第二十章雜環(huán)化合物三

第二十章雜環(huán)化合物三第一頁，共五十八頁，2022年，8月28日本章講授提要第一節(jié)芳雜環(huán)化合物的分類和命名第二節(jié)五元單雜環(huán)化合物第三節(jié)唑第四節(jié)吡啶第五節(jié)喹啉和異喹啉第六節(jié)嘧啶和嘌呤第七節(jié)雜環(huán)化合物的合成第八節(jié)生物堿第二頁，共五十八頁，2022年，8月28日定義：環(huán)狀化合物，環(huán)上除碳，還有雜原子（N,O,S等）雜環(huán)化合物根據有無芳香性，可將雜環(huán)化合物分為非芳香性雜環(huán)和芳香性雜環(huán)。非芳香性雜環(huán)化合物具有與相應脂肪族化合物相類似的性質。例如：

通常，雜環(huán)化合物是指含有雜原子構成環(huán)的、有一定芳香性的環(huán)狀化合物。

雜環(huán)化合物的分類：第三頁，共五十八頁，2022年，8月28日第一節(jié)

芳雜環(huán)化合物的分類和命名芳雜環(huán)的數目很多，按環(huán)的大小，雜原子的多少及單環(huán)和稠環(huán)來分類，常見的雜環(huán)為五元、六元單雜環(huán)及稠雜環(huán)。按外文名詞音譯成帶“口”字旁的同音漢字五元環(huán)含一個雜原子含兩個雜原子

呋喃吡咯噻吩異噁唑吡唑異噻唑噁唑咪唑噻唑第四頁，共五十八頁，2022年，8月28日第一節(jié)芳雜環(huán)化合物的分類和命名含一個雜原子：吡啶吡喃含兩個雜原子：噠嗪嘧啶吡嗪六元環(huán)第五頁，共五十八頁，2022年，8月28日喹啉異喹啉吲哚嘌啉咔唑第一節(jié)

芳雜環(huán)化合物的分類和命名稠雜環(huán)第六頁，共五十八頁，2022年，8月28日

雜環(huán)為母體，取代基按最低系列原則。取代基的位次從雜原子算起依次用1,2,3,…(或α,β,γ…)編號。如雜環(huán)上不止一個雜原子時，則從O、S、N順序依次編號。編號時雜原子的位次數字之和應最小。

2、環(huán)上有取代基的化合物

3－甲基吡啶

2，5－二甲基呋喃3、環(huán)上有官能團時，雜環(huán)作取代基γ－吡啶甲酸α－呋喃甲醛第一節(jié)

芳雜環(huán)化合物的分類和命名第七頁，共五十八頁，2022年，8月28日4、含兩個或以上相同雜原子，編號從連有取代基或含氫的雜原子開始，另一雜原子位次盡可能小。

4－甲基咪唑

第一節(jié)

芳雜環(huán)化合物的分類和命名第八頁，共五十八頁，2022年，8月28日第二節(jié)

五元單雜環(huán)化合物呋喃噻吩吡咯

一、物理性質呋喃為無色液體，難溶于水而易溶于有機溶劑，b.p為32℃。存在于松木焦油中。噻吩為無色有特殊氣味液體，b.p.84.2℃，與苯共存于煤焦油中。吡咯為無色油狀液體，b.p131℃，微溶于水，易溶于有機溶劑。存在于煤焦油。第九頁，共五十八頁，2022年，8月28日二、結構呋喃、噻吩、吡咯分子中所有的原子共平面，具有與苯環(huán)類似的結構。＊結構特點：一個閉合的環(huán)狀共軛體系環(huán)上原子均為sp2

雜化

π電子數6（4n+2）鍵長一定程度平均化呋喃噻吩吡咯環(huán)狀大π鍵——富電子芳雜環(huán)第二節(jié)

五元單雜環(huán)化合物第十頁，共五十八頁，2022年，8月28日二、結構（芳香性）呋喃吡咯噻吩雜原子的電負性：O>N>S(3.5)(3.0)(2.6)∴芳香性的大小順序：苯>噻吩>吡咯>呋喃雜原子電負性比C大，周圍電子云密度較大。環(huán)上電子云分布不均，芳香性不如苯。O電負性最大，呋喃上電子云最不均勻，芳香性最差。硫原子電負性最小，又在第三周期，原子半徑較大，原子核對共軛π電子的吸引力較小，噻吩環(huán)上電子分布較為平均，芳香性較強環(huán)的穩(wěn)定性較強第二節(jié)

