泪腺,胃液 等分泌，并能扩散 瞳孔,用于治疗 胃痛 与 肠绞痛,
也可用作 有机磷 与 锑剂 中毒的 解毒剂 。
熔点,114 ~ 116℃O—C—CH—
CH2OH
=
O
N-CH3
H
吗啡 对 中枢神经 有 麻醉 作用，有强 镇痛 效力，但容易 成瘾,医药上常用于局部麻醉。
可待因 是 吗啡的甲基醚,与 吗啡 有同样的生理作用，成瘾性较 吗啡 差，用于镇咳，存在于大麻中的毒品 海洛因 是 吗啡 的 二乙酰基衍生物 。
④ 吗啡碱罂粟 科 植物鸦片 中含有 20余种 生物碱,其中含量最多的是 吗啡 。
O
RO
R/O
N-CH3
R = R/ = H 吗啡
R = CH3,R/ = H 可待因
R = R/ = -COCH3 海洛因反应历程：
CH2-OH
CH2-OH
CH-OH第 1步,+ H2SO4
△
-H2O
CH-OH
CH2-OH
CH
HC=O
CH2-OH
CH2重排
HC=O
CH2
CH-H
2O
H2SO4,△
丙烯醛第 2步：
NH2
+
CH
CH2
CH
O
第 3步：
NH2
CH
CH2
CH +
NO2
N
-2H+
NH2
+
NH2
CH
CH2
CH
关环
-H2O1,4-加成
NH2
HO-CH
CH2
CH
1
2
3
4
吡咯的结构 孤电子对在 p轨道上。
吡 咯结构：吡咯 N是 sp2杂化，孤电子对参与共轭。
反应：碱性较弱，环易发生亲电取代反应，环上相当有一个邻对位定位基。
N
N
H
共轭效应是给电子的。
诱导效应是吸电子的。
呋喃、噻吩的结构请同学自己分析。
第十八章 杂环化合物
§ 18-5 生物碱简介
§ 18-1 杂环化合物的分类和命名
§ 18-2 五元杂环化合物
§ 18-3 六元杂环化合物
§ 18-4 稠杂环化合物第十八章 杂环化合物杂环化合物 是指一类环状有机化合物，构成环的原子除碳外还有其它原子（ 杂原子 ）。
这种 环状化合物 具有 芳香结构 （ 闭合共轭体系 ）和一定程度的 稳定性 。
通常杂原子有,O,N,S 等从形式上看，它们都是含 杂原子 的 环状化合物,但其性质与相应的开链化合物相似，不属于 杂环化合物 讨论的范畴。
O O
内酯
O
NH
内酰胺
O
O
O
环状酸酐
CH2—CH2
O
环氧化合物在自然界中杂环化合物分布很广如,使植物中成绿色的 叶绿素使血液成红色的 血红素具有遗传作用的 核酸许多 中草药 的有效成分大都含有 含氮杂环化合物,部分 维生素 和 抗菌素 以及一些 植物色素 和 植物染料 都含有 杂环,不少合成 药物 和合成 染料 也含杂环。
它们都具有重要的 生理作用 。
杂环化合物 是一大类有机化合物，在理论和实际中都有十分重要的意义。
一,分类二、命名
§ 18-1 杂环化合物的分类和命名分类单杂环稠杂环五元杂环六元杂环
O S N
N N
N
NN
——利用国际通用名称 译音,加 口旁 以表示是杂环化合物 。
1,音译法这种方法的优点是比较简单，缺点是遇到字音相近的字比较难译，并且译出的名字与结构没有联系。
O S NN
O N
N
furan pyridine pyrrolethiophene
pyran pyrimidine
呋喃 吡啶 吡咯吡喃 嘧啶噻吩这种命名方法的缺点是名称太长，使用不便。目前一般都采用音译名称来命名。
O N
N N
N
N
氧（杂）茂 氮（杂）茂氮（杂）苯 1,3-二氮苯氮萘茂 （碳环母核）
苯 （碳环母核）
萘 （碳环母核）
2,根据相应碳环母核命名把 杂环 当作是相应的碳环中碳原子被杂原子置换而形成的，命名时在 碳环母体 名称前加,某杂,（ 杂原子的名称 ）两字，以表示其中的杂原子。
