1
杂环化合物
概述
杂环化合物的涵义
杂环化合物的命名
结构与芳香性
五元杂环化合物的化学性质
六元杂环化合物的化学性质
含 2个杂原子的六元杂环化合物
2
【 本章重点 】
呋喃、吡咯、噻吩和吡啶的结构与化学性质。
【 必须掌握的内容 】
1,杂环化合物的命名方法。
2,呋喃、吡咯、噻吩和吡啶的结构与芳香性。
3,呋喃、吡咯、噻吩和吡啶的化学性质
3
等杂原子的环状化合物，统称为杂环化合物。
杂 环 化 合 物
非 芳 香 性 杂 环 化 合 物,如,
芳 香 性 杂 环 化 合 物
O N
H
、, 内 酯, 环 状 酸 酐 等 。
本章讨论的就是那些环为平面型，环内 π 电子数
符合
4n+2规则，具有一定芳香性的芳杂环化合物。
概 述
一、杂环化合物的涵义：
成环原子除碳以外，还有其它如 O,N,S,P
4
杂环化合物的分类：
杂 环 化 合 物
单 杂 环
五 元 杂 环,如
O N
H
S
六 元 杂 环,如
N
稠 杂 环
苯 环 与 单 杂 环 稠 并,如
N
H
N
两 个 以 上 单 杂 环 稠 并
5
二、杂环化合物的命名：
1,音译法：
O NH S N
f u r a n p y r r o l e t h i o p h e n e p y r i d i n e
呋 喃 吡 咯 噻 吩 吡 啶
N
H
N
i n d o l e q u i n o l i n e
吲 哚 喹 啉
2,杂环及环上取代基的编号：
在同音汉字左边 + 口字。
(1) 母体杂环的编号,杂原子的编号为, 1”。
1 1 1 1
1 1
杂原子邻 位的碳原子也可依次用 α,β,γ… 编号。
6
当环上有不同杂原子时，按 O→S→N 的次序编号。若
环上连有不同的取代基，其编号按次序规则和最低系列。
1
2
N
H O S
C H 3
C H O
C O O H
2 - 甲 基 吡 咯 2 - 呋 喃 甲 醛 3 - 噻 吩 甲 酸
N
C O O H
C O O H
2,3 - 吡 啶 二 甲 酸
α
β
α
α
β
α β- 甲 基 吡 咯 α - 呋 喃 甲 醛 - 噻 吩 甲 酸 α,β - 吡 啶 二 甲 酸
1
3
2
N
N
H
N
O
N
S
i m i d a z o l e o x a z o l e t h i a z o l e
咪 唑 噁 唑 噻 唑
3 3
2 21 1
N
N
p y r i m i d i n e
1 2
3
嘧 啶
7
1
3
2
N
N
H
N
O
N
S
5 - 甲 基 咪 唑 4 - 硝 基 噁 唑 4 - 甲 基 - 5 - ( 2 ' - 羟 乙 基 ) 噻 唑
3 3
2 21 1C H 3
O 2 N
H O C H 2 C H 2
5
5
4 4
C H 3
O S
N
苯 并 呋 喃 苯 并 噻 唑
三、结构与芳香性
1、杂环化合物为什么具有芳香性？
C
C
C
N
C
H
C
C
C
O
C
N
H
O
未 参 与 共 轭π
5
6
富 电 子 体 系
8
N C C
N
CC
C
π 66
等 电 子 体 系
五元杂环化合物具有芳香性的另一个标志就是环上的
氢受离域电子环流的影响，其核磁共振信号都出现在低场
区。 α - H 由于受杂原子吸电子诱导效应的影响，其 δ 值
较大。
S N
H
O
δ
δ
6, 9 9 δ 6, 2 2 δ 6, 2 4
7, 1 8 δ 6, 6 8 δ 7, 2 9
未 参 与 共 轭
9
Z
Z = O, N H, S
呋 喃
吡 咯
噻 吩
Z C
0, 1 3 6 ( 0, 1 4 3 ) 0, 1 3 6 1 0, 1 4 3 0
2
34
C 2 C 3 C 3 C 4
0, 1 3 7 0 ( 0, 1 4 7 ) 0, 1 3 8 3 0, 1 4 1 7
0, 1 7 1 4 ( 0, 1 8 2 ) 0, 1 3 7 0 0, 1 4 2 3
C CC C=
0, 1 5 40, 1 3 4
1）, 五元杂环化合物
2、具有芳香性的杂环与苯环的异同点
(1) 由此可见，苯分子中的键长完全平均化，而五元
杂环化合物分子中的键长只是有一定程度的平均化。因此，
五元杂环化合物的芳香性比苯差。其芳香性次序是：
S NH O
离域能,150.5 117 88 67 kj / mol
10
(2) 五元杂环化合物是富电子体系，而苯环为等电子
体系，故环上的电子云密度比苯高，其亲电取代反应比苯
容易，尤其易发生在 α - 位。杂原子的存在相当于在环上
引入了 ― NH 2,―OH, ―SH 等活化基团而使环活化，
故进行亲电取代反应的活泼顺序是：
SN
H O
2）, 六元杂环化合物
N
2
3
4
0, 1 3 9
0, 1 4 0
0, 1 3 4
0, 1 4 7
0, 1 2 8
单
双
吡啶环的键长也发生了较大程度
的平均化,C ―C 键虽与苯相似，但
C ―N 键变化很大，因此，其芳香性
11
也比苯差。
吡啶和苯虽然都属等电子体系，但因
氮原子的电负性较大，从而使环上的电子
云密度降低,故其亲电取代反应性能不但
N
δ
δ
δ
δ
δ
δ
α
β
γ
比苯差，且亲电取代反应发生在电子云密度较高的 β -位。
这一特性很类似于硝基苯。
综上所述，五元、六元杂环化合物虽然都具有芳香性，
但其环上的电子云的密度是不同的，其电子云密度由高到
低的顺序是：
S NH O N
12
三、常见的五元杂环化合物
一、亲电取代反应
二、五元杂环化合物的亲电取代反应的定位规则
五元杂环化合物的化学性质
13
五元杂环化合物的化学性质
一、亲电取代反应 Z
Z = ( N H, O, S )
X
2
/ 低 温
X
2
= C l
2
,B r
2 Z X
C H
3
C O O N O
2
- 5 ~ - 3 0 C
