第十六章 杂 环 化 合 物杂环化合物：参与成环的原子除碳原子外，还有杂原子的环状化合物。杂原 子主要有氧、氮和硫等。

本章所要讨论的主要是那些环系比较稳定，且都具有不同程度的芳香性的杂环化合物 ( 简称为芳杂环化合物 ) 。

一、杂环化合物的分类、命名和结构1. 分类和命名

分 类：以杂环的骨架为基础 按环的大小——最重要的是五元杂环和六元杂环； 按杂环中杂原子数目的多少——单杂原子的杂环和多杂原子的杂环； 按环的形式——单杂环和稠杂环

命 名： (1) 按英文译音，选用同音汉字，并以“口”字旁表示为杂环化合物。

furan thiphene pyrrole pyridine

߻ૠàç·Ô ßÁ¿© ßÁठà ßø

NSON

quinoline

N N

N

pyrimidine

à×à¤

H

环上有取代基时——命名时以杂环为母体，将杂环上的原子编号。一般从杂原 子开始编号。

1

2

34

5

1

2

34

5

O S7

8N1

2

3

4

5

6 N1

2

3

45

6

NH

O NCH3H3C CHO

Br

NHO

߻ૼ×È© äå´úßÁठ1,4 ¶þ¼×»ùßÁ¿©_ _ ôÇ»ùà ßø7 _

2 _ 3

环上只有一个杂原子时 : 有时也把靠近杂原子的位置叫做 α位，其次是 β位， 再其次是 γ位。

COOH

γ α _ äå´úßÁठ߻ૼ×È©

CHO

NO

_

(2) 根据相应的碳环来命名 : 把杂环看作相应碳环中的碳原子被杂原子取代而形 成的化合物。命名时在相应的碳环名称前加上杂原 于的名称，名称中的“杂”字在没有误会的情况下可 以略去

N NO S NH

ÁòÔÓï µªÔÓï µªÔÓ±½ µªÔÓÝÁÑõÔÓï (µª±½£© £¨µªÝÁ£©

2. 结构与芳香性 五元杂环：环上所有原子以 SP2 杂化轨道成键； 4 个碳原子以一个 P 电子，杂 原子以一对 P 电子形成闭环共轭系统，环上所有原子在同一平面上； 环上 P 电子数超过成环原子数，环上电子云密度比苯大

S

ON

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

§±µç×ÓÊýΪ 4*1+2=6

呋喃、吡咯、噻吩芳香性可从其共轭能上显示：呋喃、吡咯、噻吩分别为 67 、 88 和 117kJ ／ mo1 。芳香性按苯、噻吩、吡咯、呋喃的次序递减

六元杂环：环上所有原子以 SP2 杂化轨道成键； 5 个碳原子以一个 P 电子，杂 原子也以一个 P 电子形成闭环共轭系统，环上所有原子在同一平面 上；环上 P 电子数和成环原子数相等，由于杂原子电负性较大，环 上电子云密度比苯小。

