亲电试剂 进攻位点
0.87 1.01
139pm
亲核试剂 进攻位点
？
0.84 1.00
1.43
吡啶环中C上p电子密度比苯低，这类芳杂环亦称 为“缺p芳杂环”。表现在性质上，亲电取代变难， 亲核取代变易；氧化变难，还原变易；另外 sp2 杂化 N 上的孤电子对具有一定程度的碱性，可成盐。
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胞嘧啶 (cytosine)
尿嘧啶 (uracil)
胸腺嘧啶 (thymine)
5-氟尿嘧啶 (抗肿瘤药)
这些嘧啶衍生物存在酮式和烯醇式互变异构:
NH (酮式) HN O
O
HO N
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N
OH (烯醇式)
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29
六、稠杂环化合物
杂环与杂环稠合或苯环与杂环稠合而成的化合 物总称为稠杂环化合物。常见的稠杂环化合物有 嘌呤、吲哚、喹啉等。
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9
呋喃
噻吩
吡咯
上述杂环中的π电子云不象苯环那样分布均匀，因而环的 稳定性不如苯。O的电负性(3.5)较大, 故呋喃环π电子共轭程度 较弱, 芳香性最小。S 的电负性(2.5)在三者中为最小, 且S原子 半径较大，原子核对共轭π电子的吸引力较小，故噻吩环π电 子共轭程度较大，芳香性在三者中最大。N的电负性(3.0) 在O、 S之间，故吡咯的芳香性介于呋喃与噻吩之间。
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单萜类化合物（C10H16）

单萜类化合物是指分子中含有两个分子异戊二 烯单位的萜烯及其衍生物。 单萜类化合物广泛存在于高等植物中的分泌组 织里，多数是挥发油中沸点较低部分的主要组 成部分，其含氧衍生物沸点较高，多数具有较 强的香气和生理活性，是医药、仪器和化妆品 工业的重要原料，有些成苷后则不具挥发性。
N N H
在组氨酸分子中含有一个咪唑基, 其pKa值 接近生理pH(7.35)，它既是一个弱酸，又是一 个弱碱，能起到质子传递的作用。组氨酸中的 咪唑环是构成酶活性中心的重要基团，使酶能 催化生物体内酯和酰胺的水解。
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27
五、嘧啶(C4H4N2)及其衍生物
5 6
4
3 2
1
嘧啶(Pyrimidine)
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25
咪唑中N上的氢可以转移到另一个氮原子上, 因而存在 互变异构. 这种情况在环上有取代基时很容易辨别。
N3
5
5 3
NH N
2
1
N H
1
2
甲基咪唑可发生下列互变异构:
N H3C N H 5-甲基咪唑
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NH H3C N
4-甲基咪唑
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26
咪唑的碱性比吡咯强（pKb=6.8），这是由于 引入的氮原子的孤对电子没有参加共轭体系，因 而较易与质子结合。水溶度也较吡咯大。
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17
5C 1N 共面, 取 sp2杂化; 都有 一个垂直于分子平面的p轨道, N的 p 轨道含1个电子, 组成环闭共轭体系 侧面交叠形成环闭大π 键。
吡啶的结构模型
孤电子对占据sp2 杂化轨道
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18
π电子云向电负性较大的N原子转移,使N带部分负电 荷, C带部分正电荷,π电子云出现的几率密度如下：
N
N
Br2 300 oC
Br N
b-溴吡啶 b-吡啶磺酸 b-硝基吡啶
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22
H2SO4, SO3 230 oC, 24 h
SO3H N
KNO3 + H2SO4 N Fe, 300 oC N
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NO2
亲核取代比苯容易，主要发生在α位上。
＋ NaNH2 N
H 2O
100℃
N
NHNa
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3
一、分类和命名
N O S N H N
N
N N
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N
五元杂环:
单杂环
杂环
稠杂环
六元杂环:
N
N N N H
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N
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4
命名原则：译音＋“口”旁
N O S S
Furan 呋喃
Thiophene 噻吩
Pyrrole 吡咯
Thiazole 噻唑
N O
Imidazole 咪唑
4 5 3(b) 5 6 4(g) 1 3(b) 2(a) 4 5 1 3(b) 2(a)
O
1
2(a)
呋喃
吡啶
NO2 O CH3 N H 3-硝基吡咯 (b-硝基吡咯)
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吡咯 CH2CH3