。
Z
N O
2
N
+
S O
3
-
Z
S O
3
N
H +
H C l
Z S O 3 H
( Z = N H, O ) 噻 吩 可 直 接 用 H
2
S O
4
磺 化 。
C l C H
2
C H
2
C l
( C H
3
C O )
2
O
S n C l
4
Z
C O C H
3
五元杂环化合物进行亲电取代反应的特点是：使用较
为温和的试剂或反应条件。
14
Z
Z = ( N H, O, S )
+ E
+
Z
E
H
+
Z
E
H
+
Z
E
H
+
Z
E
H
+
Z
E
H
+
正 电 荷 可 在 三 个 原 子 上 离 域
正 电 荷 只 能 在 两 个 原 子 上 离 域
由此可见，进攻 2 – 位所形成的共振杂化体比进攻 3 –
位所形成的共振杂化体稳定。
二、五元杂环化合物亲电取代反应的定位规律
以噻吩为例：
(1) α - 位上有取代基
五元杂环化合物亲电取代反应发生在 α -位可用共振
论解释：
15
(2) β - 位上有取代基
S
X = o, p - 定 位 基 Y m - 定 位 基
X
( 主 )( 次 )
S
Y
( 主 )
=
25 5
5 - 位 被 占,则 进 入 4 - 位,而 不 进 入 2 - 位
S
X = o, p - 定 位 基 Y m - 定 位 基
X
( 主 )
( 次 )
S Y
( 主 )
( 次 )
=
5
3
5
4
这里值得注意的是：吡咯和呋喃也遵循上述规律，但
当 α - 位上有 m – 定位基 (如,–CHO,–COOH)时，新引
16
入基团进入的位置与反应试剂有关。如：
O C H O
5
4
( C H 3 ) 2 C H C l
A l C l3
C l 2
O C H O
5
C l
O C H O
4( C H 3 ) 2 C H
三、常见的五元杂环化合物
1,呋喃和糠醛
呋喃为无色液体，难溶于水而易溶于有机溶剂,b.p
为 32℃ 。
尽管呋喃在较温和的条件下就可发生亲电取代反应，
但因其芳香性较弱，呋喃及其衍生物容易进行 Diles-Alder
17
反应和一般的亲电加成反应。如：
O O
=
=
O
O
+ 3 0 ℃ O
=
=
O
OH
H
O + B r 2
C H 3 C O O K
C H 3 O H O
H H
B r B r
C H 3 O H
O
H H
C H 3 O O C H 3
呋喃在 Ni催化下，易于加氢生成四氢呋喃 ——良好的
溶剂和重要的有机合成原料。
O
H 2 / N i
O
H C l
1 4 0 ℃
C l ( C H 2 ) 4 C l
N a C N
N C ( C H 2 ) C N
N C ( C H 2 ) C N
H 2 O / H
+
H O O C ( C H2 ) C O O H
H 2 / N i
H 2 N ( C H 2 ) 6 N H 2
18
呋喃甲醛又称糠醛，是呋喃的重要衍生物。
糠醛的化学性质与苯甲醛类似，可发生 Cannizzaro反
应、与含 α -H的醛或酮的交错缩合反应等。
糠醛是良好的溶剂和重要的有机合成原料。
2,吡咯和吲哚
吡咯为无色油状液体,b.p131℃,微溶于水，易溶于
有机溶剂。
吡咯的酸碱性：
N
H
由于氮上的未共用电子对参与了共
轭体系，难以与 H+结合，故基本不显碱性
(pkb=13.6)。
19
然而，由于氮原子的吸电子作用，使得吡咯会显示出
一定的酸性，但其酸性较弱，需在强碱下方可成盐。
N
H
+ K O H ( N a N H 2 ) N
K ( N a )
+ H 2 O ( N H 3 )
吡咯环不如苯环稳定，易被氧化。
吡咯容易发生亲电取代反应，其反应活性与苯胺类似。如：
N
H
I 2 + N a O H
N 2
+
C l
N
H
I I
I I
N
H
N N=
( 卤 代 )
( 偶 合 )
20
吲哚系由苯环和吡咯环稠并而成，故又称苯并吡咯。
吲哚仍具有芳香性，其亲电取代反应的活性比苯高，
但比吡咯低。
吲哚亲电取代反应发生在什么位置？
N
H苯 环 吡 咯 环
1
2
3
4
5
6
7
E+
N
H
E
+
2
3
+
N
H
进 攻 C
2
进 攻 C
3
H
E
+
N
H
H
E
+ N
H
H
E
+
3
只 有 一 个 带 有 完整 苯 环 的 共 振 杂 化 体 。
有 两 个 带 有 完 整 苯 环 的 共 振 杂 化 体 。
21
N
H
C H 2 C O O H
β - 吲 哚 乙 酸
一 种 植 物 生 长 促 进 剂
N
H
C
H
N
C
=
=
O
O
靛 蓝
一 种 染 料
22
六元杂环化合物的化学性质
一、吡啶的化学性质
N
δ
δ
δ
α
β
γ
碱 性 与 成 盐
亲 电 试 剂 进 攻 部 位
亲 核 试 剂 进 攻 部 位
1,碱性与成盐：
C H 3 N H 2 N H 3
N
N H 2
p k b 3, 3 6 4, 7 5 8, 8 9, 3
23
NN
H
C H 3 ≡C N
sp3 sp2
sp
吡啶环上有供电子基时将使碱性增强。如：
N
H
N
H
N
H
N
H
C H 3
C H 3
C H 3
a, b, c, d,
+ + + +
酸 性, a ＞ c ＞ b ＞ d
pka 5.17 5.79 5.68 6.02
碱 性, d ＞ b ＞ c ＞ a
24
吡啶既然是一个碱，遇酸便形成稳定的盐。
如果用非质子的硝化试剂、磺化试剂，或用卤素、卤
代烷、酰氯与吡啶环进行反应，也将形成相应的吡啶盐：
N
N O
2
+
B F
4
E t
2
O
H C l
S O
3
C H
2
C l
2
B r
2
/ C C l
4
C H
3
I
P h C O C l
石 油 醚
N
+
H
N
+
N O
2
N
