第十四章
杂 环 化 合 物
主要内容
第一节 杂环化合物的分类和命名
第二节 六元杂环化合物
第三节 五元杂环化合物
第一节 杂环化合物的分类和命名
1、脂杂环 没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂环。
三元杂环
四元杂环
五元杂环
七元杂环
(氮杂环丙烷)
(β-丙内酯) (β-丙内酰胺)
(顺丁烯二酸酐)
(氧杂 ) (1H-氮杂 )
(环氧乙烷)
（一）分类
2 、芳杂环 具有芳香特征的杂环化合物称为芳杂环
苯并杂环
杂环并杂环
五元杂环
六元杂环
呋喃 噻吩 吡咯
噁唑 噻唑 咪唑 吡唑
吡啶 嘧啶 吡喃(无芳香性)
吲哚 喹啉 异喹啉
嘌呤
((二二) ) 命名命名
命名原则:
杂环的命名常用音译法，是按外文名词音译成带“口
”字旁的同音汉字。
当环上有取代基时，取代基的位次从杂原子算起
依次用1,2,3,… (或α,β,γ…)编号。
如杂环上不止一个杂原子时，则从O、S、N顺序依次
编号。编号时杂原子的位次数字之和应最小。
五元杂环
五元杂环苯并体系
呋喃(furan) 噻吩(thiophene) 吡咯(pyrrole)
苯并呋喃
(benzofuran)
苯并噻吩
(benzothiophene)
苯并吡咯
吲哚 (indole)
实例:
六元杂环
吡啶(pyridine) 吡喃(pyran) γ-吡喃酮
(γ-
pyrone)
α-吡喃酮
(α-pyrone)
哒嗪(pyridazine) 嘧啶(pyrimidine) 吡嗪(pyrazine)
杂环并杂环
喹啉
(quinoline)
异喹啉
(isoquinoline)
苯并吡喃
(benzopyran)
苯并--吡喃酮
(benzo--pyrone)
嘌呤(purine)
六元杂环苯并环系
(一) 吡啶
共轭效应和诱导效应都是吸电子的
孤电子对
在sp2杂化
轨道上。
结构：吡啶N是sp2杂化，孤电子对不参与共轭。
反应：碱性较强。环不易发生亲电取代反应但易发生亲核
取代反应。发生亲电取代反应时，环上N起间位定
位基的作用。发生亲核取代反应时，环上N起邻对
位定位基的作用。
1 电子结构
第二节 六元杂环化合物
2 物理性质
氮原子的电负性较大,使吡啶有较大极性,其偶极距数值较大.
= =
吡啶能与水以任意比例混溶,又能溶解大多数极性或非极性
有机化合物,甚至许多无机盐类,是一个良好的溶剂。
3 碱性
吡啶N是sp2杂化，孤电子对不参与共轭，可以与质子
结合或给出电子，显弱碱性。利用它的碱性，可从混
合物中分离吡啶类化合物，在化学反应中还可用作催
化剂和除酸剂。
4 化学反应
(1) 氮原子上的反应
(2) 亲电取代反应
吡啶环上氮原子为吸电子基，故吡啶环属于缺电子的
芳杂环，和硝基苯相似。其亲电取代反应很不活泼，反应
条件要求很高，不起傅-克烷基化和酰基化反应。亲电取代
反应主要在β-位上。
• 由吡啶的共振式分析
:
结论: 1. 环上带正电, 不利
于亲电取代
2. b 位的正电荷密相
对较低
解释原因:
• 由取代反应的中间体稳定
性分析
1. 取代在 位
2. 取代在 b 位
3. 取代在 位
中间体较为稳定
实验事实：钝化和 b取代
其它反应现象
环上有给电子基时反应相对较易进行
(3) 亲核取代反应
取代主要发生在 位
当 或 位有其它离去基团时，反应易发生
(4) 氧化和还原反应
• 氧化在侧链上
•氧化在 N 上
复习：叔胺的氧化
吡啶的类似反应
• N-氧化吡啶的性质：比吡啶易与亲电试剂或亲核试剂反应
(a) 与亲电试剂的亲电取代
(b) 与亲核试剂的亲核加成
为什么N-氧化吡啶既有亲电性又有亲核性
(a) 由共振结构分析（有两种形式的共振式）
有苯氧基负离子特点，环
