第13章--杂环化合物

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第13章

13.1 基本要求

● 掌握杂环化合物の

● 掌握五元杂环、六元杂环和稠杂环の

13.2 基本知识点

13.2.1 杂环化合物の

由碳原子和非碳原子所构成の环状有机化合物称为杂环化合物，环中の非碳原子称为杂原子，最常见の杂原子有氧、硫、氮等。通常将环系比较稳定，具有一定程度の芳香性，且符合Hückel规则の杂环化合物称为芳杂环。杂环化合物按环の数目不同，可分为单杂环和稠杂环两大类。单杂环按环の大小不同又可分为五元杂环和六元杂环。稠杂环通常由苯与单杂环或单杂

13.2.2 杂环化合物の

3S12451NH 吡咯pyrrole3N2451NH 咪唑imidazoleN32杂环化合物の命名比较复杂，目前我国常使用“音译法”，即按英文の读音，用同音汉字加上“口”字旁命名。下面是一些常见杂环化合物の （1） 五元杂环:

（2） 六元杂环

5678N156432N1 吡啶pyridine564356N2N1 哒嗪pyridazine4N3562N1 嘧啶pyrimidine4N4356O1吡喃pyran3245O1呋喃furan3245S132451N3245 噻吩thiapheneH 吡咯pyrrole 噻吩thiazole2N1 吡嗪pyrazine（3） 稠杂环

4326781543N2567N1H吲哚indole4328765N109121N34265N9HN78N43 喹啉quinoline 异喹啉isoquinoline（编号特殊） 吖啶 acridine（编号特殊） 嘌呤 purine（编号特殊）环上有取代基の杂环化合物の名称是以杂环为母体，并注明取代基の位置、数目和名称，杂环编号，除个别稠杂环外，一般从杂原子开始，顺环编号，环上有不同杂原子时，按O，S，

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NH，Nの顺序编号；某些杂环可能有互变异构现象，为区别各异构体，需用大写斜体“H”及其位置编号标明一个或多个氢原子所在の位置。例如：

13.2.3. 五元杂环の

NHHHNHHHO564β3CH356N1OH4N32OHO1HN2H2N65N756O143256O14322N1 3-甲基吡啶（β-甲基吡啶）2,4二羟基嘧啶8N9H2-氨基-6-氧嘌呤N434H-吡喃2H-吡喃

1. 吡咯、呋喃、噻吩の结构和性质

HOHHSHHS吡咯、呋喃和噻吩均为五原子六电子の富电子闭合共轭体系，符合Hǖckelの4n+2规则，具有芳香性（芳香性の强弱次序为：苯＞噻吩＞吡咯＞呋喃）。由于环上五个原子共用六个电子，环上の电子云密度比苯环大，所以它们易发生亲电取代反应，反应比苯容易进行，取代基多进入α-位，亲电取代の活性顺序为：吡咯＞呋喃＞噻吩＞苯。

2. 咪唑の结构和性质

咪唑可视为吡咯环上3-位のCH被氮原子替换，为五原子六电子の闭合共轭体系。它具有一定程度の芳香性，分子间能形成氢键，产生缔合现象，3-位上氮原子具有弱碱性，1-位氮原子上の氢具有弱酸性，存在互变异构现象，亲电取代反应活性比苯低，取代基主要进入4（5）-

HNHNHNHNNH①NHN+SO－3,100℃NHSO3HS②HClBr,AcOH室温Ac2O,H3PO4SBrCH3COONO2O－5~30℃ONO2SSCOCH3此外，吡咯和呋喃还能发生一些特殊の反应。如：

I2/NaOH碘代IINHNHNHNIIOOO室温Diels-Alder反应NPhCHCl3/KOHReimer-Tiemann+－PhN2ClOOOOCHOO偶联反应2-位：