环上有取代基时，应以杂环为母体，将杂环母核编号编号原则
① 杂原子 编号最小 （即从杂原子开始编号）；
② 环上含两个以上相同 杂原子 时，应使杂原子的编号最小（一般从连有取代基的杂原子开始）；
③ 环上有不同 杂原子时,按 O,S,N的顺序编号；
④ 尽可能使连有 取代基 的 碳 原子编号最小。
N
-CH3
N
-CH2COOH
CH3- N
N
N
S
CH3-
N
N
-NH2
N
OH
N
CH3
8-羟基喹啉 N-甲基吡咯或 1-甲基吡咯
4-甲基咪唑
2-氨基嘧啶 5-甲基噻唑
3-甲基吡啶或 β-甲基吡啶
1
2
3
4
5
6 α
β
2
3
45
6
7
8 1
2
34
1
5 2
34
1
5
1 2
3
4
5
6
1
2
34
5
3-吲哚乙酸 或 β-吲哚乙酸
2
345
6
7 1
α
β
典型的 五元杂环 是 呋喃,噻吩,吡咯 。它们是最重要的含一个杂原子的五元环化合物。它们的重要性不在于它们的单体而是它们的 衍生物 。它们的衍生物不单种类繁多，而且有些是重要的工业原料，有些具有重要的 生理 作用。
§ 18-2 五元杂环化合物一,呋喃、噻吩、吡咯的结构与芳香性物理方法 证明,呋喃,噻吩,吡咯 都是平面结构，环上所有原子都是 SP2 杂化,各原子均以 SP2 杂化 轨道重叠形成 σ键 。
碳未杂化 的 P 轨道中有 一个电子,杂原子 的 P 轨道中有 一对电子,P 轨道 互相平行重叠,形成 闭合的共轭体系 。
符合 休克尔 4 n + 2
规则,故三个杂环均具有芳香性体系中 π
电子数：
4 + 2 = 6
O
··
·
·
···
·
呋喃的分子结构
N—H
··
·
·
·
吡咯的分子结构
S
··
·
·
···
噻吩的分子结构
S
··
· ··
S原子杂化轨道
O
··
· ··
O原子杂化轨道
N
··
· ·
N原子杂化轨道
sp2杂化轨道 P 轨道
（
富电子环
）
五中心六电子
S
噻吩
N
吡咯
··
O
呋喃
··
··
由于 呋喃,噻吩,吡咯 都是 五中心六电子,属于 富电子环三种杂环具有一定程度的 芳香性,杂 原子 电负性 大小：
芳香性 与 稳定性,
＞ ＞ ＞
OS N
电负性,对外层电子 吸引力,孤电子离域,故 芳香性 。
O (3.5) ＞ N (3.0) ＞ S (2.5)
π电子密度,杂环 ＞ 苯环稳 定 性,杂环 ＜ 苯环芳 香 性,杂环 ＜ 苯环反 应 活 性,杂环 ＞ 苯环
HNMR吸收
δ ppm
共振能
KJ / mol化合物呋喃噻吩吡咯苯
71.1
90.4
125.5
152 7.4 1
7.10（ β-H）
7.30（ α-H）
6.20（ β-H）
6.68（ α-H）
6.37（ β-H）
7.42（ α-H）O
S
N
+-
α
β
α
β
α
β
呋喃,噻吩,吡咯 分别存在于 木焦油,煤焦油 和 骨焦油 中，但含量不多。
二、制备方法工业上常用 糠醛 （ α- 呋喃甲醛 ）脱羰基制备 呋喃 。
O
-CHO + H2O
O
+ CO2ZnO-Cr2O3-MnO2400 ℃ ~415℃
噻吩 可用 丁烷 与 硫,丁稀 与 二氧化硫 在 高温 下反应制得
S
+ 4 S + 3 H2SCH2—CH2CH
3 CH3
600 ℃ ~650℃
CH2=CH-CH2CH3
CH3-CH=CH-CH3 + SO2 S
高温苯 噻吩 吡咯 呋喃芳香性稳定性呋喃 和 氨 在高温下反应制得 吡咯
NO
+ NH3 + H2O
430 ℃
Al2O3
三、化学性质五元杂环 ＞＞ 苯
（富电子环）
反应活性 （ 亲电取代 和 加成反应 ）
1,亲电取代反应亲电试剂 进攻发生在 α- 位 和 β- 位,而 α- 位 更容易些。
