第十七章雜環(huán)化合物

1、12第十七章第十七章 雜環(huán)化合物雜環(huán)化合物【本章重點】【本章重點】 呋喃、吡咯、噻吩和吡啶的結(jié)構(gòu)與化學(xué)性質(zhì)。呋喃、吡咯、噻吩和吡啶的結(jié)構(gòu)與化學(xué)性質(zhì)。【必須掌握的內(nèi)容】【必須掌握的內(nèi)容】 1. 1. 雜環(huán)化合物的命名方法。雜環(huán)化合物的命名方法。 2. 2. 呋喃、吡咯、噻吩和吡啶的結(jié)構(gòu)與芳香性。呋喃、吡咯、噻吩和吡啶的結(jié)構(gòu)與芳香性。 3. 3. 呋喃、吡咯、噻吩和吡啶的化學(xué)性質(zhì)呋喃、吡咯、噻吩和吡啶的化學(xué)性質(zhì) 3 雜環(huán)化合物是一大類有機(jī)物，占已知有機(jī)物的雜環(huán)化合物是一大類有機(jī)物，占已知有機(jī)物的三三分之一分之一。雜環(huán)化合物在自然界分布很廣、功用很多。雜環(huán)化合物在自然界分布很廣、功用很多。例如，中草

2、藥的有效成分例如，中草藥的有效成分生物堿生物堿大多是雜環(huán)化合物；大多是雜環(huán)化合物；動植物體內(nèi)起重要生理作用的血紅素、葉綠素、核酸動植物體內(nèi)起重要生理作用的血紅素、葉綠素、核酸的堿基都是含氮雜環(huán)；部分維生素，抗菌素；一些植的堿基都是含氮雜環(huán)；部分維生素，抗菌素；一些植物色素、植物染料、合成染料都含有雜環(huán)。物色素、植物染料、合成染料都含有雜環(huán)。雜環(huán)化合物的涵義：雜環(huán)化合物的涵義： 成環(huán)原子除碳以外，還有其它如成環(huán)原子除碳以外，還有其它如o、n、s、p等等雜原子雜原子的的環(huán)環(huán)狀化合物，統(tǒng)稱為狀化合物，統(tǒng)稱為雜環(huán)化合物雜環(huán)化合物。4onh2nhnh hoscoohch3h2o頭孢氨芐頭孢氨芐(先鋒霉素

3、先鋒霉素iv)nnnnfechch2h3cch3chch2h3choocch2ch2ch2ch2coohch3血紅素血紅素(heme)519931993年發(fā)現(xiàn)的一種高效抗癌物質(zhì)年發(fā)現(xiàn)的一種高效抗癌物質(zhì)6 本章討論的就是那些環(huán)為平面型，環(huán)內(nèi)本章討論的就是那些環(huán)為平面型，環(huán)內(nèi)電子數(shù)符電子數(shù)符合合4n+2規(guī)則，具有一定芳香性的規(guī)則，具有一定芳香性的芳雜環(huán)化合物芳雜環(huán)化合物。 17.1 17.1 雜環(huán)化合物的分類和命名雜環(huán)化合物的分類和命名ooooo雜環(huán)化合物非芳香性雜環(huán)化合物, 如：芳香性雜環(huán)化合物onh、內(nèi)酯、環(huán)狀酸酐等。nooh7（一）雜環(huán)化合物的分類（一）雜環(huán)化合物的分類雜環(huán)化合物單雜環(huán)五元雜

4、環(huán), 如onhs六元雜環(huán), 如n稠雜環(huán)苯環(huán)與單雜環(huán)稠并, 如nhn兩個以上單雜環(huán)稠并呋喃呋喃噻吩噻吩吡咯吡咯吡啶吡啶吲哚吲哚喹啉喹啉嘌呤嘌呤nnnhn8p4119（二）（二） 雜環(huán)化合物的命名雜環(huán)化合物的命名 1. 音譯法：音譯法：onhsnfuranpyrrolethiophenepyridine呋 喃吡 咯噻 吩吡 啶在同音漢字左邊在同音漢字左邊 + “口口”字。字。nhnindolequinoline吲 哚喹 啉nnnhnpurine嘌呤nnpyrimidine嘧啶10 當(dāng)環(huán)上有當(dāng)環(huán)上有不同雜不同雜原子時，按原子時，按osn的次序編號。若的次序編號。若環(huán)上連有不同的取代基，其編號按次序規(guī)

