University of Science and Technology of China
第十六章
杂环化合物
Heterocyclic compounds
有
机
化
学
Organic Chem
环状化合物，环上除碳，还有杂原子（ N,O,S等）
环具有芳香结构和一定的稳定性（闭合共轭体系）
根据以上定义，酸酐、环氧、内酯、内酰胺不属杂环化合物
核酸碱基,
自然界分布
血红素、叶绿素
B
O
O
O HO H
OH
O H
O
P
B=
生物碱、天然或合成药成分
维生素、植物色素、植物染料
N
N H N
N N
N
O
O
N H 2
Organic Chem
一,杂环化合物的分类和命名
单环
五元环
含一个杂原子
呋喃 吡咯 噻吩
含两个杂原子 噁唑 咪唑 噻唑
异噁唑 吡唑 异噻唑
O N S
H
F u r a n P y r r o l e T h i o p h e n e
N
O
N
N
N
SH
O x a z o l e I m i d a z o l e T h i a z o l e
N
O
N
N
N
SH
I s o x a z o l e P y r a z o l e I s o t h i a z o l e
Organic Chem
六元环
含一个杂原子, 吡啶 吡喃
含两个杂原子,
哒嗪 嘧啶 吡嗪
N O
P y r i d i n e P y r a n
N
N
N
N
N
N
P y r i d a z i n e P y r i m i d i n e P y r a z i n e
Organic Chem
稠杂环
N N
N
N N
N
N
Q u i n o l i n e I s o q u i n o l i n e
喹啉 异喹啉 蝶啶 吖啶
吲哚 嘌啉 咔唑
N
NNH NH
N
N
H
I n d o l e P u r i n e C a r b a z o l e
Organic Chem
命名,
1,音译名 （同音汉字加“口”字旁）
2,当作碳环芳香化合物的衍生,如,
3,环上原子的编号顺序
① 从杂原子开始 1,2,3,4……
② 不止一个杂原子，按 O,S,N顺序编号
③ 取代基位次之和最小原则
O N
氧 杂 茂 茂 氮 杂 苯 苯
Organic Chem
N
N N
N
1
2
3
4 5
6
7
8
N
1
2
3
45
6
7
8
5 - 硝 基 喹 啉
N
1
2
3
45
6
7
8
N O 2
N
N N
N1
2
3
4
5
6 7
8
9
例,
S
C 2 H 5
2
3 4
5
2 - 乙 基 噻 唑
N
2
34
5
C H 3
C H 2 C H 2 O H
O 2 N
1
1
2 - 甲 基 － 5 － 硝 基 － 1 － 【 2 '－ 羟 乙 基 】
Organic Chem
二、一杂五元杂环化合物
1,结构特点
O
呋 喃
S
噻 吩
N H
吡 咯
a,杂原子 p轨道上一对未共用电子参与环上共轭 —— π56
具有芳香性（闭合共轭大 π 键,p电子数为 6）
Organic Chem
b,芳香性顺序,
S N O
> > >
电负性
O N S
3.5 3.0 2.5
杂原子电负性比 C大，周围电子云密度较大。
环上电子云分布不均，芳香性不如苯。
O电负性最大，呋喃芳香性最差
Organic Chem
① NMR 化学位移低
环电流的存在，各向异性去屏蔽
O
H
H
6, 3 7
7, 4 2 N
H
H
6, 2 2
6, 6 8 S
H
H
7, 1 0
7, 3 0
② 偶极矩,
O S N
1, 7 3 D 1, 9 0 D 1, 5 8 D
O NS
0, 7 0 D 0, 5 1 D 1, 8 1 D
芳香性证据：
Organic Chem
芳香性不如苯,
键长不完全平均化
电子云密度分布不均
S N O
1 4 0 1 4 2
1 3 7
1 4 3
1 3 7
1 4 3
1 3 6
c,环上电子云密度比苯大，
亲电取代反应的活性大于苯
Organic Chem
2,呋喃、噻吩、吡咯的反应
a,亲电取代活性：
,反应速度以苯为 1
以若 则
反应活性太高，环稳定性差，
需在温和条件下进行，否则产物复杂
X
+ F 3 C C O
O
( ) 2
X
C C F
3
O
S
1, 9 x 1 0 4
3, 2 x 1 0 7
S 为 1
SN O
> > >
O 1, 4 x 1 0 2 N
H
5, 5 x 1 0 7
Organic Chem取代一般发生在 α-位
O
+ B r
2
N N
O
B r
8 0 %
0
O
C
+ ( C F
3
C O )
2
O
B F
3
E t
2
O.