呋喃,噻吩,吡咯 能像苯一样发生一系列 芳香族化合物 的特征反应，由于它们是 富电子杂环,所以比苯更容易 发生 亲电取代 反应。
溴化反应相对速率反应活性相对次序是吡咯 ＞ 呋喃 ＞ 噻吩 ＞＞ 苯
3× 1018 6× 10 11 5× 10 9 1
① 卤代反应像 苯酚 和 苯胺 一样,吡咯,呋喃,噻吩 很容易发生卤代反应。
氯代,溴代 不但不需 催化剂,而且为避免 多取代物,往往采用 温和条件,如用 溶剂稀释 和采用 低温 。
吡咯 反应 活性最大,在 低温下 进行，一般得 多卤产物 。
N
+ Br2
0 ℃
C2H5OH
N
-Br
-Br
Br-
Br-
四溴吡咯呋喃 与 Br2 反应也很激烈，在 0 ℃ 与 Br2在二氧六环存在下反应得 一溴代 产物，与 Cl2 在 – 40℃ 下反应得 混合产物 。
O
+ Br2
O
-Br
0 ℃
O O
2-溴呋喃
80%
噻吩 溴化可在 室温下 进行，得 一溴代产物 。
O
+ Cl2
O
-Cl-40 ℃
2-氯呋喃
O
-ClCl-+
2,5-二氯呋喃
S S
+ Br2 -BrAcOH
2-溴噻吩
78%室温
② 硝化反应五元杂环 化合物与 硝酸 （ 强氧化剂 ）反应，得不到预期产物，而是芳环被破坏。因此它们硝化反应必须在 温和条件下，采用 弱硝化剂 ——乙酰硝酸酯 。
(CH3CO)2O + HONO2 CH3COONO2 + CH3COOH
乙酰硝酸酯酸酐
N
-NO2
N
+ CH3COONO2
H H
+
N
-NO2
H83% 17%
Ac2O
5 ℃
O
+ CH3COONO2 Ac2O-30 ℃ ~-5 ℃
O
-NO2
35%
S
-NO2
70%S
+ CH3COONO2 Ac2O-10 ℃ +
S
-NO2
5%
呋喃,噻吩和吡咯易氧化,一般不用硝酸直接硝化 ; 通常用比较温和的非质子硝化试剂，如：硝酸乙酰酯，反应在低温下进行。
③ 磺化反应吡咯,呋喃 不能直接用 硫酸 磺化，因为它们在 浓硫酸 中不稳定，会发生聚合，通常用一种 温和的磺化剂 ——吡啶三氧化硫 进行 磺化 。
+ SO3
N
SO3
N+ - 吡啶三氧化硫吡啶
HCl
N
-SO3H
H
+
H90%
N
-
+
Cl
吡咯 -2-磺酸 吡啶盐酸盐
N
-SO3
N
+
H H
·
H90%
100 ℃
SO3
N+ - N
-
+
吡咯 -2-磺酸吡啶盐
O
+ 室温3天
SO3
N+ - O -SO3·
H
N+
-
47% 呋喃 -2-磺酸
HCl
41%
O
-SO3H
S S
+ H2SO4（ 95%） -SO3H
噻吩 -2-磺酸
69%~71%
室温从 煤焦油 中提取的 苯 （ b.p.80℃ ）含有少量（ 0.5%） 噻吩 （ b.p.84℃ ）很难用分馏的方法将它们分开，由于 噻吩比 苯 活泼，故可在常温下用 浓硫酸 一起振摇,噻吩 比 苯 容易 磺化,生成的 噻吩 -2-磺酸 溶于 硫酸 中，然后 分离除去 。
噻吩 比较稳定，既可以用 硫酸 在室温下直接 磺化 （产率稍低），也可以用温和的 磺化试剂 磺化。
④ 傅克酰基化反应五元杂环 化合物酰化时，需要在较温和 催化剂 甚至不用 催化剂 即可反应。
吡咯 不用 催化剂 可以直接酰化。
N
-COCH3
N
+ (CH3CO)2O
H H
60%
150 ℃ ~160 ℃
2-乙酰基吡咯呋喃 与 酸酐 或 酰氯 在 催化剂 作用下发生酰基化反应。
O
+ (CH3CO)2O BF3
O
-COCH3 75%~92%
2-乙酰基呋喃（或 CH3COCl）
噻吩 酰化反应要用 磷酸 或 氯化锡 作 催化剂 。