5、則和最低系列。環(huán)上連有不同的取代基，其編號按次序規(guī)則和最低系列。12nhosch3chocooh2 - 甲基吡咯2 - 呋喃甲醛3 - 噻吩甲酸ncoohcooh2, 3 - 吡啶二甲酸- 甲基吡咯 - 呋喃甲醛- 噻吩甲酸 , - 吡啶二甲酸 (1) 母體雜環(huán)的編號：母體雜環(huán)的編號：雜原子的編號為雜原子的編號為“1”。雜原子鄰位的碳原子也可依次用雜原子鄰位的碳原子也可依次用、編號。編號。2.母環(huán)的編號規(guī)則母環(huán)的編號規(guī)則11132nnhnons5 - 甲基咪唑4 - 硝基f唑4 - 甲基 - 5 - ( 2 -羥乙基 ) 噻唑332211ch3o2nhoch2ch25544ch3osn苯并呋喃

6、苯并噻唑132nnhnonsimidazoleoxazolethiazole咪 唑f 唑噻 唑332211nnpyrimidine123嘧 啶如：如：12nho未參與共軛吡咯吡咯呋喃呋喃s 噻吩 thiophenes56富電子體系cccnchcccoc五元五元雜環(huán)化合物：雜環(huán)化合物：17.2 雜環(huán)化合物的雜環(huán)化合物的 結(jié)構(gòu)與芳香性結(jié)構(gòu)與芳香性呋喃、噻吩和吡咯是含一個雜原子的典型五元雜環(huán)化合物。呋喃、噻吩和吡咯是含一個雜原子的典型五元雜環(huán)化合物。13* *平面結(jié)構(gòu)。環(huán)上每個平面結(jié)構(gòu)。環(huán)上每個c c原子的原子的p p軌道上有軌道上有1 1個個電子，雜原子的電子，雜原子的p p軌道上有軌道上有2 2

7、個電子，由個電子，由5 5個個p p軌道構(gòu)成軌道構(gòu)成6 6電子的大電子的大 鍵鍵 。* *符合符合4n+24n+2規(guī)則，具有芳香性。規(guī)則，具有芳香性。結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)特特點點芳香性芳香性: :苯苯 噻吩噻吩 吡咯吡咯 呋喃呋喃環(huán)上電子云密度大于苯。環(huán)上電子云密度大于苯。56富電子體系電負(fù)性電負(fù)性: onsosnh噻吩噻吩吡咯吡咯呋喃呋喃14 五元雜環(huán)化合物五元雜環(huán)化合物具有芳香性具有芳香性的另一個的另一個標(biāo)志標(biāo)志就是就是環(huán)上的氫受離域電子環(huán)流的影響，其核磁共振信號環(huán)上的氫受離域電子環(huán)流的影響，其核磁共振信號都出現(xiàn)在都出現(xiàn)在低場區(qū)低場區(qū)。- h 由于受雜原子吸電子誘導(dǎo)效由于受雜原子吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)的影響，

8、其應(yīng)的影響，其值較大。值較大。snho6.99 6.22 6.247.18 6.68 7.2915nccnccc66等電子體系未參與共軛六元六元雜環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)雜環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)吡啶吡啶 sp2-n吸電子能力較吸電子能力較sp2- c強(qiáng)強(qiáng), 故吡啶為故吡啶為缺電子體系缺電子體系.16zz = o、nh、s呋喃吡咯噻吩zc0.136(0.143)0.13610.1430234c2c3c3c40.1370(0.147)0.13830.14170.1714(0.182)0.13700.1423cccc=0.1540.134 1. 五元雜環(huán)化合物五元雜環(huán)化合物具有芳香性的雜環(huán)與苯環(huán)的異同點：具有芳香性的

