( heterocyclic compounds )

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1 ( heterocyclic compounds )
杂环化合物 ( heterocyclic compounds ) 杂环化合物：成环原子除碳以外，还有其它如O、N、S、P等杂原子的环状化合物。 吡啶 呋喃 噻吩 吡咯

2 一、分类和命名 （一）、分 类 本章讨论环为平面型，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。

3 （二）、命 名 1. 音译法：按外文名词音译成带“口”字旁的同音汉字。 A. 含一个杂原子的五元单杂环 吡咯 pyrrole 呋喃
furan 噻吩 furan B. 含两个杂原子的五元单杂环

4 吡唑 pyrazole 咪唑 imidazole 噁唑 oxazole 异噁唑 isoxazole 噻唑 thiazole C. 六元杂环 吡啶 pyridine 2H-吡喃2H-pyrane 哒嗪 pyridazime 嘧啶 pyrimidine 吡嗪 pyrazine 哌嗪 pyperazine

5 D. 五元及六元稠杂环 吲哚 喹啉 异喹啉 indole quinoline isoquinoline 2. 杂环及环上取代基的编号 (1) 母体杂环的编号：杂原子的编号为“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。如：

7 练 习 2-噻吩磺酸 甲基-5-氯喹啉 ,4-二甲基异喹啉 β-吲哚乙酸 吡啶甲酸 γ-吡啶甲酸甲酯

8 二、六元杂环化合物 （一）、吡啶 1、吡啶的结构
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。

9 2、吡啶的化学性质 A. 碱性与成盐

10 吡啶环上有供电子基时将使碱性增强。如： pka 吡啶既然是一个碱，遇酸便形成稳定的盐。

11 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：
B. 吡啶环上的亲电取代反应

12 如前所述，吡啶的亲电取代反应比苯困难，需在较强的条件下方可发生，且发生在β-位。
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。

13 吡啶环也象硝基苯一样，不能发生F―C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： 吡啶与氨基钠反应生成α-氨基吡啶的反应称为Chichibabin反应，如果α-位已被占据，则得γ -氨基吡啶，但产率很低。

14 如果在吡啶环的α-位或γ –位存在较好的离去基团（如Cl-，Br-，NO2-等）时，可以与胺、烷氧化物、水等较弱的亲核试剂发生亲核取代反应。例如：
D. 氧化和还原反应 3-甲基吡啶的氧化产物烟酸和它的酰胺在医药领域中有一定的用途，可用于防治糙皮病，口腔炎及血管硬化等症状。

15 在特殊的氧化条件下，吡啶可发生类似叔胺的氧化反应，生成过氧化物。如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：

16 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α-位或γ –位。例如：
吡啶N-氧化物进行亲电取代反应的产物经三氯化磷或其它方法处理，可得到吡啶，因此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。例如：

17 （二）、喹啉和异喹啉 吡啶也因环碳电子云密度较低，使加氢还原比苯容易。不仅可被催化加氢还原，还可被化学试剂还原。例如：
还原产物为哌啶，沸点106℃，能溶于水、乙醇、乙醚等溶剂，它的性质与一般仲醇相似。是常用的有机碱。 （二）、喹啉和异喹啉

18 喹啉和异喹啉是同分异构体，都存在于煤焦油和骨油中。喹啉衍生物在医药中起着十分重要的作用，许多天然或合成的抗疟药物、抗癌药物均具有其结构，如奎宁、喜树碱等，而天然存在的生物碱，如吗啡碱等则含有异喹啉环的结构。 喹啉 异喹啉 1. 物理性质 喹啉在常温下为无色油状液体，b.p 238℃。与吡啶相似，

19 喹啉及其衍生物通常用Skraup合成法来合成。
有弱碱性(pkb=9.15)。异喹啉为低熔点固体，熔点26℃， 沸点 为243℃。它们都难溶于水，易溶于有机溶剂。 喹啉及其衍生物通常用Skraup合成法来合成。 若用邻氨基苯酚代替苯胺，则可制备8-羟基喹啉。

20 2. 化学性质 A. 亲电取代反应

21 B. 亲核取代反应 喹啉取代主要发生在C-2位上，异喹啉主要在C-1位上。例如： C. 氧化反应

22 3. 喹啉的衍生物

23 （三）、含两个氮原子的六元杂环 哒嗪 嘧啶 吡嗪
嘧啶，又叫间嗪，含嘧啶环的化合物广泛存在于动植物中，在动植物的新陈代谢中起着重要的作用。嘧啶环也是某些维生素及合成药物的重要结构部分。 由于两的氮原子的强吸电子作用，嘧啶难于发生亲电取代反应和氧化反应，而易于进行亲核取代反应。

24 嘧啶或烷基取代嘧啶，其硝化或磺化都很难进行，但可发生卤化反应，且发生在电子云密度相对较高的5-位。
当嘧啶环上的邻位或对位有强活化基团，如-OH，-NH2等时，则硝化、磺化、重氮偶合等亲电反应都可进行。

25 嘧啶环是生理及药理上非常重要的环系。在合成中，嘧啶环的形成途径是1，3-二羰基化合物与二胺缩合。
腈乙酸酯也能与二胺类化合物反应，生成嘧啶衍生物：

26 三、五元杂环化合物 （一）吡咯、 呋喃、噻吩
1. 结构 (1) 苯分子中键长完全平均化，而五元杂环化合物中的键长只有一定程度的平均化。因此芳香性比苯差。其芳香性次序是：

27 (2) 五元杂环化合物是富电子体系，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― NH2、―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： 2. 酸碱性 吡咯虽具有仲胺结构，但几乎不具有碱性，但具有弱酸性，其pKa=17.5。所以吡咯能与强碱共热成盐。

28 2. 化学反应 A. 亲电取代反应 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。

29 B. 亲电取代反应的定位规律（以噻吩为例）：
(1) α- 位上有取代基 (2) β- 位上有取代基

30 呋喃为无色液体，难溶于水而易溶于有机溶剂，b
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反应和一般的亲电加成反应。如： 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。

31 （二）吲哚 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。

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34 （三）含两个杂原子的五元单杂环 1、噻唑 维生素B1（VB1）

35 2、化学性质 唑类化合物因环上增加了一个吸电子作用的氮原子，因此亲电取代反应比含一个杂原子的五元芳杂环明显要低，但可与强酸试剂作用。 （四）嘌呤

36 嘌呤本身并不存在于自然界中，但它的衍生物在自然界中分布很广泛。例如：
咖啡碱 茶碱 可可碱 腺嘌呤（A） 鸟嘌呤（G）