7 2 ~ 9 2 %
O
O
C F
3
O
0
O
C
S
S S
+ C H
3
C O O
- +
N O
2
+
N O
2
N O
2
0
O
C 6 0 % 1 0 %
- 1 0
O
C 7 0 % 5 %
N
H
N S O
3
1 0 0
O
C H C l
N
H
S O
3
+
9 0 %
.
卤 代
酰 化
硝 化
磺 化
硝 酸 乙 酸 酯
Organic Chem
b,亲电取代的定位规则
i,杂原子的定位效应 —— 邻位定位效应
p-π 共轭 —— 邻位电子云密度最大
生成的中间体正离子稳定性大小
α-位取代,
β-位 取代,
X
H
Y X
H
Y X
H
Y X
H
Y
正 电 荷 分 布 在 四 个 原 子 上
稳 定
X
H
Y
X
H
Y
X
H
Y
正 电 荷 分 布 在 俩 个 原 子 上
Organic Chem
ii,当 环上已有一个取代基
β- 取代,
α- 取代,
X
B
X
B
Y
X
B
Y
B 为 邻 位 取 代 基
B 为 间 位 取 代 基
O
B
O
B
无 论 B 为 哪 一 类 取 代 基
S
B
S
B
N H
N H
B 为 邻 对 位 取 代 基 B 为 间 对 位 取 代 基
Organic Chem
c,Diels-Alder反应
O O
O
O
+ O O
O
O
9 0 %
呋 喃 的 芳 香 性 最 差,
故 共 轭 双 烯 的 反 应 最 高
H
H
H N + N H 吡 咯 遇 活 泼 亲 双 烯 体也 能 反 应
S O
O
O
+ S O
O
O
1 0 0 ℃
高 压
噻 吩 激 烈 条 件 下
也 能 反 应
H
H
Organic Chem
d,加氢还原
H
2
/ N i,r t
H
2
/ M o S
3
N a / C
2
H
5
O H
C H
3
C H
2
C H
2
C H
3
+ H
2
S
+
S
S S
S
H
2
/ P d
Z n / A c O H / H
2
O
H N
H N
H N
O O
N i / H
2
,1 2 5
O
C
1 0 0 a t m
H
2
P t / A c O H
C H
3
C H
2
C H
2
O H
Organic Chem
e,吡咯的酸碱性
p-π 共轭，碱性极弱,pKb＝ 13.6
N上的 H有酸性,pKa＝ 15
N
H
+ K O H
N
K
N R
O
R C l
O
N
H
R
O
+ R M g X
N
M g X
R X
N
R
N
H
R
Organic Chem
N
H
+
N
2
C l
N
H
N = N
+ C H
2
= C H — C — O R
O
B F
3
N
H
C H
2
C H
2
C O O R
瑞 穆 尔 － 蒂 曼 反 应
N
H
N a O H + C H C l
3
N
H
C H O
吡咯特有的反应
与重氮盐的反应
Organic Chem
三、含一个杂原子的六元环化合物
1,吡啶的结构
N
5C,1N共面，都是 sp 杂化，
6个 p轨道侧面交叠形成闭合大 π 键。
2
Organic Chem
① N上一对未成键电子在 sp2杂化轨道上，
未参与形成环上共轭体系，可接受 H＋ —— 碱性
② 可发生亲电取代，活性不如苯，主要在间位
③ 邻对位可发生亲核取代
④ 邻对位的侧链 α -H有酸性
⑤ 比苯难氧化，但易还原
N的电负性 >C，吸电子使环上电子云密度降
低（性质与硝基苯相似）
Organic Chem
2,吡啶的化学反应
a,碱性
b,亲电取代
N
s p 2
p K b 8, 8
N H
1 3, 6
N
H
H
9, 4
N
s p 3
p K b 3 ～ 4,5
N
+
混 酸
3 0 0 ℃
N
N O
2
浓 H
2
S O
4
2 0 0 ℃
N
S O
3
H
C l
2,
A l C l
3
( 2 e )
N
C l
Organic Chem
c,亲核取代
N
+
R L i
P h L i
E t 2 O,0 ℃
N P h ( R )
N a N H 2
N N H 2P h N ( C H 3 ) 2
8 0 %
7 0 - 8 0 %
N
B r
B r
N H 3 / H 2 O
1 6 0 ℃ N
N H 2
B r
6 5 %
d,氧化还原反应
N吸电子，使环稳定性
增加，氧化主要发生在
侧链，异环或 N原子上
