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LogsX
Chapter 15
杂环化合物
Heterocyclic compounds
主讲：唐伟方
|
杂环化合物 (Heterocyclic Compounds) 是指构成环的原子除了碳原子之外还有其它原子的环状化合物。杂环中除碳原子以外的原子都叫做杂原子。最常见的杂原子是氮、氧和硫 |
概 述
|
本章讨论比较稳定、具有一定程度芳香性
（π键电子数：4n＋2）的杂环化合物，这
类化合物具有芳香性，通称为芳（香）杂环 化合物（aromatic heterocycles） |
苯 吡啶 吡咯 呋喃
|
一、分类和命名 |
|
杂环化合物可按环的大小：
五元杂环和六元杂环
按杂环中杂原子数目的多少：
含有一个杂原子和含有两个以上杂原子的杂环
按环的形式： 单杂环和稠杂环 |
1. 分类
1. 分类
2. 命名
|
杂环化合物的命名按IUPAC 命名原则规定, 保
留特定的45个杂环化合物的俗名和半俗名并作
为命名的基础。以此原则为准，我国多采用“音
译法”，即按英文名称的读音，选用同音口字旁
的汉字 （“口”字旁表示为杂环）对杂环化合物 进行命名 |
命名时需要记住母环名称，编号时不同的母环
有不同的编号方法
呋喃(furan)
噻吩(thiophene)
吡咯(pyrrole)
O
1
2
3
4
α
β
5
α
β
S
1
2
3
4
5
α
β
β
α
5
N
H
1
2
3
4
α
α
β
β
（1） 含一个杂原子的五元环
当环上有取代基时，对环上的原子编号，
从杂原子开始，使取代基位号尽可能小。
5－硝基－2－呋喃甲醛
2－噻吩磺酸
S
S
O
3
H
O
O
2
N
CHO
（2） 含两个杂原子的五元环
异噻唑(isothiazole)
吡唑(pyrazole)
异噁唑(isoxazole)
编号从杂原子开始，选择杂原子的顺序为：
－O－ ＞ －S－ ＞ －NH－ ＞ －N=
1
2
3
4
5
N
O
1
2
3
4
5
N
S
N
N
H
1
2
3
4
5
噁唑(oxazole)
噻唑(thiazole)
咪唑(inidazole)
N
O
1
2
3
4
5
N
S
1
2
3
4
5
N
N
H
1
2
3
4
5
2－乙基噻唑
5－硝基咪唑
（3） 含一个杂原子的六元环
吡啶(pyridine)
吡喃(pyran)
γ-吡喃酮
(γ-pyrone)
α-吡喃酮
(α-pyrone)
N
1
2
3
4
5
6
O
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
O
O
1
2
3
4
5
6
O
O
α
β
γ
α
β
γ
γ
γ
α
α
β
β
2－甲基吡啶
α－甲基吡啶
4－吡啶甲酸
γ－吡啶甲酸
（4） 含两个杂原子的六元环
哒嗪(pyridazine)
嘧啶(pyrimidine)
吡嗪(pyrazine)
1
2
3
4
5
6
N
N
N
N
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
N
N
2－氨基嘧啶
2,4－二羟基嘧啶
（5） 稠杂环命名
喹啉
(quinoline)
异喹啉
(isoquinoline)
苯并吡喃(benzopyran)
苯并--吡喃酮
(benzo--pyrone)
嘌呤(purine)
吲哚 (indole)
N
1
2
3
4
5
6
7
8
N
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
O
O
O
N
H
1
2
3
4
5
6
7
N
N
N
H
N
1
2
3
4
5
6
7
8
9
α
β
N
S
O
3
H
I
O
H
2－吲哚乙酸
7－碘－8－羟基－5－喹啉磺酸
（6） 几点说明
|
* 有的环有两种或多种异构体，为了区别，还必须
标明环上一个或多个氢原子所在的位置，即在名
称前面加上标位的阿拉伯数字及斜体大写的“ H ”。 这种氢则称为“指示氢”或“标氢” |
1H－吡咯 3H－吡咯
4H－吡喃 2H－吡喃
1H－吲哚 3H－吲哚
* 含活泼氢的杂环及其衍生物，可能存在互变异
构体，结构不同，名称也异，命名时需要标明其
两种可能的位号
9H－嘌呤
7H－嘌呤
5－甲基吡唑
3－甲基吡唑
2,4－二羟基嘧啶
2,4－嘧啶二酮
N
N
N
H
N
N
N
N
H
N
N
H
N
H
3
C
N
N
H
H
3
C
N
N
H
O
O
H
H
N
N
H
O
O
|
一、分类和命名 |
|
二、六元杂环化合物 |
1. 吡啶
（1）电子结构和芳香性
氮的电负性较强，使环上电子云不是完全平均化；
靠近N周围电子云密度较大。芳香性比苯小。
N
1
.