五元單雜環(huán)化合物第十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日(二)呋喃、噻吩、吡咯的化學性質1、親電取代均易于苯——低溫、弱親電試劑五元雜環(huán)化合物進行親電取代反應的特點是：使用較為溫和的試劑或反應條件。原因：π56，環(huán)上的5個原子共享6個π電子，電子云密度比苯環(huán)大，發(fā)生親電取代反應的速度也比苯快得多。多電子共軛體系，電子云密度比較大，反應活性太高，環(huán)穩(wěn)定性較差，反應需在極溫和條件下進行，否則開環(huán)、聚合等，產物復雜。雜原子的存在相當于在環(huán)上引入了―NH2、―OH、―SH等活化基團而使環(huán)活化.親電取代活性：第十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日吡咯上的氮原子上的孤電子對能夠很好地和環(huán)上的π電子共軛，從而使環(huán)上的π電子云密度增加，而電子云密度增加就意味著有利于親電取代反應，同一周期的共軛效果要比不同周期的原子效果好，C和N屬于同一周期，C的2P軌道和N的2P軌道能夠很好的共軛，即所說的P-π共軛，而噻吩上的S原子則是3P軌道（離核較遠）和C的2P軌道（離核較近）共軛程度肯定不好，給電子共軛效應（+C效應）不如吡咯。雜原子的電負性：O>N>S(3.5)(3.0)(2.6)親電取代活性：

反應速度以苯為1若則則第十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日注意:1、親電取代均易于苯——低溫、弱親電試劑取代一般發(fā)生在α位進攻2位所形成的共振雜化體比進攻3位所形成的共振雜化體穩(wěn)定。第十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日1、親電取代均易于苯——低溫、弱親電試劑（1）磺化吡咯和呋喃也不能用硫酸直接磺化，要用溫和的非質子磺化試劑。噻吩是這些五元雜環(huán)化合物中最穩(wěn)定的一個,可在室溫下直接磺化苯在室溫下需用發(fā)煙硫酸才可磺化第十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日1、親電取代均易于苯——低溫、弱親電試劑（2）硝化呋喃和吡咯很易被氧化，遇無機酸容易發(fā)生開環(huán)或聚合，因而不能用硝酸硝化。為了避免氧化，通常用比較溫和的非質子硝化試劑，硝酸乙酰酯（CH3COONO2)作硝化劑，如果環(huán)上有致鈍基團可直接硝化，噻吩可采用溫和條件直接硝化。醋酸乙酰酯第十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日1、親電取代均易于苯——低溫、弱親電試劑（3）鹵代(不需催化劑，甚至采用溫和條件，如用溶劑稀釋或采用低溫）吡咯活性最大，在反應體系中往往形成四取代物。不活潑的碘在催化劑作用下也可以直接取代第十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日1、親電取代均易于苯——低溫、弱親電試劑（4）傅-克酰基化反應需采用溫和的催化劑如：SnCl4,BF3等，對活性較大的吡咯可不用催化劑，直接用酸酐?；＿量┩榛磻獣r易得混合物，因此用途不大。?；旱谑隧摚参迨隧?，2022年，8月28日1、親電取代均易于苯——低溫、弱親電試劑（5）吡咯的特殊反應第十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日1、親電取代均易于苯——低溫、弱親電試劑（6）取代呋喃、吡咯和噻吩的定位效應一取代呋喃、吡咯和噻吩的進一步取代，定位效應由環(huán)上雜原子的α定位效應及取代基共同決定。3-位上有取代基第二個官能團進入環(huán)的2或5位（α-位），到底是2位還是5位，由環(huán)上原有取代基的性質決定。第二十頁，共五十八頁，2022年，8月28日1、親電取代均易于苯——低溫、弱親電試劑（6）取代呋喃、吡咯和噻吩的定位效應（2）α-位上有取代基第二十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日2、加成反應（加成反應比苯容易）（1）催化加氫噻吩中含硫，會使一般催化劑中毒，氫化時應采用特殊催化劑第二十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日2、加成反應（加成反應比苯容易）（2）雙烯合成呋喃芳香性較弱，所以呋喃及其衍生物容易進行Diles-Alder反應第二十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日2、加成反應（加成反應比苯容易）（2）雙烯合成吡咯氮上的氫有酸性，可與順丁烯二酸酐的雙鍵加成，將吡咯烷基化，或用更活潑的親雙烯試劑進行Diles-Alder反應噻吩與乙炔的親雙烯加成反應產物不穩(wěn)定，常失硫而得苯的衍生物。第二十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日3、吡咯的弱堿性和弱酸性弱堿性吡咯分子中氮原子上雖然帶有孤對電子，但是由于其參與了環(huán)狀π56的共軛，為整個環(huán)狀共軛體系所共享，從而使氮上電子云密度降低，孤對電子難以給出去，難以與H+結合而表現堿性。所以，吡咯的堿性很弱，甚至于大大弱于苯胺的堿性。堿性順序：仲胺＞伯胺＞叔胺＞氨＞苯胺＞吡咯比較堿性強弱：<可緩慢溶解于冷稀酸溶液中P653,20-5第二十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日3、吡咯的弱堿性和弱酸性弱酸性：可與強堿或金屬作用成鹽但是，吡咯（pKa=17.5）的酸性非常小，甚至遠遠小于酚(pKa=10)由于氮原子上孤對電子參與了環(huán)狀π56的共軛，削弱了N-H鍵能