N
C H
3
H N O
3
N
C O O H
N N C O O H
C O O H
N
H
2
O
2
( 3 0 % ),A c O H
6 5 ℃
N
O
发 烟 H N O
3
发 烟 H
2
S O
4
N
O
N O
2
P C l
3
C H C l
3 N
N O
2
9 0 ％
Organic Chem
还原比苯易
N
N a + C 2 H 5 O H
N
H
H 2 / P t
N
H
哌 啶
e,侧链 α-H的反应性：
2,4,6-位有烷基取代，其 α -H有酸性
N C H
3
N a N H 2
N C H
2
+
C P h
O
P h
C H 3 I
N C H
2 C
P h
O H
P h
N C H
2 C H 3
Organic Chem
四、含两个杂原子的杂环化合物
1,五元双杂环化合物
a,物理性质
N
O
N
S
N
O
N
S
N
N
H
b, p, 9 5 ℃ 1 1 3 ℃ 1 8 8 ℃ ( m, p, 7 0 ℃ )
b, p, 7 0 ℃ 1 1 7 ℃ 2 6 3 ℃ ( m, p, 9 0 ℃ )
N
N
N
NH
H
N
N
H
N
N
N
N H
H
分子间形成氢键,b.p.(m.p.)高
Organic Chem
b,结构与反应性
X
N
X
N
X
① 电负性较大，吸电子，环上电子
云密度降低，亲电取代变难，主要
发生在该 N的间位
② 引入的 N，电子结构与吡啶中相
同未共用电子对在 sp2杂化轨道上不
参与环的共轭，也有碱性
③ 环上电子云密度降低，对酸、
氧化剂的稳定性增大
以咪唑为例,
N
N
引
入
一
个
N
Organic Chem
i,碱性
跟引入的 N原子与另一杂原子的相对位置和性质有关,
1,3-唑：另一杂原子在间位，诱导吸电子弱，碱性较强 。
N
N
H
N
S
N
O
> >
p K b 6, 8 1 1, 5
1,2-唑：另一杂原子在邻位，诱导吸电子大得多，
碱性较 1,3-唑弱，但比吡咯强 。
N
N
H
N
H
p K b 1 3, 6 1 1, 5
Organic Chem
ii,亲电取代反应
活性比相应的但杂化合物差。反应条件要求比较剧烈 。
1,3唑 ?5位，
1,2唑 ?4位, 唑的间位定位效应 。
1,2唑,
N
S
S O 3
浓 H 2 S O 4 N
S
H O 3 S
9 0 %
N
O
H 3 C N
O
H 3 C
O 2 N
混 酸
7 0 ℃
1,3唑,
N
S
发 烟 H 2 S O 4
H g S O 4, 2 5 0 ℃
N
SH O 3 S
6 5 ％
Organic Chem
iii,侧链的氧化（环的稳定性）
N
N
H
H 3 C
K M n O 4
O H
N
N
H
H O O C
iv,互变异构的现象
含两个 N原子的杂环化合物，这两个杂原子的电子结构
不同，在一定的条件下可以互变,
N
N
H
N
N
H
B r
N H
NB r
B r 2
C H C l 3
5 - 溴 － 4 - 溴 －
N
N
H
H 3 C N H
N
H 3 C
5 － 甲 基 3 － 甲 基
Organic Chem
2,双杂六元杂环化合物
N
N
N
N
N
N
P y r i d a z i n e P y r i m i d i n e P y r a z i n e
哒 嗪 嘧 啶 吡 嗪
H N
N
H
O
O
H N
N
H
O
O
C H 3
N
N
H
N H 2
O
U r a c i l T h y m i n e C y t o s i n e
尿 嘧 啶 胸 腺 嘧 啶 胞 嘧 啶
N
N C H
3
N
N
N
N
N
N
C H
3
C H
3
H
3
C
C
C H
3
S C H
3
C H
3
O
（ O ）
食
用
香
精
20
多
种
……
Organic Chem
结构与反应性
环上引入第二个 N原子，
相当于一个 NO2的吸电子效应 。
使
另一个 N上的电子云密度降低 ?碱性变弱
环上电子云密度降低 ?亲电取代变难
（不能发生硝化、磺化，只发生卤代 ）
Organic Chem
N
N B r 2
1 6 0 ℃ N
N
B r
（ 5 - 位 取 代 ）
pKb＝ 12.7
亲核取代变易,
N
N
H 3 C
N a N H 2
N
N
H 3 C
N H 2
N
N