+
S O
3
N
+
B r
N
+
C H
3
N
+
P h C O
C l
B F
4
B r
+
I
C l
25
如前所述，吡啶的亲电取代反应比恁困难，需在较强
的条件下方可发生，且发生在 β -位。
N
H N O 3,H 2 S O 4
3 0 0 ℃
N
N O 2
N
B rB r
2
3 0 0 ℃
2 2 0 ℃
N
S O 3 HH
2 S O 4,H g S O 4
显然，当吡啶环上连有供电子基团时，将有利于亲电
取代反应的发生；反之，就更加难以进行亲电取代反应。
N
N O 2
C H 3 C H 3
H N O 3,H 2 S O 4
1 0 0 ℃ NC H
3 C H 3
2,吡啶环上的亲电取代反应
26
吡啶环也象硝基苯一样，不能发生 F―C 烷基化和酰
基化反应。
吡啶的亲电取代反应所以发生在 β -位，除用电子理
论解释外，还可以用中间体的稳定性加以说明：
N
H
E
+
N
H
E
+
N
H
E
+
N
+ E
+
N N
+
N
H
E
+
H
E
+
H
E
特 不 稳 定
N N N
+
H E
+
H E H E
特 不 稳 定
β 位
γ 位进 攻
进 攻
进 攻 α 位
27
3,吡啶环上的亲核取代反应
吡啶环的亲核取代反应主要发生在 α -位和 γ -位，被
取代的可以是氢原子，也可以是易于离去的基团。如：
N
L i
N
N a N H 2
( - H 2 ) N N H N a
H 2 O
N N H 2
N C l
C H 3 O N a
N a O H,N O C H 3
N H 3,Z n C l 2
2 2 0 ℃ N N H 2
N
B r
B r N H 3,H 2 O
1 6 0 ℃ N
N H 2
B r
28
α - 甲基吡啶和 γ - 甲基吡啶
吡啶同系物中以甲基吡啶最为重要，它有三个异构体：
N N NC H 3
C H 3
C H 3
甲基吡啶的侧链甲基的活泼性与硝基甲苯中的甲基
相似，具有一定的酸性。因此，在强碱的催化下可进行
缩合反应，且主要发生在 α - 位 和 γ - 位。 如：
N C H
3
C
=
O
+
N a N H 2
N C H
2 C O H
二、常见的六元杂环化合物
1,甲基吡啶
29
N
C H 3
C H 2 C H 3 N a N H 2
N
C H 2 N a +
C H 2 C H 3 C H 3 I
( 1 m o l ) N
C H 2 C H 3
C H 2 C H 3
那么为什么 α -位,γ -位的侧链氢酸性强？
N C
H
H
H C
H
H
HN
=O
O
N
N
C H
2
C H
2
N C H
2
N C H
2
N C H
2
N
C H
2
N
C H
2
N
C H
2
N
C H
2
= =
N
C H
2
=
N
C H
2
=
N
C H
2
=
特 别 稳 定
特 别 稳 定
β - 位
γ - 位
α - 位
30
N C H 3
+ C H 3 C H O
Z n C l 2
N C H 2 C H C H 3
O H
N C H = C H C H 3
H 2 / N i
N C H 2 C H 2 C H 3
毒 芹 碱
4 C l 2 ( - 4 H C l )
N C C l3C l
氮 肥 增 效 剂
N
C H 3
O 2, V 2 O 5 / 硅 酸
o r K M n O 4
N
C O O H
N H 2 N H 2 H 2 O
N
C O N H N H 2
异 烟 酸 异 烟 肼 ( 雷 米 封 )
β- 甲基吡啶
N
C H 3 K M n O
4
N
C O O H N H
3
N
C O N H 2
烟 酸 烟 酰 胺
N
N
C H 3
K M n O 4
N
C O O H
烟 酸N i c o t i n e
31
2,喹啉
喹啉在常温下为无色油状液体,b.p 238℃ 。与吡啶
相似，具有弱碱性 (pkb=9.15)。喹啉的许多衍生物在医药
上具有重要意义，特别是抗疟类药物。
喹啉及其衍生物通常用 Skraup合成法来合成。
C H 2
C H
C H 2
O H
O H
O H
H 2 S O 4
( - H 2 O )
C H O
C H
C H 2 O H
=
H 2 N
N H
C
=O
H
N H
C
H O H
H 2 S O 4
N
H
C 6 H 5 N O 2
N
若用邻羟基苯胺代替苯胺，则可制备 8-羟基喹啉。
32
O H
N H 2 + C H 2 = C H C H O
H 2 S O 4
邻 硝 基 苯 酚 N
O H
N
活 化 环
有 利 于 亲 电 取 代 反 应 的
发 生,且 主 要 发 生 在 5,8 - 位 。
钝 化 环
有 利 于 亲 核 取 代 反 应 的
发 生,且 主 要 发 生 在 2 - 位 。
(1)亲电取代反应
N
H N O 3
H 2 S O 4
N N
N O 2
N O 2
+
H 2 S O 4
2 2 0 ℃
N
S O 3 H
N
B r 2,H 2 S O 4
A g S O 4,
N N
+
B r
B r
B r 2,C C l 4
N
B r
在 酸 性 条 件 下,杂 环 氮 可
接 受 质 子,使 环 更 加 钝 化 。
33
(2) 亲核取代反应
N
N a N H 2
N N H N a
H 2 O
N N H 2
N P h
N a N H 2 H 2 O
N P h
N H 2
(3) 氧化反应
N
K M n O 4
N
C O O H
C O O H N
C O O H
34
含 2个杂原子的六元杂环化合物
一,嘧啶的性质
1、溶解性
易溶于水
2、酸碱性
弱碱性，碱性比吡啶弱
3、环的稳定性
比吡啶环的稳定性强
N
N
35
