第十八章 杂环化合物
heterocyclic compound
化学生物工程系 周显宏
S
N1
2 α
3 β4 β
5 α
1
2 α
3 β
4 γ
5 β
6 α
杂环 化合物 组 成 环 的原子除 C原子之外,
还 有 O、S、N 等其它 杂 原子的化合物。
2、命名 呋喃 吡咯 噻酚 吡啶 喹啉 吲哚
1, 分 类
非 芳 香 性,
芳 香 性,
O
O
N H O
N
H
O SN
H
N N N
H
funan pyrrol thiophene pyridine quinoline indole
N
N
H
1
2
34
5
N
N
C H 3
1
2
34
5
咪 唑
N
1
2
3
45
6
7
8
N
H
1
2
3
45
6
7
8 9
咔 唑 ( c a r b a z o l e )
稠 杂环,（一般按稠 杂 芳 烃 的 规则编 号）
含有不同 杂 原子 时,按 O、S、N 的次序 编 号,
如有两个或两个以上相同的杂原子时，要使连有氢的或
取代基的杂原子为 1号，并使其余杂原子的编号尽可能最小。
N-甲基咪唑
喹啉
S
N
1
2
34
5 O
N
1
2
34
5
噻唑（ thiazole） 噁唑 (oxazole)
N
3 - H - 吡 咯
O
4 - H - 吡 喃
N
3 - H - 吲 哚
1
2
3
1
2
3
4
1
2
3
标氢 ―― 母环被部分还原
某些母环与特定的母环仅杂原子位置不同 -----“异,
特例
N
N 1
2
3
456
7
8
9 1 0
( 吩 嗪 p h e n a z i n e )
N
N N
N
H
1
2
3
4
5
6 7
8
9 ( 嘌 呤 p u r i n e )
异喹啉 异噁唑
N
1
2
3
45
6
7
8 O
N
H
N
sp2杂化,Π56,由于环中杂原子以共用电子对参与共轭，使环内
碳原子上的电子云密度大于苯环，因而亲电取代比苯容易。
芳香性：呋喃 <吡咯 <噻吩 < 苯（离域能，电负性解释）
1、结构
二、含一个杂原子的五元环
O
B r 2
2 5 ℃
O
B r
+ H B r
二 氧 杂 环 己 烷
2、亲电取代 (α-位 )
S S Br
Cl2
-40℃
Br2
CH3COOH,0 ℃
（ 1）卤化
N
H
N
H
C l
N
H
+ H N O 3
( C H 3 C O O ) 2 O
5 ℃
N
H
N
H
+
N O 2
N O 2
8 3 % 7 %
O
S O 3 C 5 H 5 N
O S O 3 H
（ 3） 磺化,吡咯,呋喃对强酸敏感，需要较缓和的磺化剂,
SO3-吡啶
（ 2） 硝化
活泼性：吡咯＞呋喃＞噻吩 >苯
N
H
1 5 0 ℃
N
H
C O C H
3
不 要 催 化 剂
S
( C H
3
C O )
2
O
( C H
3
C O )
2
O
S n C l
4
2 5 ℃
S C O C H 3
S n C l
4
较 A l C l
3
温 和
（ 4） 付克酰基化,（烷基化产率较低，选择性差）
O O COCH3
(CH3CO)2O
BF3 ( C2H5)2O
2-乙酰基吡咯
先在 N上酰化,然后重排
X
+ E
+
X
E
H
+
X H
E
+
X H
E
X
E
H
+
X
E
H
进 攻 2 位
进 攻 3 位
＋
X
H 2 / N i X X = O, S, N H
( T H F 是 良 好 的 溶 剂, b, p 6 5 ℃ )
2、加成 ----加 H2
3、呋 喃的共 轭 二 烯 性 质
（吡咯,噻 吩 较难 ）呋 喃芳香性最差
O + O
O
O
3 0 ℃
O
O
O
O
呋 喃可使浸 过盐 酸的松木片 显绿 色。
C H C H O H
C
O H C H O
H
O H
C HH
H O
- 3 H 2 O
O C H O
重 要 的 有 机 原 料
