有機化學(xué) 第十八章 雜環(huán)化合物

第十八章雜環(huán)化合物exit雜環(huán)化合物是指組成環(huán)的原子中含有除碳以外的原子(雜原子——常見的是N、O、S等)的環(huán)狀化合物。

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：雜環(huán)化合物是一大類有機物，占已知有機物的三分之一。雜環(huán)化合物在自然界分布很廣、功用很多。例如，中草藥的有效成分生物堿大多是雜環(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)。第一節(jié)雜環(huán)化合物的分類和命名第二節(jié)五元雜環(huán)化合物第三節(jié)六元雜環(huán)化合物第四節(jié)

稠雜環(huán)化合物第五節(jié)生物堿（自學(xué)）

本章提綱第一節(jié)雜環(huán)化合物的分類和命名一、分類雜環(huán)化合物可按雜環(huán)的骨架分為單雜環(huán)和稠雜環(huán)。單雜環(huán)又按環(huán)的大小分為五元雜環(huán)和六元雜環(huán)；稠雜環(huán)按其稠合環(huán)形式分為苯稠雜環(huán)和稠雜環(huán)。二、命名

1、雜環(huán)的命名常用音譯法，是按外文名詞音譯成帶“口”字旁的同音漢字。五元雜環(huán)五元雜環(huán)苯并體系呋喃(furan)噻吩(thiophene)吡咯(pyrrole)苯并呋喃(benzofuran)苯并噻吩(benzothiophene)苯并吡咯吲哚(indole)異噻唑(isothiazole)吡唑(pyrazole)異噁唑(isoxazole)1,2-唑噁唑(oxazole)噻唑(thiazole)咪唑(inidazole)1,3-唑六元雜環(huán)吡啶(pyridine)吡喃(pyran)γ-吡喃酮(γ-pyrone)α-吡喃酮(α-pyrone)噠嗪(pyridazine)嘧啶(pyrimidine)吡嗪(pyrazine)雜環(huán)并雜環(huán)喹啉(quinoline)異喹啉(isoquinoline)苯并吡喃(benzopyran)苯并--吡喃酮(benzo--pyrone)嘌呤(purine)六元雜環(huán)苯并環(huán)系外文譯音法是根據(jù)國際通用名稱譯音的，使用方便，缺點是名稱和結(jié)構(gòu)之間沒有。2、單雜環(huán)A、當(dāng)環(huán)上有取代基時，取代基的位次從雜原子算起依次用1,2,3,…(或α,β,γ…)編號(一個雜原子時)。B、當(dāng)雜環(huán)上不止一個雜原子，相同時，則以連有氫原子或取代基的雜原子優(yōu)先編號；不相同時，則從O、S、N順序依次編號。編號時雜原子的位次數(shù)字之和應(yīng)最小。C、環(huán)上連有不同取代基，編號時根據(jù)順序規(guī)則4、單雜環(huán)為取代基3、稠雜環(huán)—編號一般從單雜環(huán)上雜原子開始（異喹啉除外）

。呋喃、噻吩、吡咯在結(jié)構(gòu)上具有共同點，即構(gòu)成環(huán)的五個原子都為sp2雜化，故成環(huán)的五個原子處在同一平面，雜原子上的孤對電子參與共軛形成共軛體系，其π電子數(shù)符合休克爾規(guī)則（π電子數(shù)=4n+2），所以，它們都具有芳香性。一呋喃、噻吩、吡咯的結(jié)構(gòu)第二節(jié)五元雜環(huán)化合物結(jié)構(gòu)特點：1、具有芳香性。2、形成五中心6電子的結(jié)構(gòu)。

