第十八章 杂环化合物

第一节 杂环化合物的分类、命名和结构 第二节 杂环化合物的性质

1、五元杂环化合物及其衍生物 ①呋喃 ②吡咯 ③噻吩 ④糠醛

2 、六元杂环化合物 ①吡啶 ②喹啉和异喹啉3、生物碱

一、物理性质二、化学性质

构成环的原子除碳外还有其它元素原子的一类环状化合物称为杂环化合物。

第一节 杂环化合物的定义、分类、命名和结构

第十八章 杂环化合物

一、定义：

环中的非碳原子叫做杂原子。常见的杂原子有 O、 S、 N、 P等。

杂环化合物是一大类有机物，占已知有机物的三分之一。杂环化合物在自然界分布很广、功用很多，其中许多杂环化合物具有生理活性。例如，中草药的有效成分生物碱大多是杂环化合物；动植物体内起重要生理作用的血红素、叶绿素、核酸的碱基都是含氮杂环；部分维生素，抗菌素；一些植物色素、植物染料、合成染料都含有杂环。

二、分类：

1、芳香性非芳香性杂环化合物

芳香性杂环化合物（ 4n+2π电子）

五元杂环六元杂环

2、环数目 单杂环稠杂环 此外，还可

按环中杂原子的种类和数目分类

本章重点介绍环较稳定的、具有芳香性的杂环化合物中的极少数几个环系中的一些与生物关系密切的杂环化合物。

3、杂环大小

1. 命名原则：三、命名：

① 杂环化合物的命名多采用外文译音 ,在同音汉 字前加“口”旁 ,表示环状化合物。② 杂环上有取代基时，命名时以杂环作母体， 从杂原子开始编号；若按α、 β、 γ… 编 号，则与杂原子相连的碳原子为α位。

③ 如果有多种杂原子 , 按 O、 S、 N次序将前面 的杂原子编为 1号，使其它杂原子编号尽可 能的小。

⑤ 稠杂环一般都有其特定的编号次序。

④ 有相同的多个杂原子时则由带取代基的杂原 子开始，或从离取代基最近的杂原子开始， 使杂原子的位次之和最小。

⑥ 另一种方法是把杂环看作相应的碳环化合物 中的碳原子被杂原子代替的产物进行命名。

按照音译得来的名称与结构间没有联系，而后一种方法则能反映出结构特点，但习惯上还是采用音译名称。只有对无特定名称的杂环才采用后一种方法命名。

① 非芳香性杂环化合物

O O

O

H2

SeSi

四氢呋喃 1,4- 二氧六环 四氢吡咯 六氢吡啶

硅杂 -2,4-环戊二烯

1- 氧 -4- 氮杂环己烷

硒杂环丁烷

NH

NH

2. 命名：

N

O

H

( 吗啡啉 )

O S NH

呋喃（ Furan ） 噻吩（ Thiophene ） 吡咯（ Pyrrole ）　　　　　　　　　 　 　　　

NNH

N

NH

N

O

N

S

吡唑 咪唑 噁唑 噻唑Pyrazole Imidazole Oxazole Thiazole

② 常见芳香性五元杂环化合物（单环）A、含一个杂原子

B、含两个杂原子

五元单环中含多个杂原子的 ,其中至少有一个为氮的叫做唑。

O S NH

苯并呋喃 苯并噻吩 苯并吡咯（吲哚）Benzofuran Thionaphene Indole

S

N

O

N

N

N

H苯并噁唑 苯并噻唑 苯并咪唑Benzoxazole 　 Benzothiazole 　 Benzoimidazole

Ｃ、常见芳香性五元杂环化合物（稠环）

N N

N

N

N

NN

吡啶 哒嗪 嘧啶 吡嗪Pyridine Pyridazine Pyrimidine Pyrazine

③ 常见芳香性六元杂环化合物（单环、稠环）

NN

1

2

3

45

6

7

8N 1

45

8 9

10

喹啉 异喹啉 吖啶Quinoline Isoquinoline Acridine2

NN1 3

4

567

8

9

10NN

1

2

3 酞嗪 Phthalazine

1,10-菲咯啉 1,10-phenanthroline

N

SH3C

N

OH3CO1

12 2

3 34 4

55

67

5-甲基噻唑 6-甲氧基苯并噁唑

N1

2

34

5

6

O1

2

34

5

γ

α

β

α

β

④ 其它芳香性杂环化合物的命名编号

呋喃 　　　　　　 　　 吡啶　　　

Furan 　　　　　　 　 　 Pyridine

⑤ 有些稠杂环化合物的命名，还可以把它们以相应的 其它化合物来命名。如：吲哚、嘌呤的母体碳环是 茚，可用“某杂茚”命名；而相应于苯并吡喃、喹啉、 异喹啉的母体环则是萘，可用“某杂萘”命名。