4、糠 醛 的性 质,类 似苯甲 醛 。由米糠、玉米杆,
花生壳等水解制取
O C H O
+ H 2 O Z n - C r 2 O 3 - M n O 2
O
+ C O 2 + H 2
O CH3OH
NaOH
O CHO O COONa +
糠醛
可发生 Carnizzaro反应
S
+ H 2 S O 4
S S O
3 H
+ H 2 O
溶 于 酸
5、噻 吩,
应用于除去石油和粗苯中的噻吩
S
R a n e y N i C H
3 C H 2 C H 2 C H 3
H 2,M o S 2
2 0 0 0 C,2 0 M P a
S
6、吡咯的弱酸性
N
H
+ K O H
N
K
+ H 2 O
四氢吡咯的碱性明显大于吡咯，存在于脯氨酸中
N
N COOH
1) CO2
2) H3O+
参与共轭
Na H
类似苯酚钠
2-吡咯甲酸
N H N
H
N N N2Cl +
pH=7-9
吡咯钾
可发生 Reimer——Tiemann反应
N
H
N
H
N
H
C O C H 3( C H
3 C O ) 2 O
B F 3,E t 2 O β － 位
m.p,52.5℃ b.p.254℃,气味极臭，但在极稀溶液中
有花香味，是化妆品的常用香料，有弱酸性。
7、吲哚
与吡咯不同之处
N
H
C H 3
H N O 3
H 2 S O 4
N
H
C H 3
H
H
- H
+
N C H 3
N O 2
H
2 － 甲 基 － 5 － 硝 基 吲 哚 （ P 3 5 2 ）
强酸中,
N
H
C H 2 C H C O O H
N H 2
色 氨 酸
N
H
C H 2 C H 2 N H 2
色 胺
N
H
C H 2 C H 2 N H 2
5 － 羟 色 胺
H O是哺乳 动 物 脑组织 中与
中枢神 经 有 关 的物 质 。
吲哚环存在于 1000多各生物碱天然产物中。
8、卟 吩衍生物,由四个吡咯环和四个次甲基交替组成，有芳香性
P352,353 叶绿素，血红素
N
H
C H 2 C O O H
3 － 吲 哚 乙 酸 是 植 物 生 长 调 节 剂
N
H
N
N
H
吡 唑
p y r a z o l e
N
N
H
咪 唑
i m i d a z o l e N
N
H
苯 并 咪 唑
S S
N
N
S 异 噻 唑
N
S 噻 唑t h i a z o l e 苯 并 噻 唑
三、含二个杂原子的五元杂环
O
O
N
苯 并 噁 唑
N
O 异 噁 唑
N
O
噁 唑
1,咪 唑
(1) 结 构,
分子间可能成氢键 m,p, 9 0 ℃ b,p, 2 56 ℃
.,
碱性
弱酸
N N
H N
N
H
N
存在于组氨酸中
N
H
C H 2 C H C O O H
N H 2N
N
N
H
H
H
H N
N
H
咪 唑
i m i d a z o l e
N 原 子 S P 2 杂 化
S
N
C H
3
I
S
N C H 3
I
S
N C H 3
O H
S
N C H 3
2,噻唑, 存在于人体的硫胺素（ VB1）的焦磷酸酯 (TPP)辅酶中
用作安息香 缩 合的催化 剂
N
S
R
P P
C H 3 - C - C O O H
O H
N
S
R
P P
C
C H
3
O H
C
OH
O
- C O
2
N
S
R
P P
C
C H
3
O H
N
S
R
P P
C
C H
3
O H
C H
3
C H
3
C H
3
C H
3
CH
O
C H
3
N
S
R
P P
C
C H
3
O H
C H
3
CH
O H
C H
3
C
O
H
3
C
H
C
O H
C H
3 + T P P
乙 偶 姻
氰离子不能催化脂肪醛。 N原子带有长链烷基的噻唑鎓盐
能使脂肪醛发生安息香缩合。
.,
.,
TPP
脱羧
氰离子作为催化剂 P221
N 弱