S
-COCH3 70%S + (CH3CO)2O
H2PO4
或 SnCl4 2-乙酰基噻吩呋喃,噻吩,吡咯 进行 烷基化 反应 很难得到 一烷基取代物,往往生成混合的 多烷基取代物,甚至不可避免地产生树脂状物质，因此用途不大。
2,加成反应呋喃,噻吩,吡咯 分子中都有一个 顺丁二烯型 结构，
因此它们又具有 不饱和性质,用 共振能 值来衡量。它们的稳定性 和 不饱和性 有如下顺序：
不饱和性增加稳定性增加
S ON
152 125.5 90.4 71.1 12.6共振能（ KJ / mol）
加成反应 是标志化合物不饱和性的最 典型反应,它们能像 环戊二烯 分子一样 催化加氢 生成相应的 饱和化合物 。
O
+ 2 H2 Ni
O
四氢呋喃（ THF）
N
+ 2 H2 Ni
N
四氢吡咯
S
+ 2 H2 Ni
S
四氢噻吩呋喃 由于 芳香性 最小，环的 稳定性 也较低，能发生 双烯合成。
O + △
76%苯炔
O
O O
O
O
=
=
+ △ 90%
顺丁烯二酸酐
O
O =
O
O
=
吡咯 也可以与 苯炔,丁炔二酸 发生类似的反应
N-H + △
N-H
+ △N-H
N-H
-COOH
-COOH
C-COOH
C-COOH
噻吩的 芳香性较大，环比较稳定，
难 发生 双烯合成
N
H
..氮上电子云少,H 易离解，显一定的酸性。
氮上孤电子对参与环内共轭，不能再与酸结合。
N
H
R-OH-OH ＞ ＞酸性：
pka,10 15 18
MgX
NH N
+ RMgX + RH
NH
+ KOH + H2O △
NK
+- 吡咯钾盐
3,吡咯的弱碱性、弱酸性吡咯 表面上是个 仲胺,但实际上 吡咯 是一个很 弱的碱,碱性比 苯胺 弱 得多，
它只能慢慢地溶解在冷的 稀酸 溶液中。
四、糠醛（ α-呋喃甲醛）
1,制备由 米糠,甘蔗渣,高粱杆,玉米芯,花生壳 等与酸 共热、蒸馏制取。
农业副产品含 戊多糖 打碎水解为戊糖进一步脱水 糠醛稀 H2SO4
△
糠醛 是 呋喃衍生物 中最重要的一个，
最初从 米糠 制得而得名。O -CHO
(C5H8O4)n + n H2O n C5H10O53%~5% H2SO4△,水解戊多糖 戊糖
H-CH CH-CHO -3H2O△
HO-CH—CH-OH
OH OH戊糖 O
-CHO
糠醛
2,性质及用途糠醛 是无色透明液体，沸点 161.7℃,在空气中逐渐变为黄棕色，能溶于 醇,醚 及其它 有机溶剂 中,糠醛 本身是一个 良好的溶剂,在工业上有广泛的用途，常用于 精炼石油,精制 松香,溶解 硝酸纤维 等，在有机合成工业上也很重要，是 油漆,树脂 工业的重要原料。
糠醛 与 苯甲醛 具有类似结构，表现出 无 α-H的 醛 的性质。
① 催化加氢
O
-CHO + H2
O
-CH2OH
Cr2O3·CuO
150 ℃,10MPa
糠醇
② 氧化
O
-CHO
O
-COOHKMnO4中性或碱性糠酸
③ 歧化反应
O
-CHO
O
-CH2OH
O
-COOH
浓 OH-2 +
④ 安息香缩合（糠醛偶合）
O
-CHO
KCN2
O
-CH—C-
O
=OOH
呋嗡
O
-CHO + O2
V2O5-MoO3
320 ℃ + CO2 + H2OO OO
顺丁烯二酸酐
⑤ 柏琴反应
O
-CHO + (CH3CO)2O
O
-CH=CHCOOH
CH3COOK
α-呋喃丙烯酸一,吡啶
1,来源和结构吡啶 存在于 煤焦油,页岩油 和 骨焦油 中，它的衍生物广泛分布于自然界，如 植物碱,维生素,辅酶 Ⅰ 和
Ⅱ 中都存在 吡啶环 。
工业上 吡啶 主要有从 糠醛制备法 和 乙炔制备法 中制得。