H

H

H

H

§±µç×ÓÊýΪ 4*1+2=6HN

二、五元杂环化合物 1. 五元杂环化合物的化学性质

由于呋喃、噻吩、吡咯环中的杂原子上的未共用电子对参与了环的共轭体系，电子云密度增大，故它们都比苯容易发生亲电取代反应。

亲电反应活性：对于五元杂环化合物，它们五原子六电子结构，碳原子上的电 子云密度比苯环高而使亲电反应更易进行，活性次序为： 吡咯＞呋喃＞噻吩＞苯

它们都可以进行通常的亲电取代反应，如硝化、磺化、卤化和 Friedel-

Craft 反应。呋喃、吡咯、噻吩的亲电取代反应主要发生在 α 位

X+ E+

X

X

EH X

EH X

EH

EH

X

EH

X=O,S,NH

+

+

+

+

+

进攻 α 位形成的共振杂化体比进攻 β 位形成的共振杂化体稳定

N

N

N

N

N

Br2

0~5¡æ

-10¡æ

CH3C

O

ONO2

C5H5N SO3

ÊÒÎÂ

Br

NO2

SO3

C

O

CH3

ÒÒÃÑ

BrBr

Br

(CH3CO)2O

SnCI4

CH3C

O

CI

H

H

H

H

H

O

O

O

O

O

Br2

0~5¡æOO

-5~-30¡æ

CH3C

O

ONO2

C5H5N SO3

(CH3CO)2O,SnCI4

ÊÒÎÂ

ÊÒÎÂ

CICH2CH2CI

CICH2CH2CI

Br

NO2

SO3

C

O

CH3

由于它们的高度活泼性及呋喃和吡咯对无机强酸的敏感性，亲电取代反应需要比较温和的条件

Br2

CH3C

O

CI

FeBr3

HNO3

H2SO4

ŨH2SO4

AICI3

Br

NO2

SO3H

C

O

CH3

200¡æS

S

S

S

S

Br2

0¡æ

SnCI4

ÊÒÎÂ

Br

NO2

SO3

C

O

CH3

ÊÒÎÂ CH3COOH

(CH3CO)2O

HNO3

ŨH2SO4

CH3C

O

CI

五元杂环与苯取代反应的比较：

Paal-Knorr 合成法

OOH3C CH3

TSOH

P2S5

NH3

OH3C CH3

SH3C CH3

NH3C CH3

2. 常见的五元杂环化合物

(1) 呋喃与糠醛

呋喃 : 为无色液体，沸点 32 0C ，相对密度 0.9336 ，具有类似氯仿的气味， 难溶于水，易溶于有机溶剂。

(C5H8O4)nH+, H2O

(CH2OH)3

CHO

CH2OH

-3H2O

O CHO

ZnO-Cr2O3-MnO2

O

戊聚糖 戊醛糖 糠醛 呋喃

呋喃具有芳香性，比苯活泼，容易发生亲电取代反应。呋喃受无机酸的作用，容易发生环的破裂和树脂化，因此不能使用一般的硝化、磺化试剂，而必须采用比较缓和的试剂。另外，它在一定程度上还具有不饱和化合物的性质，可以发生加成反应 呋喃也具有共轭双键的性质，它和顺丁烯二酸酐发生 1 ， 4— 加成作用，即双烯合成反应，产率很高

O + O

O

O

O

O

HH

O

O

在催化剂作用下，呋喃加氢生成四氢呋喃，简写为 THF

ONi , H2 O

四氢呋喃为无色液体，沸点 65 0C ，是一种优良的溶剂和重要的合成原料，常用以制取己二酸、己二胺、丁二烯等产品

糠醛 : 学名 α- 呋喃甲醛，是呋喃衍生物中最重要的一个，它最初由米糠与稀 酸共热制得，所以叫做糠醛。纯糠醛为无色液体，沸点 162 0C ，熔点 － 36.5 0C ，相对密度 1.160 ，可溶于水，并能与醇、醚混溶

糠醛为常用的优良溶剂，也是有机合成的重要原料，糠醛是不含 α氢原子的醛，其化学性质与苯甲醛或甲醛相似

OCHO

CH3CHO , OH-

OCH CHCHO

CH CHCOOHO

CHOO

(CH3CO)2 , CH3COOK

O

+ NaOHCHO CH2OH COONaO O

+

Cannizzaro 反应

Perking 反应

羟醛缩合反应

(2) 噻吩 噻吩 : 无色液体，沸点 84 0C ，不易发生水解、聚合反应。噻吩在浓硫酸存在 下，与靛红—同加热显示蓝色，可用作检验噻吩。噻吩不具备二烯的性 质，不能氧化成亚砜和砜，但比苯更易发生亲电取代反应。和呋喃类似， 噻吩的亲电取代反应也发生在 α 位。

S

H2SO4

ÊÒÎÂSO3H

S除去粗苯中的噻吩

(3) 吡咯和吲哚

吡咯：为无色油状液体，沸点 131 0C ，有微弱的类似苯胺的气味，难溶于水， 易溶于醇或醚中，在空气中颜色逐渐变深。吡咯的蒸气或其醇溶液， 能使浸过浓盐酸的松木片变成红色，这个反应可用来检验吡咯及其低 级同系物的存在

(A)弱酸性 : 由于 N 上未共用电子对参加了杂环的共轭体系，吡咯的碱性极弱。 相反，吡咯表现出弱酸性， (pH=5) ，与 N 相连的 H 可被碱金属取代 形成盐。