，使得N上的H有酸性，pKa＝17.5：酸性順序：苯酚＞吡咯＞醇形成的π56穩(wěn)定第二十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日(三)呋喃、噻吩、吡咯的合成多聚戊糖水解，脫水，環(huán)化，去羰基。（1）呋喃的合成（2）噻吩的合成：丁烷與硫，或丁烯與二氧化硫高溫反應糠醛第二十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日(三)呋喃、噻吩、吡咯的合成（3）吡咯的合成呋喃與氨高溫反應可制得吡咯1,4-丁炔二醇合成第二十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日(三)呋喃、噻吩、吡咯的合成從1,4-二酮出發(fā)制備以“三乙”為原料合成2,5-己二酮2，5-己二酮第二十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日(四)呋喃、吡咯的重要衍生物（1）糠醛（α－呋喃甲醛）

命名：最初由米糠與稀酸共熱而得，故名糠醛。性質：糠醛具有典型的無α－H的醛的性質，與苯甲醛性質類似：

偶聯(lián)：第三十頁，共五十八頁，2022年，8月28日(四)呋喃、吡咯的重要衍生物（1）糠醛（α－呋喃甲醛）

第三十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日(四)呋喃、吡咯的重要衍生物（2）吲哚（苯并吡咯）

吲哚仍具有芳香性，其親電取代反應的活性比苯高，但比吡咯低。吲哚親電取代反應發(fā)生在什么位置？主要進攻C3第三十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日(四)呋喃、吡咯的重要衍生物卟啉族化合物（血紅素，葉綠素）第三十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日(四)呋喃、吡咯的重要衍生物第三十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日第三節(jié)

唑堿性比較PKa0.42.52.47.4咪唑吡唑噻唑吡咯氮上未成鍵電子對沒參加共軛，因此具有堿性。這對電子在sp2雜化軌道上，堿性比一般的胺弱，比略帶酸性的吡咯強<<~為什么咪唑比吡咯穩(wěn)定？但親電取代活性不如吡咯？1，2唑親電取代反應發(fā)生在什么位置？第三十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日第四節(jié)

吡啶一、吡啶的結構和芳香性平面環(huán)狀體系6原子均sp2

雜化6中心6電子環(huán)狀大π鍵孤電子對在sp2雜化軌道上第三十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日

吡啶環(huán)的鍵長也不再平均化，C-C鍵雖與苯相似，但C-N鍵變化很大，因此，其芳香性比苯差第四節(jié)