4、亲电取代和亲核取代
5、加成反应
N
N
N
N
N
N
BrBr
2
130° C
N
N
N
N
NaNH2
NH2
H2,Pt
75° C
反应一般发生在 C5-C6双键处
36
二,嘧啶的衍生物
嘧啶本身不存在于自然界，其衍生物在自然界分布很
广，脲嘧啶、胞嘧啶、胸腺嘧啶是遗传物质核酸的重要
组成部分，微生素 B1也含有嘧啶环。合成药物的磺胺嘧啶
也含这种结构。
N
N
N
N
N
N
O H
H O
O H
H O H O
C H 3
N H 2
尿 嘧 啶 胸 腺 嘧 啶 胞 嘧 啶( U ) ( T ) ( C )
37
稠杂环化合物
稠杂环化合物是指苯环与杂环稠合或杂环与杂
环稠合在一起的化合物。常见的有喹啉、吲哚
和嘌呤。
N N
H
N
N N
H
N
2
3
45
6
7
8
9
1
1
1
2 2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
喹 啉 吲 哚 嘌 呤( Q u i o l i n e ) ( i n d o l e ) ( P u r i n e )
38
一、吲哚
吲哚是白色结晶，熔点 52.5℃ 。极稀溶液有香味，可用
作香料，浓的吲哚溶液有粪臭味。素馨花、柑桔花中含有吲
哚。吲哚环的衍生物广泛存在于动植物体内，与人类的生命、
生活有密切的关系。
吲哚的性质与吡咯相似，也可发生亲电取代反应，取代
基进入 β -位。
N
H
β 吲 哚 磺 酸
B r
2
,O O
0 ℃
C
6
H
5
C O O N O
2
C H
3
C N,0 ℃
N, S O
3
溴 吲 哚
硝 基 吲 哚3
3
N
H
N
H
N
H
B r
N O
2
S O
3
H
7 0 %
3 5 %
39
N
H
C H 2 C H C O O H
N H 2
N
H
C H 3
β
色 氨 酸
构 成 蛋 白 质 的 重 要 成 分
甲 基 吲 哚 （ 粪 臭 素 ）
很 稀 时 有 茉 莉 香 味
分 解
N
H
C H 2 C H 2 N H A cC H 3 O
脑 白 金
M e l a t o n i n e
40
二、喹啉
喹啉存在于煤焦油中，为无色油状液体，放置时逐渐变
成黄色，沸点 238.05℃,有恶臭味，难溶于水。能与大
多数有机溶剂混溶，是一种高沸点溶剂。
1,喹啉的性质
（ 1） 取代反应
喹啉是有吡啶稠合而成的，由于吡啶环的电子
云密度低于与之并联的苯环，所以喹啉的亲电取代反
应发生在电子云密度较大的苯环上，取代基主要进入 5
或 8位。而亲核取代则主要发生在吡啶环的 2或 4位。
N
1, 6 3
0, 7 9
0, 9 3
0, 7 7
1, 0 0
0, 9 5
0, 9 6
0, 9 8
41
N
℃
N
N
N
N
N
N O
2
N O
2
B r
B r
N
S O
3
H
N H N a
N
N H
2
+
+
H
2
O
浓
H N O
3
H
2
S O
4浓浓
+
H
2
S O
4浓
+B r 2
A g
2
S O
4
H
2
S O
4
,2 2 0
K N H
2
.
二 甲 苯
1 0 0
℃
℃0
42
（ 2）氧化还原反应
喹啉用高锰酸钾氧化时，苯环发生破裂，用钠和乙醇
还原是其吡啶环被还原，这说明在喹啉分子中吡啶环
比苯环难氧化，易还原。
N
℃
N
N
H
1 0 0K M n O 4
C H 3 C H 2 O H,N a
C O O H
C O O H
43
2、喹啉的衍生物
喹啉的衍生物在自然界存在很多，如奎宁、氯喹、
罂粟碱、吗啡等。
N
C H
3
O
C HH O
N
C H C H
2
奎 宁 （ 金 鸡 钠 碱 ） 存 在 于 金 鸡 钠 树 皮 中, 有 抗 疟 疾 疗 效
44
N
N
C l
N H
C HH O ( C H 2 ) 3 - N
C 2 H 5
C 2 H 5
C H 2
O C H 3
O C H 3
C H 3 O
C H 3 O
氯 喹 （ 合 成 抗 疟 疾 药 ） 罂 粟 碱
H O
O O H
N
C H
3
1
2
3
4
5 6
7
8
吗 啡
含 一 个 被 还 原 了 的 异 喹 啉 环, 是 从
鸦 片 中 提 取 出 来 的 。
吗 啡 的 盐 酸 盐 是 很 强 的 镇 痛 药, 能
持 续 6 小 时, 也 能 镇 咳, 但 易 上 瘾 。
将 羟 基 上 的 氢 换 成 乙 酰 基, 即 为
海 洛 因, 不 存 在 于 自 然 界 。 海 洛 因 比 吗
啡 更 易 上 瘾, 可 用 来 解 除 晚 期 癌 症 患 者
的 痛 苦 。
45
三、嘌呤
N
N N
H
N N
N N
N H
ⅡⅠ( ) ( )9 H 7 H 嘌 呤嘌 呤
嘌呤为无色晶体, m.p216-217℃, 易溶于水, 其水溶液呈中
性, 但能与酸或碱成盐 。
纯嘌呤环在自然界不存在，嘌呤的衍生物广泛存在于动植物
体内
1．尿酸 存在于鸟类及爬虫类的排泄物中，含量很多，人
尿中也含少量。
H N
N
H
N
H
N H N
N N
H
N
OO
O O H
H O O H
46
2．黄嘌呤 存在于茶叶及动植物组织和人尿中。
H N
N
H
N
H
N N
N N
H
N
O
O O H
H O
3,咖啡碱, 茶碱和可可碱 三者都是黄嘌呤的甲基衍生
物, 存在于茶叶, 咖啡和 可可中, 它们有兴奋中枢作用,
其中以咖啡碱的作用最强 。
N
N N
N
O
O
N
N N
N
O
O
H N
N N
N
O
O
H N C H 3
C H 3C H 3C H 3
C H 3C H 3 C H 3
咖啡碱 茶碱 可可碱
47
4．腺嘌呤和鸟嘌呤 是核蛋白中的两种重要碱基。
N
N N
H
N H N
N N
H
N
H 2 N
ON H 2