§ 18-3 六元杂环化合物六元杂环 化合物中最重要的有 吡啶 和 嘧啶,
N N
N
吡啶 嘧啶
· ·N
··
· ···吡啶 结构与 苯 相似：
N· ·
SP2 杂化
1,吡啶的结构共轭效应和诱导效应都是吸电子的
N NH
孤电子对在 sp2杂化轨道上。
吡 啶结构：吡啶 N是 sp2杂化，孤电子对不参与共轭。
反应：碱性较强。环不易发生亲电取代反应但易发生亲核取代反应。发生亲电取代反应时，环上 N起间位定位基的作用。发生亲核取代反应时，环上 N起邻对位定位基的作用。
=2.20D?=1.17D
氮 上 未成键电子对 未参与共轭,因此具有 碱性 。
核磁共振 数据也可以证明 吡啶 的 芳香性吡啶环 上的 氢 的 ’ H NMR 数据
N H
H
H
8.50 ppm
6.98 ppm
7.36 ppm
吡啶环 上的 N以 SP2 杂化 成键。一个 P电子 参与共轭,
形成具有 6个 P 电子 的 闭合的共轭体系,具有 芳香性 。
N· ·
· ·N
··
· ···
SP2 杂化吡啶 的 偶极矩 与 吡咯 方向 相反：
N N
Hμ= 0 D μ= 2.26 D
μ= 1.81 D
这是由于杂环上氮原子作用不同，吡啶环上的 N 是吸电子作用。（电负性 N > C ） ——吡啶具有碱性，在发生亲电取代反应时比苯难。（相当于环上有一个吸电子基）
吡咯环上的 N 把电子转移给环 ——吡咯具有酸性，亲电取代反应时比苯容易（相当于环上有一个供电子基）
2,吡啶的性质吡啶是一个无色有恶臭的液体，沸点 115.5℃,与水及许多有机溶剂如乙醇、乙醚等混溶，它是良好的溶剂。
吡啶的化学性质体现在芳环的取代反应（包括亲核、亲电）及氮上未成键电子对的碱性及亲核性上。
① 碱性和亲核性吡啶分子中氮原子的 SP2杂化轨道上有一对未共用电子，这对电子不参与环的共轭，它像叔胺一样这对电子可以接受质子，
具有碱性。但碱性弱于叔胺，强于吡咯。
碱性,叔胺 >> 吡啶 > 吡咯
N N
H
叔胺
NH2
pKb,~ 4 8.8 9.37 ~ 14
碱性增强
N
+ HCl
N
· Cl -
+
H 吡啶盐酸盐吡啶 氮 原子还可以作为 亲核试剂 与 R-X,Br2等亲核试剂反应形成 吡啶盐
N
+ Br2
N
· Br -
+
Br
N
+ CH3I
N
· I -
+
CH3三级胺 季铵盐
300℃
重排 N
I -+
-CH3
H
N I -+
CH3
H
+
甲基吡啶盐
② 亲电取代反应吡啶是缺电子芳杂环，由于氮原子的吸电子作用，
降低环上碳原子密度，它的亲电取代反应似硝酸苯。
与富电子芳杂环的呋喃、吡咯和噻吩相反，吡啶在亲电取代反应中很不活泼，比苯的取代反应难得多，一般反应必需在激烈的条件下才能硝化、卤代和磺化，不能进行傅克反应。
反 应 特 点
*1 不能发生傅氏烷基化、酰基化反应。
*2 硝化、磺化、卤化必须在强烈条件下才能发生；
*3 吡啶环上有给电子基团时，反应活性增高；
*4 吡啶 N可以看作是一个间位定位基。
反应 主要 发生 在 β位 （电子云 密度 β > α）
N· ·
+ Br2
N
300℃
气相
3-溴吡啶
-Br
39%
N
+ 浓 HNO3 300℃,一天浓 H2SO4
N
3-硝基吡啶
-NO2
6%
N
+ 发烟 H2SO4 220℃
N
吡啶 -3-磺酸
-SO3H
70%
如果 吡啶 环上有 供电子 基团，则能 增加 反应 活性 。
提高产率。
N
+ 浓 HNO3 浓 H2SO4
N
-NO2
66%-CH3H3C- -CH3H3C-
N
+ Br2 AcOH
N-NH2 -NH2
Br-
20℃ 90%· ·
· ·