由于共軛體系中的6個π電子分散在5個原子上，使整個環(huán)的π電子云密度較苯大，富電子芳環(huán)，比苯容易發(fā)生取代。同時，α位上的電子云密度較大，因而親電取代反應(yīng)一般發(fā)生在此位置上，如果α位已有取代基，則發(fā)生在β位。似苯酚或苯胺的性質(zhì)，易發(fā)生親最取代反應(yīng)。。3、于O、N、S三個原子電負(fù)性較大，與苯比較，雜環(huán)化合物的芳香穩(wěn)定性不如苯環(huán)，電子云密度分布也不完全平均化。4、電子云分布不均勻化導(dǎo)致鍵長不平均化，在一定程度上具有不飽和化合物的性質(zhì)，易加成反應(yīng)和在酸性條件下易聚合等，甚致具有共軛二烯的性質(zhì)如呋喃易發(fā)生Diels-Alder反應(yīng)。還存在一對孤對電子，吡咯具有一定的弱堿性。吡咯的結(jié)構(gòu)孤電子對在p軌道上。吡咯結(jié)構(gòu)：吡咯N是sp2雜化，孤電子對參與共軛。反應(yīng)：堿性較弱，環(huán)易發(fā)生親電取代反應(yīng)，環(huán)上相當(dāng)有一個鄰對位定位基。共軛效應(yīng)是給電子的。誘導(dǎo)效應(yīng)是吸電子的。二呋喃、噻吩、吡咯的制備1、工業(yè)制備（略）2、實驗室制備（了解）(1)帕爾-諾爾(Paal,C.-Knorr,L.)合成法三種化合物的相互轉(zhuǎn)化(有氧化鋁存在的情況下)（2）諾爾合成法氨基酮酸酯三呋喃、噻吩、吡咯的性質(zhì)2、光譜性質(zhì)1、存在與物理性質(zhì)

P205⑴鑒別反應(yīng)：松木片反應(yīng)：遇鹽酸浸濕的松木片呈綠色的為呋喃、呈紅色的為吡咯；噻吩和吲哚醌在硫酸作用下發(fā)生藍(lán)色反應(yīng)，利用它來檢驗苯中的噻吩。⑵苯中含有噻吩去除：加硫酸洗滌。⑴IR——似芳環(huán)結(jié)構(gòu)①C-H伸縮振動——3037～3003cm-1②N-H伸縮振動——3500～3200cm-1③環(huán)伸縮振動——1600～1300cm-1⑵/H-NMR呋喃、噻吩和吡咯環(huán)上的氫受π電子環(huán)流的影響，它們的NMR信號都出現(xiàn)在低場7ppm左右，與苯相似，這是芳香性的一個重要標(biāo)志。由于雜原子的吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)，α-H（6.68)的化學(xué)位移較β-H（6.22)大，在（8.0)

出現(xiàn)N-H的信號。3、呋喃、噻吩、吡咯的親電取代反應(yīng)*1親電取代反應(yīng)的活性順序為：吸電子誘導(dǎo)：O(3.5)>N(3.0)>S(2.6)給電子共軛：N>O>S綜合：N貢獻電子最多，O其次，S最少①電子密度

②σ-絡(luò)合物八隅體結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定無最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)⑴概述*2取代反應(yīng)主要發(fā)生在α-C上；*3吡咯、呋喃對酸及氧化劑比較敏感，選擇試劑時需要注意；*4

噻吩、吡咯的芳香性較強，所以易取代而不易加成；呋喃的芳香性較弱，雖然也能與大多數(shù)親電試劑發(fā)生親電取代，但在強親核試劑存在下，能發(fā)生親核加成。鹵代反應(yīng)不需要催化劑，要在較低溫度和進行。硝化反應(yīng)不能用混酸硝化，一般是用乙酰基硝酸酯(CH3COONO2)

作硝化試劑，在低溫下進行?；腔磻?yīng)呋喃、吡咯不能用濃硫酸磺化，要用特殊的磺化試劑——

吡啶三氧化硫的絡(luò)合物，噻吩可直接用濃硫酸磺化。⑵親電取代鹵化反應(yīng)反應(yīng)強烈，易得多鹵取代物。為了得一鹵代(Cl,Br)產(chǎn)物，要采用低溫、溶劑稀釋等溫和條件。碘不活潑，要用催化劑才能發(fā)生一元取代硝化反應(yīng)呋喃,噻吩和吡咯易氧化,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。反應(yīng)在低溫下進行?；腔磻?yīng)吡咯、呋喃不太穩(wěn)定，所以須用溫和的磺化試劑磺化。常用的溫和的非質(zhì)子的磺化試劑有：吡啶與三氧化硫的加合化合物。噻吩比較穩(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。(固體，含量90%)S+