4
3
0
.
8
4
1
.
0
1
0
8
7
.
1
.
0
0
1
.
0
0
N
=2.20D =1.17D
N
H
N
|
吡啶具有较大的极性，吡啶氮原子上的未共用
电子对可以与水形成氢键 ，与水能以任意比例
混溶，又能溶解大多数极性或非极性有机化合 物，甚至许多无机盐类，是一个良好的有机溶剂 |
（2）物理性质
（3）化学性质
a. 碱性与成盐
p
K
b
3
.
3
6
4
.
7
5
8
.
8
9
.
3
|
通过氮原子上的未共用电子对，吡啶可以与酸及
其它亲电试剂发生反应。与许多质子酸生成结晶 的盐，可用作碱性溶剂和脱酸剂（缚酸剂） |
N
+
C
H
3
I
N
C
H
3
I
N
+
S
O
3
N
S
O
3
»ò
N
S
O
3
N
+
H
C
l
N
H
C
l
或
N
H
C
l
a. 碱性与成盐
b. 亲电取代反应
N
2
0
%
N
N
O
2
浓HNO3,浓H2SO4
300ºC，24h
7
0
%
N
S
O
3
H
发烟H2SO4, HgSO4
220ºC
N
B
r
3
9
%
300ºC
Br2, 沸石
a. 碱性与成盐
b. 亲电取代反应
c. 亲核取代反应
亲核取代优先在α位上发生，如果α位上有取代基，则 反应在γ位上发生。常需用强碱性的亲核试剂（如NaNH2, RLi等）
N
N
N
H
2
N
H
3
h
e
a
t
+
N
a
N
H
2
N
+
L
i
P
h
N
P
h
a. 碱性与成盐
b. 亲电取代反应
c. 亲核取代反应
d. 氧化还原反应
吡啶环本身不易被氧化，但它的侧链很容易被氧化
成醛或羧酸
N
C
H
3
K
M
n
O
4
O
H
,
h
e
a
t
N
C
O
O
H
|
吡啶与过氧羧酸或过氧化氢作用时，可得到
合成上很有用的中间体吡啶 Ｎ-氧化物吡啶
Ｎ-氧化物与吡啶不同，它进行亲电取代反应
比较容易，同时也能进行亲核取代反应，且 取代反应都发生在 a－位或 γ－位 |
|
Ｎ-氧化物常用来活化吡啶和起定位作用， 为合成某些取代吡啶提供了一条可行的途径 |
N
H
2
O
2
/
A
c
O
H
,
6
5
C
°
o
r
C
H
3
C
O
3
H
N
O
N
O
H
N
O
3
,
H
2
S
O
4
9
0
C
°
N
O
N
O
2
P
C
l
3
N
N
O
2
H
O
C
2
H
5
N
O
O
C
2
H
5
P
C
l
3
N
O
C
2
H
5
N
a
O
C
2
H
5
|
吡啶缺电子，加氢还原比苯容易，既可被催化加氢 还原，还可被化学试剂还原 |
pKa： 8.8 11.2
N
H
2
,
P
t
°
2
5
C
,
0
.