H 3 C N H
2
+
稳定性增加,
（ 嘧啶空气中不氧化，而吡啶则变色 ）
Organic Chem
五、稠杂环化合物和生物碱
N
H
1
2
3
4
5
6
7
性 质 与
N
H
相 似
主 要 发 生 亲 电 取 代,
β 位
N
H
B r
2
OO, 0 ℃
N
H
B r
7 0 ％
1,吲哚
Organic Chem
吲哚的制备
—— Ficher合成法
N
H
N H
2
R '
O
R ( H )+
H O A c
N
H
N
R '
R
H
N
H
N H
R '
R
N H
N H
2
H
R
R '
N H
2
N H
2
R '
H
R
N
H
R '
R
N H
2
HH
N
H
R '
R ( H )
- N H
4
醛 （ 酮 ）
Organic Chem
H N N H 2
H 3 C
O
C O O H
+
N
H
N
H 3 C C O O H
P C l 3
N
H
C O O H N
H
- C O 2
2 5 0 ℃
要制备吲哚本身,
Organic Chem
2,喹啉
N
性质与 相似
N
pKb=8.8
N
混 酸
0 ℃
N
N O 2
+
N
N O 2
5 － 8 －
亲电取代较难：主要发生在异环 α -位
pKb=9.06
也能发生邻、对位的亲核取代,
N
+ 2 N a N H 2
N
N
N H 2
N H 2
+
Organic Chem
喹啉的制备 —— Skraup 合成法
N H 2
+ H 2 C C
H
C H 2
O H O H O H 浓 H 2 S O 4
N O 2,N
历程：
H
2
C C
H
C H
2
O H O H O H
浓 H
2
S O
4
- 2 H
2
O
H
2
C C
H
C H O
N H
2
O
H
N
H
O
H
N
H
H C
O H
H
- H - H
2
O
N
H
H O H
N
H
N O
2
,
- H
2 N
Organic Chem
3,嘌呤
N
N N
H
N1
2
3
4
5
6 7
8
9
N
N N
H
N H N
N N
H
N
N H 2
H 2 N
O
腺 嘌 呤 鸟 嘌 呤
核酸 DNA中的
两种碱基
Organic Chem
合成方法：陶贝（ Traube）合成方法
碱
尿 酸
C
N H
2
N H
2
O
+
O
H O
C N
O
H N
C N
O N H
2
H N
N
H
O
O N H
2
H N O
2
H N
N
H
O
O N H
2
N O
[ H ]
H N
N
H
O
O N H
2
N H
2
C
O
O C
2
H
5
C l
H N
N
H
O
O N H
2
H
N O
O C
2
H
5
- C
2
H
5
O H
H N
N
H
N
H
H
N
O
O
O
N
N
N
H
N
O H
O H
H O
P O C l
3
N
N
N
H
N
C l
C l
C l
Organic Chem
N
N N
H
N
C l
C l
C l
N H 3/
H 2O
1 0 0℃
N
N N
H
N
N H 2
C l
C l H I N
N N
H
N
N H 2
腺 嘌 呤
N a O
H /H
2 O H N
N NH
N
O
C l
C l
N H 3 H N
N N
H
N
O
H 2 N
C l
H I H N
N NH
N
O
H 2 N
鸟 嘌 呤
Organic Chem
五元单杂化合物的合成,
H C C H + 2 H C H O
C u C C C u
H O C H 2 C C C H 2 O H
N H 3
压 力 N
H
H 3 C
H 2
C C
H 2
C H 3 + S 6 0 0 ℃
S
+ H 2 S
C H O
C H O H
C H 2 O H
3
－ 3 H 2 O
O C H O
Z n O （ 或 C r 2 O 3 ）
4 0 0 ℃, － C O O
玉 米 心
花 生 壳
H C l
水 解
O O
P 2 O 5
OH 3 C C H 3
（ N H 4 ） 2 C O 3
N
H
H 3 C C H 3
P 2 O 5
SH 3 C C H 3
Organic Chem
第十六章
杂环化合物
Heterocyclic compounds
有
机
化
学
Organic Chem
环状化合物，环上除碳，还有杂原子（ N,O,S等）