上的 2, 4, 6 三个位置负电
荷密度较大
保留吡啶的特点，氧负离子使环
上的正电荷密度增大
(b) 由反应过程分析（中间体的稳定性分析）
亲电取代及进一步的反应过程
对比：吡
啶的直接
亲电取代
不稳定
(二） 喹啉和异喹啉
喹啉和异喹啉：
1 结构与物理性质：
结构： *杂环部分性质象吡啶(碱性和亲和性、亲电取代、
亲核取代、氧化反应、还原反应、支链上的反应
)
*碳环部分性质象萘(亲电取代及其取代定位作用)
碱性强弱：喹啉＜吡啶＜异喹啉
喹啉在常温时是无色油状液体，有类似吡啶的恶臭，
沸点238℃，异喹啉为低熔点的固体，气温类似于
苯甲醛，熔点26℃，沸点243℃。
物理性质：
（1） 亲电取代反应:
反应产物受介质的影响。若反应在酸性介质中进行，取
代主要在苯环上发生。喹啉主要发生在C-5与C-8位，而异
喹啉以C-5产物为主。
若反应在有机溶剂中进行，取代在杂环上发生。
2 化学反应
从反应中间体的稳定性解释反应结果：
（2） 亲核取代反应
亲核取代反应主要在吡啶环上发生，喹啉的反应位置
在2位和4位(2位为主)，异喹啉在1位；
实例：
（3） 氧化反应
*1 喹啉和异喹啉与绝大多数氧化剂不发生反应；
*2 与高锰酸钾能发生反应：
*3 喹啉与异喹啉在过酸的作用下均可形成N-氧化物。
（4） 还原反应
反十氢喹啉 顺十氢喹啉
3 喹啉及其衍生物的合成
1 斯克劳普(Skraup, .)反应：苯胺、甘
油、硫酸和基苯等氧化剂一起作用，生成喹啉
的反应称为斯克劳普反应。
实 例
eg 2
eg 1
eg 4
eg 3
2 弗里德伦德(Friedlander)反应：
eg 1
eg 2
芳香族邻氨基羰基化合物发生缩合反应，得到喹
啉或它的衍生物，这称为弗里德伦德反应。
(三） 含二个氮原子的六元杂环
含有两个氮原子的六元杂环体系称作二嗪类，因氮原子
在环中的相对位置不同，二嗪类有三种异构体：哒嗪、
嘧啶、吡嗪。
哒嗪(pyridazine) 嘧啶(pyrimidine) 吡嗪(pyrazine)
1 结构与物理性质
•二嗪类环上的两个氮原子，其电子构形与吡啶中的氮原子
相同，各有一对未共用电子对，位于sp2杂化轨道上，能与
水经氢键缔合。哒嗪与嘧啶因结构的不对称性，分子有一
定的极性，可与水混溶，吡嗪因分子极性小而水溶性略小。
•二嗪类化合物都是一元碱,而且碱性都比吡啶弱.
2 化学反应
（1）. 亲电取代反应
反应最易在2位发生，其次是4,6位
取代卤素要比取代负氢更容易
（2）. 亲核取代反应
利用亲核取代反应可制取烃基取代的二嗪。
二嗪不易被氧化。若用过酸氧化，得嘧啶单N-氧化物
（3） 氧化
（4） 侧链α-H反应
羟醛缩合型
烷基化反应
吡喃环系
吡喃及其衍生物无芳香特性
吡喃酮的钅羊盐是芳香体系。
(四) 含氧原子的六元杂环
(一 ) 呋喃、噻吩、吡咯的结构
(二) 吲哚
(三) 含两个杂原子的五元杂环
第三节 五元杂环化合物
吡
咯
的
结
构
孤电子对在p轨道上。
吡 咯
结构：吡咯N是sp2杂化，孤电子对参与共轭。
反应：碱性较弱，环易发生亲电取代反应，环上相当
有一个邻对位定位基。
共轭效应是给电子的。
诱导效应是吸电子的。
(一) 呋喃、噻吩、吡咯的结构
呋喃、噻吩的结构请同学自己分析。
1 电子结构及芳香性
呋喃、噻吩、吡咯在结构上具有共同点，即构成环
的五个原子都为sp2杂化，故成环的五个原子处在同
一平面，杂原子上的孤对电子参与共轭形成共轭体
系，其π电子数符合休克尔规则（π电子数 =
4n+2），所以，它们都具有芳香性。
2 物理性质
都能溶于有机溶剂,水溶解度都小于六元杂环吡啶
溶解度顺序为：吡咯﹥呋喃﹥噻吩
吡咯几乎不显碱性, 相反具有弱酸性
3 呋喃、噻吩、吡咯化学反应
分子接受一个质子的反应称为质子化反应.