9、雜環(huán)與苯環(huán)的異同點：鍵長只是有一定程度的平均化鍵長只是有一定程度的平均化17 (1) 由此可見，苯分子中的鍵長完全平均化，而五元由此可見，苯分子中的鍵長完全平均化，而五元雜環(huán)化合物分子中的鍵長只是有一定程度的平均化。因雜環(huán)化合物分子中的鍵長只是有一定程度的平均化。因此，五元雜環(huán)化合物的芳香性比苯差。其此，五元雜環(huán)化合物的芳香性比苯差。其芳香性次序芳香性次序是：是：snho 離域能：離域能： 150.5 117 88 67 kj / mol18 (2) (2) 五元雜環(huán)化合物是五元雜環(huán)化合物是富電子體系富電子體系，而苯環(huán)為等電子，而苯環(huán)為等電子體系，故環(huán)上的體系，故環(huán)上的電子云密度比苯高電子云密

10、度比苯高，其親電取代反應(yīng)比苯，其親電取代反應(yīng)比苯容易，尤其易發(fā)生在容易，尤其易發(fā)生在- - 位位。雜原子的存在。雜原子的存在相當(dāng)于相當(dāng)于在環(huán)上在環(huán)上引入了引入了 nh nh2 2、ohoh、 shsh 等活化基團(tuán)而使環(huán)活化，等活化基團(tuán)而使環(huán)活化，故進(jìn)行故進(jìn)行親電取代反應(yīng)的活性親電取代反應(yīng)的活性順序是：順序是：snho親電取代反應(yīng)的活性親電取代反應(yīng)的活性: :吡咯吡咯 呋喃呋喃 噻吩噻吩 苯苯19 2. 2. 六元雜環(huán)化合物六元雜環(huán)化合物 n2340.1390.1400.1340.1470.128單雙 吡啶環(huán)的鍵長也發(fā)生了較大程度吡啶環(huán)的鍵長也發(fā)生了較大程度的平均化，的平均化，c c鍵雖與苯相似

11、，鍵雖與苯相似，但但cn鍵變化很大鍵變化很大，因此，其芳，因此，其芳香性也比苯差。香性也比苯差。 n 吡啶和苯雖然都屬等電子體系，但因吡啶和苯雖然都屬等電子體系，但因氮原子的電負(fù)性較大，從而使環(huán)上的電子氮原子的電負(fù)性較大，從而使環(huán)上的電子云密度降低云密度降低 ，故其親電取代反應(yīng)性能不但，故其親電取代反應(yīng)性能不但比苯差比苯差，且親電取代反應(yīng)發(fā)生在電子云密度較高的，且親電取代反應(yīng)發(fā)生在電子云密度較高的-位位。這一特性很這一特性很類似于硝基苯類似于硝基苯。20 17.3 五元雜環(huán)化合物五元雜環(huán)化合物（一）五元雜環(huán)化合物的化學(xué)性質(zhì)（一）五元雜環(huán)化合物的化學(xué)性質(zhì)1、親電取代反應(yīng)、親電取代反應(yīng) 親電取代反

12、應(yīng)活性順序：親電取代反應(yīng)活性順序： 吡咯吡咯 呋喃呋喃 噻吩噻吩 苯。苯。雜原子具有雜原子具有+c效應(yīng)，活化雜環(huán)效應(yīng)，活化雜環(huán)211、親電取代反應(yīng)、親電取代反應(yīng)zz=( nh、o、s )x2/ 低溫x2=cl2、br2zxch3coono2-5 -30 c。zno2n+so3-zso3nh+hclzso3h( z = nh、o )噻吩可直接用 h2so4磺化。clch2ch2cl(ch3co)2osncl4zcoch3ch3cocch3o o+ hno3ch3cono2 +och3coho乙?；貂ｕヒ阴；貂ｕ-磺酸吡啶磺酸吡啶受無機(jī)酸的作用受無機(jī)酸的作用,容易發(fā)生環(huán)的破裂容易發(fā)生環(huán)的破裂

13、.吡啶與吡啶與so3的加合物的加合物22 五元雜環(huán)化合物進(jìn)行親電取代反應(yīng)的特點是：使用較五元雜環(huán)化合物進(jìn)行親電取代反應(yīng)的特點是：使用較為溫和的試劑或反應(yīng)條件。為溫和的試劑或反應(yīng)條件。 五元雜環(huán)化合物親電取代反應(yīng)發(fā)生在五元雜環(huán)化合物親電取代反應(yīng)發(fā)生在-位位可用共振論可用共振論解釋：解釋：zz=( nh、o、s )+e+zeh+zeh+zeh+zeh+zeh+正電荷可在三個原子上離域正電荷只能在兩個原子上離域 由此可見，進(jìn)攻由此可見，進(jìn)攻2 位所形成的共振雜化體比進(jìn)攻位所形成的共振雜化體比進(jìn)攻3 位位所形成的共振雜化體穩(wěn)定。所形成的共振雜化體穩(wěn)定。23二、五元雜環(huán)化合物親電取代反應(yīng)的定位規(guī)律二、五