a,碱性,（大于苯胺，小于脂胺）
1.吡啶和嘧啶
(1) 吡啶,无色臭味液体,b.p.115℃ 。与水、乙醇、乙醚混浴,
能溶解无机盐。
四、六元杂环化合物
C,N原子均为 SP2杂化
N
C
1 6
H
3 3
B r
N
C
1 6
H
3 3
B r
溴 化 十 六 烷 基 吡 啶 盐
医 用 消 毒 剂, 杀 菌 剂
,表 面 活 性 剂 等
N
S O
3
2 5 ℃
N
S O
3
配 合 物
温 和 的 磺 化 剂 （ 用 于 磺 化 对 酸 敏
感 的 化 合 物, 如 吡 咯, 呋 喃 ）
b,亲电 取代 (与硝基苯 类 似,比苯 难 )
可 发 生硝化、磺化,卤 化（不 发 生付 -克反 应 ）
取代基主要进入 β–位，类似硝基苯。
N
N
C l 2 A l C l 3
N
C l
（一般正离子首先进攻氮原子形成盐，使环上电子云
密度降低）
N
+ N a N H 2
H 2
N
N H N a
H 2 O
N
N H 2
N
N a,C 2 H 5 O H
N
H
也 称 为 呱 啶 （ p i p e r i d i n e )
性 质 类 似 仲 胺
d.不易 氧化，但 还 原 比苯易
c,亲 核取代 （比苯易 发 生在 α 位）
N
H 2 O 2,H O A c
6 5 0 C,9 5 %
N
O -
+
H N O 3,H 2 S O 4
9 0 0 C,9 0 %
N
O -
N O 2
+
P C l 3,C H C l 3
,8 0 %
N
N O 2
吡啶与过氧化氢作用生成吡啶 -N-氧化物。吡啶 -N-氧化物
与亲电试剂作用条件温和，反应发生在 4位。
e,重要衍生物 （ P479）维生素 PP和 NAD+,维生素 B6
N
C O O H
β-吡啶甲酸
（烟酸）
N
C O N H 2
β -吡啶甲酰胺
（烟酰胺）
N
C O N H N H 2
异烟酰肼
（雷米封）
N
N
O H
O H
尿 嘧 啶 （ U r a c i l )
N
N
N H 2
O H
胞 嘧 啶 （ c y t o s i n e )
N
NO H
O H
C H 3
胸 腺 嘧 啶
烯醇式可重排为酮式
N
N
O H
N
N
N H 2
N
N
腺 嘌 呤 （ A ）
N H 2 N
N
鸟 嘌 呤 （ G ）
(2) 嘧啶,
N
N
N
N
N
N1
2
3
4
5
6 7
8
9嘧 啶 嘌 呤
2,喹啉和异喹啉,
(1) 亲电取代：在苯环 （ α 位 ）
(2) 亲核取代：在吡啶环上
N
N
喹啉（ bp,2380C） 异喹啉（ bp,2430C）
N
H N O 3,H 2 S O 4
N
N O 2
+
N
N O 2
N
N a N H 2
N
N H N a
H 2 O
N
N H 2
N
N a + C H
2
C H
3
O H
N
H
H
2
/ N i
N
H
十 氢 喹 啉
四 氢 喹 啉
K
2
M n O
4
N
C O O H
C O O H
C O
2
N
H O O C
烟 酸
（ 3）氧化还原,
合成喹啉 ——Skraup合成法
C H 2 O H
C H O H
C H 2 O H
H
2
S O
4
- 2 H
2
O
C H O
C H
C H 2
C
6
H
5
N H
2
C H 2
C H 2
C
H
O
N H
C H 2
C H 2
C
H
N H
H O
H
2
S O
4
N H
C H
C H 2
C H C 6 H 5 N O 2
N
相当于 Michael加成
氧化脱氢
3,吡喃鎓盐
O
α - 吡 喃
O
γ - 吡 喃
无 芳 香 性
O
有 芳 香 性
O
2 - 苯 基 苯 并 吡 喃 鎓 盐 离 子
其 含 氧 衍 生 物 存 在 于 植 物 中, 称 为 花 色 素
在 不 同 P H 值, 显 不 同 的 着 色
周显宏 化学生物工程系
