14-1 芳香杂环化合物

芳香杂环化合物的定义
芳香族化合物是一类具有芳环结构的化合物。

它们结构稳定，不易分解，可能会对环境造成严重的污染。

历史上曾将一类从植物胶中取得的具有芳香气味的物质称为芳香族化合物。

芳香族化合物一般是指分子中至少含有一个离域键的环状化合物，但现代芳香族化合物存在不含有苯环的例子。

芳香族化合物均具有“芳香性”。

芳香族化合物分类
一切具有芳香性苯环或杂环的碳氢化合物的总称。

可分为两类
：①苯烃或单苯芳烃，具有一个苯环的化合物及其衍生物。

如苯、苯酚、卤代苯、甲苯等;
②多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbon，PAH)，具有苯环或杂环共有环边的多环碳氢化合物。

如萘、蒽、䓛、苝、苯并芘等。

如其中由两个或两个以上的苯环与杂环以共有环边形成的多环化合物，称为苯稠杂环化合物，如吲哚、喹啉、芴等。

炼焦、石油化工、染料、制药、农药、油漆等工业及化石燃料的燃烧排放物是环境中芳香烃主要的人为来源。

自然界有些植物、细菌等也能产生这类化合物，如丁香酚、冬青油等。

许多芳香烃都是环境中的有害物，尤其是多环芳烃的污染会引起致突变、致癌性，已引起全世界的重视。

练习14-1：命名下列杂环化合物：（1） （2） （3）（4） （5） （6）答：略练习14-2：（1）为什么呋喃能与顺丁烯二酸酐进行双烯合成反应，而噻吩及吡咯不能？（2）为什么呋喃、噻吩及吡咯比苯容易进行亲电取代反应？（3）呋喃在溴的甲醇溶液中反应，没有得到溴化产物，而是得2,5-二甲氧基二氢呋喃，请写出相应的反应方程式并解释原因。

答：（1）因为呋喃的芳香性较弱，呋喃及其衍生物可以容易地进行 Diels-Alder 反应，吡咯只能和极活泼亲双烯体发生Diels-Alder 反应，而噻吩则难于发生Diels-Alder 反应。

（2）呋喃、噻吩、吡咯具有芳香的共轭体系，因此可以发生芳香的亲电取代反应，由于这些环上的杂原子有给电子的共轭效应，能使杂环活化，与苯比较，反应较易进行。

（3）反应过程首先是甲醇与溴反应，生成次溴酸甲酯，次溴酸甲酯很不稳定，形成后立即与具有共轭双烯性质的呋喃进行反应。

练习14-3： 2,5-二甲氧基二氢呋喃经催化氢化后再用酸性水溶液处理，得到什么化合物，请写出相应的反应方程式并标明反应类别。

答：琥珀醛练习14-4： 2-氨基吡啶能在比吡啶温和的条件下进行硝化或磺化，取代主要发生在5位，说明其原因。

答：氨基是强供电子基，使吡啶环上电子云密度提高，所以2-氨基吡啶能在比吡啶温和的条件下进行硝化或磺化。

5位是氨基的对位和吡啶氮原子的间位，亲电试剂进攻5位时，所产生正电荷能够离域到氨基氮原子上，活化能低。

进攻3位的电子效应与5位类似，但存在一定空间效应。

所以2-氨基吡啶进行硝化或磺化取代主要发生在5位。

练习14-5：如何理解γ-甲基吡啶的甲基的酸性比β-甲基吡啶的强这一事实？答：可以从共轭碱的稳定性去解释，γ-甲基吡啶共轭碱的负电荷可以离域到电负性大的氮原子上，而β-甲基吡啶的共轭碱则不能。

因此，γ-甲基吡啶甲基上的氢更容易电离，酸性OC H 2C O O H S C H 3OC H 2C O O HN HC H 2C H 2O H SNH 3C H O H 2C H 2CNN O 2O +Br 3C H 3OH O H B r H Br 3O HO C H 3H H 3C O OH C H 3HH 3C O催化加氢OH C H 3H H 3C OH +, H 2OC H 2H 2CC H OC H O更强。

第14章杂环化合物杂环化合物是由碳原子和非碳原子共同组成环状骨架结构的一类化合物。

这些非碳原子统称为杂原子，常见的杂原子为氮、氧、硫等。

前面已经学过的内酯、内酰胺、环醚等化合物都是杂环化合物，但是这些化合物的性质与同类的开链化合物类似，因此都并入相应的章节中讨论。

本章将主要讨论的是环系比较稳定、具有一定程度芳香性的杂环化合物，即芳杂环化合物。

杂环化合物的种类繁多，数量庞大，在自然界分布极为广泛，许多天然杂环化合物在动、植物体内起着重要的生理作用。

例如：植物中的叶绿素、动物血液中的血红素、中草药中的有效成分生物碱及部分苷类、部分抗生素和维生素、组成蛋白质的某些氨基酸和核苷酸的碱基等都含有杂环的结构。

在现有的药物中，含杂环结构的约占半数。

因此，杂环化合物在有机化合物（尤其是有机药物）中占有重要地位。

第一节分类和命名、杂环化合物的分类芳杂环化合物可以按照环的大小分为五元杂环和六元杂环两大类；也可按杂原子的数目分为含一个、两个和多个杂原子的杂环，还可以按环的多少分为单杂环和稠杂环等。