14、元雜環(huán)化合物親電取代反應(yīng)的定位規(guī)律 (1) - 位上有取代基位上有取代基sx=o、p- 定位基ym- 定位基x(主)(次)sy(主)(次)=5354 (2) - 位上有取代基位上有取代基sx=o、p- 定位基ym- 定位基x(主)(次)sy(主)=2555 - 位被占, 則進(jìn)入4 - 位, 而不進(jìn)入2 - 位242-取代呋喃不管是鄰位或是間位定位基取代呋喃不管是鄰位或是間位定位基,第二個基第二個基團(tuán)均進(jìn)入團(tuán)均進(jìn)入c-5位位.因芳香性低因芳香性低,易形成易形成2,5-加成產(chǎn)物加成產(chǎn)物.oy練習(xí)練習(xí): p429 625三、常見的五元雜環(huán)化合物三、常見的五元雜環(huán)化合物 1. 呋喃和糠醛呋喃和糠醛 呋

15、喃為無色液體，難溶于水而易溶于有機(jī)溶劑，呋喃為無色液體，難溶于水而易溶于有機(jī)溶劑，b.p為為32。呋喃能使浸過鹽酸的。呋喃能使浸過鹽酸的松木片顯綠色松木片顯綠色(松木片反松木片反應(yīng)應(yīng))，這是鑒定呋喃的定性方法。，這是鑒定呋喃的定性方法。 盡管呋喃在較溫和的條件下就可發(fā)生親電取代反應(yīng)，盡管呋喃在較溫和的條件下就可發(fā)生親電取代反應(yīng)，但因其但因其芳香性較弱芳香性較弱，呋喃及其衍生物容易進(jìn)行，呋喃及其衍生物容易進(jìn)行diles-alder反應(yīng)和一般的反應(yīng)和一般的親電加成親電加成反應(yīng)。如：反應(yīng)。如：oo=oo+30o=oohh26o+br2ch3cookch3ohohhbrbrch3ohohhch3ooc

16、h3 呋喃在呋喃在ni催化下，易于加氫生成催化下，易于加氫生成四氫呋喃四氫呋喃(thf) 良好的溶劑和重要的有機(jī)合成原料。良好的溶劑和重要的有機(jī)合成原料。1,4-加成加成oh2 / niohcl140cl(ch2)4clnacnnc(ch2)cnnc(ch2)cnh2o/h+hooc(ch2)coohh2 / nih2n(ch2)6nh2444p 429 5（5）27 h2so4ocho糠醛ohchohohohhoh 呋喃甲醛又稱呋喃甲醛又稱糠醛糠醛，是呋喃的重要衍生物。，是呋喃的重要衍生物。chochohchohchohch2oh(c5h8o4)n + nh2o35% h2so4nc5h10

17、o5戊多糖水蒸氣戊糖戊醛糖戊醛糖糠醛糠醛苯胺苯胺醋酸醋酸顯紅色顯紅色-檢驗糠醛檢驗糠醛28 糠醛的化學(xué)性質(zhì)與苯甲醛類似，可發(fā)生糠醛的化學(xué)性質(zhì)與苯甲醛類似，可發(fā)生cannizzaro反反應(yīng)、與含應(yīng)、與含-h的醛或酮的交錯縮合反應(yīng)等。的醛或酮的交錯縮合反應(yīng)等。 糠醛是良好的溶劑和重要的有機(jī)合成原料?？啡┦橇己玫娜軇┖椭匾挠袡C(jī)合成原料。給出下列反應(yīng)的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)、名稱及反應(yīng)類型。給出下列反應(yīng)的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)、名稱及反應(yīng)類型。ocoonaoch2oh a:bochch2coch3oh:cochcnoh:doch=chcooh:糠醛表現(xiàn)出無糠醛表現(xiàn)出無 -h的醛和不飽和呋喃雜環(huán)的的醛和不飽和呋喃雜環(huán)的雙重性質(zhì)雙