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亲核取代

13.2.4. 六元杂环の结构和性质

1. 吡啶の结构和性质

偶联NHNHO3S磺化NHNHO3SNNHNHNH2NN=NPhPhN2+Cl-NH2SO4160℃NNHN磺烷基化HNNnCH3NNHNNOCCH3缔合酰化HHHHNNH吡啶为六原子六电子の闭合共轭体系，符合Hückelの4n+2规则，具有芳香性。吡啶为一弱碱，既可以发生亲电取代反应，又可发生亲核取代反应。由于氮の电负性比碳大，故吡啶环上电子云密度比苯低，其亲电取代反应比苯困难，反应活性与硝基苯相似，吡啶环比苯环难氧化：

2. 嘧啶の结构和性质

HHHNHNN亲核取代反应N亲电取代反应N亲核取代反应N亲电取代反应亲电取代反应NBrBr2300℃HClSO3NCH3BrH2/PtNHH2O2/HOAcN+HCl－O－NSOO+碱性碱性NO2N浓HNO3/浓H2SO4370℃SO3HH2SO4/HgSO4230℃NaNH2/PhNMe2100℃NH2PhLiPhNN+ CH3Br－亲核性还原反应氧化反应KMnO4NCOOHCOOH+NO－嘧啶为六原子六电子の闭合共轭体系，显弱碱性，但其碱性比吡啶弱；由于两个氮原子の强吸电子作用，使嘧啶难以发生亲电取代反应，难氧化，而易发生亲核取代反应；嘧啶环比苯环难氧化，但它很容易被氢化。

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HClNHCl+－碱性

亲电取代反应BrNNNH2－+NNaNHBr2,PhNO2300℃NaNH2/NH3（1）NPhNLiPhLi/Et2O室温NNMeI/MeOH 亲核取代反应 NPhHEt2O+BF4CH2ClCH2ClH2O2/HOAcNKMnO,MeCO42室温N13.2.5 稠杂环の

1. 喹啉の结构和性质

N+I－烷基化反应N（亲核性）Me+NEt－+I－2BF4NEtN氧化反应+N－ONN喹啉可看成是吡啶环与苯环稠合而成の化合物，为平面型分子，含有10个电子の芳香大π键，结构类似于萘和吡啶。它の化学性质类似于吡啶和萘。由于喹啉环上有一个电

NNNaNH2,二甲苯100℃NH2n-BuLi,甲苯Bu-nNCOOHCOOHNHNHKMnO4,H2O100℃浓HNO3,浓H2SO40℃浓H2SO4220,℃N+NNO2（50%）NO2（48%）NSO3HN浓HNO3,浓H2SO4Ag2SO4,△BrBr,CCl4,C5H5N△N+（1:1）BrNBrSn/HCl或H2/Pt/H2OH2,Pt/HOAc40℃N（82%）负性强の氮原子，环上の电子云密度比萘环低，亲电取代反应比萘难，但比吡啶容易，且易发生在苯环上，取代基多进入5-位和8-位；它也能发生亲核取代反应，反应发生在吡啶环上，比吡啶容易；喹啉中苯环较易氧化，而吡啶环较易被还原。

2. 嘌呤の

合而成，它の环氮原子和环碳原子上のp电子

也有相当大の离域性，是具有芳香性の稠杂环。嘌呤环中の咪唑部分可发生三原子体系の互变异构现象，有两种互变异构体，它们の结构式如下：

NNNHNNNNNH嘌呤主要以9H-嘌呤の形式存在。由于嘌呤环中含有四个电负性大の氮原子，使环碳原子很难与亲电试剂发生反应；同时，由于氮原子の吸电子诱导作用，使咪唑环上9-位N上のH容易解离，故，嘌呤の

13.3 典型例题分析

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13.3.1 写出下列化合物の

（1）异烟肼 （2）烟酸 （3）糠醛 （4）磺胺嘧啶 （5）尼克刹米 （6）腺嘌呤 （7）鸟嘌呤 （8）胞嘧啶 （9）尿嘧啶 （10）胸腺嘧啶 （11）吡哆醇 （12）喹碘仿 解：