③ 亲核取代由于 环上电子云 密度降低,吡啶 易与亲核试剂（如芳基锂,烷基锂 等）作用，主要生成 α-位 取代产物若 α-
位 被占据，则生成 γ-位 取代产物。
N
+ NaNH2 - H2
N -NHNa
H2O
α-氨基吡啶
N -NH2 + NaOH
④ 吡啶环对氧化剂的稳定性吡啶 比 苯 稳定,难 于 氧化因 吡啶 为 叔胺,很 容易 被 H2O2,过氧化酸 氧化 成 N-氧化物 。
N
HNO3
△ N -COOH
-COOH
H+
KMnO4
N
-COOH
N
-CH3
β-甲基吡啶 β-吡啶甲酸
HNO3
N NH
（烟酸或尼古丁酸） 尼古丁（烟碱）
NN
+ H2O2 （ 30%）
吡啶 N-氧化物
O
+
-
95%
吡啶 N-氧化物 是有机合成的重要中间体，由于 O上孤电子对与 吡啶环 发生动态 共轭 的结果，它使 吡啶环 活化,使之容易 在 α和 γ位发生 亲电取代 反应，且产率较高
NN
+ CH3-C-O-OH 吡啶 N-氧化物
O
+
-
O
吡啶 N – 氧化物 用 三氯化磷 处理，可恢复为 吡啶环 。
N
NO2
+ POCl3
PCl3
CHCl3 △
80%
+ （发烟） HNO3
吡啶 N-氧化物
N
O
+
-
N
O
+
-
发烟 H2SO4
90℃,4h
NO2
90%
⑤ 还原反应吡啶 还原反应 比 苯 更 容易 进行，还原生成 六氢吡啶
N
H
C2H5OH + Na
N 六氢吡啶
95%N
H
N
+ H2 Pt,CH
3COOH
25℃
二、嘧啶
N
N
1
6
5
4
3
2
嘧啶 是含有二个 氮 原子的六元 杂环,
易溶于水,嘧啶 中的 氮 是 SP2杂化，都以一个 P 电子参与 共轭,性质 与 吡啶 类似。
由于体系中 氮 的 吸电子 作用,碱性 比 吡啶 弱 得多，其 亲电取代 反应比 吡啶 困难,
亲核取代 则比 吡啶 容易 。
自然界有许多 嘧啶衍生物 。在新陈代谢中起着重要作用，如用 氨基,羟基 取代的 嘧啶,尿嘧啶,胞嘧啶、胸腺嘧啶 是组成 核酸 的三个 碱基 。
N
N
OH
OH
H3C
NH2
N
N
OH
OH
N
N
OH
尿嘧啶 胸腺嘧啶 胞嘧啶维生素 及 药物 中许多含有 嘧啶 环系
N
N
磺胺嘧啶
—NH-S— -NH2
O
O=
= 治疗肺炎、脑炎等维生素 B1是 嘧啶 的重要衍生物之一，是维持 糖 的正常代谢 必需的物质，体内缺乏 维生素 B1时，可引起多发性 神经炎,脚气病 及 食欲不振 等。 维生素 B1存在于 米糠,麦麸,
瘦肉,绿叶,花生,豆类,酵母 中。
H3C N
N
NH2·HCl
维生素 B1（也称盐酸磺胺素）
N
S
— CH2—
CH2CH2OH
Cl+ -
一、吲哚吲哚 存在于煤焦油中，为 无色片状 结晶,熔点 52.5℃,
具有 极臭 的气味，与 β-甲基吲哚 共存于粪便中。但 纯 吲哚的 极稀 溶液有愉快香气，可制 香精 。
吲哚 是闭合的 共轭体系,它的 性质 和 吡咯 很相似，几乎没有 碱性,但比 吡咯 稳定。
§ 18-4 稠杂环化合物主要介绍三种化合物
N N NN
N
吲 哚 喹 啉 嘌 呤吲哚主要衍生物：
无色叶状晶体，是一种广泛存在于植物幼芽中的植物生长素。
亦称粪臭素是大粪的臭味来源，可用于制香精。
N
-CH2COOH
β- 吲哚乙酸
N
-CH2CH-COOH
NH2
N
-CH3
β-甲基吲哚色氨酸主要存在于蛋白质中。
二、喹啉喹啉 和 异喹啉 都是 苯 环与 吡啶 环 稠合 而成的化合物，
它们是 同分异构 体，都存在于 煤焦油 中，很多 生物碱 中含有 喹啉 杂环。
