有機(jī)化學(xué)：第13章雜環(huán)化合物

1、第第1313章章 雜環(huán)化合物雜環(huán)化合物雜環(huán)化合物：組成環(huán)的原子除碳外，還有雜環(huán)化合物：組成環(huán)的原子除碳外，還有O、S、N等的環(huán)狀化合物。等的環(huán)狀化合物。芳雜環(huán)：即具有芳香性的雜環(huán)化合物芳雜環(huán)：即具有芳香性的雜環(huán)化合物NSCH2CONHH HOCH3CH3COONa雜環(huán)化合物不包括極易開環(huán)的含雜原子雜環(huán)化合物不包括極易開環(huán)的含雜原子的環(huán)狀化合物，例如：的環(huán)狀化合物，例如：雜環(huán)雜環(huán)化合物化合物非芳雜環(huán)非芳雜環(huán)芳雜環(huán)芳雜環(huán)OOONH（符合休克爾規(guī)則）（符合休克爾規(guī)則）ONOOOOOONHO環(huán)氧乙烷環(huán)氧乙烷內(nèi)酯內(nèi)酯酸酐酸酐內(nèi)酰胺內(nèi)酰胺一、分類和命名一、分類和命名（一）分類（一）分類五元雜環(huán)五元雜環(huán)六元

2、雜環(huán)六元雜環(huán)稠雜環(huán)稠雜環(huán) 五元雜環(huán)五元雜環(huán)NHSO吡咯吡咯 (pyrrole)呋喃呋喃(furan)噻吩噻吩 (thiophene)六元雜環(huán)六元雜環(huán)N吡啶吡啶 (pyridine)吡喃吡喃(pyran)嘧啶嘧啶(pyrimidine)ONN稠雜環(huán)稠雜環(huán)嘌呤嘌呤 (purine)NNNNH（二）命名：（二）命名：音譯法：音譯法：1 1、譯音、譯音 + “+ “口口”字旁。字旁。2 2、編號(hào)：從雜原子開始。、編號(hào)：從雜原子開始。a.a.相同雜原子數(shù)相同雜原子數(shù)22，使雜原子編號(hào)最?。?，使雜原子編號(hào)最??；從連有從連有HH的雜原子開始編號(hào)。的雜原子開始編號(hào)。b.b.如有不同雜原子，按如有不同雜原子，按

3、O O、S S、N N順序排列，順序排列，嘌呤較特殊。嘌呤較特殊。3-硝基吡咯硝基吡咯2-呋喃甲醛呋喃甲醛4-嘧啶甲酸嘧啶甲酸 OCHONNCOOHNHNO213213416-氨基嘌呤氨基嘌呤 (A)ONH四氫呋喃四氫呋喃六氫吡啶六氫吡啶NNNNHNH2123456789二、二、吡咯、呋喃和噻吩結(jié)構(gòu)和吡咯、呋喃和噻吩結(jié)構(gòu)和性質(zhì)性質(zhì)NHNH（一）結(jié)構(gòu)（一）結(jié)構(gòu) 電子數(shù)為電子數(shù)為6 6，具有芳香性具有芳香性O(shè)OO和和S S原子原子spsp2 2SO結(jié)構(gòu)：吡咯結(jié)構(gòu)：吡咯N N是是spsp2 2雜化，孤電子對(duì)參與共軛。雜化，孤電子對(duì)參與共軛。 5 56 6 平面共軛體系平面共軛體系 富電子芳香雜環(huán)化合

4、物富電子芳香雜環(huán)化合物環(huán)穩(wěn)定性的順序：環(huán)穩(wěn)定性的順序：苯苯噻吩噻吩吡咯吡咯呋喃呋喃離域能：離域能：噻吩：噻吩：121.3 kJmol-1 吡咯：吡咯： 87.8 kJmol -1呋喃：呋喃：66.9 kJmol -1 苯：苯： 150 kJmol -1S142pm137pm171pmNH143pm137pm138pmO144pm135pm137pmC-C 154pm C-O 143pm C-S 182pm C-N 147pmC=C 134pm C=O 122pm C=S 160pm C=N 128pm（二）（二）吡咯、呋喃和噻吩吡咯、呋喃和噻吩化學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)2 2、吡咯的酸堿性、吡咯的酸堿性