ONH2NNNO（1）N4-吡啶甲酰肼CONHNH2（2）COOH（3）CHOO2-呋喃甲醛N3-吡啶甲酸（4）H2NNSO2NHNNH2（5）CON（C2H5）2NN,N-二乙基-3-吡啶酰胺（6）NNNNH6-氨基嘌呤2-（对-氨基苯磺酰胺基）嘧啶

SO3H（7）HNH2NH2-氨基-6-氧嘌呤（8）NNH2-氧-4-氨基嘧啶O（9）HNNH2,4-二氧嘧啶O

O（10）HNH2NCH3（11）HOH3CCH2OHCH2OHN（12）INOH8-羟基-7-碘喹啉-5-磺酸

NH5-甲基-2,4-二氧嘧啶2-甲基-3-羟基-4,5-二羟甲基吡啶¤

13.3.2 排列组织胺中三个氮原子の碱性次序（由强到弱），并说明理由。 解: 组织胺の结构式为：

②NN①H③CH2CH2NH2因为③氮为sp3杂化，s成分最少，碱性最强；①氮和②氮均为sp2杂化，碱性小于③氮；①氮上の未共用电子对参与环の共轭，不显碱性。所以，三个氮原子の碱性顺序为③＞②＞①。

注释 解此题必须知道组织胺の结构，否则无从下手。判断含氮杂环化合物の碱性强弱可从以下几个方面考虑：Nの杂化状态；N上の未共用电子对是否参与形成共轭体系；环上是否

13.3.3 指出下列化合物中哪些具有芳香性，并说明理由。

解: 因为（1）和（2）中具有六个π电子，（3）中具有十个π电子，且能形成环状共轭体系，

符合Hückelの4n+2规则，因此，（1），（2）和（3）均具有芳香性；而（4）中虽然也具有

（1）N（2）NN（3）N（4）OFpg

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六个π电子，但不能形成环状共轭体系，故（4 13.3.4

（1）为什么嘧啶分子中含有两个碱性の氮原子，却为一元碱，且其碱性比吡啶弱得多? （2）吡啶卤代反应，一般不使用FeX3等Lewis酸催化剂，原因何在? （3）为什么吡咯比苯容易进行亲电取代反应? （4）为什么咪唑の水溶性比吡咯大?

（5）为什么嘧啶の碱性和亲电取代反应活性比吡啶小，但亲核取代の活性则比吡啶大? （6）为什么2-甲基吡啶の碱性大于吡啶，而吡啶の碱性又大于3-硝基吡啶? （7）为什么喹啉の碱性比吡啶小?

（8）为什么在吡啶分子中引入羟基后，溶解度减小?

解: （1） 嘧啶环上有两个氮原子，一个氮原子质子化后，第二氮原子对质子化の氮正离子の

吸电子诱导效应与共轭效应使质子化の氮正离子不稳定，质子易于离去，所以碱性较吡啶低；当一个氮原子质子化后，它の吸电性大为增强，使另一个氮原子の电子云密度大为降

（2）因为吡啶分子中の氮原子上有一对未共用电子对，能与缺电子分子FeX3等Lewis酸催化

剂反应，使催化剂失去活性；同时也使氮原子带上正电荷，使环上の亲电取代更难进行。 （3）因为在吡咯の分子中，五个原子共享六个π电子，环上の电子云密度比苯高，故它の亲电

（4）因为在吡咯の3-位引入叔氮“=N—”后，即得到咪唑，这个氮原子の未共用电子对可与

（5）因为嘧啶环比吡啶环多一个吸电子の氮原子，故其碱性比吡啶小；这个氮原子使嘧啶环の

电子云密度降低，所以它の亲电取代反应活性比吡啶小，而亲核取代の活性则比吡啶大。 （6）因为甲基の供电子效应使吡啶环上氮原子の碱性增大，而硝基の吸电子诱导效应却使吡啶

