吡喃 吡咯的N为什么是sp2杂化
鸟欲高飞先振翅-我是学生
2023年3月3日发(作者：博人眼球的意思)第十七章杂环化合物
——在环上含有杂原子（非碳原子）的有机物称为杂环化合物。
脂杂环——没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂环。
三元杂环(环氧乙烷)(氮杂环丙烷)
四元杂环
NH
O
五元杂环顺丁烯二酸酐)
七元杂环(1H-氮杂
芳杂环——具有芳香特征的杂环化合物称为芳杂环。
五元杂环呋喃
六元杂环吡啶吡喃(无芳香性)
苯并杂环吲哚喹啉异喹啉
杂环并杂环嘌呤
17.1杂环化合物的分类和命名
杂环化合物的分类：
1.按照环的大小分类：五元杂环和六元杂环
2.按照杂环中杂原子的数目分类：含有一个杂原子的杂环和含有两个或两个以上杂原子
的杂环
O
H
N
O
O
O
ON
H
OSN
H
N
O
N
S
O
N
H
N
N
N
N
N
H
N
3.按照环的形式分类：单杂环和稠杂环
4.按照环上碳原子的电荷密度分类：多π芳杂环和缺π芳杂环
杂环化合物的命名：
1.多用习惯命名：采取音译法；用“口”字旁表示杂环化合物
五元杂环体系
呋喃(furan)吡咯(pyrrol苯并呋喃(benzofuran苯并噻
(benzothiophene)
六元杂环体系
吡啶(pyridine)α-吡喃酮(α-pyrone)γ-吡喃酮哒嗪(pyridazine)嘧啶吡嗪(pyrazine)
(pyrimidine)
六元杂环苯并环系
喹啉异喹啉苯并吡喃苯并--吡喃酮
(isoquinoline)(quinoline)(benzopyran)(benzo--pyrone)
杂环并杂环：
嘌呤(purine)
O
1
2
3
4
α
β
5
S
1
2
3
4
α
β
55
N
H
1
2
3
4
α
β
O
1
2
3
4
5
6
7
S
1
2
3
4
5
6
7
N
α
β
1
2
3
4
5
6
γ
O
α
β
1
2
3
4
5
6
γ
1
2
3
4
5
6
O
O
1
2
3
4
5
6
OO
1
2
3
4
5
6
N
N
N
N
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
N
N
N
1
2
3
45
6
7
8
N
1
2
3
45
6
7
81
2
3
45
6
7
8
O
O
O
N
N
N
H
N
1
2
3
4
5
6
7
8
9
2、环上有取代基，命名时，以杂环为母体；将杂原子进行编号；一般从杂原子开始，顺着环编号。
3、当杂环上有两个或两个以上的杂原子时，应使杂原子所在的位次最小，按O、S、N顺序编号。
4、环上只有一个杂原子时，有时将靠近杂原子的位置叫做α位，依次为β、γ、δ等。
5、有时，根据碳环来命名，命名时将碳环名称前加上杂原子的名称。
17.2芳杂环化合物的结构和芳香性
关于五元芳杂环：
1、碳和杂原子都是sp2杂化；
2、碳原子p轨道的一个电子和杂原子p轨道的两个电子侧面交盖形成大π键：π56；
3、符合休克尔4n+2规则，具有芳香性（键长平均化和高的离域能）。
五元芳杂环吡咯的结构：
共轭效应是给电子的;诱导效应是吸电子的。
孤电子对在p轨道上。
2，5-二甲基呋喃
O
N
N
H
N
CHO
COOH
O
4-甲基咪唑
3-吡啶甲酸
2-呋喃甲醛
N
COOH
N
N
N
H
O
3-喹啉甲酸
4-甲基吡啶
3-甲基-1-苯基-5-吡唑酮
O
S
N
H
茂
氧茂硫茂
氮茂
N
HN
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。取代常发生在α位。
17.2芳杂环化合物的结构和芳香性
关于六元芳杂环
1、碳和杂原子都是sp2杂化；
2、碳原子p轨道的一个电子和杂原子p轨道的一个电子侧面交盖形成大π键，其中孤电子对不参与共轭；
3、也符合休克尔4n+2规则，具有芳香性
六元芳杂环吡啶的结构：
六元芳杂环吡啶的结构：共轭效应和诱导效应都是吸电子的
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（β位）。发生亲核取代反应时，环上N起邻对位定位基的作用（α位）。
17.3五元杂环化合物
（1）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：
N
N
H
O
N
H
S
>
>
>
N
H
E
H
N
H
E
H
N
H
E
H
E
H
E
H
E
H
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。
(2)亲电取代反应定位效应的影响因素
A）杂原子的定位效应：
——第一取代基进入到杂原子的α-位。
B）取代基的定位效应：
①3位上有取代基时，呋喃、吡咯、噻吩的定位效应一致。