heterocyclic compound
化学生物工程系 周显宏
S
N1
2 α
3 β4 β
5 α
1
2 α
3 β
4 γ
5 β
6 α
杂环 化合物 组 成 环 的原子除 C原子之外,
还 有 O、S、N 等其它 杂 原子的化合物。
2、命名 呋喃 吡咯 噻酚 吡啶 喹啉 吲哚
1, 分 类
非 芳 香 性,
芳 香 性,
O
O
N H O
N
H
O SN
H
N N N
H
funan pyrrol thiophene pyridine quinoline indole
N
N
H
1
2
34
5
N
N
C H 3
1
2
34
5
咪 唑
N
1
2
3
45
6
7
8
N
H
1
2
3
45
6
7
8 9
咔 唑 ( c a r b a z o l e )
稠 杂环,（一般按稠 杂 芳 烃 的 规则编 号）
含有不同 杂 原子 时,按 O、S、N 的次序 编 号,
如有两个或两个以上相同的杂原子时，要使连有氢的或
取代基的杂原子为 1号，并使其余杂原子的编号尽可能最小。
N-甲基咪唑
喹啉
S
N
1
2
34
5 O
N
1
2
34
5
噻唑（ thiazole） 噁唑 (oxazole)
N
3 - H - 吡 咯
O
4 - H - 吡 喃
N
3 - H - 吲 哚
1
2
3
1
2
3
4
1
2
3
标氢 ―― 母环被部分还原
某些母环与特定的母环仅杂原子位置不同 -----“异,
特例
N
N 1
2
3
456
7
8
9 1 0
( 吩 嗪 p h e n a z i n e )
N
N N
N
H
1
2
3
4
5
6 7
8
9 ( 嘌 呤 p u r i n e )
异喹啉 异噁唑
N
1
2
3
45
6
7
8 O
N
H
N
sp2杂化,Π56,由于环中杂原子以共用电子对参与共轭，使环内
碳原子上的电子云密度大于苯环，因而亲电取代比苯容易。
芳香性：呋喃 <吡咯 <噻吩 < 苯（离域能，电负性解释）
1、结构
二、含一个杂原子的五元环
O
B r 2
2 5 ℃
O
B r
+ H B r
二 氧 杂 环 己 烷
2、亲电取代 (α-位 )
S S Br
Cl2
-40℃
Br2
CH3COOH,0 ℃
（ 1）卤化
N
H
N
H
C l
N
H
+ H N O 3
( C H 3 C O O ) 2 O
5 ℃
N
H
N
H
+
N O 2
N O 2
8 3 % 7 %
O
S O 3 C 5 H 5 N
O S O 3 H
（ 3） 磺化,吡咯,呋喃对强酸敏感，需要较缓和的磺化剂,
SO3-吡啶
（ 2） 硝化
活泼性：吡咯＞呋喃＞噻吩 >苯
N
H
1 5 0 ℃
N
H
C O C H
3
不 要 催 化 剂
S
( C H
3
C O )
2
O
( C H
3
C O )
2
O
S n C l
4
2 5 ℃
S C O C H 3
S n C l
4
较 A l C l
3
温 和
（ 4） 付克酰基化,（烷基化产率较低，选择性差）
O O COCH3
(CH3CO)2O
BF3 ( C2H5)2O
2-乙酰基吡咯
先在 N上酰化,然后重排
X
+ E
+
X
E
H
+
X H
E
+
X H
E
X
E
H
+
X
E
H
进 攻 2 位
进 攻 3 位
＋
X
H 2 / N i X X = O, S, N H
( T H F 是 良 好 的 溶 剂, b, p 6 5 ℃ )
2、加成 ----加 H2
3、呋 喃的共 轭 二 烯 性 质
（吡咯,噻 吩 较难 ）呋 喃芳香性最差
O + O
O
O
3 0 ℃
O
O
O
O
呋 喃可使浸 过盐 酸的松木片 显绿 色。
C H C H O H
C
O H C H O
H
O H
C HH
H O
- 3 H 2 O
O C H O
重 要 的 有 机 原 料