茚 吲哚氮杂茚

嘌 呤1 ， 3， 7， 9- 四氮杂茚

NH

1 2

3

45

6

7

N

N NH

N1

2

34

56

7

89

O N

NN

NN

N

萘 苯并吡喃氧杂萘

喹啉1-氮杂萘

异喹啉2-氮杂萘

喋啶1， 3， 5， 8- 四氮杂萘

1

1 1

2 2

34 5

6

7

8

四、结构和芳香性

O

S

NH

S

O

NH

¦° 56

¦Ð

Ϊ ¹² éî Ìå ϵ

µç×Ó= 6

·û ºÏ 4n + 2

¾ßÓз¼ÐÔ

¸» µç×Ó·¼»·

呋喃 :

噻吩 :

吡咯 :

1. 结构

② 在结构上具有共同点，即构成环的五个原子 都为 sp2 杂化， 故成环的五个原子处在同一 平面，杂原子上的一对孤对电子与每个碳原 子 P轨道上的一个电子形成共轭体系，其π电 子数符合休克尔规则（ 4n+2 ），所以，它们 都是典型的五元芳杂环化合物 ,具有芳香性。

① 从呋喃、噻吩、吡咯的经典结构式来看，它 们具有共轭二烯烃的结构，具有醚、硫醚、 胺的化学性质，但它们除有加成反应倾向外， 其典型的化学性质却与苯类似。

O 或 N上的孤电子对在 P轨道上，参与环内共轭，使环上碳原子的电子云密度增加，并大于苯环中碳原子的电子云密度，故称为富电子芳杂环或多π芳杂环。

N HO ：

吡啶也是一种典型芳香性杂环化合物，具有和苯非常相似的骨架结构和 π 电子结构。

③

N 上的孤电子对在 SP2轨道上，在环外未参与环内共轭，故其π电子数也符合休克尔规则，具有芳香性。但在吡啶分子中，因 N 的电负性大于 C，环上 C的 π电子流向 N ，使吡啶环上的电荷分布不均，环上 C的电子云密度降低，并小于苯环中 C的电子云密度，故称为缺电子芳杂环或缺 π芳杂环。

N N

C_ sp2

N_ sp2

成环原子共平面

π6

6

体系N

¦Ä+

¦Ä ¦Ä

¦Ä

++

-

¦Ã

N ¦Á

¦Â

1.43

0.84

1.01

0.87

µçºÉ·Ö²¼

Ç×µçÈ¡´ú

Ç׺ËÈ¡´ú

N >

¦Â

¦Â ¦Á ¦Ã

¦Ã¦Á£¬

> >

λ

λ

呋喃、吡咯、噻吩、吡啶等虽都有芳香性，但由于它们结构的不同导致它们的芳香性存在差异，并且与苯的芳香性也不尽相同。

N

0.140nm 0.139nm

0.134nm

2. 芳香性比较

从以上数据可以看出，这些杂环化合物的键长都有平均化的趋势，但却不同于苯。由于它们环中都存在与 C原子电负性和原子结构不同的杂原子，使得环上的π电子云分布不均匀，因此它们的芳香性都比苯小，而且芳香性随着杂原子电负性的增加而减小。具体次序为：

苯 > 噻吩 > 吡咯 > 呋喃 > 吡啶

富电子芳杂环和缺电子芳杂环芳香性不同，在化学性质上也有明显的表现。如：富电子芳杂环的亲电取代主要发生在电子云密度更为集中的α位，且比苯易进行；缺电子芳杂环的亲电取代反应主要发生在电子云更为集中的β位，且比苯难进行。