②2位上有取代基时，吡咯、噻吩的定位效应一致，情况如下：
③2-取代呋喃在强亲电试剂的作用下易发生2,5-加成反应：
(3)重要的五元杂环化合物
①呋喃
呋喃的制备：
1)工业制法
2)实验室
Z
G(o,p)
Z
G(m)
Z
G(o,p)
(主)
(次)
Z
G(m)
(主)
(次)
O
G(o,p,m)
O
CHO
+H
2
O
Cat
O400to415oC
O
COOH
Cu,喹啉
O
呋喃的化学性质：
1)取代反应
注意：须用较缓和的硝化、磺化试剂。须用较缓和的路易斯催化剂
2)加成反应——具有共轭双键的性质
②糠醛(α-呋喃甲醛）
制法：戊糖水解环化得到。
性质和用途：
1）具有一般醛基的性质，可发生银镜反应等。
2）不含α氢，其性质与苯甲醛或甲醛形似。
3）在醋酸存在下与苯胺作用呈红色，可用来检验糠醛。
③噻吩
工业制法
实验室制法
O
Br
2
O
BrBr
O
NO
2
O
CH
3
CO
2
NO
2
CH
3
COOH
+
O
SO
3
-
O
SO
3
H
O
C
6
H
5
N
+
●SO
3
-
ClCH
2
CH
2
Cl
N
H
HCl
O
COCH
3O
(CH
3
CO)
2
O
+
or(C
2
H
5
)
2
O●BF
3
SnCl
4
CH
3
COOH
+
O
O
O
O
+
O
O
O
O
O
氢化
O
S
4S
S
Al
2
O
3
＋
600－650oC
3H
2
S
＋
S
＋
2
（orH
2
S）
400oC
S
NaOOCCOONa
P
2
S
3
OHCCHO
P
2
S
3
噻吩的化学性质
1）最稳定的五元杂环化合物，不易水解、聚合。
2）在浓硫酸存在下下，与靛红一起加热显蓝色——可用作检验噻吩。
3）不具有二烯的性质，不能氧化成亚砜和砜。
4）容易进行亲电取代反应，也发生在α位。
5）可发生催化加氢、加氯反应。氢化后，可氧化为环丁砜和亚砜。
④吡咯
工业制法
1)可用氧化铝为催化剂，从呋喃和氨在气相中反应制得。
2)可用乙炔与氨通过红热的管子来合成。
吡咯的性质
1)酸性：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。
S
Br
2
S
BrCH
3
CO
2
H
S
HNO
3
S
NO
2
(CH
3
CO)
2
O
H
2
SO
4
S
SO
3
H
S
SnCl
4
S
CCH
3S
O
CH
3
COCl
S
S
2H
2
MoS
2
200oC,20MPa
3
S
O
3
S
O
O
四氢噻吩
环丁亚砜
环丁砜
N
H
O
+NH
3+H
2
O
450oC
Al
2
O
3
N
H
2CHCH+NH
3+H
2
N
H
N
K+
Na或K
或浓NaOH
pK
a
≈17.5
吡咯成盐后，使环上电荷密度增高，亲电取代反应更易进行。吡咯能使浸有盐酸得松木
片显红色。
2）取代反应
吡咯在－10℃时，与乙酰基硝酸酯作用，主要得α－硝基吡咯，在SnCl4存在下，
吡咯亦能发生酰化反应。
与苯酚相似，吡咯很易和芳香族重氮盐发生偶合作用，生成有色的偶氮化合物。
3）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。
二氢吡咯和四氢吡咯都不是共轭体系，故具有脂肪族仲胺的性质，都是较强的碱。
⑤吲哚：由苯环和吡咯环稠合而成，又叫苯并吡咯。
制法
性质:
1）吲哚几乎无碱性；2）亲电取代反应发生在β位；3）加成和取代都发生在吡咯环
上。吲哚也能使浸有盐酸的松木片显红色。
⑥噻唑、吡唑及其衍生物
特点：1）两个杂原子的五元环；2）具有碱性；3）具有芳香性。
N
H
NO
2
N
H
CH
3
CO
2
NO
2
CH
3
COOH
+
-10oC
N
H
N
2
Cl
C
2
H
5
OH-H
2
O
CH
3
COONaN
H
NN
+HCl
+
N
H
Zn+CH
3
COOH
N
H
N
H
H
2
/Ni
200oC
二氢吡咯
四氢吡咯
吲哚
N
H
NH
异吲哚
NH
2N
H
CHO
HCHONaNH
2
N
H
噻唑：
1）碱性很弱，但能与酸生成稳定的盐，与卤烷作用生成噻唑鎓盐。
2）噻唑环上的电子云密度低，不容易发生亲电取代反应。在一般情况下，
不与硝酸作用，不起卤化反应，磺化反应必须在硫酸汞存在。
吡唑：
1）具有弱碱性
2）芳香性明显，能发生硝化、卤化、磺化反应。得到4-位取代产物。
17.4六元杂环化合物
①吡啶
存在和制取：
吡啶存在于煤焦油及页岩油中。工业上吡啶多从煤焦油中提取，将煤焦油分馏出的轻油
部分用硫酸处理，则吡啶生成硫酸盐而溶解，再用碱中和，吡啶即游离出来，然后再蒸馏精
制。
物理性质：
吡啶是无色而具有特殊臭味的液体，沸点115℃，熔点－42℃，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.