3
M
P
a
N
H
1. 吡啶
2. 喹啉和异喹啉
|
（1）结构与物理性质 |
|
喹啉和异喹啉可看成是萘的含氮类似物。 二者分子中氮
原子上的未共用电子对均位于sp2杂化轨道，碱性与吡啶 相近。喹啉的pKa为4.9，异喹啉的pKa为5.4。 |
|
（1）结构与物理性质 |
|
（2）亲电取代反应 |
N
浓
H
N
O
3
浓
H
2
S
O
4
0
C
°
N
N
+
N
O
2
N
O
2
浓
H
2
S
O
4
N
N
S
O
3
H
|
（1）结构与物理性质 |
|
（2）亲电取代反应 |
|
（3）亲核取代反应 |
|
（4）氧化还原反应 |
N
K
M
n
O
4
H
,
h
e
a
t
H
O
O
C
H
O
O
C
N
N
H
2
,
P
t
N
H
H
2
,
P
t
N
H
|
（1）结构与物理性质 |
|
（2）亲电取代反应 |
|
（3）核亲取代反应 |
|
（4）氧化还原反应 |
|
（5）喹啉合成－斯克劳普(Skraup)法 |
苯胺、甘油、硫酸和硝基苯等氧化剂一起作用，
生成喹啉的反应称为斯克劳普反应
H
2
S
O
4
N
H
2
+
C
H
O
H
C
H
2
O
H
C
H
2
O
H
N
N
O
2
+
F
e
S
O
4
|
反应过程包括如下步骤： |
H＋
C
H
O
H
C
H
2
O
H
C
H
2
O
H
H
2
S
O
4
F
e
S
O
4
C
H
C
H
O
C
H
2
N
H
2
+
C
H
C
H
C
H
2
O
N
H
O
H
N
H
O
N
H
H
O
H
N
H
O
H
H
N
H
O
H
2
H
-
H
2
O
N
H
+
N
O
2
N
H
N
H
+
N
H
2
1. 吡啶
2. 喹啉和异喹啉
3. 含两个N原子的六元杂环（二嗪类）
哒嗪 嘧啶 吡嗪 (pyridazine pyridine pyrazine)
尿嘧啶 胞嘧啶 胸腺嘧啶
(RNA) (RNA/DNA) (DNA)
1. 吡啶
2. 喹啉和异喹啉
3. 含两个N原子的六元杂环（二嗪类）
4. 含O原子的六元杂环
4H－吡喃 2H－吡喃
γ－吡喃酮 α－吡喃酮
O
O
O
O
C
H
3
I
C
H
3
I
O
O
H
3
C
C
H
3
C
H
3
I
O
O
C
H
3
H
3
C
C
H
3
I
香豆素 色酮
黄酮
呋喃(furan)
噻吩(thiophene)
吡咯(pyrrole)
O
1
2
3
4
α
β
5
α
β
S
1
2
3
4
5
α
β
β
α
5
N
H
1
2
3
4
α
α
β
β
三、含一个杂原子的五元环
当环上有取代基时，对环上的原子编号，
从杂原子开始，使取代基位号尽可能小。
|
由于环上原子电负性不同，键长不是完全平均化，
其芳香性不如苯环；杂原子共轭效应是给电子的。
诱导效应是吸电子的。
芳香及饱和五元杂环的偶极矩方向及数值如下 |
S
-
6
.
3
3
x
1
0
3
0
C
.
m
-
3
0
.
5
.
7
6
x
1
0
C
m
1
.
7
0
x
1
0
-
3
0
C
.
m
5
.
2
5
x
1
0
-
3
0
C
.
m
O
6
.
0
3
x
1
0
-
3
0
C
.
m
-
2
.
3
3
x
1
0
3
0
C
.
m
O
S
N
H
N
H
|
三个五元杂环都能溶于有机溶剂，水溶解度
都小于六元杂环吡啶，这是由于杂原子与水
分子缔合的倾向减弱所致，它们的水溶解度
顺序为：
吡咯 ＞ 呋喃 ＞ 噻吩 |
|
1. 酸碱性 |
吡咯虽具有仲胺结构，但几乎不具有碱性，相反，
吡咯氮上的氢却因此变得较活泼，显示出弱酸性，
其 pKa=17.5。
吡咯能与强碱如金属钾及固体氢氧化钾共热成盐：
N
H
+
K
O
H
N
K
+
+
H
2
O
pKa=7.4
|
1. 酸碱性 |
|
2. 亲电取代反应 |
这三个化合物是5原子6电子的富电子芳香体系，
其亲电取代反应活性较强。吸电子诱导：
O(3.5) > N(3.0) > S(2.6)
给电子共轭：
N > O > S
综合：N贡献电子最多，O其次，S最少。亲电取
代活性：
|
三种五元芳杂环较易发生亲电取代反应，但它们对氧