第二节 杂环化合物的性质

一、物理性质

大部分杂环化合物不溶于水，易溶于有机溶剂。相对分子质量不太大的杂环化合物绝大多数为液体，个别为固体。都具有特殊气味。

二、化学性质

杂环化合物能发生亲电取代反应、加成反应、氧化还原反应等，并具有一定的酸碱性。

A、呋喃、吡咯和噻吩等五元杂环化合物由于环中五个 原子共用 6个电子，故 π电子云密度比苯环上大， 比苯容易进行亲电取代反应（其活泼性同苯酚、苯 胺相似），亲电取代反应的活性顺序为： 吡咯 > 呋喃 > 噻吩 > 苯。且 α位比 β位活泼。

（一）五元杂环化合物及其衍生物的化学性质

B、由于它们的高度活泼性以及呋喃和吡咯对于无机强 酸的敏感性（酸性环境下易发生分解、开环甚至聚 合等），其亲电取代反应必须对试剂及反应条件有 所选择和控制，必须在比较温和的条件下进行。

1. 五元杂环化合物(1) 亲电取代反应

S+ CH3COONO2

oC0Ac2O AcOH S

NO2

S NO2

+

66% 10%

O+ Br2

1,4- ¶þÑõÁù»·

25Co O Br

75 %

由于吡咯比呋喃活性大，故吡咯在卤代时常生成四卤代物。

① 卤代反应 : 不需要催化剂，要在较低温度进行。

② 硝化反应 : 不能用混酸硝化，一般是用乙酰基硝 酸酯 (CH3COONO2)作硝化试剂 , 在低温

下进行。

+

HN

100 Co

N

SO3

+

-90%H

N SO3H

S+ H2SO4 -SO3HS

+ H2O

S

③ 磺化反应 : 呋喃、吡咯不能用浓硫酸磺化，要用 特殊的磺化试剂—吡啶三氧化硫的络合物。

噻吩可直接用浓硫酸磺化，生成的噻吩 -2-磺酸能溶于硫酸 ,经水解又可得到噻吩。

呋喃和吡咯在用浓硫酸磺 化或用混酸硝化时，得到的是焦油状的聚合物。这可能是因强酸的 H+ 与电负性强的环氮杂原子或氧原子结合，破坏了杂环的π键，使之失去了杂环的芳香性而显出环状二烯的特性，而发生聚合作用；噻吩用混酸硝化时，反应激烈使杂环破裂；吡咯杂环极易被氧化，甚至在空气中也很快被氧化而变黑（与苯胺相似）。

④ Friedel-Crafts酰基化

NH

+ Ac2O150 200 Co 60%

N COCH3H

+ Ac2OBF3,ÒÒÃÑ

0oC O COCH3O

+ Ac2O

S COCH3S

H3PO4,催化

呋喃等五元杂环化合物的芳香性比较弱 , 除进行亲电取代反应外；还易与氢气发生亲电加成反应，但由于它们芳香性的大小不同，有的容易加成，有的较难。如：呋喃、吡咯和噻吩都能催化氢化，呋喃较易氢化，并很快生成 THF，而噻吩可停留在二氢化阶段。

O

NH

S

H2, Ni or Pd

H2, Ni or Pd

H2, Ni

O

NH

S

ËÄÇâß»à«

ËÄÇâßÁ¿©

( THF )

²» ÄÜÓà ´ß »¯

Òòàç ·ÔÄÜ Ê¹Öж¾

Pd

Pd

(2) 亲电加成反应

(3) 呋喃、吡咯的特性反应 ① 呋喃易起 Diels-Alder 反应

O O

O

O

+30¡æ

O

O

O

OO

OO

O

+

ÄÚʽ Íâ ʽ(90%)

噻吩与含乙炔键的亲双烯试剂加成，双烯加成产物通常不稳定，失硫而得苯的衍生物；吡咯不发生 D-A反应，但典型的亲二烯试剂如顺丁烯二酸酐、丁炔二酸酯能与之发生迈克加成反应。

