第14-杂环化合物

第一节芳香杂环化合物一、杂环化合物的分类和命名按英文的读音，用同音汉字加上“口”字旁命名,见表12—1。杂环上原子的编号，一般从杂原子开始（个别例外，），顺环编号，并注明取代基的位置、数目和名称.

1.含一个杂原子的杂环，杂原子的编号为1。有时以希腊字母编号，与杂原子相邻的碳原子为

位，依次为

位、

位。

2-氨基噻吩3-甲基吡啶2,3,4,5-四溴吡咯

(

氨基噻吩)(

甲基吡啶)(

,

,

,

-四溴吡咯)

2.环上有两个或两个以上相同的杂原子时，应使杂原子位次之和最小，并将连有氢原子或取代基的杂原子编号定为1。如环上有不同杂原子时，按O、S、-NH-和-N=的顺序编号。

4-乙基咪唑N-甲基-2-巯基咪唑5-乙基噻唑2,4-二羟基嘧啶

3.有特定名称的稠杂环，其固定的编号顺序通常是从一端开始，依次编号一周（公用碳一般不编号），并尽可能使杂原子的编号小（如喹啉、吲哚）；也有一些稠杂环按相应的环烃编号，此时，杂原子的编号较大（如异喹啉、吖啶）；尤其值得注意的是嘌呤，不仅公用碳参与编号，且编号的顺序很特殊。

2-甲基喹啉6-氨基嘌呤（腺嘌呤）2-氨基-6-氧嘌呤(鸟嘌呤)

4.

标氢；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的位置。

4H-吡喃2H-吡喃

5．此外，还可以将杂环作为取代基，以官能团侧链为母体进行命名。

N,N-二乙基-3-吡啶甲酰胺4-嘧啶甲酸

3-吲哚乙酸2-呋喃甲醛(糠醛)

N,N-二乙基-3-吡啶β-吡啶甲酸γ-吡啶甲酸甲酰胺(烟酸)(异烟酸)

二

含氮六元杂环

(一)吡啶

1.吡啶的结构

环上的碳原子以sp2杂化，氮原子以不等性sp2杂化，每个原子上还有一个未参与杂化的p轨道（含有一个p电子）垂直于环平面，相互重叠形成一个6原子6电子的闭合共轭体系，符合Hückel规则有芳香性。氮原子上还有一对孤对电子处于一未参与成键的sp2杂化轨道上，伸向环平面外侧，未参与共轭，可结合质子，因此吡啶具有弱碱性。

吡啶的分子轨道示意图

电子云的交替极化

吡啶环上电子云密度的分布不平均，氮原子上的电子云密度较大，碳原子的电子云密度较低，尤其是氮原子邻位、对位的电子云密度降低得比间位多，所以吡啶的亲电取代反应比苯难，并且主要发生在间位（即

位）上。像吡啶这类环碳上的

电子云密度比苯低的芳杂环亦称为“缺

”芳杂环。吡啶是一个极性分子；氮原子的诱导效应和共轭效应的方向一致。

2.吡啶的性质

①碱性和亲核性吡啶呈碱性，能与强酸和Lewis酸结合成盐。吡啶的碱性比氨和脂肪族叔胺弱得多.吡啶盐酸盐

吡啶三氧化硫

可与水混溶,但环上引入羟基或氨基后,水溶性显著降低.

吡啶与三氧化硫生成的吡啶三氧化硫是缓和的磺化剂，可用于对酸敏感的化合物，如吡咯的磺化反应中。

吡啶与叔胺相似，氮原子上的孤电子对可以进攻卤代烷中缺电子的中心碳原子，反应生成季铵盐，因此吡啶具有良好的亲核性。

溴化N-甲基吡啶

②芳环上的亲电取代反应

吡啶的亲电取代反应比苯难，取代基多进入

-位。吡啶不能发生Friedel-Crafts反应。

（3-硝基吡啶）

20%

（3-吡啶磺酸）70%

（3-溴吡啶）

30%

③亲核取代反应吡啶环作为一个缺π芳杂环,较易进行亲核取代,主要生成α-取代产物.当吡啶的2-位(或4-位)有较优良的离去基团(如卤素)时,较弱的亲核试剂(如NH3,H2O)就能反应.④侧链上的氧化反应吡啶比苯难氧化.由于吡啶环碳电子云密度降低,故难失去电子被氧化.但吡啶环上的烷基侧链，在强氧化剂如KMnO4作用下，容易被氧化，侧链被氧化成羧基，保留吡啶环，生成吡啶甲酸。

-吡啶甲酸（烟酸）

⑤还原反应 吡啶比苯易还原，对还原剂较苯活泼，室温下，用Pt作催化剂，吡啶就能与氢反应生成六氢吡啶，后者具有脂环仲胺的结构，碱性比吡啶强。3.吡啶的衍生物

①维生素PP(VitaminPP)