18、重性質(zhì).ocho濃naohch3coch3，稀 oh- hcn(ch3co)2och3cookabcd292、噻吩（、噻吩（p417）噻吩噻吩靛紅靛紅濃硫酸濃硫酸 顯藍(lán)色顯藍(lán)色-檢驗噻吩檢驗噻吩糠醛糠醛苯胺苯胺醋酸醋酸顯紅色顯紅色 -檢驗糠醛檢驗糠醛呋喃呋喃松木片反應(yīng)松木片反應(yīng)顯綠色顯綠色吡咯吡咯松木片反應(yīng)松木片反應(yīng)顯紅色顯紅色練習(xí)練習(xí): p429 230 3. 吡咯吡咯 吡咯為無色油狀液體，吡咯為無色油狀液體，b.p131，微溶于水，易溶于，微溶于水，易溶于有機(jī)溶劑。有機(jī)溶劑。吡咯吡咯能使浸過鹽酸的能使浸過鹽酸的松木片顯紅色松木片顯紅色(松木片反松木片反應(yīng)應(yīng))，這是，這是鑒定鑒定吡咯的定性方

19、法。吡咯的定性方法。 吡咯的酸堿性：吡咯的酸堿性：nh 由于氮上的未共用電子對參與了由于氮上的未共用電子對參與了共軛共軛體系，難以與體系，難以與h+結(jié)合，故基本不顯堿結(jié)合，故基本不顯堿性性(pkb=13.6)。 然而，由于氮原子的吸電子作用，使得吡咯會顯示然而，由于氮原子的吸電子作用，使得吡咯會顯示出一定的出一定的酸性酸性，但其酸性較弱，需在強(qiáng)堿下方可成鹽。，但其酸性較弱，需在強(qiáng)堿下方可成鹽。nh+koh(nanh2)nk(na)+h2o(nh3)31 吡咯容易發(fā)生親電取代反應(yīng)，其反應(yīng)活性與苯胺類似。吡咯容易發(fā)生親電取代反應(yīng)，其反應(yīng)活性與苯胺類似。如：如： nhi2+naohn2+clnhii

20、iinhnn=( 鹵代 )( 偶 合 )nhnhh2, pd(具有脂肪仲胺的性質(zhì)具有脂肪仲胺的性質(zhì))3217.4 六元雜環(huán)化合物六元雜環(huán)化合物 (p423)nnh煙煙堿堿(尼尼古古丁丁) 顛顛茄茄堿堿(阿阿托托品品) 麻麻黃黃堿堿 咖咖啡啡堿堿nch3ch3nhch3hohhc6h5nnoh3connch3ch3 生物堿生物堿一般是指從動植物中得來的、具有堿性的、一般是指從動植物中得來的、具有堿性的、有強(qiáng)烈生理作用的一類有機(jī)含氮化合物：有強(qiáng)烈生理作用的一類有機(jī)含氮化合物： 吡啶和嘧啶吡啶和嘧啶許多生物堿分子中含有吡啶環(huán)許多生物堿分子中含有吡啶環(huán)33一、吡啶的化學(xué)性質(zhì)一、吡啶的化學(xué)性質(zhì)n堿性與成

21、鹽親電試劑進(jìn)攻部位親核試劑進(jìn)攻部位17.4 六元雜環(huán)化合物六元雜環(huán)化合物 34 1. 堿性與成鹽：堿性與成鹽：ch3nh2nh3nnh2pkb3.364.758.89.3nnhch3c nnnhch3c nsp3sp2spnh13.635 吡啶既然是一個堿，遇酸便形成穩(wěn)定的鹽。吡啶既然是一個堿，遇酸便形成穩(wěn)定的鹽。n-磺酸吡啶磺酸吡啶n+ hclnhcln+ so3n so3溫和的磺化試劑溫和的磺化試劑36 2. 吡啶環(huán)上的親電取代反應(yīng)吡啶環(huán)上的親電取代反應(yīng) 如前所述，吡啶的親電取代反應(yīng)比較困難，需在較強(qiáng)如前所述，吡啶的親電取代反應(yīng)比較困難，需在較強(qiáng)的條件下方可發(fā)生，且發(fā)生在的條件下方可發(fā)生，