② 吡咯的弱酸性和弱碱性 吡咯虽然是一个仲胺，但碱性很弱，远低于仲胺，比苯胺还弱得多。（碱性电离常数很小，只能很慢地溶解在冷的稀酸溶液中，此溶液稍加热则成吡咯红，浓酸则使吡咯树脂化。） 碱性弱是由于氮上的一对 P电子参与环上的共轭体系，减弱了与 H+ 的结合力。相反，氮原子上的氢原子则有明显的酸性。其酸性介与乙醇和苯酚之间。

吡咯能与固体氢氧化钾或金属钾加热成为钾盐，与格式试剂作用放出 RH而生成吡咯卤化镁。

吡咯钾盐、吡咯卤化镁可用来合成吡咯衍生物

NH

KOHNK

£¨ ¹Ì Ìå £©

ÈÈ

RCOCl

RI

NCOR

NR

NH

COR

NH

R

NH

RMgX

NMgX¸ÉÒÒÃÑ

RCOCl

RI

NCOR

NR

NH

COR

NH

R

呋喃：遇盐酸浸湿的松木片呈绿色；

吡咯：其蒸气遇盐酸浸湿的松木片呈红色；

借此可检验吡咯、呋喃及其低级衍生物。

③ 松木片反应

噻吩和吲哚醌在硫酸作用下呈蓝色。

CHOO 400 oC

ZnO Cr2O3-MnO2£¬

O

（糠醛）

+ H2O

（四氢糠醇，具有 醇 和 醚 的 性质）

呋喃最重要的衍生物是呋喃甲醛，俗称糠醛。无色透明液体，由农副产品如甘蔗杂渣、花生壳、高粱杆、棉子壳（含有戊多糖）……用稀酸加热蒸煮制取。

H2, Ni

CHOO O -CH2OH

鉴别反应：苯胺醋酸盐与糠醛作用，显深红色，可 以用于糠醛或戊糖的鉴别。

2. 五元杂环衍生物 --糠醛（ α- 呋喃甲醛）

① 氧化还原反应

OCHO

KMnO4 Èõ¼îÐÔ

CuO, Cr2O3

150 10MPa¡æ,

V2O5 - MoO

320 ¡æ,O2,

OCH2OH

OCOOH

O OO+ CO2 + H2O

糠醛的性质，同无α-H的醛的一般性质。

③ 羟醛缩合反应

OCHO O

CH=CHCHO+Ï¡ ¼î

CH3CHO 

④ 安息香缩合反应

OCHO

OCH

´¼ÈÜÒºKOHC

O

OHO

 

② 歧化反应

OCHO

OCH2OH

OCOOH +Ũ¼î

（糠醇）（糠酸）

1. 吡啶

吡啶是典型六元芳香杂环化合物 ,有毒。

（二）六元杂环化合物的化学性质

由于氮原子电负性比碳的大 , 吸电子诱导效应和共轭效应，使吡啶环上的电子云密度较低，故吡啶在亲电取代反应中很不活泼，比苯的取代难得多，其亲电取代反应与硝基苯类似，不起傅 -克酰基化和烷基化反应，β-碳上电子云密度相对大些，一般需要强烈条件，且主要发生在β-位。

N £¬

H2SO4

Co£¬

230

HgSO4

70% N

SO3

H

+

-

吡啶的亲电取代反应示例 :

① 磺化 :

N

H2SO4 KNO3

Fe 330Co£¬

£¬£¬ 22%N

NO2

② 硝化 :

Co

N

Br2

300+

N

BrBr

N

Br

③ 卤化 :

吡啶和硝基苯一样不发生傅－克反应。

吡啶环连的推电子基时，有利于亲电取代反应的进行，但反应活性仍低于相应的苯系化合物。

④ 氧化反应

吡啶环对氧化剂稳定，一般不被酸性高锰酸钾、酸性重铬酸钾氧化，通常是侧链烃基被氧化成羧酸。

N N

NN

ßÁ़×Ëᣨ ÑÌËᣩ

CH3 KMnO4 / H

HNO3

COOH

COOH

¦Á

¦Â

ßÁ़×Ëá

吡啶环之所以对氧化剂稳定，是因为 N原子电负性大，环上的π电子云向氮偏移，使环上的五个 C原子的电子云密度降低，而在酸性溶液中则 N原子与 H+ 的结合成为氮正离子，环的碳原子上的电子云密度降得更低，故对氧化作用比苯环稳定。 同时因为吡啶为第三胺，所以易被过氧化物溶液氧化成氧化物。