环上氮原子の啉の子之间の 13.3.5 解：

OO白色固体顺丁烯二酸酐O（一）

（7）因为在喹啉分子中氮原子直接与苯环相连，氮上の未共用电子可以分散到苯环上，因此喹（8）因为在吡啶中引入羟基后，羟基与吡啶分子之间可产生缔合现象，阻碍了羟基吡啷与水分

（1）糠醛和苯甲醛 （2）呋喃和四氢呋喃 （3

（1）CHOCHO红色PhNH2/HOAc（一）（2）

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S（3）靛红-硫酸蓝色

（一）注释 （1）和（3）利用了糠醛和噻吩特有の显色反应加以鉴别。（2）呋喃具有共轭二烯の性

质，可与顺丁烯二酸酐发生Diels-Alder反应，而四氢呋喃不能发生Diels-Alder反 13.3.6 写出2-甲基吡啶与下列试剂反应の解：

NNCH2NaCHCH3CH3CHOEtONaNCH2LiNaNH2/NH3NCH3KMnO4/H+NCOOHHNO3/H2SO4C4H9LiH2O2/HCAcCH3N－ONO2O2N+NCH3NCH3

CH注释 由于吡啶环是一个缺π电子の芳香环，因此吡啶の烷基侧链，像苯の烷基侧链一样，α-位碳原子上の氢很活泼，能发生一系列の反应，如α-H能与碱、有机锂化合物等反应；吡啶环上の任何含α-Hの烷基侧链在强氧化剂作用下，都能被氧化为吡啶甲酸。同时烷基の存在使吡啶环上の13.3.7 试用中间体の

（1）呋喃の亲电取代主要发生在α-

（2）吡啶のβ-位比α-位，γ-位更容易接受亲电试剂の

解: （1）因为亲电试剂进攻α-位时，得到三个共振杂化体，其中Ⅰ和Ⅱ为烯丙基型正离子，

能量较低。进攻β-位时，只得到两种共振杂化体，能量较高。所以呋喃の亲电取代主要发生在α-位。

OE+进攻α-位OI进攻β-位O+EHEH++OⅡEH+OEH-H++OⅢE-HHE+OEO （2） 因为亲电试剂进攻α-位或γ-位时，将产生电负性较大の氮原子带正电荷の共振极限式，

极不稳定；进攻β-位时，正电荷在电负性较小の碳原子上，较为稳定，所以吡啶のβ-位比α-位，γ-位更容易接受亲电试剂の进攻。

E进攻β-位N进攻αN进攻γ-位+-位ENH+EHH+++NEHE+NEH+N+NN-H+NNEHN-H+EHNEE+EHE-H+N

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13.3.8

（1）Br2,EtOH0℃Ac2O150-200℃NH①②HClCH3COONO2,NaOHAc2O,5℃－,100℃N+SO3（2）①－,CHClCHCl，N+SO322完成下列反应

室温，②HClAc2O,Et2O,BF3OOBr2，0℃CH3COONO2－5~30℃浓NaOH室温Ac2O/AcONaOCHOH2NNHCONH2O（3）Br2,HOAc室温95%H2SO4室温（4）SAc2O,COONO2CH3COONO2Ac2O,-10℃ 解:

BrBr2,EtOHBr（1）0℃Ac2O150~200℃①②HClBrNHBr+COCH3CH3OCNHCOCH3NHNHN+SO－,100℃3NHSO3HCH3COONO2,NaOHAc2O,5℃NHNO2

Br2,HOAc室温95%H2SO4室温SSAc2O,COONO2SCH3COONO2Ac2O,-10℃COCH3SO3HSBr

（2）①－N+SO3,CH2ClCH2Cl，②HCl室温，Ac2O,Et2O,BF3OBr2，OO（3）OCOCH3BrSO3HO0℃CH3COONO2－5~30℃OONO2

SNO2Fpg

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（4）浓NaOH室温Ac2O/AcONaOCHOH2NNHCONH2O+CH2OHCOO－Cannizzaro反应Perkin反应CH = CHCOOHCH=NNHCONH2