环具有芳香结构和一定的稳定性（闭合共轭体系）
根据以上定义，酸酐、环氧、内酯、内酰胺不属杂环化合物
核酸碱基,
自然界分布
血红素、叶绿素
B
O
O
O HO H
OH
O H
O
P
B=
生物碱、天然或合成药成分
维生素、植物色素、植物染料
N
N H N
N N
N
O
O
N H 2
Organic Chem
一,杂环化合物的分类和命名
单环
五元环
含一个杂原子
呋喃 吡咯 噻吩
含两个杂原子 噁唑 咪唑 噻唑
异噁唑 吡唑 异噻唑
O N S
H
F u r a n P y r r o l e T h i o p h e n e
N
O
N
N
N
SH
O x a z o l e I m i d a z o l e T h i a z o l e
N
O
N
N
N
SH
I s o x a z o l e P y r a z o l e I s o t h i a z o l e
Organic Chem
六元环
含一个杂原子, 吡啶 吡喃
含两个杂原子,
哒嗪 嘧啶 吡嗪
N O
P y r i d i n e P y r a n
N
N
N
N
N
N
P y r i d a z i n e P y r i m i d i n e P y r a z i n e
Organic Chem
稠杂环
N N
N
N N
N
N
Q u i n o l i n e I s o q u i n o l i n e
喹啉 异喹啉 蝶啶 吖啶
吲哚 嘌啉 咔唑
N
NNH NH
N
N
H
I n d o l e P u r i n e C a r b a z o l e
Organic Chem
命名,
1,音译名 （同音汉字加“口”字旁）
2,当作碳环芳香化合物的衍生,如,
3,环上原子的编号顺序
① 从杂原子开始 1,2,3,4……
② 不止一个杂原子，按 O,S,N顺序编号
③ 取代基位次之和最小原则
O N
氧 杂 茂 茂 氮 杂 苯 苯
Organic Chem
N
N N
N
1
2
3
4 5
6
7
8
N
1
2
3
45
6
7
8
5 - 硝 基 喹 啉
N
1
2
3
45
6
7
8
N O 2
N
N N
N1
2
3
4
5
6 7
8
9
例,
S
C 2 H 5
2
3 4
5
2 - 乙 基 噻 唑
N
2
34
5
C H 3
C H 2 C H 2 O H
O 2 N
1
1
2 - 甲 基 － 5 － 硝 基 － 1 － 【 2 '－ 羟 乙 基 】
Organic Chem
二、一杂五元杂环化合物
1,结构特点
O
呋 喃
S
噻 吩
N H
吡 咯
a,杂原子 p轨道上一对未共用电子参与环上共轭 —— π56
具有芳香性（闭合共轭大 π 键,p电子数为 6）
Organic Chem
b,芳香性顺序,
S N O
> > >
电负性
O N S
3.5 3.0 2.5
杂原子电负性比 C大，周围电子云密度较大。
环上电子云分布不均，芳香性不如苯。
O电负性最大，呋喃芳香性最差
Organic Chem
① NMR 化学位移低
环电流的存在，各向异性去屏蔽
O
H
H
6, 3 7
7, 4 2 N
H
H
6, 2 2
6, 6 8 S
H
H
7, 1 0
7, 3 0
② 偶极矩,
O S N
1, 7 3 D 1, 9 0 D 1, 5 8 D
O NS
0, 7 0 D 0, 5 1 D 1, 8 1 D
芳香性证据：
Organic Chem
芳香性不如苯,
键长不完全平均化
电子云密度分布不均
S N O
1 4 0 1 4 2
1 3 7
1 4 3
1 3 7
1 4 3
1 3 6
c,环上电子云密度比苯大，
亲电取代反应的活性大于苯
Organic Chem
2,呋喃、噻吩、吡咯的反应
a,亲电取代活性：
,反应速度以苯为 1
以若 则
反应活性太高，环稳定性差，
需在温和条件下进行，否则产物复杂
X
+ F 3 C C O
O
( ) 2
X
C C F
3
O
S
1, 9 x 1 0 4
3, 2 x 1 0 7
S 为 1
SN O
> > >
O 1, 4 x 1 0 2 N
H
5, 5 x 1 0 7
Organic Chem取代一般发生在 α-位
O
+ B r
2
N N
O
B r
8 0 %
0
O
C
+ ( C F
3
C O )
2
O
B F
3
E t
2
O.