杂环化合物
概述
杂环化合物的涵义
杂环化合物的命名
结构与芳香性
五元杂环化合物的化学性质
六元杂环化合物的化学性质
含 2个杂原子的六元杂环化合物
2
【 本章重点 】
呋喃、吡咯、噻吩和吡啶的结构与化学性质。
【 必须掌握的内容 】
1,杂环化合物的命名方法。
2,呋喃、吡咯、噻吩和吡啶的结构与芳香性。
3,呋喃、吡咯、噻吩和吡啶的化学性质
3
等杂原子的环状化合物，统称为杂环化合物。
杂 环 化 合 物
非 芳 香 性 杂 环 化 合 物,如,
芳 香 性 杂 环 化 合 物
O N
H
、, 内 酯, 环 状 酸 酐 等 。
本章讨论的就是那些环为平面型，环内 π 电子数
符合
4n+2规则，具有一定芳香性的芳杂环化合物。
概 述
一、杂环化合物的涵义：
成环原子除碳以外，还有其它如 O,N,S,P
4
杂环化合物的分类：
杂 环 化 合 物
单 杂 环
五 元 杂 环,如
O N
H
S
六 元 杂 环,如
N
稠 杂 环
苯 环 与 单 杂 环 稠 并,如
N
H
N
两 个 以 上 单 杂 环 稠 并
5
二、杂环化合物的命名：
1,音译法：
O NH S N
f u r a n p y r r o l e t h i o p h e n e p y r i d i n e
呋 喃 吡 咯 噻 吩 吡 啶
N
H
N
i n d o l e q u i n o l i n e
吲 哚 喹 啉
2,杂环及环上取代基的编号：
在同音汉字左边 + 口字。
(1) 母体杂环的编号,杂原子的编号为, 1”。
1 1 1 1
1 1
杂原子邻 位的碳原子也可依次用 α,β,γ… 编号。
6
当环上有不同杂原子时，按 O→S→N 的次序编号。若
环上连有不同的取代基，其编号按次序规则和最低系列。
1
2
N
H O S
C H 3
C H O
C O O H
2 - 甲 基 吡 咯 2 - 呋 喃 甲 醛 3 - 噻 吩 甲 酸
N
C O O H
C O O H
2,3 - 吡 啶 二 甲 酸
α
β
α
α
β
α β- 甲 基 吡 咯 α - 呋 喃 甲 醛 - 噻 吩 甲 酸 α,β - 吡 啶 二 甲 酸
1
3
2
N
N
H
N
O
N
S
i m i d a z o l e o x a z o l e t h i a z o l e
咪 唑 噁 唑 噻 唑
3 3
2 21 1
N
N
p y r i m i d i n e
1 2
3
嘧 啶
7
1
3
2
N
N
H
N
O
N
S
5 - 甲 基 咪 唑 4 - 硝 基 噁 唑 4 - 甲 基 - 5 - ( 2 ' - 羟 乙 基 ) 噻 唑
3 3
2 21 1C H 3
O 2 N
H O C H 2 C H 2
5
5
4 4
C H 3
O S
N
苯 并 呋 喃 苯 并 噻 唑
三、结构与芳香性
1、杂环化合物为什么具有芳香性？
C
C
C
N
C
H
C
C
C
O
C
N
H
O
未 参 与 共 轭π
5
6
富 电 子 体 系
8
N C C
N
CC
C
π 66
等 电 子 体 系
五元杂环化合物具有芳香性的另一个标志就是环上的
氢受离域电子环流的影响，其核磁共振信号都出现在低场
区。 α - H 由于受杂原子吸电子诱导效应的影响，其 δ 值
较大。
S N
H
O
δ
δ
6, 9 9 δ 6, 2 2 δ 6, 2 4
7, 1 8 δ 6, 6 8 δ 7, 2 9
未 参 与 共 轭
9
Z
Z = O, N H, S
呋 喃
吡 咯
噻 吩
Z C
0, 1 3 6 ( 0, 1 4 3 ) 0, 1 3 6 1 0, 1 4 3 0
2
34
C 2 C 3 C 3 C 4
0, 1 3 7 0 ( 0, 1 4 7 ) 0, 1 3 8 3 0, 1 4 1 7
0, 1 7 1 4 ( 0, 1 8 2 ) 0, 1 3 7 0 0, 1 4 2 3
C CC C=
0, 1 5 40, 1 3 4
1）, 五元杂环化合物
2、具有芳香性的杂环与苯环的异同点
(1) 由此可见，苯分子中的键长完全平均化，而五元
杂环化合物分子中的键长只是有一定程度的平均化。因此，
五元杂环化合物的芳香性比苯差。其芳香性次序是：
S NH O
离域能,150.5 117 88 67 kj / mol
10
(2) 五元杂环化合物是富电子体系，而苯环为等电子
体系，故环上的电子云密度比苯高，其亲电取代反应比苯
容易，尤其易发生在 α - 位。杂原子的存在相当于在环上
引入了 ― NH 2,―OH, ―SH 等活化基团而使环活化，
故进行亲电取代反应的活泼顺序是：
SN
H O
2）, 六元杂环化合物
N
2
3
4
0, 1 3 9
0, 1 4 0
0, 1 3 4
0, 1 4 7
0, 1 2 8
单
双
吡啶环的键长也发生了较大程度
的平均化,C ―C 键虽与苯相似，但
C ―N 键变化很大，因此，其芳香性
11
也比苯差。
吡啶和苯虽然都属等电子体系，但因
氮原子的电负性较大，从而使环上的电子
云密度降低,故其亲电取代反应性能不但
N
δ
δ
δ
δ
δ
δ
α
β
γ
比苯差，且亲电取代反应发生在电子云密度较高的 β -位。
这一特性很类似于硝基苯。
综上所述，五元、六元杂环化合物虽然都具有芳香性，
但其环上的电子云的密度是不同的，其电子云密度由高到
低的顺序是：
S NH O N
12
三、常见的五元杂环化合物
一、亲电取代反应
二、五元杂环化合物的亲电取代反应的定位规则
五元杂环化合物的化学性质
13
五元杂环化合物的化学性质
一、亲电取代反应 Z
Z = ( N H, O, S )
X
2
/ 低 温
X
2
= C l
2
,B r
2 Z X
C H
3
C O O N O
2
- 5 ~ - 3 0 C
