有机化学 Organic Chemistry 延安大学化工学院 有机化学教研室

第 二十 章 杂环化合物 (Heterocyclic compounds) 一.吡啶 二.喹啉、异喹啉 三.吡 咯 、呋喃、噻吩 四.吲 哚 　　　　　杂环化合物 (Heterocyclic compounds) 一.吡啶 二.喹啉、异喹啉 三.吡 咯 、呋喃、噻吩 四.吲 哚 五.含两个以上杂原子的五元杂环 六. 嘌呤

概述： 杂环 杂环化合物 来源、用途 杂环化合物分类： 第一类：无芳香性的杂环化合物 例： 四氢呋喃 丁二酸酐 四氢吡咯 六氢吡啶 第二类：具有一定程度的芳香性的杂环化合物 呋喃 吡咯 吡啶

芳杂环的数目很多，可根据环大小、杂原子的多少以及单环和稠环来分类。 分类和命名 芳杂环的数目很多，可根据环大小、杂原子的多少以及单环和稠环来分类。 常见的杂环为五元、六元的单杂环及稠杂环。 稠杂环是由苯环及一个或多个单杂环绸合而成。 命名：采用外文名的音译，用带“口”字旁的同音汉字表示。 1. 五元杂环 β 4 3 β α α 5 2 1 thiophene pyrrole furan 呋喃 噻吩 吡咯

五元环中含两个或两个（至少有一个氮原子）以上的杂原子的体系称唑。 例： imidazole pyrazole thiazole oxazole 咪唑 吡唑 噻唑 噁唑 2. 六元杂环 pyridine pyrimidine pyridazine pyrazine 吡啶 嘧啶 哒嗪 吡嗪

3. 稠杂环 quinoline isoquinoline purine indole 喹啉 异喹啉 吲哚 嘌呤

一. 吡啶 1. 结构和物理性质 N：sp2杂化 氮上还有一对电子未参与共轭，易接受质子，具有碱性。 碱性：脂肪胺＞吡啶＞芳香胺 吡啶是一个无色有恶臭的液体，与水及许多有机溶剂，如乙醇、乙醚等混溶，是良好的溶剂。 2. 化学性质 碱性 亲电取代 氮上未成键电子对 芳环 亲核性 亲核取代

1). 吡啶环上氮的碱性及亲核性 + 应用： + + 2). 吡啶环上亲电取代反应 与苯环比较吡啶环是缺电子的芳香杂环，性质类似于硝基苯，它不能进行傅氏烷基化和酰基化反应。

亲电取代位置在3-或5-位进行，为什么？ 3-溴吡啶 3-吡啶磺酸 3-硝基吡啶

3). 吡啶环上亲核取代反应 + + + + + + 啶环 2位上的负氢离子能被取代。 吡啶环上2位的负氢离子被亲核性极强的氨基负离子取代，同时有氢气放出，称齐齐巴宾（Chichibabin）反应。 + +

Hantzsch（汉栖）合成法：β-酮酸酯、醛和氨缩合。 4）还原 六氢吡啶（哌啶） 3. 吡啶环合成 Hantzsch（汉栖）合成法：β-酮酸酯、醛和氨缩合。

第一步： β-酮酸酯和醛发生羟醛缩合 + 第二步：发生迈克加成 +

第三步：关环，生成二氢吡啶环 第四步：二氢吡啶环脱氢，生成吡啶衍生物

二. 喹啉、异喹啉 isoquinoline quinoline 异喹啉 喹啉 喹啉、异喹啉的性质与吡啶相似，具有弱碱性。 喹啉 pKa=4.94 异喹啉 Ka=5.40 1. 喹啉及其衍生物的合成 Skraup（斯克洛浦）合成法：将芳香族伯胺与甘油同硫酸和一种氧化剂（如：硝基苯、五氧化二砷、氧化铁等）一起加热，即可得喹啉及其衍生物。

+ 反应过程： ①. 甘油在浓硫酸（或磷酸）作用下脱水生成丙烯醛， 也可直接用α，β-不饱和醛或酮。

②. 苯胺与丙烯醛发生迈克加成 + ③. 质子化的醛对苯环进行亲电取代反应

④. 1, 2-二氢喹啉氧化 + 例： （85-88%） + （73%）

（83%） 2. 反应 1). 亲电取代反应 亲电取代反应主要发生在碳环的5位和8位。 + 5-硝基喹啉（52%） 8-硝基喹啉（48%）

喹啉环上2位和4位，异喹啉环上1位的氯原子容易被亲核试剂取代。 + 10% 90% 2). 亲核取代反应 亲核取代反应主要发生在吡啶环上。 喹啉环上2位和4位，异喹啉环上1位的氯原子容易被亲核试剂取代。