4、糠 醛 的性 质,类 似苯甲 醛 。由米糠、玉米杆,
花生壳等水解制取
O C H O
+ H 2 O Z n - C r 2 O 3 - M n O 2
O
+ C O 2 + H 2
O CH3OH
NaOH
O CHO O COONa +
糠醛
可发生 Carnizzaro反应
S
+ H 2 S O 4
S S O
3 H
+ H 2 O
溶 于 酸
5、噻 吩,
应用于除去石油和粗苯中的噻吩
S
R a n e y N i C H
3 C H 2 C H 2 C H 3
H 2,M o S 2
2 0 0 0 C,2 0 M P a
S
6、吡咯的弱酸性
N
H
+ K O H
N
K
+ H 2 O
四氢吡咯的碱性明显大于吡咯，存在于脯氨酸中
N
N COOH
1) CO2
2) H3O+
参与共轭
Na H
类似苯酚钠
2-吡咯甲酸
N H N
H
N N N2Cl +
pH=7-9
吡咯钾
可发生 Reimer——Tiemann反应
N
H
N
H
N
H
C O C H 3( C H
3 C O ) 2 O
B F 3,E t 2 O β － 位
m.p,52.5℃ b.p.254℃,气味极臭，但在极稀溶液中
有花香味，是化妆品的常用香料，有弱酸性。
7、吲哚
与吡咯不同之处
N
H
C H 3
H N O 3
H 2 S O 4
N
H
C H 3
H
H
- H
+
N C H 3
N O 2
H
2 － 甲 基 － 5 － 硝 基 吲 哚 （ P 3 5 2 ）
强酸中,
N
H
C H 2 C H C O O H
N H 2
色 氨 酸
N
H
C H 2 C H 2 N H 2
色 胺
N
H
C H 2 C H 2 N H 2
5 － 羟 色 胺
H O是哺乳 动 物 脑组织 中与
中枢神 经 有 关 的物 质 。
吲哚环存在于 1000多各生物碱天然产物中。
8、卟 吩衍生物,由四个吡咯环和四个次甲基交替组成，有芳香性
P352,353 叶绿素，血红素
N
H
C H 2 C O O H
3 － 吲 哚 乙 酸 是 植 物 生 长 调 节 剂
N
H
N
N
H
吡 唑
p y r a z o l e
N
N
H
咪 唑
i m i d a z o l e N
N
H
苯 并 咪 唑
S S
N
N
S 异 噻 唑
N
S 噻 唑t h i a z o l e 苯 并 噻 唑
三、含二个杂原子的五元杂环
O
O
N
苯 并 噁 唑
N
O 异 噁 唑
N
O
噁 唑
1,咪 唑
(1) 结 构,
分子间可能成氢键 m,p, 9 0 ℃ b,p, 2 56 ℃
.,
碱性
弱酸
N N
H N
N
H
N
存在于组氨酸中
N
H
C H 2 C H C O O H
N H 2N
N
N
H
H
H
H N
N
H
咪 唑
i m i d a z o l e
N 原 子 S P 2 杂 化
S
N
C H
3
I
S
N C H 3
I
S
N C H 3
O H
S
N C H 3
2,噻唑, 存在于人体的硫胺素（ VB1）的焦磷酸酯 (TPP)辅酶中
用作安息香 缩 合的催化 剂
N
S
R
P P
C H 3 - C - C O O H
O H
N
S
R
P P
C
C H
3
O H
C
OH
O
- C O
2
N
S
R
P P
C
C H
3
O H
N
S
R
P P
C
C H
3
O H
C H
3
C H
3
C H
3
C H
3
CH
O
C H
3
N
S
R
P P
C
C H
3
O H
C H
3
CH
O H
C H
3
C
O
H
3
C
H
C
O H
C H
3 + T P P
乙 偶 姻
氰离子不能催化脂肪醛。 N原子带有长链烷基的噻唑鎓盐
能使脂肪醛发生安息香缩合。
.,
.,
TPP
脱羧
氰离子作为催化剂 P221
N 弱