。
Z
N O
2
N
+
S O
3
-
Z
S O
3
N
H +
H C l
Z S O 3 H
( Z = N H, O ) 噻 吩 可 直 接 用 H
2
S O
4
磺 化 。
C l C H
2
C H
2
C l
( C H
3
C O )
2
O
S n C l
4
Z
C O C H
3
五元杂环化合物进行亲电取代反应的特点是：使用较
为温和的试剂或反应条件。
14
Z
Z = ( N H, O, S )
+ E
+
Z
E
H
+
Z
E
H
+
Z
E
H
+
Z
E
H
+
Z
E
H
+
正 电 荷 可 在 三 个 原 子 上 离 域
正 电 荷 只 能 在 两 个 原 子 上 离 域
由此可见，进攻 2 – 位所形成的共振杂化体比进攻 3 –
位所形成的共振杂化体稳定。
二、五元杂环化合物亲电取代反应的定位规律
以噻吩为例：
(1) α - 位上有取代基
五元杂环化合物亲电取代反应发生在 α -位可用共振
论解释：
15
(2) β - 位上有取代基
S
X = o, p - 定 位 基 Y m - 定 位 基
X
( 主 )( 次 )
S
Y
( 主 )
=
25 5
5 - 位 被 占,则 进 入 4 - 位,而 不 进 入 2 - 位
S
X = o, p - 定 位 基 Y m - 定 位 基
X
( 主 )
( 次 )
S Y
( 主 )
( 次 )
=
5
3
5
4
这里值得注意的是：吡咯和呋喃也遵循上述规律，但
当 α - 位上有 m – 定位基 (如,–CHO,–COOH)时，新引
16
入基团进入的位置与反应试剂有关。如：
O C H O
5
4
( C H 3 ) 2 C H C l
A l C l3
C l 2
O C H O
5
C l
O C H O
4( C H 3 ) 2 C H
三、常见的五元杂环化合物
1,呋喃和糠醛
呋喃为无色液体，难溶于水而易溶于有机溶剂,b.p
为 32℃ 。
尽管呋喃在较温和的条件下就可发生亲电取代反应，
但因其芳香性较弱，呋喃及其衍生物容易进行 Diles-Alder
17
反应和一般的亲电加成反应。如：
O O
=
=
O
O
+ 3 0 ℃ O
=
=
O
OH
H
O + B r 2
C H 3 C O O K
C H 3 O H O
H H
B r B r
C H 3 O H
O
H H
C H 3 O O C H 3
呋喃在 Ni催化下，易于加氢生成四氢呋喃 ——良好的
溶剂和重要的有机合成原料。
O
H 2 / N i
O
H C l
1 4 0 ℃
C l ( C H 2 ) 4 C l
N a C N
N C ( C H 2 ) C N
N C ( C H 2 ) C N
H 2 O / H
+
H O O C ( C H2 ) C O O H
H 2 / N i
H 2 N ( C H 2 ) 6 N H 2
18
呋喃甲醛又称糠醛，是呋喃的重要衍生物。
糠醛的化学性质与苯甲醛类似，可发生 Cannizzaro反
应、与含 α -H的醛或酮的交错缩合反应等。
糠醛是良好的溶剂和重要的有机合成原料。
2,吡咯和吲哚
吡咯为无色油状液体,b.p131℃,微溶于水，易溶于
有机溶剂。
吡咯的酸碱性：
N
H
由于氮上的未共用电子对参与了共
轭体系，难以与 H+结合，故基本不显碱性
(pkb=13.6)。
19
然而，由于氮原子的吸电子作用，使得吡咯会显示出
一定的酸性，但其酸性较弱，需在强碱下方可成盐。
N
H
+ K O H ( N a N H 2 ) N
K ( N a )
+ H 2 O ( N H 3 )
吡咯环不如苯环稳定，易被氧化。
吡咯容易发生亲电取代反应，其反应活性与苯胺类似。如：
N
H
I 2 + N a O H
N 2
+
C l
N
H
I I
I I
N
H
N N=
( 卤 代 )
( 偶 合 )
20
吲哚系由苯环和吡咯环稠并而成，故又称苯并吡咯。
吲哚仍具有芳香性，其亲电取代反应的活性比苯高，
但比吡咯低。
吲哚亲电取代反应发生在什么位置？
N
H苯 环 吡 咯 环
1
2
3
4
5
6
7
E+
N
H
E
+
2
3
+
N
H
进 攻 C
2
进 攻 C
3
H
E
+
N
H
H
E
+ N
H
H
E
+
3
只 有 一 个 带 有 完整 苯 环 的 共 振 杂 化 体 。
有 两 个 带 有 完 整 苯 环 的 共 振 杂 化 体 。
21
N
H
C H 2 C O O H
β - 吲 哚 乙 酸
一 种 植 物 生 长 促 进 剂
N
H
C
H
N
C
=
=
O
O
靛 蓝
一 种 染 料
22
六元杂环化合物的化学性质
一、吡啶的化学性质
N
δ
δ
δ
α
β
γ
碱 性 与 成 盐
亲 电 试 剂 进 攻 部 位
亲 核 试 剂 进 攻 部 位
1,碱性与成盐：
C H 3 N H 2 N H 3
N
N H 2
p k b 3, 3 6 4, 7 5 8, 8 9, 3
23
NN
H
C H 3 ≡C N
sp3 sp2
sp
吡啶环上有供电子基时将使碱性增强。如：
N
H
N
H
N
H
N
H
C H 3
C H 3
C H 3
a, b, c, d,
+ + + +
酸 性, a ＞ c ＞ b ＞ d
pka 5.17 5.79 5.68 6.02
碱 性, d ＞ b ＞ c ＞ a
24
吡啶既然是一个碱，遇酸便形成稳定的盐。
如果用非质子的硝化试剂、磺化试剂，或用卤素、卤
代烷、酰氯与吡啶环进行反应，也将形成相应的吡啶盐：
N
N O
2
+
B F
4
E t
2
O
H C l
S O
3
C H
2
C l
2
B r
2
/ C C l
4
C H
3
I
P h C O C l
石 油 醚
N
+
H
N
+
N O
2
N
+