+ H2ONH

+ KOHN

K+

(B) 取代反应

NH

CH3I CH3NH

N

CH3

CCH3

O

NH

CH3CCl

O

C O

CH3

N

NH

(C) 加成反应 吡咯与还原剂作用或催化加氢时，可生成二氢吡咯或四氢吡咯

NH

NH

2 H2 , Ni

200oC

二氢吡咯和四氢吡咯都不是共轭体系，因此它们具有脂肪族仲胺的性质，它们都是较强的碱

吲哚：由苯环和吡咯环稠合而成的，因此也叫做苯并吡咯

NH

NH

CH2COOH

吲哚 3-吲哚乙酸

(4) 咪唑和噻唑：较常见的含有两个杂原子的五元杂环化合物

N

N

S

N

H

咪唑 噻唑

N C

C NC

H

H

H

H

sp2 杂化， 6π 电子芳香体系

三、六元杂环化合物1. 吡啶和嘧啶 吡啶：是无色而具有特殊臭味的液体，沸点 115 0C ，熔点一 42 0C ，相对密 度 0.982 ，可与水、乙醇、乙醚等混溶，还能溶解大部分有机化合物 和许多无机盐类，因此吡啶是一个很好的溶剂。

（ A）碱性：吡啶环上的氮原于有一对未共用电子对处于 sp2 杂化轨道上， 它并参于环上的共轭体系，因此能与质子结合，具有弱碱性。 (pKb＝ 8.8) 比苯胺强 (pKb＝ 9.3) ，但比脂肪胺及氨弱得多， 吡啶与无机酸生成盐。

N

HCl

N+

H

Cl-

(B) 取代反应：由于氮的电负性比碳大，吡啶环上的电子云密度较低，且 α位的电子云密度比 β位的低，亲电取代不如苯活泼

N

N

E+

N

EH

EH

N

EH

N+

+

+

NEH N

EH N

EH

+

+

+

¦Áλ½ø¹¥

¦Â½ø¹¥ λ

²»Îȶ¨µÄ¼«Ï޽ṹ

吡啶与硝基苯类似，一般要在强烈条件下才能发生亲电取代反应，且主要发生在 β位

N

H2SO4, KNO3

Fe, 330 C, 22%°N

NO2

N

H2SO4, HgSO4

230 C, 70%°NH

+SO3

N

Br2

300 C°N

Br+

N

BrBr

吡啶不能起 Friedel-Craft 反应 吡啶可与强的亲核试剂起亲核取代反应，主要生成 α取代产物

N

NaNH2

N NNH2NHNa

+H2O

C6H5Li LiH

N NC6H5

+ +

(C) 氧化与还原 : 吡啶比苯稳定，它不易被氧化剂氧化

N

H2O2, ACOH

N+

O

HNO3, H2SO4

N+

O

NO2

PCl3, CHCl3

N

NO2

吡啶经催化氢化或用乙醇和钠还原，可得六氢吡啶

N+ 3H2 °

Ni180 C

NH

六氢吡啶又称哌啶，为无色具有特殊臭味的液体，沸点 106 0C ，熔点一 7 0C ，易溶于水。它的碱性比吡啶大，化学性质和脂肪族仲胺相似，常用作溶剂及有机合成原料

2. 喹啉和异喹啉

喹啉：在常温时是油状液体，沸点为 238℃，存在于煤焦油和骨焦油中，难溶 于水，易溶于有机溶剂，与吡啶类似，它具有弱碱性

喹啉及其衍生物的常用制法是斯克洛浦 (Skraup) 合成法

NH

CH2

CH2

C

H

O

NH

CH2

CH2

C

H

HONH2

H2SO42 H2O

CH2OH

CHOH

CH2OH

CHO

CH

CH2

H2SO4

NH

CH

CH

CH N

C6H5NO2

喹啉衍生物的合成

NOH

ºÏ³É Ô ÁÏĸÌå Ϊ

OHNH2

(a)氧化还原：吡啶环上的电子云密度较低，喹啉氧化时，苯环易被氧化；还 原时则是吡啶环优先被还原

NH

N

H2, Ni KMNO4

N

COOH

COOH

-CO2

N

COOH

(b) 亲电反应：比吡啶容易进行，亲电试剂主要进攻喹啉分子中的苯环部分。 亲电反应易发生在 5 、 8 位

°N

HNO3, H2SO4

0 CN

NO2

+

NNO2

(c) 亲核反应：亲核试剂主要进攻喹啉分子中的吡啶环部分，亲核反应易发生 在 2 位

Ba(NH2)2 , ÒºNH3

NH2N N