1,喹啉的合成法 ——斯克普（ Skraup）法由 苯胺,甘油,浓硫酸 及一种 弱氧化剂 （如 硝基苯,氧化铁 ）共热来制得。
N
喹 啉 异喹啉
1
2
3
45
6
7
8
N
1
2
3
45
6
7
8
NNH2
CH2-OH
CH2-OH
CH-OH+
浓 H2SO4
硝基苯，△
84 % ~ 91%甘油反应历程含有取代基的喹啉可用苯胺与 α,β-不饱和醛酮合成
NH2
+ CH3CH=CHCHO 硝基苯
NH2
硝基苯+ CH
2=CH-C=O
CH3
浓 H2SO4
硝基苯，△N
CH3O CH2-OH
CH2-OH
CH-OH+
NH2
OCH3
浓 H2SO4
硝基苯，△
N CH2-OH
CH2-OH
CH-OH+
NH2
N
CH3
4-甲基喹 啉
N CH3
2-甲基喹 啉
2,喹啉的化学性质 喹啉 是 无色油状 液体，有 特殊气味,化学性质和 吡啶 及 α-硝基萘有些相似，喹啉 中的 氮 原子，相当于硝基萘,进行 亲电取代 反应较难,反应 主要 在 苯环上 进行，
生成 5,8位 取代物。
① 亲电取代反应
SO3H
N
浓 H2SO4
220℃
浓 HNO3
浓 H2SO4,0℃ N
NO2
N
NO25-硝基喹啉
8-硝基喹啉
52% 48%
+
△
Br2,H2SO4
N
Br
N
Br5-溴喹啉
8-溴喹啉
51% 49%
+N
1
2
3
45
6
7
8
② 亲核取代反应喹啉 分子中用 吡啶 环，可发生 亲核取代 反应，主要在 2,4位
③ 氧化和还原反应喹啉 加氢还原时,吡啶环 最先被还原生成 四氢化喹啉
N
H
十氢喹啉
H2 / Ni
N N
H
四氢喹啉
H2 / Pt
或 C2H5OH + Na
N N
-COOH
-COOH 吡啶 -2,3-二甲酸
H+
KMnO4
N N NH2100℃
二甲苯
2-氨基喹啉
+ KNH2
三、嘌呤嘌呤 为 无色 晶体，熔点 216~ 217℃,易溶于 水,水溶液呈 中性,但它却能与 酸 或 碱 生成盐嘌呤 本身不存在于自然界中，但它的 羟基 和 氨基 衍生物却存在于 自然界 中。
由一个 嘧啶 环和一个 咪唑 环稠合 而成。它有 两种 互变异构体 。
NH
NN
N
1,尿酸 —— 是鸟类和爬虫类动物排泄物中的主要成分无色 晶体，难溶于 水,它的 酸性 很弱,pKa = 5.7
N
NN
N
嘌呤
H
NH
NN
HN
O=
O O
HH
2,6,8-三羟基嘌呤
NH
NN
N
OH
OHHO
1
2
3
4
56 7
8
9
2,黄嘌呤 —— 存在于动物的 血液,肝脏 和 尿 中
N
NN
HN
O=
O
HH
黄嘌呤 本身不太重要，而其衍生物则比较重要。
它们都是 嘌呤 的 甲基衍生物,都是 生物碱 类药物。它们都有刺激 中枢神经 的作用，以 咖啡碱 的效为力最好，被广泛地用于医药中，它们存在于 茶叶,咖啡 和 可可 中。
N-CH3
NN
H3C-N
O=
O
CH3
NH
NN
H3C-N
O=
O
CH3
N-CH3
NN
HN
O=
O
CH3
咖啡碱 茶碱 可可碱
1,3,7-三甲基黄嘌呤 1,3-二甲基黄嘌呤 3,7-二甲基黄嘌呤
N
NN
N
OH
HO
H
3,腺嘌呤和鸟嘌呤腺嘌呤 和 鸟嘌呤 是核蛋白中的两种 嘌呤衍生物 。它们与 尿嘧啶,胞嘧啶 和 胸腺嘧啶 构成 核酸 的五大 碱基,
对 核酸 的 生物功能 起重要作用。
N
NN
HN
H2N
H
O=
鸟嘌呤
N
NN
N
NH2
H
腺嘌呤一 结构
N
N NH
N1
2
3
4
5
6 7
8
9
N
N NH
N1
2
3
4
5
6 7
8
9
N
N N
HN
1
2
3
4
5
6 7
8
9