7 2 ~ 9 2 %
O
O
C F
3
O
0
O
C
S
S S
+ C H
3
C O O
- +
N O
2
+
N O
2
N O
2
0
O
C 6 0 % 1 0 %
- 1 0
O
C 7 0 % 5 %
N
H
N S O
3
1 0 0
O
C H C l
N
H
S O
3
+
9 0 %
.
卤 代
酰 化
硝 化
磺 化
硝 酸 乙 酸 酯
Organic Chem
b,亲电取代的定位规则
i,杂原子的定位效应 —— 邻位定位效应
p-π 共轭 —— 邻位电子云密度最大
生成的中间体正离子稳定性大小
α-位取代,
β-位 取代,
X
H
Y X
H
Y X
H
Y X
H
Y
正 电 荷 分 布 在 四 个 原 子 上
稳 定
X
H
Y
X
H
Y
X
H
Y
正 电 荷 分 布 在 俩 个 原 子 上
Organic Chem
ii,当 环上已有一个取代基
β- 取代,
α- 取代,
X
B
X
B
Y
X
B
Y
B 为 邻 位 取 代 基
B 为 间 位 取 代 基
O
B
O
B
无 论 B 为 哪 一 类 取 代 基
S
B
S
B
N H
N H
B 为 邻 对 位 取 代 基 B 为 间 对 位 取 代 基
Organic Chem
c,Diels-Alder反应
O O
O
O
+ O O
O
O
9 0 %
呋 喃 的 芳 香 性 最 差,
故 共 轭 双 烯 的 反 应 最 高
H
H
H N + N H 吡 咯 遇 活 泼 亲 双 烯 体也 能 反 应
S O
O
O
+ S O
O
O
1 0 0 ℃
高 压
噻 吩 激 烈 条 件 下
也 能 反 应
H
H
Organic Chem
d,加氢还原
H
2
/ N i,r t
H
2
/ M o S
3
N a / C
2
H
5
O H
C H
3
C H
2
C H
2
C H
3
+ H
2
S
+
S
S S
S
H
2
/ P d
Z n / A c O H / H
2
O
H N
H N
H N
O O
N i / H
2
,1 2 5
O
C
1 0 0 a t m
H
2
P t / A c O H
C H
3
C H
2
C H
2
O H
Organic Chem
e,吡咯的酸碱性
p-π 共轭，碱性极弱,pKb＝ 13.6
N上的 H有酸性,pKa＝ 15
N
H
+ K O H
N
K
N R
O
R C l
O
N
H
R
O
+ R M g X
N
M g X
R X
N
R
N
H
R
Organic Chem
N
H
+
N
2
C l
N
H
N = N
+ C H
2
= C H — C — O R
O
B F
3
N
H
C H
2
C H
2
C O O R
瑞 穆 尔 － 蒂 曼 反 应
N
H
N a O H + C H C l
3
N
H
C H O
吡咯特有的反应
与重氮盐的反应
Organic Chem
三、含一个杂原子的六元环化合物
1,吡啶的结构
N
5C,1N共面，都是 sp 杂化，
6个 p轨道侧面交叠形成闭合大 π 键。
2
Organic Chem
① N上一对未成键电子在 sp2杂化轨道上，
未参与形成环上共轭体系，可接受 H＋ —— 碱性
② 可发生亲电取代，活性不如苯，主要在间位
③ 邻对位可发生亲核取代
④ 邻对位的侧链 α -H有酸性
⑤ 比苯难氧化，但易还原
N的电负性 >C，吸电子使环上电子云密度降
低（性质与硝基苯相似）
Organic Chem
2,吡啶的化学反应
a,碱性
b,亲电取代
N
s p 2
p K b 8, 8
N H
1 3, 6
N
H
H
9, 4
N
s p 3
p K b 3 ～ 4,5
N
+
混 酸
3 0 0 ℃
N
N O
2
浓 H
2
S O
4
2 0 0 ℃
N
S O
3
H
C l
2,
A l C l
3
( 2 e )
N
C l
Organic Chem
c,亲核取代
N
+
R L i
P h L i
E t 2 O,0 ℃
N P h ( R )
N a N H 2
N N H 2P h N ( C H 3 ) 2
8 0 %
7 0 - 8 0 %
N
B r
B r
N H 3 / H 2 O
1 6 0 ℃ N
N H 2
B r
6 5 %
d,氧化还原反应