三. 吡咯、呋喃和噻吩 1. 结构特点 呋喃 噻吩 吡咯 平面结构 环上的原子均为sp2杂化 闭环共轭体系 亲电取代反应活性： 吡咯、呋喃、噻吩大于苯

五元环亲电取代反应的主要产物：α– 取代 + 芳香性：苯＞噻吩＞吡咯＞呋喃 2. 性质 1). 吡咯

它的pKa=16.5，比酚弱，比醇强，可与强碱（NaNH2， KNH2、RMgX）或金属作用。 吡咯钾 + +

α-吡咯甲酸 △ N-甲基吡咯 △ N-乙酰基吡咯 α-吡咯甲醛

吡咯环的稳定性较差，遇酸容易聚合，因此进行亲电取代反应要用较温和的试剂。 b. 亲电取代反应 主要产物为α– 取代产物。 吡咯环的稳定性较差，遇酸容易聚合，因此进行亲电取代反应要用较温和的试剂。 例：磺化试剂： 硝化试剂： 2 – 吡咯磺酸

2–硝基吡咯 2–乙酰基吡咯 2–吡咯甲醛 +

c. 加成反应 + 2). 呋喃 a. 亲电取代反应 呋喃的稳定性较吡咯小，与亲电试剂往往得到加成产物，即使得到取代产物，也是由加成产物转化来的。

b. 加成反应 呋喃与亲双烯体迅速发生狄尔斯-阿德尔反应。 25℃ + +

呋喃遇浓酸聚合，遇稀酸呋喃水解为二醛： 丁二醛 2, 5–己二酮

3). 噻吩 a. 亲电取代反应 应用：把粗苯中的噻吩除去。

b. 加成反应 100℃ 高压 + + 3. 合成 a. 呋喃的工业制备 聚戊糖 戊糖

400℃ b. 取代吡咯、呋喃、噻吩的合成 吡咯环的合成：

①. Knorr（克诺耳）合成法： + α– 氨基酮 β– 二羰基化合物

②. Paal-Knorr（帕尔-克诺耳）合成法： △ + 2, 5-己二酮 △ + ③. Hantzsch（汉栖）合成法： +

+ 呋喃环和噻吩环的合成： △

是一种良好的溶剂。它不含α-H，性质类似于苯甲醛。 4. 吡咯、呋喃和噻吩的重要衍生物 1). 糠醛 是一种无色液体,沸点162℃，在空气中易变黑。 是一种良好的溶剂。它不含α-H，性质类似于苯甲醛。 + + 醇溶液 +

吲哚为白色结晶，熔点52.5℃。具有极臭的气味，但纯粹的吲哚在极稀时有香味，可作香料。 四. 吲哚 吲哚为白色结晶，熔点52.5℃。具有极臭的气味，但纯粹的吲哚在极稀时有香味，可作香料。 可发生亲电取代反应，活性位置在第3位。 3-溴吲哚 3-硝基吲哚 3-吲哚甲醛

含吲哚的生物碱广泛存在于植物中，如麦角碱、马钱子碱、利血平等。 3-吲哚磺酸 含吲哚的生物碱广泛存在于植物中，如麦角碱、马钱子碱、利血平等。 β-吲哚乙酸（植物生长调节剂） 色氨酸（蛋白质组分）

5-羟基色胺（哺乳动物及人脑中思维活动的重要物质） 吲哚环的合成： Fischer（费歇尔）吲哚合成法：将醛、酮、酮酸、酮酸酯或二酮的芳基取代腙在氯化锌、聚磷酸、三氟化硼等路易斯酸存在下加热。 100℃ 苯乙酮苯腙 2-苯基吲哚

65℃ 环己酮苯腙 四氢咔唑 机理：相当于联苯胺重排。 3). 卟啉环系化合物 卟啉环系是由四个吡咯和四个次甲基交替相联组成的共轭体系。卟啉环呈平面结构，环的中间空隙以共价键、配位键和不同的金属结合。

血红素 卟啉环 胆红素　Ⅸ a

叶绿素 a

新增加的一个氮原子上的孤电子对在环平面上，与环内的π电子不共轭，提供了接受质子的位置，因此吡咯系杂环的碱性都比吡咯强。 五. 含两个以上杂原子的五元杂环 属吡咯系杂环 咪唑 噻唑 噁唑 吡唑 1. 结构和性质 1). 弱碱性 新增加的一个氮原子上的孤电子对在环平面上，与环内的π电子不共轭，提供了接受质子的位置，因此吡咯系杂环的碱性都比吡咯强。

吡咯系杂环中除咪唑是中等强度的碱外，其它为弱碱，因为： + 为什么？ 的酸性大于 咪唑分子间可形成氢键： 吡唑通过氢键可缔合成二聚体：

吡咯系杂环的亲电取代反应活性小于吡咯、呋喃和噻吩。 2). 亲电取代反应 吡咯系杂环的亲电取代反应活性小于吡咯、呋喃和噻吩。 吡唑 异噻唑 异噁唑 咪唑 噻唑 噁唑 六.嘌呤 （见书433页）

六. 嘌呤 9H-嘌呤 7H-嘌呤 嘌呤是一对互变异构体的平衡体系 尿嘧啶(U) 胞嘧啶(C) 胸腺嘧啶(T)

嘌呤的两个重要衍生物 腺嘌呤(A) 鸟嘌呤(G) (6-氨基嘌呤) (2-氨基-6-羟基嘌呤) 本章结束