22、且發(fā)生在-位位。nhno3, h2so4300nno2nbrbr2300220nso3hh2so4, hgso437 顯然，當(dāng)吡啶環(huán)上連有供電子基團(tuán)時，將有利于親電顯然，當(dāng)吡啶環(huán)上連有供電子基團(tuán)時，將有利于親電取代反應(yīng)的發(fā)生；反之，就更加難以進(jìn)行親電取代反應(yīng)。取代反應(yīng)的發(fā)生；反之，就更加難以進(jìn)行親電取代反應(yīng)。nno2ch3ch3hno3, h2so4100nch3ch3 吡啶環(huán)也象硝基苯一樣，吡啶環(huán)也象硝基苯一樣，不不能能發(fā)生發(fā)生fc烷基化烷基化和和酰?；磻?yīng)。反應(yīng)。38 吡啶的吡啶的親電取代親電取代反應(yīng)所以發(fā)生在反應(yīng)所以發(fā)生在-位位，除用電子理，除用電子理論解釋外，還可以用中間體的穩(wěn)定

23、性加以說明：論解釋外，還可以用中間體的穩(wěn)定性加以說明：nhe+nhe+nhe+n+e+nn+nhe+he+he特不穩(wěn)定nnn+he+hehe特不穩(wěn)定 位 位進(jìn)攻進(jìn)攻進(jìn)攻 位+39 3. 吡啶環(huán)上的吡啶環(huán)上的親核親核取代反應(yīng)取代反應(yīng) 吡啶環(huán)的吡啶環(huán)的親核取代親核取代反應(yīng)主要發(fā)生在反應(yīng)主要發(fā)生在-位和位和-位位，被，被取代的可以是氫原子，也可以是易于離去的基團(tuán)。如：取代的可以是氫原子，也可以是易于離去的基團(tuán)。如：nlinnanh2( - h2 )nnhnah2onnh2nclch3onanaoh ,noch3nh3 , zncl2220nnh2nbrbrnh3 , h2o160nnh2br40nn

24、a, c2h5oh(無水)或 h2/ni, 25oc , 3大氣壓nh哌啶哌啶(六氫吡啶六氫吡啶) 4、 氧化與還原氧化與還原堿性堿性:nnhnch3kmno4ncoohnh3nconh2煙 酸煙 酰 胺sp3sp241含有吡啶環(huán)的藥物分子：含有吡啶環(huán)的藥物分子： ncoohnconh2煙煙酸酸煙煙酰酰胺胺(維生素pp)ncon(c2h5)煙酰二乙胺(可拉明)nconhnh2nch2ohhoh3cch2oh異煙酰肼(雷米封)維生素b642余下自學(xué)余下自學(xué)43二、常見的六元雜環(huán)化合物二、常見的六元雜環(huán)化合物 1. 甲基吡啶甲基吡啶 - 甲基吡啶甲基吡啶 吡啶同系物中以甲基吡啶最為重要，它有三個異

25、構(gòu)體：吡啶同系物中以甲基吡啶最為重要，它有三個異構(gòu)體：nnnch3ch3ch3 甲基吡啶的側(cè)鏈甲基的活潑性與硝基甲苯中的甲基相甲基吡啶的側(cè)鏈甲基的活潑性與硝基甲苯中的甲基相似，具有一定的酸性。因此，在強(qiáng)堿的催化下可進(jìn)行縮合似，具有一定的酸性。因此，在強(qiáng)堿的催化下可進(jìn)行縮合反應(yīng)，且主要發(fā)生在反應(yīng)，且主要發(fā)生在- 位位和和- 位。位。如：如：- 甲基吡啶甲基吡啶44nch3c=o+nanh2nch2c ohnch3ch2ch3nanh2nch2na+ch2ch3ch3i( 1 mol )nch2ch3ch2ch345那么為什么那么為什么-位、位、-位的側(cè)鏈氫酸性強(qiáng)？位的側(cè)鏈氫酸性強(qiáng)？nchhhchhhn=oonnch2ch2nch2nch2nch2nch2nch2nch2nch2=nch2=