N

H2O2 + CH3COOH

N

O

⑤ 吡啶可被催化加氢为六氢吡啶（哌啶）。

Co

N

+ 3H2

N

Ni

180H

　 吡啶环对还原剂则比苯环活泼。六氢吡啶的碱性（ pKb=2.7）比一般脂肪族仲胺略强。

⑥ 吡啶环的电子云密度下降后，使吡啶环上易发生亲核取代反应，且发生在 α 位上。

N

NaNH2

N NHNa

H2O

N NH2

N

C6H5Li

N C6H5

吡啶氮原子上的未共用电子对不参与π-体系，这对电子可与质子结合，因此吡啶的碱性（ pKb=8.8）较吡咯强，也比苯胺（ pKb=9.3 ）略强 , 但比脂肪胺弱。

⑦ 碱性

吡啶易与酸和活泼的卤代物成盐 , 碱化后恢复原物。

N+ HCl N HCl

N

NH3

N+ SO3

CH2Cl2N SO3 (90%)

´Ë·´ Ó¦³£ ÓÃÓÚ

ÔÚ·´ Ó¦ÖÐÎü ÊÕ

Éú³ÉµÄÆø̬Ëá

ÊÒÎÂßÁà¤ÈýÑõ»¯ÁòÂçºÏ Îï

Êdz£ ÓõĻº ºÍ »Ç»¯¼Á

2. 喹啉和异喹啉

与吡啶类似 , 喹啉和异喹啉都有弱碱性。 喹啉和异喹啉的亲电取代反应（如硝化、磺化、溴化等）比吡啶容易，亲电试剂主要进攻苯环部分（ 5- 或 8- 位）。 亲核取代反应则发生在吡啶环上，其中喹啉主要在 2-或 4- 位取代，而异喹啉主要在 1-位。

喹啉和异喹啉都是苯并吡啶。

N N1

2

345

6

781

2

345

6

78

N¡æ

NN

N

N

N

NO2

NO2

Br

Br

NSO3H

NHNaN

NH2

+

+

H2O

Ũ

HNO3 H2SO4ŨŨ +

H2SO4Ũ+Br2

Ag2SO4

H2SO4, 220

KNH2. ¶þ¼×±½

100 ¡æ

¡æ0

① 取代反应

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

¡æ

N

NH

100KMnO4

CH3CH2OH, Na

COOH

COOH

③ 喹啉环合成法—斯克劳普法

斯克劳普法：用苯胺与甘油、浓硫酸及一种氧化 剂如硝基苯共热引起剧烈的放热反 应生成喹啉。

NH2

+

CH2OH

CHOH

CH2OH

Ũ Áò Ëá

Ïõ »ù ±½ £¬ N

该反应的过程是：

CH2OH

CHOH

CH2OH

Ũ Áò Ëá-H2O

CH2

CH

CHO

a .

Ïõ »ù ±½

N

-H2O ¹Ø »·

NHCH2

CHHC

-2H

b .NH2

+ CH2

CH

CHO

NHCH2

CH2

OHC

NHCH2

CH

HO-HC

HÏ© ´¼ »¯

程

喹啉衍生物的合成多采用斯克劳普法，如苯胺环上间位有推电子基团，则在推电子基的对位关环，得到 7- 取代喹啉；如苯胺环间位上有拉电子基团，则在拉电子基的邻位关环，得到 5- 取代喹啉。

NY1 N

Y2

7- 取代喹啉 5- 取代喹啉Y1推电子基团 Y2拉电子基团

3. 生物碱

物理性质 :其碱性大多是因为含有氮杂环，但也有少数 非杂环的生物碱。生物碱大多为固体，可溶 于乙醇等有机溶剂，有旋光活性。

定义 :一类存在于生物体中的结构复杂，并具有很强的 生理作用的含氮碱性有机物。

化学性质 :1.沉淀反应 : 丹宁、苦味酸、磷钨酸、磷钼酸、碘化汞 钾（ HgI2+KI）等 ,可以使生物碱由水中沉淀出来。

2.颜色反应 : 硫酸、硝酸、甲醛及氨水可与生物碱发生 颜色反应，可用于生物碱的鉴定。