（1）呋喃、噻吩、吡咯在酸的作用下可质子化；
（2） 质子化反应主要发生在C-2上；
α-C质子化 β-C质子化
N-质子化
•质子化反应
（3） 由于α-C的质子化反应，吡咯在强酸作用
下会因聚合而被破坏；
（4） 在稀的酸性水溶液中，呋喃的质子化在氧
上发生并导致水解开环。
呋喃、噻吩、吡咯的亲电取代反应
*1 亲电取代反应的活性顺序为：
吸电子诱导：O() > N() > S() 给电子共轭：N > O > S
综合：N贡献电子最多，O其次，S最少
①电子密度
②σ-络合物
八隅体结构最稳定
无最稳定结构
（1）概述
*2 取代反应主要发生在α-C上；
*3 吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感，选择试
剂时需要注意；
*4 噻吩、吡咯的芳香性较强，所以易取代而不易
加成；呋喃的芳香性较弱，虽然也能与大多数
亲电试剂发生亲电取代，但在强亲核试剂存在
下，能发生亲核加成。
离域能：噻吩： kJ·mol-1 吡咯： kJ·mol -1
呋喃： kJ·mol -1
（1） 呋喃、噻吩、吡咯的卤化反应
反应强烈，易得多卤取代物。为了得一卤代(Cl,
Br)产物，要采用低温、溶剂稀释等温和条件。
碘不活泼，要用催化剂才能发生一元取代
（2） 呋喃、噻吩、吡咯的硝化反应
呋喃, 噻吩和吡咯易氧化, 一般不用硝酸直接硝化;
通常用比较温和的非质子硝化试剂，如：硝酸乙酰酯。
反应在低温下进行。
呋喃比较特殊,先生成稳定的或不稳定的2,5加成产物,
然后加热或用吡啶除去乙酸,得到硝化产物。
（3） 呋喃、噻吩、吡咯的磺化反应
吡咯、呋喃不太稳定，所以须用温和的磺化试剂
磺化。常用的温和的非质子的磺化试剂有：吡啶与三
氧化硫的加合化合物。
噻吩比较稳定，既可以直接磺化（产率稍低），
也可以用温和的磺化试剂磺化。
(固体，含量90 %)
S
+ N
SO3
ClCH2CH2Cl
r. t. S SO3-
Ba(OH)2
2
Ba2+
（4） 呋喃、噻吩、吡咯的傅氏酰基化反应
Eg 1
Eg 4
Eg 3
Eg 2
sp2杂化 sp3杂化
碳上酰化，正电荷处在
离域范围内，较稳定。
氮上酰化，正电荷
不处在离域范围内。
呋喃、噻吩的酰化反应在-C上发生，而吡咯的酰化
反应（不用催化剂）既能在 -C上发生，又能在N上发生。
在 -C上发生比在N上发生容易。
（5） 吡咯的特殊反应
吡咯的性质与苯酚类似，都具有酸性，但吡咯的酸
性比苯酚小。吡咯与苯胺也有类似性质。
吡咯成盐后，使环上电荷密度增高，亲电取代反应更易进行。
HCON(CH3)2
POCl3
CHCl3
25%NaOH(NH4)2CO3
130oC
C6H5N2+X-
C2H5OH-H2O AcONa
RMgX
1 CO2
2 H2O
CO2
加热 加压
RCOCl
RX
(6) 呋喃、吡咯、噻吩的加成反应
（1） 加氢反应
（2） Diels-Alder反应
呋喃最易发生Diels-Alder反应
A l C l3
N H C C H 3
H3C C O O C H3
C O O C H3
O
CH3
噻吩基本上不发生双烯加成，即使在个别情况下
生成也是一个不稳定的中间体，直接失硫转化为别的
产物。
对取代位置的解释（对反应中间体的相对稳定性的分析）
• 取代在位
• 取代在b位
(二) 吲哚
三种五员杂环苯并体系
亲电取代反应：
从反应的中间体分析：
• 进攻3-位,反应易于进行
吲哚的合成
苯肼与醛、酮类化合物在酸性条件下加热生成吲哚
及其衍生物的反应称为费歇尔(Fischer, E.)合成法。
（1）互变异构
N-N(单键) N=N(双键)
5-甲基咪唑4-甲基咪唑
4(5)-甲基咪唑(因为4-甲基咪唑和5-甲基咪唑不可分离)
1 唑的结构
(三) 含有两个杂原子的五元杂环体
系
（2）结构
吡咯N(孤电子对参与
共轭，所以碱性较弱)
吡啶N(孤电子对不参与共
轭，所以碱性较强)
吡咯N的孤电子
对处于p轨道
一般胺中的N是sp3杂化。
N 的孤电子对处于sp3杂化轨道
sp3轨道
碱性：
N 的孤电子对处于
sp2杂化轨道
吡啶N与吡咯N
均为sp2杂化。
（2）碱性
1. 1,2-唑与1,3-唑都有吡啶N，所以都有碱性。
2. 1,3-唑的碱性比1,2-唑强。
因为两个杂原子互相影响大。
3. 咪唑的碱性＞噻唑的碱性＞噁唑的碱性
由综合电子效应决定。
2 物理性质
(1) 熔沸点
3 唑的反应
主要讨论亲电取代反应
1 反应性
唑的反应性比呋喃、噻吩、吡咯差，这是因为分子中
多了一个吡啶N，使共轭体系的电子云密度降低，所以亲
电试剂不易进攻。
2 1,2-、1,3-唑的硝化、磺化、卤化
（1） 进入环的位置及活性顺序
（2） 反应试剂：一般的硝化、磺化、卤化试剂即可。
实 例
eg 1
eg 2
5-硝基咪唑 4-硝基咪唑
eg 3
eg 4
磺化须强烈条件
eg 5
硝化、卤化须有给电子取代基
一 结构
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)
(四) 嘌呤
二 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
)