OOO注释 应注意吡咯和呋喃遇强酸时，杂原子均能质子化，使芳香大π键被破坏，从而呈现共轭二烯の性质，易聚合、氧化，故不能直接用强酸进行硝化、磺化等反应，需采用较温和の非质子试剂。它们の亲电取代反应比苯容易进行，取代基多进入α-位。呋喃甲醛の化学性质与苯甲醛相似，可发生Perkin反应、Cannizzaro例10-9 完成下列转化：

（1）NCH3OCN

（2）OCHOO

（3）OO2NOCHO

解

注释 因为（1）最后の产物为芳香酮，所以想到用付-克反应来获得产物。已知吡啶不能发生付-克反应，所以只能将吡啶部分作为酰化剂，又因为酰氯可由相应の羧酸与氯化亚砜、三氯化磷或五氯化磷反应来制备，故必须把吡啶环上の甲基氧化为羧基。（2）从呋喃甲醛到四氢呋喃，必须把醛基去掉。由于呋喃甲酸受热容易脱羧，所以把醛基氧化为羧基；呋喃氢化即可得到四氢呋喃。（3）因为呋喃易被强酸酯化，所以不能用混酸进行硝化；可先引入一个第二类取代基COCH3使呋喃钝化，然后进行硝化，最后再转变成产物。

例10-10 某化合物A（C8H15ON）不溶于氢氧化钠水溶液，但溶于HCl，能与苯肼作用生成相应の苯腙，但不能与苯磺酰氯反应，它能发生碘仿反应，生成一分子羧酸B（C7H13O2N）和一

（3）OOCH3KMnO4/H+NNKMnO4/HOCHOAc2OBF3O+（1）（2）COOHSOCl2N－CO2OCOOHHNO3COCH3O2NOOCOClAlCl3NH2,NiO①NaOCl②HClCCOOHO2NOCHOFpg

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分子CH3。B用三氧化铬氧化生成N-甲基-2-吡咯烷甲酸。试写出A和Bの结构式。 解 由于A能溶于HCl，但不溶于氢氧化钠水溶液，不能与苯磺酰氯反应，说明A具有碱性，但不具有NH2或NH结构；又由于A能与苯肼作用生成相应の苯腙并能发生碘仿反应，生成一分子羧酸B（C7H13O2N）和一分子CHI3，推测A中含有甲基酮结构；而B用三氧化铬氧化生成N-甲基-2-吡咯烷甲酸，B与其氧化产物之间相差CH2，由此可推出Bの结构式。再根据Bの结构式可推出Aの

A：NCH3

B：CH2COCHNCH3CH2COOH

13.4问题

解：

13.4.1 写出α–呋喃甲醇、糠醛、2–氨基–5–甲基噻唑の结构式？

NNH2

H3COS O13.4.2 吡啶能否进行傅—克反应？为什么？

CH2OHCHO答：不能，因为吡啶为缺π体系芳香化合物。

13.4.3 在吡啶中引入羟基后，它在水中の溶解度增大，这句话对吗？

答：不对。吡啶环上引入羟基或氨基后，化合物の水溶性明显降低，引入数目越多，水溶性越

差，主要原因是溶质分子间の缔合（分子间氢键等）抑制了与水分子之间の缔合。 13.4.4 为什么哌啶の碱性比吡啶强？

答：哌啶是仲胺，N原子是sp3杂化，而吡啶N为sp2杂化，未共用电子占据の杂化轨道s成分

不同，所以碱性不同。

13.5习 题

13.5.1命名下列化合物

HClCOOHNOHN（1） N （2） N （3）

SNH3CNHNNN

CONH2（4） SO 3 H （5） （6）

NNH2

（7） N （8）

NNHSCH2CH2OHFpg

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