S O
3
N
+
B r
N
+
C H
3
N
+
P h C O
C l
B F
4
B r
+
I
C l
25
如前所述，吡啶的亲电取代反应比恁困难，需在较强
的条件下方可发生，且发生在 β -位。
N
H N O 3,H 2 S O 4
3 0 0 ℃
N
N O 2
N
B rB r
2
3 0 0 ℃
2 2 0 ℃
N
S O 3 HH
2 S O 4,H g S O 4
显然，当吡啶环上连有供电子基团时，将有利于亲电
取代反应的发生；反之，就更加难以进行亲电取代反应。
N
N O 2
C H 3 C H 3
H N O 3,H 2 S O 4
1 0 0 ℃ NC H
3 C H 3
2,吡啶环上的亲电取代反应
26
吡啶环也象硝基苯一样，不能发生 F―C 烷基化和酰
基化反应。
吡啶的亲电取代反应所以发生在 β -位，除用电子理
论解释外，还可以用中间体的稳定性加以说明：
N
H
E
+
N
H
E
+
N
H
E
+
N
+ E
+
N N
+
N
H
E
+
H
E
+
H
E
特 不 稳 定
N N N
+
H E
+
H E H E
特 不 稳 定
β 位
γ 位进 攻
进 攻
进 攻 α 位
27
3,吡啶环上的亲核取代反应
吡啶环的亲核取代反应主要发生在 α -位和 γ -位，被
取代的可以是氢原子，也可以是易于离去的基团。如：
N
L i
N
N a N H 2
( - H 2 ) N N H N a
H 2 O
N N H 2
N C l
C H 3 O N a
N a O H,N O C H 3
N H 3,Z n C l 2
2 2 0 ℃ N N H 2
N
B r
B r N H 3,H 2 O
1 6 0 ℃ N
N H 2
B r
28
α - 甲基吡啶和 γ - 甲基吡啶
吡啶同系物中以甲基吡啶最为重要，它有三个异构体：
N N NC H 3
C H 3
C H 3
甲基吡啶的侧链甲基的活泼性与硝基甲苯中的甲基
相似，具有一定的酸性。因此，在强碱的催化下可进行
缩合反应，且主要发生在 α - 位 和 γ - 位。 如：
N C H
3
C
=
O
+
N a N H 2
N C H
2 C O H
二、常见的六元杂环化合物
1,甲基吡啶
29
N
C H 3
C H 2 C H 3 N a N H 2
N
C H 2 N a +
C H 2 C H 3 C H 3 I
( 1 m o l ) N
C H 2 C H 3
C H 2 C H 3
那么为什么 α -位,γ -位的侧链氢酸性强？
N C
H
H
H C
H
H
HN
=O
O
N
N
C H
2
C H
2
N C H
2
N C H
2
N C H
2
N
C H
2
N
C H
2
N
C H
2
N
C H
2
= =
N
C H
2
=
N
C H
2
=
N
C H
2
=
特 别 稳 定
特 别 稳 定
β - 位
γ - 位
α - 位
30
N C H 3
+ C H 3 C H O
Z n C l 2
N C H 2 C H C H 3
O H
N C H = C H C H 3
H 2 / N i
N C H 2 C H 2 C H 3
毒 芹 碱
4 C l 2 ( - 4 H C l )
N C C l3C l
氮 肥 增 效 剂
N
C H 3
O 2, V 2 O 5 / 硅 酸
o r K M n O 4
N
C O O H
N H 2 N H 2 H 2 O
N
C O N H N H 2
异 烟 酸 异 烟 肼 ( 雷 米 封 )
β- 甲基吡啶
N
C H 3 K M n O
4
N
C O O H N H
3
N
C O N H 2
烟 酸 烟 酰 胺
N
N
C H 3
K M n O 4
N
C O O H
烟 酸N i c o t i n e
31
2,喹啉
喹啉在常温下为无色油状液体,b.p 238℃ 。与吡啶
相似，具有弱碱性 (pkb=9.15)。喹啉的许多衍生物在医药
上具有重要意义，特别是抗疟类药物。
喹啉及其衍生物通常用 Skraup合成法来合成。
C H 2
C H
C H 2
O H
O H
O H
H 2 S O 4
( - H 2 O )
C H O
C H
C H 2 O H
=
H 2 N
N H
C
=O
H
N H
C
H O H
H 2 S O 4
N
H
C 6 H 5 N O 2
N
若用邻羟基苯胺代替苯胺，则可制备 8-羟基喹啉。
32
O H
N H 2 + C H 2 = C H C H O
H 2 S O 4
邻 硝 基 苯 酚 N
O H
N
活 化 环
有 利 于 亲 电 取 代 反 应 的
发 生,且 主 要 发 生 在 5,8 - 位 。
钝 化 环
有 利 于 亲 核 取 代 反 应 的
发 生,且 主 要 发 生 在 2 - 位 。
(1)亲电取代反应
N
H N O 3
H 2 S O 4
N N
N O 2
N O 2
+
H 2 S O 4
2 2 0 ℃
N
S O 3 H
N
B r 2,H 2 S O 4
A g S O 4,
N N
+
B r
B r
B r 2,C C l 4
N
B r
在 酸 性 条 件 下,杂 环 氮 可
接 受 质 子,使 环 更 加 钝 化 。
33
(2) 亲核取代反应
N
N a N H 2
N N H N a
H 2 O
N N H 2
N P h
N a N H 2 H 2 O
N P h
N H 2
(3) 氧化反应
N
K M n O 4
N
C O O H
C O O H N
C O O H
34
含 2个杂原子的六元杂环化合物
一,嘧啶的性质
1、溶解性
易溶于水
2、酸碱性
弱碱性，碱性比吡啶弱
3、环的稳定性
比吡啶环的稳定性强
N
N
35