5、1 1、親電取代反應(yīng)、親電取代反應(yīng)1 1、親電取代反應(yīng)、親電取代反應(yīng)（1 1）呋喃、噻吩、吡咯的鹵化反應(yīng)）呋喃、噻吩、吡咯的鹵化反應(yīng)（2 2）呋喃、噻吩、吡咯的硝化反應(yīng)）呋喃、噻吩、吡咯的硝化反應(yīng)（3 3）呋喃、噻吩、吡咯的磺化反應(yīng)）呋喃、噻吩、吡咯的磺化反應(yīng)（4 4）呋喃、噻吩、吡咯的傅氏?；磻?yīng)）呋喃、噻吩、吡咯的傅氏酰基化反應(yīng)（1） 呋喃、噻吩、吡咯的鹵化反應(yīng)呋喃、噻吩、吡咯的鹵化反應(yīng) 特點(diǎn)：特點(diǎn)：反應(yīng)強(qiáng)烈，易得多鹵取代物。為得一鹵代產(chǎn)反應(yīng)強(qiáng)烈，易得多鹵取代物。為得一鹵代產(chǎn)物，要采用低溫、溶劑稀釋等溫和條件物，要采用低溫、溶劑稀釋等溫和條件SSBrSIBr2AcOHI2, HgOC6H

6、6, 0(78 %)Br2,0-40HI2+NaOHSOCl2(1mol)EtO2,0H(80%)NClHNNIIII因環(huán)的電子云密度比苯大，故因環(huán)的電子云密度比苯大，故比苯活比苯活潑潑。取代基進(jìn)入。取代基進(jìn)入位。位。吡咯吡咯呋喃呋喃噻吩噻吩苯苯不同五元雜環(huán)化合物親電取代反應(yīng)活性：不同五元雜環(huán)化合物親電取代反應(yīng)活性： 呋喃呋喃, , 噻吩和吡咯可氧化噻吩和吡咯可氧化, , 一般不用硝酸直接硝化一般不用硝酸直接硝化; ; 通常用比較溫和的非質(zhì)子硝化試劑，如：硝酸乙酰酯。通常用比較溫和的非質(zhì)子硝化試劑，如：硝酸乙酰酯。反應(yīng)在低溫下進(jìn)行。反應(yīng)在低溫下進(jìn)行。（2） 呋喃、噻吩、吡咯的硝化反應(yīng)呋喃、噻吩

7、、吡咯的硝化反應(yīng)CH3COCCH3 + HNO3OOCH3CONO2 + CH3COOHOSAcONO2O oCAc2O/AcOHSNO2SNO2+NHAcONO2O oCAc2O/AcOHNHNO2NHNO2+60 %10 %51 %13 %CH3COCCH3 + HNO3OOCH3CONO2 + CH3COOHOSAcONO2O oCAc2O/AcOHSNO2SNO2+NHAcONO2O oCAc2O/AcOHNHNO2NHNO2+60 %10 %51 %13 %（3） 呋喃、噻吩、吡咯的磺化反應(yīng)呋喃、噻吩、吡咯的磺化反應(yīng) 吡咯、呋喃不太穩(wěn)定，所以須用溫吡咯、呋喃不太穩(wěn)定，所以須用溫和的磺

8、化試劑磺化。常用的溫和的非質(zhì)和的磺化試劑磺化。常用的溫和的非質(zhì)子的磺化試劑有：吡啶磺酸。子的磺化試劑有：吡啶磺酸。 噻吩相對(duì)穩(wěn)定，既可以直接磺化（產(chǎn)率稍噻吩相對(duì)穩(wěn)定，既可以直接磺化（產(chǎn)率稍低），也可以用溫和的磺化試劑磺化。低），也可以用溫和的磺化試劑磺化。N+ SO3CH2Cl2室溫NSO3(固體，含量固體，含量90 %)O+SO3OSO3H吡啶吡啶-呋喃磺酸呋喃磺酸（90%90%）S+SSO3HH2SO4室溫室溫NH+SO3NSO3HH吡啶吡啶（4） 呋喃、噻吩、吡咯的傅氏?；磻?yīng)呋喃、噻吩、吡咯的傅氏?；磻?yīng)(60 %)NH+ Ac2O150 - 200 NHCCH3OSAc2O 與