9H-嘌呤 7H-嘌呤嘌呤是一对互变异构体的平衡体系
N
N
O H
O H NH
N H
O
ON
N
N H 2
O H NH
N
N H 2
ON
N
O H
O H NH
N H
O
O
H 3 C H 3 C
尿嘧啶 (U) 胞嘧啶 (C) 胸腺嘧啶 (T)
二 嘌呤的两个重要衍生物
N
N N
H
N
1
2
3
4
5
6
N H 2
N
N N
H
N
1
2
3
4
5
6
O H
H 2 N
腺嘌呤 (A) 鸟嘌呤 (G)
(6-氨基嘌呤 ) (2-氨基 -6-羟基嘌呤 )
生物碱 又称 植物碱,是指一类由生物体中取得的 有机碱性 物质。它们大多数具有含 氮杂环,有很强的 生理作用,
是非常有效的药物，例如 当归,甘草,贝母,麻黄,黄连等许多 草药 中的 有效成分 都是 生物碱 。
生物碱 大多为固体，难溶于 水,而能溶于 乙醇 等有机溶剂。大部分生物碱具有 旋光性 （ 左旋体 ）
许多试剂能与 生物碱 生成不溶性的 沉淀 或发生 颜色反应,这些试剂叫做 生物碱试剂,可以用它们检验出生物碱。
§ 18-5 生物碱简介
1,生物碱的一般性质
① （生物碱的）沉淀反应能与 生物碱 生成沉淀 的试剂有,碘化汞钾 （ K2HgI4),苦味酸,丹宁酸 等。
② （生物碱的）颜色反应能与生物碱产生颜色反应的有,浓硫酸,硝酸,甲醛 和 氨水 等
2,几种重要的生物碱
① 烟碱（尼古丁）
从 烟草 中提取，有 剧毒,少量有兴奋 中枢神经,能增高 血压,大量则抑制 中枢神经 系统，使 心脏麻痹 以致死亡。
N NCH
3
沸点,246.1℃
[α]D = -169 。
② 麻黄素麻黄素 亦称 麻黄碱,有兴奋 交感神经,收缩血管,
抗张支气管 的作用，用于治疗 支气管哮喘 症。
-CH—CH-NH-CH3
OH CH3
* * 熔点,38℃
[α]D = - 6.8 。
-CH2—CH-NH-CH3
CH3
去氧麻黄碱或冰毒
③ 颠茄碱颠茄碱 又叫 阿托平,存在于茄科植物如 颠茄,曼陀罗,
天仙子 等。在医药上用作抗胆碱药，能抑制 汗腺,唾液,泪腺,胃液 等分泌，并能扩散 瞳孔,用于治疗 胃痛 与 肠绞痛,
也可用作 有机磷 与 锑剂 中毒的 解毒剂 。
熔点,114 ~ 116℃O—C—CH—
CH2OH
=
O
N-CH3
H
吗啡 对 中枢神经 有 麻醉 作用，有强 镇痛 效力，但容易 成瘾,医药上常用于局部麻醉。
可待因 是 吗啡的甲基醚,与 吗啡 有同样的生理作用，成瘾性较 吗啡 差，用于镇咳，存在于大麻中的毒品 海洛因 是 吗啡 的 二乙酰基衍生物 。
④ 吗啡碱罂粟 科 植物鸦片 中含有 20余种 生物碱,其中含量最多的是 吗啡 。
O
RO
R/O
N-CH3
R = R/ = H 吗啡
R = CH3,R/ = H 可待因
R = R/ = -COCH3 海洛因反应历程：
CH2-OH
CH2-OH
CH-OH第 1步,+ H2SO4
△
-H2O
CH-OH
CH2-OH
CH
HC=O
CH2-OH
CH2重排
HC=O
CH2
CH-H
2O
H2SO4,△
丙烯醛第 2步：
NH2
+
CH
CH2
CH
O
第 3步：
NH2
CH
CH2
CH +
NO2
N
-2H+
NH2
+
NH2
CH
CH2
CH
关环
-H2O1,4-加成
NH2
HO-CH
CH2
CH
1
2
3
4
吡咯的结构 孤电子对在 p轨道上。
吡 咯结构：吡咯 N是 sp2杂化，孤电子对参与共轭。
反应：碱性较弱，环易发生亲电取代反应，环上相当有一个邻对位定位基。
N
N
H
共轭效应是给电子的。
诱导效应是吸电子的。
呋喃、噻吩的结构请同学自己分析。