2-甲基呋喃 (a-甲基呋喃)
N 4-乙基吡啶 (g-乙基吡啶)
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7
2.有多个杂原子时,按O、S、N (N-R;N-H;N) 顺序编号
KMnO4 N
N
Na + C2H5OH N or H2/Pt
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NH
六氢吡啶 (哌啶)
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24
四、咪唑的结构与功能
咪唑可以看作是吡咯3位的CH被 氮原子取代而生成的杂环化合物。
N N H
咪唑 1位 和 3 位N 均取sp2杂化。不同的是, 1-N 以一对 p 电子参与共轭, 而 3-N 则以1个 p 电子参与共轭, 形成环状 闭合大p键, p电子数为6, 符合Hü ckel规则, 有一定芳香性。
喹啉
吖啶
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嘌呤
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8
二、芳香五元杂环
(一)吡咯、呋喃和噻吩的结构
4C 1O 共面；都有一个垂直于分子平面的 p 轨道, 侧面 交叠形成环闭大π 键，其中四个碳原子各贡献 1个 p 电子， 氧原子则贡献2个 p电子, 形成 6电子环状共轭大π键。 与苯 环比较, 呋喃、噻吩、吡咯为 5原子共用6个π电子, 故环上π 电子云密度比苯环大,属于“富π芳杂环”。
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2
本章讨论的杂环化合物主要指环系较稳定，包 括杂原子在内的环是平面型，环内有4n+2个p电子 处于环闭共轭体系中，统称为芳(香)杂环化合物。
N O
呋喃
N N N
嘧啶
N N N H
O
O O
杂脂环
S
噻唑
N H
嘌呤
其它不具芳香性的杂环化合物，统称为 非芳香杂环化合物或杂脂环化合物。
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19
(二) 吡啶的性质 1. 水溶性 解释下列吡啶类化合物的水溶性现象？
OH N
水溶度： ∞ 1:1
N
OH
1:1
N
NH2
微溶
N OH
答: 吡啶能与水形成氢键。羟基或氨基取代的
吡啶因分子间氢键的形成而降低了水溶度。
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20
2. 碱性：吡啶环 N 原子的孤电子对处于sp2
杂化轨道上，而一般脂肪胺N上的孤电子对处 于sp3杂化轨道。前者碱性较弱 (pKb=8.8) 。
H3C 4
5
N N1 H
3
4
2
3 5 N N2 1
3N 2
4 5
CH3
1-甲基吡唑
S
1
CH3 6
CH3 5 N3
4
N 2
1
4-甲基咪唑
5-甲基噻唑
4-甲基嘧啶
3. 稠杂环的编号一般和稠环芳烃相同,但少数有例外
5 6 7 8 4 8 3 2 7 6 5 10 9 1 2 3 4
1N
6
5
N
7
N 1
N
8 2 N 4 N9 3 H
NH2 > NH3 >
N H
>
N H
pKb: 3.7
4.7
9.6
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13.6
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12
另一方面，吡咯 N上的H 却有微弱的酸性 (pKa=17.5 ), 与醇相当，而比酚弱。吡咯在无水 条件下可以与固体氢氧化钾加热生成钾盐。
NH + KOH
Acidity
Ka: OH
N K + H2 O
Pyrazole 吡唑
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Oxazole 噁唑
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5
Pyridine
吡啶
Pyrimidine
嘧啶
Pyridazine
哒嗪
Quinoline
喹啉
Isoquinoline
异喹啉
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Indole
吲哚
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Purine
嘌呤
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6
杂环的编号规则：
1. 单杂环的编号从杂原子开始。
95% H2SO4
S
25 C
o
S
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SO3H (69~76%)
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14
N H
+ Ac2O
乙酸酐
N H O
CH3
吡咯和呋喃遇强酸时, 杂原子能质子化, 使芳香大p键 破坏, 所以不能用强酸进行硝化和磺化反应, 需选用较温和 的非质子性试剂。例如吡咯硝化需用硝酸乙酰基酯。
N H
+ CH3 C ONO2 O
第十一章 杂环化合物
詹海莺
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1
第十一章 杂环化合物
“杂环”就是组成环的原子除 C 外，还含有其它元 素的原子，这些非碳原子统称为杂原子。原则上二价 以上的元素都可成为杂原子, 但最常见的是 O、S和N。