吡啶的化学性质：
（1）碱性
吡啶环上的氮原子有一对未共用电子对处于sp2杂化轨道上，它并不参与环上的共
轭体系，故能与质子结合，具有弱碱性。
S
N
S
N
I-
+
CH
3
I
HgSO
4
S
N
S
N
HO
3
S
发烟H
2
SO
4
N
H
N
N
H
N
Br
Br
2
CH
3
CO
2
H－H
2
O
吡啶的碱性（pKa＝5.2）比苯胺强（pKa＝4.7），但比脂肪胺及氨弱得多。
（2）吡啶的亲电取代反应
反应特点
*1不能发生傅氏烷基化、酰基化反应。*2硝化、磺化、卤化必须在强烈条件下才能发
生；*3吡啶环上有给电子基团时，反应活性增高；*4吡啶N可以看作是一个间位定位
基。
（3）吡啶的亲核取代反应
（A）置换氢的亲核取代反应
一般机制：
*1.负氢不易离去，一般需要一个氧化剂作为负氢的接受体；
齐齐巴宾(Chichibabin,A.E.)反应——氨化
定义：吡啶与氨基钠作用生成2-氨基吡啶的反应称为齐齐巴宾反应。
N
N
N
NH-Na+NH
2
NaNH
2
H
2
O
（B）置换卤原子的亲核取代反应
N
+HCl
N
H
Cl-
++
N
Br
2
，浮石
300
o
C
N
Br
66%
N
浓HNO
3
，H
2
SO
4
300
o
C，1d
N
NO
2
6%
NH
3
CCH
3
浓H
2
SO
4
，KNO
3
100
o
C
N
NO
2
CH
3
H
3
C
66%
N
浓H
2
SO
4
，HgSO
4
220
o
C
N
SO
3
H
70%
N
Nu-(亲核取代)
N
N
α
γ
H
Nu
Nu
Z(负氢接受体)
+
ZH-
NOH
+KCl
NCl
KOH
NNH
2
+NH
3
NCl
ZnCl
2
220oC
（4）吡啶的氧化还原反应
②喹啉和异喹啉
合成:斯克洛普(Skraup,Z.H.)反应，苯胺、甘油、硫酸和硝基苯等氧化剂一起作用，生
成喹啉的反应。
③嘧啶、嘌呤及其衍生物
N
CH
3
N
COOH
O
2
,DMF
t-BuOK,室温
NCH
3
SeO
2
NC
H
O
N
N
CH
3
HNO
3
N
COOH
N
KMnO
4
N
COOH
COOH
N
30%H
2
O
2
-HOAc
N
O
N
N
H
H
2
,Pt,25℃,3atm
orNa+C
2
H
5
OH
CH
2
OH
CHOH
CH
2
OH
H
2
SO
4
CHO
CH
CH
2
C
6
H
5
NH
2
N
H
CH
2
CH
2
CH
O
N
H
CH
2
CH
C
HO
H
H
2
SO
4
-H
2
O
N
C
6
H
5
NO
2
[O]
H
N
N
N
1
2
3
4
5
6
N
N
N
H
N
1
2
3
4
5
6
7
8
9
N
N
N
H
N
1
2
3
4
5
6
7
8
9
N
N
N
H
N
1
2
3
4
5
6
7
8
9
嘌呤的两个重要衍生物
N
N
N
H
N
1
2
3
4
5
6
NH
2
N
N
N
H
N
1
2
3
4
5
6
OH
H
2
N
腺嘌呤(A)
鸟嘌呤(G)