4、亲电取代和亲核取代
5、加成反应
N
N
N
N
N
N
BrBr
2
130° C
N
N
N
N
NaNH2
NH2
H2,Pt
75° C
反应一般发生在 C5-C6双键处
36
二,嘧啶的衍生物
嘧啶本身不存在于自然界，其衍生物在自然界分布很
广，脲嘧啶、胞嘧啶、胸腺嘧啶是遗传物质核酸的重要
组成部分，微生素 B1也含有嘧啶环。合成药物的磺胺嘧啶
也含这种结构。
N
N
N
N
N
N
O H
H O
O H
H O H O
C H 3
N H 2
尿 嘧 啶 胸 腺 嘧 啶 胞 嘧 啶( U ) ( T ) ( C )
37
稠杂环化合物
稠杂环化合物是指苯环与杂环稠合或杂环与杂
环稠合在一起的化合物。常见的有喹啉、吲哚
和嘌呤。
N N
H
N
N N
H
N
2
3
45
6
7
8
9
1
1
1
2 2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
喹 啉 吲 哚 嘌 呤( Q u i o l i n e ) ( i n d o l e ) ( P u r i n e )
38
一、吲哚
吲哚是白色结晶，熔点 52.5℃ 。极稀溶液有香味，可用
作香料，浓的吲哚溶液有粪臭味。素馨花、柑桔花中含有吲
哚。吲哚环的衍生物广泛存在于动植物体内，与人类的生命、
生活有密切的关系。
吲哚的性质与吡咯相似，也可发生亲电取代反应，取代
基进入 β -位。
N
H
β 吲 哚 磺 酸
B r
2
,O O
0 ℃
C
6
H
5
C O O N O
2
C H
3
C N,0 ℃
N, S O
3
溴 吲 哚
硝 基 吲 哚3
3
N
H
N
H
N
H
B r
N O
2
S O
3
H
7 0 %
3 5 %
39
N
H
C H 2 C H C O O H
N H 2
N
H
C H 3
β
色 氨 酸
构 成 蛋 白 质 的 重 要 成 分
甲 基 吲 哚 （ 粪 臭 素 ）
很 稀 时 有 茉 莉 香 味
分 解
N
H
C H 2 C H 2 N H A cC H 3 O
脑 白 金
M e l a t o n i n e
40
二、喹啉
喹啉存在于煤焦油中，为无色油状液体，放置时逐渐变
成黄色，沸点 238.05℃,有恶臭味，难溶于水。能与大
多数有机溶剂混溶，是一种高沸点溶剂。
1,喹啉的性质
（ 1） 取代反应
喹啉是有吡啶稠合而成的，由于吡啶环的电子
云密度低于与之并联的苯环，所以喹啉的亲电取代反
应发生在电子云密度较大的苯环上，取代基主要进入 5
或 8位。而亲核取代则主要发生在吡啶环的 2或 4位。
N
1, 6 3
0, 7 9
0, 9 3
0, 7 7
1, 0 0
0, 9 5
0, 9 6
0, 9 8
41
N
℃
N
N
N
N
N
N O
2
N O
2
B r
B r
N
S O
3
H
N H N a
N
N H
2
+
+
H
2
O
浓
H N O
3
H
2
S O
4浓浓
+
H
2
S O
4浓
+B r 2
A g
2
S O
4
H
2
S O
4
,2 2 0
K N H
2
.
二 甲 苯
1 0 0
℃
℃0
42
（ 2）氧化还原反应
喹啉用高锰酸钾氧化时，苯环发生破裂，用钠和乙醇
还原是其吡啶环被还原，这说明在喹啉分子中吡啶环
比苯环难氧化，易还原。
N
℃
N
N
H
1 0 0K M n O 4
C H 3 C H 2 O H,N a
C O O H
C O O H
43
2、喹啉的衍生物
喹啉的衍生物在自然界存在很多，如奎宁、氯喹、
罂粟碱、吗啡等。
N
C H
3
O
C HH O
N
C H C H
2
奎 宁 （ 金 鸡 钠 碱 ） 存 在 于 金 鸡 钠 树 皮 中, 有 抗 疟 疾 疗 效
44
N
N
C l
N H
C HH O ( C H 2 ) 3 - N
C 2 H 5
C 2 H 5
C H 2
O C H 3
O C H 3
C H 3 O
C H 3 O
氯 喹 （ 合 成 抗 疟 疾 药 ） 罂 粟 碱
H O
O O H
N
C H
3
1
2
3
4
5 6
7
8
吗 啡
含 一 个 被 还 原 了 的 异 喹 啉 环, 是 从
鸦 片 中 提 取 出 来 的 。
吗 啡 的 盐 酸 盐 是 很 强 的 镇 痛 药, 能
持 续 6 小 时, 也 能 镇 咳, 但 易 上 瘾 。
将 羟 基 上 的 氢 换 成 乙 酰 基, 即 为
海 洛 因, 不 存 在 于 自 然 界 。 海 洛 因 比 吗
啡 更 易 上 瘾, 可 用 来 解 除 晚 期 癌 症 患 者
的 痛 苦 。
45
三、嘌呤
N
N N
H
N N
N N
N H
ⅡⅠ( ) ( )9 H 7 H 嘌 呤嘌 呤
嘌呤为无色晶体, m.p216-217℃, 易溶于水, 其水溶液呈中
性, 但能与酸或碱成盐 。
纯嘌呤环在自然界不存在，嘌呤的衍生物广泛存在于动植物
体内
1．尿酸 存在于鸟类及爬虫类的排泄物中，含量很多，人
尿中也含少量。
H N
N
H
N
H
N H N
N N
H
N
OO
O O H
H O O H
46
2．黄嘌呤 存在于茶叶及动植物组织和人尿中。
H N
N
H
N
H
N N
N N
H
N
O
O O H
H O
3,咖啡碱, 茶碱和可可碱 三者都是黄嘌呤的甲基衍生
物, 存在于茶叶, 咖啡和 可可中, 它们有兴奋中枢作用,
其中以咖啡碱的作用最强 。
N
N N
N
O
O
N
N N
N
O
O
H N
N N
N
O
O
H N C H 3
C H 3C H 3C H 3
C H 3C H 3 C H 3
咖啡碱 茶碱 可可碱
47
4．腺嘌呤和鸟嘌呤 是核蛋白中的两种重要碱基。
N
N N
H
N H N
N N
H
N
H 2 N
ON H 2