化剂、酸性介质也很敏感，特别是吡咯和呋喃遇强酸
时，容易发生聚合、氧化、开环等副反应，必须用特 殊的试剂。 |
|
苯 ＞ 噻吩 ＞ 吡咯 ＞ 呋喃 |
稳定性和芳香性顺序：
|
（1）卤代反应 |
O
O
C
l
O
C
l
C
l
+
C
l
2
-
4
0
C
°
S
S
B
r
B
r
2
,
A
c
O
H
S
I
2
K
I
H
g
O
O
I
I
I
I
|
呋喃与卤素反应几乎是爆炸式地完成，反应需在
低温、试剂的浓度很低的条件下，才可以顺利进
行。吡咯的活性与苯胺相似，容易生成多卤代物。 与等摩尔的SOCl2进行氯化，也可得到一氯代吡咯 |
N
H
+
S
O
C
l
2
N
H
C
l
8
0
%
0ºC
|
（1）卤代反应 |
|
（2）硝化反应 |
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
+
H
N
O
3
C
H
3
C
O
C
C
H
3
O
O
C
H
3
C
O
N
O
2
+
C
H
3
C
O
O
H
O
S
A
c
O
N
O
2
0
o
C
A
c
2
O
/
A
c
O
H
S
N
O
2
+
S
N
O
2
6
0
%
1
0
%
|
（1）卤代反应 |
|
（2）硝化反应 |
|
（3）磺化反应 |
吡咯、呋喃不太稳定，须用温和的磺化试剂磺化。
常用的温和的非质子的磺化试剂有： 吡啶与三氧化硫
的加合化合物。噻吩比较稳定，既可以直接磺化（产
率稍低），也可以用温和的磺化试剂磺化。
N
+
S
O
3
N
S
O
3
C
H
2
C
l
2
室温
N
O
O
S
O
3
H
O
S
O
3
-
N
+
H
C
l
S
O
3
C
H
2
C
l
2
室温
S
室温
9
8
%
H
2
S
O
4
S
S
O
3
H
|
吡咯的性质与苯酚的性质很相似，如可以发生瑞
默尔－梯门反应（Reimer-Tiemann）和与重氮盐 偶合反应 |
N
H
P
h
N
2
+
C
l
-
C
H
C
l
3
2
5
%
K
O
H
E
t
O
H
,
H
2
O
N
H
N
H
C
H
O
N
H
N
N
C
6
H
5
|
（1）卤代反应 |
|
（2）硝化反应 |
|
（3）磺化反应 |
|
（4）傅克酰基化反应 |
|
（5）呋喃的特殊反应 |
|
呋喃的离域能较小，环的稳定性较低，其
芳香性是几个芳杂环中最差的，所以呋喃
具有明显的共轭二烯性质，可以发生双烯
加成类型的反应（Diels-Alder反应）。吡 咯也能发生类似的反应 |
O
S
N
H
H
2
/
N
i
o
r
P
d
H
2
/
M
o
S
2
H
2
/
P
d
O
S
N
H
四氢呋喃
THF
|
呋喃、噻吩、吡咯均可催化氢化，得到饱和杂环化 合物。由于噻吩能使催化剂中毒，需使用特殊催化剂 |
|
1. 酸碱性 |
|
2. 亲电取代反应 |
|
3. 催化加氢 |
|
1. 酸碱性 |
|
2. 亲电取代反应 |
|
3. 催化加氢 |
|
4. 糠醛 |
A
g
(
N
H
3
)
2
+
O
C
H
O
C
H
3
C
O
O
N
a
(
C
H
3
C
O
)
2
O
浓
N
a
O
H
O
C
O
O
H
O
C
H
C
H
C
O
O
H
+
O
C
H
2
O
H
O
C
O
O
H
1. 吡咯、呋喃、噻吩
2. 吲哚
吲哚 (indole)
N
H
1. 吡咯、呋喃、噻吩
2. 吲哚
3. 含两个杂原子的五元杂环
吡唑(pyrazole)
N
N
H
噁唑(oxazole)
N
O
噻唑(thiazole)
N
S
异噁唑(isoxazole)
N
O
咪唑（imidazole)
互变异构:
1
|
一、分类和命名 |
|
二、六元杂环化合物 |
|
三、五元杂环化合物 |
|
四、嘌呤 |
1
2
2
3
4
5
6
7
8
9
1
3
4
5
6
7
8
9
9H－嘌呤
7H－嘌呤
（6）无特定名称的稠杂环
|
没有上述特定名称的稠杂环命名时通常把稠杂环看
作是二个单杂环并合在一起，一个环选定为基本环
（或母体），它的名称作为“词尾”；另一个环则为
附加环（或取代环），其名称作为“词首”，中间加 一个“并”字 . |