NSO3ClCH2CH2Clr.

t.SSO3-Ba(OH)22Ba2+傅氏酰基化反應(yīng)Eg1Eg4Eg3Eg24、呋喃、吡咯、噻吩的加成反應(yīng)（1）加氫反應(yīng)

（2）Diels-Alder反應(yīng)呋喃最易發(fā)生Diels-Alder反應(yīng)AlCl3NHCCH3H3CCOOCHCOOCHOCH333噻吩基本上不發(fā)生雙烯加成，即使在個別情況下生成也是一個不穩(wěn)定的中間體，直接失硫轉(zhuǎn)化為別的產(chǎn)物。5、吡咯的弱酸性和弱堿性

吡咯具有弱酸性，其酸性介與乙醇和苯酚之間。吡咯成鹽后，使環(huán)上電荷密度增高，親電取代反應(yīng)更易進行。吡咯雖然是一個仲胺，但堿性很弱，比苯胺弱。HCON(CH3)2

POCl3CHCl325%NaOH(NH4)2CO3

130oCC6H5N2+X-

C2H5OH-H2OAcONaRMgX1CO22H2OCO2

加熱加壓RCOClRX吡咯衍生物的合成四、重要的五元雜環(huán)衍生物（一）、糠醛（α—呋喃甲醛）1．制備由農(nóng)副產(chǎn)品如甘蔗雜渣、花生殼、高粱桿、棉子殼……用稀酸加熱蒸煮制取。2．糠醛的性質(zhì)同有α-H的醛的一般性質(zhì)。（1）氧化還原反應(yīng)（2）歧化反應(yīng)（3）羥醛縮合反應(yīng)（4）安息香縮合反應(yīng)3．糠醛的用途糠醛是良好的溶劑，常用作精練石油的溶劑，以溶解含硫物質(zhì)及環(huán)烷烴等?？捎糜诰扑上悖摮錾?，溶解硝酸纖維素等?？啡V泛用于油漆及樹脂工業(yè)。卟啉族化合物廣泛分布與自然界。血紅素，葉綠素都是含吡咯環(huán)的卟啉族化合物。在血紅素中吡咯環(huán)絡(luò)合的是Fe，葉綠素吡咯環(huán)絡(luò)合的是Mg。

1964年，Woodward用55步合成了葉綠素。1965年接著合成VB12，用11年時間完成了全合成。Woodward一生人工合成了20多種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的有機化合物，是當(dāng)之無愧的有機合成大師。Woodward20歲獲博士學(xué)位，30歲當(dāng)教授，48歲時（1965年）獲諾貝爾化學(xué)獎。（二）吡咯的重要衍生物（了解）五、噻唑和咪唑（了解）1、噻唑噻唑是含一個硫原子和一個氮原子的五元雜環(huán)，無色，有吡啶臭味的液體，沸點117℃，與水互溶，有弱堿性。是穩(wěn)定的化合物。一些重要的天然產(chǎn)物幾合成藥物含有噻唑結(jié)構(gòu)，如青霉素、維生素B1等。青霉素是一類抗菌素的總稱，已知的青霉素大一百多種，它們的結(jié)構(gòu)很相似，均具有稠合在一起的四氫噻唑環(huán)和β-內(nèi)酰胺環(huán)。青霉素噻唑環(huán)青霉素是噻唑的衍生物。青霉素G療效最好。維生素B1（VB1）2、咪唑（P212）咪唑是含二個氮原子的五元雜環(huán)，無色固體，溶點90℃，易溶于水，有弱堿性（比噻唑強）。第三節(jié)六元雜環(huán)化合物一、吡啶吡啶存在于煤焦油頁巖油和骨焦油中，吡啶衍生物廣泛存在于自然界，例如，植物所含的生物堿不少都具有吡啶環(huán)結(jié)構(gòu)，維生素PP、維生素B6、輔酶Ⅰ及輔酶Ⅱ也含有吡啶環(huán)。吡啶是重要的有機合成原料（如合成藥物）、良好的有機溶劑和有機合成催化劑。吡啶為有特殊臭味的無色液體，沸點115.5℃，相對密度0.982，可與水、乙醇、乙醚等任意混和。吡啶的工業(yè)制法可由糠醇與氨共熱（500℃）制得，也可從乙炔制備。