N吸电子，使环稳定性
增加，氧化主要发生在
侧链，异环或 N原子上
N
C H
3
H N O
3
N
C O O H
N N C O O H
C O O H
N
H
2
O
2
( 3 0 % ),A c O H
6 5 ℃
N
O
发 烟 H N O
3
发 烟 H
2
S O
4
N
O
N O
2
P C l
3
C H C l
3 N
N O
2
9 0 ％
Organic Chem
还原比苯易
N
N a + C 2 H 5 O H
N
H
H 2 / P t
N
H
哌 啶
e,侧链 α-H的反应性：
2,4,6-位有烷基取代，其 α -H有酸性
N C H
3
N a N H 2
N C H
2
+
C P h
O
P h
C H 3 I
N C H
2 C
P h
O H
P h
N C H
2 C H 3
Organic Chem
四、含两个杂原子的杂环化合物
1,五元双杂环化合物
a,物理性质
N
O
N
S
N
O
N
S
N
N
H
b, p, 9 5 ℃ 1 1 3 ℃ 1 8 8 ℃ ( m, p, 7 0 ℃ )
b, p, 7 0 ℃ 1 1 7 ℃ 2 6 3 ℃ ( m, p, 9 0 ℃ )
N
N
N
NH
H
N
N
H
N
N
N
N H
H
分子间形成氢键,b.p.(m.p.)高
Organic Chem
b,结构与反应性
X
N
X
N
X
① 电负性较大，吸电子，环上电子
云密度降低，亲电取代变难，主要
发生在该 N的间位
② 引入的 N，电子结构与吡啶中相
同未共用电子对在 sp2杂化轨道上不
参与环的共轭，也有碱性
③ 环上电子云密度降低，对酸、
氧化剂的稳定性增大
以咪唑为例,
N
N
引
入
一
个
N
Organic Chem
i,碱性
跟引入的 N原子与另一杂原子的相对位置和性质有关,
1,3-唑：另一杂原子在间位，诱导吸电子弱，碱性较强 。
N
N
H
N
S
N
O
> >
p K b 6, 8 1 1, 5
1,2-唑：另一杂原子在邻位，诱导吸电子大得多，
碱性较 1,3-唑弱，但比吡咯强 。
N
N
H
N
H
p K b 1 3, 6 1 1, 5
Organic Chem
ii,亲电取代反应
活性比相应的但杂化合物差。反应条件要求比较剧烈 。
1,3唑 ?5位，
1,2唑 ?4位, 唑的间位定位效应 。
1,2唑,
N
S
S O 3
浓 H 2 S O 4 N
S
H O 3 S
9 0 %
N
O
H 3 C N
O
H 3 C
O 2 N
混 酸
7 0 ℃
1,3唑,
N
S
发 烟 H 2 S O 4
H g S O 4, 2 5 0 ℃
N
SH O 3 S
6 5 ％
Organic Chem
iii,侧链的氧化（环的稳定性）
N
N
H
H 3 C
K M n O 4
O H
N
N
H
H O O C
iv,互变异构的现象
含两个 N原子的杂环化合物，这两个杂原子的电子结构
不同，在一定的条件下可以互变,
N
N
H
N
N
H
B r
N H
NB r
B r 2
C H C l 3
5 - 溴 － 4 - 溴 －
N
N
H
H 3 C N H
N
H 3 C
5 － 甲 基 3 － 甲 基
Organic Chem
2,双杂六元杂环化合物
N
N
N
N
N
N
P y r i d a z i n e P y r i m i d i n e P y r a z i n e
哒 嗪 嘧 啶 吡 嗪
H N
N
H
O
O
H N
N
H
O
O
C H 3
N
N
H
N H 2
O
U r a c i l T h y m i n e C y t o s i n e
尿 嘧 啶 胸 腺 嘧 啶 胞 嘧 啶
N
N C H
3
N
N
N
N
N
N
C H
3
C H
3
H
3
C
C
C H
3
S C H
3
C H
3
O
（ O ）
食
用
香
精
20
多
种
……
Organic Chem
结构与反应性
环上引入第二个 N原子，
相当于一个 NO2的吸电子效应 。
使
另一个 N上的电子云密度降低 ?碱性变弱
环上电子云密度降低 ?亲电取代变难
（不能发生硝化、磺化，只发生卤代 ）
Organic Chem
N
N B r 2
1 6 0 ℃ N
N
B r
（ 5 - 位 取 代 ）
pKb＝ 12.7