见表14-1。

表14-1有特定名称的杂环的分类、名称和标位杂环母环含一个杂原子的五元杂环Furan Thiophene含两个杂原子的五元杂环吡唑PyrazolePyrroleImidazole噁唑Oxazole异噁唑Isoxazole噻唑Thiazole类别吡咯呋喃噻吩五元稠杂环含一个杂原子的六元杂环含两个杂原子的六元杂环六元稠杂环吲哚Indole喹啉Quinoline苯并呋喃BenzofuranY吡啶Pyridine哒嗪Pyridazine4 3苯并咪唑Benzimdazole2H-吡喃2H-PyranPyrimidine异喹啉Isoquinoline6N 吖啶10Acridine二、杂环化合物的命名（一）有特定名称的稠杂环H咔唑Carbazole4H-吡喃4 H-Pyran喋啶Pteridine吩嗪Phenazine吡嗪Pyrazine8N9 H嘌呤PurineH吩噻嗪Phenothiazine杂环化合物的命名比较复杂。

芳香杂环化合物名词解释芳香杂环化合物，也称有机饱和杂环化合物，是指具有特殊香味和芳香的有机化合物的总称。

这类物质通常是六原子的平面环状，并且其中必须有一个或多个双键（也称双烯烃）。

可以说，只要满足上述条件，只要具有特殊的香味和芳香，它就是芳香杂环化合物。

芳香杂环化合物是众多有机化合物中最重要的部分，它不仅以芳香味而闻名，还有很多其他有用的特性，比如能够抵抗环境污染物、具有辐射吸收功能、可以用作催化剂和药物等。

因此，芳香杂环化合物在日常生活中占据着重要的地位。

芳香杂环化合物有很多种，可以分为芳香烃类、芳吡喃烃类、芳苯并烃类等几大类，其中各自属于不同的类别，这些类别的不同是由其不同的结构引起的。

芳香烃类的特征是环内一个氢原子被另外五个原子替代，形成独特的二元环，而芳吡喃烃类则以三角形三元环为特征，芳苯并烃类则以四边形四元环为特征。

芳香杂环化合物有着丰富的应用前景。

它们不仅在食物和化妆品中被广泛应用，而且还可以用作染料、农药和润滑剂。

此外，芳香杂环化合物还可以用来制备材料，例如发泡剂、塑料化合物和聚合物。

在化学领域，芳香杂环化合物还有重要的研究价值。

由于具有非常稳定的结构，芳香杂环化合物成为化学家们研究有机反应机理的重要课题。

从科学上讲，芳香环是有机反应机理的关键部分，这是由于其特定的结构所决定的。

芳香杂环化合物具有多种应用，从表面现象上看，它们都具有独特的香味和芳香，这种香味来自于它们的结构，比如双烯烃等。

芳香杂环化合物的重要性之所在，就是其多样的特性，可以用于食品、医药和化学工业中。

总之，芳香杂环化合物对现代社会具有重要的意义，它们是现代社会发展的不可或缺的部分。

有机化合物的芳香性若干方面的思考现实生活中，人们总留恋于美好的事物，自然对那些有芳香气味的物质更贪恋一些。

人们所熟悉的苯和其同系物、衍生物，还有芳香杂环化合物及其它一些环状化合物等等都属于芳香化合物的范畴。

那么，难道它们真的都散发着迷人的芬芳吗？早在十九世纪，人们就研究了具有香味的物质，像冬青油、茴香油、香草等的主要成分都是苯系化合物[1]，故将这一类化合物命名为芳香化合物。

后来，随着研究的不断深入，人们发现，许多与苯性质相似的化合物不但没有芳香气味，有些甚至还有恶臭的气味（如：吡啶）。

但是，由于它们在性质上的相似性，即高度不饱和却具有特殊的稳定性[2]，人们将这种性质称为芳香性，将具有这种性质的化合物统称为芳香化合物。

芳香化合物在结构上必须满足休克尔规则[3]。

休克尔规则：（1）环状闭合共轭体系；（2）所有成环原子处于同一平面；（3）电子数符合4n+2（n≥0）规则。

符合休克尔规则的芳香化合物按照结构类型的不同分为两大类：苯系芳烃和非苯芳烃。

苯系芳烃中除只含一个苯环的苯及其同系物、衍生物外，还包括像萘、蒽、菲等稠环芳烃。

与苯相似，由于它们的成环碳原子都在同一平面上，且电子数分别为10和14，符合休克尔规则，是芳香化合物。

虽然萘、蒽、菲是稠环芳烃，但构成环的碳原子都处于最外层环上，可看成是单环共轭多烯，故可用休克尔规则判断芳香性。

非苯芳烃主要分为四部分：1）小环环烯离子a. 环状闭合共轭体系，4n个电子，且分子多为非平面环结构：根据休克尔规则，不具有芳香性。

如：环丁二烯、环辛四烯。

凡具有4n个电子的一类环烃，不但都没有芳香性，而且它们的能量一般还比相应的直链多烯烃高，即它们的稳定性很差。

通常称为反芳香性化合物。

若要使它们具有芳香性，须得失2个电子，成为离子形式。

；b. 环状非闭合共轭体系：根据休克尔规则，无论是否符合4n+2规则，均不具有芳香性。

如：环丙烯、环戊二烯。

若要使它们具有芳香性，须得或失1个电子，成为离子形式。