a,碱性,（大于苯胺，小于脂胺）
1.吡啶和嘧啶
(1) 吡啶,无色臭味液体,b.p.115℃ 。与水、乙醇、乙醚混浴,
能溶解无机盐。
四、六元杂环化合物
C,N原子均为 SP2杂化
N
C
1 6
H
3 3
B r
N
C
1 6
H
3 3
B r
溴 化 十 六 烷 基 吡 啶 盐
医 用 消 毒 剂, 杀 菌 剂
,表 面 活 性 剂 等
N
S O
3
2 5 ℃
N
S O
3
配 合 物
温 和 的 磺 化 剂 （ 用 于 磺 化 对 酸 敏
感 的 化 合 物, 如 吡 咯, 呋 喃 ）
b,亲电 取代 (与硝基苯 类 似,比苯 难 )
可 发 生硝化、磺化,卤 化（不 发 生付 -克反 应 ）
取代基主要进入 β–位，类似硝基苯。
N
N
C l 2 A l C l 3
N
C l
（一般正离子首先进攻氮原子形成盐，使环上电子云
密度降低）
N
+ N a N H 2
H 2
N
N H N a
H 2 O
N
N H 2
N
N a,C 2 H 5 O H
N
H
也 称 为 呱 啶 （ p i p e r i d i n e )
性 质 类 似 仲 胺
d.不易 氧化，但 还 原 比苯易
c,亲 核取代 （比苯易 发 生在 α 位）
N
H 2 O 2,H O A c
6 5 0 C,9 5 %
N
O -
+
H N O 3,H 2 S O 4
9 0 0 C,9 0 %
N
O -
N O 2
+
P C l 3,C H C l 3
,8 0 %
N
N O 2
吡啶与过氧化氢作用生成吡啶 -N-氧化物。吡啶 -N-氧化物
与亲电试剂作用条件温和，反应发生在 4位。
e,重要衍生物 （ P479）维生素 PP和 NAD+,维生素 B6
N
C O O H
β-吡啶甲酸
（烟酸）
N
C O N H 2
β -吡啶甲酰胺
（烟酰胺）
N
C O N H N H 2
异烟酰肼
（雷米封）
N
N
O H
O H
尿 嘧 啶 （ U r a c i l )
N
N
N H 2
O H
胞 嘧 啶 （ c y t o s i n e )
N
NO H
O H
C H 3
胸 腺 嘧 啶
烯醇式可重排为酮式
N
N
O H
N
N
N H 2
N
N
腺 嘌 呤 （ A ）
N H 2 N
N
鸟 嘌 呤 （ G ）
(2) 嘧啶,
N
N
N
N
N
N1
2
3
4
5
6 7
8
9嘧 啶 嘌 呤
2,喹啉和异喹啉,
(1) 亲电取代：在苯环 （ α 位 ）
(2) 亲核取代：在吡啶环上
N
N
喹啉（ bp,2380C） 异喹啉（ bp,2430C）
N
H N O 3,H 2 S O 4
N
N O 2
+
N
N O 2
N
N a N H 2
N
N H N a
H 2 O
N
N H 2
N
N a + C H
2
C H
3
O H
N
H
H
2
/ N i
N
H
十 氢 喹 啉
四 氢 喹 啉
K
2
M n O
4
N
C O O H
C O O H
C O
2
N
H O O C
烟 酸
（ 3）氧化还原,
合成喹啉 ——Skraup合成法
C H 2 O H
C H O H
C H 2 O H
H
2
S O
4
- 2 H
2
O
C H O
C H
C H 2
C
6
H
5
N H
2
C H 2
C H 2
C
H
O
N H
C H 2
C H 2
C
H
N H
H O
H
2
S O
4
N H
C H
C H 2
C H C 6 H 5 N O 2
N
相当于 Michael加成
氧化脱氢
3,吡喃鎓盐
O
α - 吡 喃
O
γ - 吡 喃
无 芳 香 性
O
有 芳 香 性
O
2 - 苯 基 苯 并 吡 喃 鎓 盐 离 子
其 含 氧 衍 生 物 存 在 于 植 物 中, 称 为 花 色 素
在 不 同 P H 值, 显 不 同 的 着 色
周显宏 化学生物工程系