亲核取代变易,
N
N
H 3 C
N a N H 2
N
N
H 3 C
N H 2
N
N
H 3 C N H
2
+
稳定性增加,
（ 嘧啶空气中不氧化，而吡啶则变色 ）
Organic Chem
五、稠杂环化合物和生物碱
N
H
1
2
3
4
5
6
7
性 质 与
N
H
相 似
主 要 发 生 亲 电 取 代,
β 位
N
H
B r
2
OO, 0 ℃
N
H
B r
7 0 ％
1,吲哚
Organic Chem
吲哚的制备
—— Ficher合成法
N
H
N H
2
R '
O
R ( H )+
H O A c
N
H
N
R '
R
H
N
H
N H
R '
R
N H
N H
2
H
R
R '
N H
2
N H
2
R '
H
R
N
H
R '
R
N H
2
HH
N
H
R '
R ( H )
- N H
4
醛 （ 酮 ）
Organic Chem
H N N H 2
H 3 C
O
C O O H
+
N
H
N
H 3 C C O O H
P C l 3
N
H
C O O H N
H
- C O 2
2 5 0 ℃
要制备吲哚本身,
Organic Chem
2,喹啉
N
性质与 相似
N
pKb=8.8
N
混 酸
0 ℃
N
N O 2
+
N
N O 2
5 － 8 －
亲电取代较难：主要发生在异环 α -位
pKb=9.06
也能发生邻、对位的亲核取代,
N
+ 2 N a N H 2
N
N
N H 2
N H 2
+
Organic Chem
喹啉的制备 —— Skraup 合成法
N H 2
+ H 2 C C
H
C H 2
O H O H O H 浓 H 2 S O 4
N O 2,N
历程：
H
2
C C
H
C H
2
O H O H O H
浓 H
2
S O
4
- 2 H
2
O
H
2
C C
H
C H O
N H
2
O
H
N
H
O
H
N
H
H C
O H
H
- H - H
2
O
N
H
H O H
N
H
N O
2
,
- H
2 N
Organic Chem
3,嘌呤
N
N N
H
N1
2
3
4
5
6 7
8
9
N
N N
H
N H N
N N
H
N
N H 2
H 2 N
O
腺 嘌 呤 鸟 嘌 呤
核酸 DNA中的
两种碱基
Organic Chem
合成方法：陶贝（ Traube）合成方法
碱
尿 酸
C
N H
2
N H
2
O
+
O
H O
C N
O
H N
C N
O N H
2
H N
N
H
O
O N H
2
H N O
2
H N
N
H
O
O N H
2
N O
[ H ]
H N
N
H
O
O N H
2
N H
2
C
O
O C
2
H
5
C l
H N
N
H
O
O N H
2
H
N O
O C
2
H
5
- C
2
H
5
O H
H N
N
H
N
H
H
N
O
O
O
N
N
N
H
N
O H
O H
H O
P O C l
3
N
N
N
H
N
C l
C l
C l
Organic Chem
N
N N
H
N
C l
C l
C l
N H 3/
H 2O
1 0 0℃
N
N N
H
N
N H 2
C l
C l H I N
N N
H
N
N H 2
腺 嘌 呤
N a O
H /H
2 O H N
N NH
N
O
C l
C l
N H 3 H N
N N
H
N
O
H 2 N
C l
H I H N
N NH
N
O
H 2 N
鸟 嘌 呤
Organic Chem
五元单杂化合物的合成,
H C C H + 2 H C H O
C u C C C u
H O C H 2 C C C H 2 O H
N H 3
压 力 N
H
H 3 C
H 2
C C
H 2
C H 3 + S 6 0 0 ℃
S
+ H 2 S
C H O
C H O H
C H 2 O H
3
－ 3 H 2 O
O C H O
Z n O （ 或 C r 2 O 3 ）
4 0 0 ℃, － C O O
玉 米 心
花 生 壳
H C l
水 解
O O
P 2 O 5
OH 3 C C H 3
（ N H 4 ） 2 C O 3
N
H
H 3 C C H 3
P 2 O 5
SH 3 C C H 3
Organic Chem