烟酸（

-吡啶甲酸）和烟酰胺（

-吡啶甲酰胺）统称为维生素PP。

烟酸烟酰胺

（

-吡啶甲酸）

-吡啶甲酰胺）

②异烟肼

(Isoniazide)： 又称为雷米封(Remifon)，为白色针状结晶或粉末，熔点170~173

C,易溶于水和乙醇，是抗结核的良药，对维生素PP有拮抗作用，长期服用，应补充维生素PP。

异烟肼（雷米封,γ-吡啶甲酰肼）

二．嘧啶及其衍生物

嘧啶是含有两个氮原子的六元杂环化合物，易溶于水，碱性比吡啶弱得多，其水溶液呈中性；嘧啶难于起亲电取代反应，环上如有致活基团，则能发生亲电取代反应，取代基一般进入5-位。

（一）尿嘧啶(Uracil)：2，4-二氧嘧啶被称为尿嘧啶（缩写符号为U），存在于RNA中，具有酮型和烯醇型互变异构现象，在生理pH环境下以酮式为主：

酮型烯醇型5-氟尿嘧啶（5-FU）

（二）胞嘧啶：2-氧-4-氨基嘧啶(4-amino-2-oxypyrimidine)被称为胞嘧啶（C），存在于RNA和DNA中，也具有酮型和烯醇型互变异构现象：

（三）胸腺嘧啶(Thymine)：2，4-二氧-5-甲基嘧啶(5-methyl-2,4-dioxypyrimidine)称为胸腺嘧啶（T），存在于DNA中，其酮型和烯醇型互变异构现象如下：

三含氮五元杂环

一、吡咯

（一）吡咯的结构

吡咯分子呈平面构型，碳原子与氮原子均以sp2杂化；每个碳原子上还有一个p电子在未参与杂化的p轨道上，氮原子上有一对孤对电子处于未杂化的p轨道上，这5个p轨道均垂直于环平面，相互平行重叠形成6个P电子分布在5个原子上的富电子闭合共轭体系，符合Hückel规则，具有芳香性。吡咯的分子轨道示意图

吡咯环的封闭共轭体系中，环上

电子云分布是不均匀的，因此吡咯环没有苯环稳定.此外，吡咯的封闭式大

键不同于苯和吡啶，它是在5个p轨道上分布着6个

电子，电子离域的结果使氮原子上的

电子云密度降低，而环上碳原子的电子云密度升高，其中α-位电子云密度比β-位高。故吡咯的亲电取代反应比苯容易进行，且α-位上易取代。像吡咯这类碳环上的

电子云密度比苯高的芳杂环亦称为“多

”芳杂环。吡咯为极性分子。

(二)吡咯的化学性质

吡咯易发生亲电取代反应，易氧化，在空气中因氧化而迅速变黑，不易发生加成反应。浓盐酸浸过的松木片遇到吡咯的蒸气时显红色,可用于吡咯及其衍生物的检验。

1．酸、碱性：碱性极弱（其共轭酸的

pKa=-3.8），比苯胺还要弱得多，显示弱酸性（pKa=17.5），能与固体氢氧化钾共热成盐：

2．芳环上的亲电取代反应

吡咯(呋喃,噻吩)比苯更容易发生卤代、硝化、磺化反应，也能进行Friedel-Crafts反应，取代基主要进入

-位。吡咯和呋喃不能直接用强酸进行硝化、磺化等反应，而需要采用较温和的非质子性试剂进行反应。

小结：

碱性：季铵碱＞脂肪胺＞氨＞吡啶＞苯胺＞吡咯亲电取代反应：吡咯＞＞苯＞吡啶

3、咪唑、噻唑及其衍生物

含有两个杂原子的五元杂环称为唑。咪唑是含有两个氮原子的五元杂环，噻唑是含有一个氮原子和一个硫原子的五元杂环，它们都是平面型分子，结构式如下：

咪唑噻唑

咪唑3-位上的氮原子能与质子结合，而显碱性，能与强酸生成稳定的盐。同时咪唑也有微弱的酸性，N—H键上的氢原子可被金属置换成盐。在生理pH（~7.4）条件下,咪唑以质子化状态（酸型）和未质子化的中性状态（中性型）同时存在：

酸型中性型

组胺(histamine)：

组氨酸(histidine)组胺

组胺分子中，三个氮原子的碱性强弱顺序为：①＞②＞③。

青霉素(penicillin)：

式中R=为青霉素G

R=为氨苄青霉素

四稠杂环

(一)喹啉及其衍生物

喹啉由苯和吡啶稠合而成。它与吡啶相似，氮原子上的一对电子可以结合质子，而显弱碱性，可与无机酸成盐，与碘甲烷生成季铵盐，也能发生卤代、硝化、磺化反应，取代基主要进入5-位或8-位。

(二)嘌呤及其衍生物

嘌呤由嘧啶和咪唑稠合而成，本身不存在于自然界中。嘌呤分子中的咪唑环可以互变，有两种互变异构体，晶体状态下主要以7H-嘌呤的形式存在，在生物体内多以9H-嘌呤的形式存在：

9H-嘌呤(9H-purine)7H-嘌呤(7H-purine)

1.腺嘌呤（adenine）：6-氨基嘌呤称为腺嘌呤（A）。2.鸟嘌呤(guanine)：2-氨基-6-氧嘌呤称为鸟嘌呤（G）。2-氨基-6-氧嘌呤（酮型）2-氨基-6-羟基嘌呤（烯醇型）

3.尿酸(urate