9、AlCl3 的混合體系SCCH3OOBF3+ Ac2OOCCH3O(75%-92 %)0-吡咯乙酮吡咯乙酮-呋喃乙酮呋喃乙酮-噻吩乙酮噻吩乙酮2、 吡咯的酸堿性吡咯的酸堿性 吡咯的性質(zhì)與苯酚類似，都具有酸性，吡咯吡咯的性質(zhì)與苯酚類似，都具有酸性，吡咯的酸性比苯酚小。吡咯與苯胺也有類似性質(zhì)。的酸性比苯酚小。吡咯與苯胺也有類似性質(zhì)。吡咯成鹽后，使環(huán)上電荷密度增高，吡咯成鹽后，使環(huán)上電荷密度增高，親電取代反應(yīng)更易進(jìn)行。親電取代反應(yīng)更易進(jìn)行。NHKOH，NK+Na或KPKaPKa=17.5=17.5NK+CH3ICH3COClONINCOCH3NCH2CH2OH 同時(shí)，同時(shí)，N負(fù)離子具有親核性，可與許

10、多試劑，負(fù)離子具有親核性，可與許多試劑，生成一系列氮取代產(chǎn)物。生成一系列氮取代產(chǎn)物。堿性堿性:四氫吡咯苯胺吡咯四氫吡咯苯胺吡咯NHNHNH2Kb3.8 10-102 10-42.5 10-14原因： 上的未共用電子對(duì)參與了環(huán)的共軛體系，減弱了與 的結(jié)合力。NH原因：原因：N上的未共用電子對(duì)參與了環(huán)的共軛體系，上的未共用電子對(duì)參與了環(huán)的共軛體系，減弱了與減弱了與H+的結(jié)合力的結(jié)合力 四、吡啶的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)四、吡啶的結(jié)構(gòu)和性質(zhì) （一）結(jié)構(gòu)：（一）結(jié)構(gòu)：NN原子原子Sp2雜化雜化1.000.841.040.87134pm139pm140pm139pm139pm吡啶有芳香性，氮原子的作用相當(dāng)于苯環(huán)上的硝

11、基，吡啶有芳香性，氮原子的作用相當(dāng)于苯環(huán)上的硝基，吡啶中的氮原子使環(huán)上電子云密碼降低，形成吡啶中的氮原子使環(huán)上電子云密碼降低，形成“缺缺”芳雜環(huán)。芳雜環(huán)。1.00（二）性質(zhì)（二）性質(zhì)1、吡啶無色有臭味，與水和多種、吡啶無色有臭味，與水和多種有機(jī)溶劑混溶有機(jī)溶劑混溶2、親電取代（比苯難）、親電取代（比苯難）3、親核取代、親核取代4、氧化反應(yīng)（比苯難）、氧化反應(yīng)（比苯難）5、還原反應(yīng)（比苯易）、還原反應(yīng)（比苯易） 因吡啶氮原子上的孤對(duì)電子不參與共軛，而有堿性因吡啶氮原子上的孤對(duì)電子不參與共軛，而有堿性堿性：脂肪胺吡啶苯胺吡咯堿性：脂肪胺吡啶苯胺吡咯pKb: 8.8 9.4 13.61、堿性、堿性實(shí)

12、驗(yàn)室常利用吡啶清除反應(yīng)體系中的酸實(shí)驗(yàn)室常利用吡啶清除反應(yīng)體系中的酸.N+HClNH+Cl-NNH2NH（1）氮原子的親電取代）氮原子的親電取代2、親電取代反應(yīng)、親電取代反應(yīng)NSO3SO3NNNCH3+I-CH3IN上有孤對(duì)電子，具有堿性，可與上有孤對(duì)電子，具有堿性，可與Lewis酸（如酸（如AlCl3,SbCl5,SO3）反應(yīng)，形成穩(wěn)定的）反應(yīng)，形成穩(wěn)定的N-加合物加合物.N上有孤對(duì)電子，具有親核性，可與鹵代烷等發(fā)生上有孤對(duì)電子，具有親核性，可與鹵代烷等發(fā)生的的N-烷基化反應(yīng)，生成季銨鹽烷基化反應(yīng)，生成季銨鹽.N+ Br23000 CNBr+ HBr因氮原子的電負(fù)性比碳大，故因氮原子的電負(fù)性比