(一)、來源、制法和應(yīng)用

（二）、吡啶的結(jié)構(gòu)共軛效應(yīng)和誘導(dǎo)效應(yīng)都是吸電子的孤電子對在sp2雜化軌道上。吡啶結(jié)構(gòu)：吡啶N是sp2雜化，孤電子對不參與共軛。反應(yīng)：堿性較強。環(huán)不易發(fā)生親電取代反應(yīng)但易發(fā)生親核取代反應(yīng)。發(fā)生親電取代反應(yīng)時，環(huán)上N起間位定位基的作用。發(fā)生親核取代反應(yīng)時，環(huán)上N起鄰對位定位基的作用。=2.20D=1.17D（三）吡啶的性質(zhì)1、堿性與成鹽吡啶的環(huán)外有一對未作用的孤對電子，具有堿性，易接受親電試劑而成鹽。吡啶的堿性小于氨大于苯胺。吡啶易與酸和活潑的鹵代物成鹽。2、親電取代反應(yīng)吡啶環(huán)上氮原子為吸電子基，故吡啶環(huán)屬于缺電子的芳雜環(huán)，和硝基苯相似。其親電取代反應(yīng)很不活潑，反應(yīng)條件要求很高，不起傅-克烷基化和酰基化反應(yīng)。親電取代反應(yīng)主要在β-位上。3、氧化還原反應(yīng)（1）氧化反應(yīng)吡啶環(huán)對氧化劑穩(wěn)定，一般不被酸性高錳酸鉀、酸性重鉻酸鉀氧化，通常是側(cè)鏈烴基被氧化成羧酸。吡啶易被過氧化物（過氧乙酸、過氧化氫等）氧化生成氧化吡啶。氧化吡啶在有機合成中用于合成4-取代吡啶化合物。（2）還原反應(yīng)吡啶比苯易還原，用鈉加乙醇、催化加氫均使吡啶還原為六氫吡啶（即胡椒啶）

4、親核取代由于吡啶環(huán)上的電荷密度降低，且分布不均，故可發(fā)生親核取代反應(yīng)。例如：齊齊巴賓(Chichibabin,A.E.)反應(yīng)掌握2-氨基吡啶、3-氨基吡啶、4-氨基吡啶等合成方法。二、嘧啶及其衍生物（了解）嘧啶本身不存在于自然界，其衍生物在自然界分布很廣，脲嘧啶、胞嘧啶、胸腺嘧啶是遺傳物質(zhì)核酸的重要組成部分，微生素B1也含有嘧啶環(huán)。合成藥物的磺胺嘧啶也含這種結(jié)構(gòu)。名稱結(jié)構(gòu)用途巴比妥(佛羅拿)苯巴比妥(魯米那)異戊巴比妥(阿米妥)西可巴比妥鈉硫噴妥鈉長時間作用的鎮(zhèn)靜催眠藥長時間作用的鎮(zhèn)靜催眠藥，又有抗癲癇作用中時間作用的催眠藥短時間作用的鎮(zhèn)靜催眠藥超短時間的靜脈麻醉藥，可用于麻醉前給藥第四節(jié)稠雜環(huán)化合物稠雜環(huán)化合物是指苯環(huán)與雜環(huán)稠合或雜環(huán)與雜環(huán)稠合在一起的化合物。常見的有喹啉、吲哚和嘌呤。

一、吲哚（了解）

吲哚是白色結(jié)晶，熔點52.5℃。極稀溶液有香味，可用作香料，濃的吲哚溶液有糞臭味。素馨花、柑桔花中含有吲哚。吲哚環(huán)的衍生物廣泛存在于動植物體內(nèi)，與人類的生命、生活有密切的關(guān)系。吲哚的性質(zhì)與吡咯相似，也可發(fā)生親電取代反應(yīng)，取代基進入