13、碳大，故親電取代反親電取代反應(yīng)比苯難應(yīng)比苯難。取代基進(jìn)入。取代基進(jìn)入位位。33%33%NNNO2HNO3,H2SO4KNO3,30020%20%吡啶環(huán)中的吡啶環(huán)中的N原子相當(dāng)于苯環(huán)上的原子相當(dāng)于苯環(huán)上的-NO22、吡啶環(huán)的親電取代、吡啶環(huán)的親電取代3、吡啶的親核取代反應(yīng)、吡啶的親核取代反應(yīng)用強(qiáng)堿性的親核試劑用強(qiáng)堿性的親核試劑(氨基鈉氨基鈉NaNH2、有、有機(jī)鋰（機(jī)鋰（RLi）)，能在吡啶的，能在吡啶的位直接發(fā)生親位直接發(fā)生親核取代核取代N+NaNH2NNH2100150吡啶中氮原子的吸電子作用，使吡啶環(huán)可吡啶中氮原子的吸電子作用，使吡啶環(huán)可發(fā)生親核取代反應(yīng)，發(fā)生在發(fā)生親核取代反應(yīng)，發(fā)生在位或位

14、或位。位。當(dāng)吡啶當(dāng)吡啶-位位(或或-位位)具有優(yōu)良的離去基團(tuán)具有優(yōu)良的離去基團(tuán)（如：鹵素）時(shí)，較弱的親核試劑也可取代（如：鹵素）時(shí)，較弱的親核試劑也可取代NClNNH2NH3NBrNOHNaOH/H2O1802004、吡啶的氧化與還原反應(yīng)、吡啶的氧化與還原反應(yīng)（1）烷基吡啶的氧化）烷基吡啶的氧化NCH3KMnO4H+NCOOH-吡啶甲酸吡啶甲酸NHOOCH+KMnO4N-吡啶甲酸吡啶甲酸吡啶比苯難氧化吡啶比苯難氧化哌啶（六氫吡啶）哌啶（六氫吡啶）由于吡啶分子中氮原子的吸電子作用，造成分子由于吡啶分子中氮原子的吸電子作用，造成分子的對(duì)稱性降低，及分子偶極增加等一系列分子結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱性降低，及分子

15、偶極增加等一系列分子結(jié)構(gòu)上的不均勻性，吡啶比苯易加氫還原。的不均勻性，吡啶比苯易加氫還原。NNa+C2H5OHPt/H2NNNa+C2H5OHPt/H2N或25，0.3MPaH吡啶比苯易加氫還原吡啶比苯易加氫還原（2）吡啶的還原）吡啶的還原 嘧啶是含有兩個(gè)氮原子的六元雜環(huán)化合物，無色嘧啶是含有兩個(gè)氮原子的六元雜環(huán)化合物，無色固體，具有堿性。固體，具有堿性。四、嘌呤、嘧啶及其衍生物四、嘌呤、嘧啶及其衍生物 9H-嘌呤（生物體內(nèi)）嘌呤（生物體內(nèi)） 7H-嘌呤嘌呤(藥物中藥物中)NNNNH123456789987654321NNNNH 嘌呤由嘧啶和咪唑稠合而成。水溶液中發(fā)嘌呤由嘧啶和咪唑稠合而成。水溶液中發(fā)生互變異構(gòu)，平衡偏向于生互變異構(gòu)，平衡偏向于9H形式形式NN嘧啶嘧啶NNNH2OHHNNOOHHNNOOCH3H胞嘧啶（胞嘧啶（C）尿嘧啶（尿嘧啶（U）胸腺嘧啶（胸腺嘧啶（T）重要的嘧啶衍生物重要的嘧啶衍