吡啶一、吡啶的結構和芳香性環(huán)上電子云密度分布不均勻：（“－”—電子云密度＞苯“＋”—電子云密度＜苯）苯環(huán)C-C鍵：0.140×10-9

第三十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日第四節(jié)

吡啶吡啶的偶極矩與吡咯的方向相反：一、吡啶的結構和芳香性吡啶環(huán)上的氮是吸電子作用，而吡咯換上的氮是把電子轉移給環(huán)。堿性，親電取代反應類似于硝基苯酸性，親電取代反應類似于苯胺第三十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日第四節(jié)

吡啶二、吡啶的化學性質①N的一對未成鍵電子在SP2雜化軌道上，未參與形成環(huán)上共軛體系，可接受H+成鹽—堿性。②N的電負性>C，吸電子使環(huán)上電子云密度降低可發(fā)生親電取代，但活性不如苯，且主要在間位（性質與硝基苯相似）③N的電負性>C，吸電子使環(huán)上電子云密度降低，可發(fā)生親核取代反應④比苯難氧化，但易還原（難氧化，易還原）第三十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日第四節(jié)

吡啶二、吡啶的化學性質吡啶環(huán)上的電子云密度：第四十頁，共五十八頁，2022年，8月28日二、吡啶的化學性質（1）吡啶環(huán)上的親電取代反應（不可發(fā)生傅-克反應）

吡啶的親電取代反應比苯困難，需在較強的條件下方可發(fā)生，且發(fā)生在β-位。反應條件苛刻顯然，當吡啶環(huán)上連有供電子基團時，將有利于親電取代反應的發(fā)生；反之，就更加難以進行親電取代反應。第四十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日吡啶的親電取代反應所以發(fā)生在β-位，用電子理論解釋：二、吡啶的化學性質（1）吡啶環(huán)上的親電取代反應可見：①氮原子上電子云密度大，吡啶環(huán)上電子云密度?。虎贜的m-電子云密度比o-、p-大。所以：

吡啶與苯相比較，吡啶不易發(fā)生芳環(huán)上的親電取代反應；如果吡啶發(fā)生芳環(huán)上的親電取代反應，新引入基上β-位。

第四十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日吡啶的親電取代反應所以發(fā)生在β-位，除用電子理論解釋外，還可以用中間體的穩(wěn)定性加以說明：二、吡啶的化學性質（1）吡啶環(huán)上的親電取代反應第四十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日二、吡啶的化學性質（2）吡啶環(huán)上的親核取代反應吡啶環(huán)的親核取代反應主要發(fā)生在α-位和γ-位，被取代的可以是氫原子，也可以是易于離去的基團。如：齊齊巴賓反應第四十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日二、吡啶的化學性質（3）吡啶環(huán)上氮的堿性及親核性pKb

3.364.758.89.3吡啶環(huán)上有供電子基時將使堿性增強。如：

pka

5.175.795.686.02吡啶環(huán)上氮帶有未成鍵電子對，具有堿性及親核性第四十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日二、吡啶的化學性質遇酸便形成穩(wěn)定的鹽。如果用非質子的硝化試劑、磺化試劑，或用鹵素、鹵代烷、酰氯與吡啶環(huán)進行反應，也將形成相應的吡啶鹽：也可與鹵代烴進行親核取代反應（3）吡啶環(huán)上氮的堿性及親核性溫和磺化試劑堿性親核性第四十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日二、吡啶的化學性質（4）側鏈α氫的反應2，4，6位烷基吡啶的側鏈α氫具有酸性，其酸性與甲基酮的α氫相當，這是由于氮的吸電子性能使C=N基團有何C=O基團相似的性質，在強堿性催化條件下可進行類似醛酮的縮合等反應：ZnCl2是路易斯酸催化劑P66120-11第四十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日那么為什么α-位、γ-位的側鏈氫酸性強？二、吡啶的化學性質（4）側鏈α氫的反應第四十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日二、吡啶的化學性質（5）吡啶的氧化和還原吡啶環(huán)上氮的吸電子性能，使環(huán)穩(wěn)定，不易被氧化，較易被還原。側鏈可氧化生成相應的吡啶甲酸。A氧化用過氧化氫或過氧酸氧化，得到N-氧化物。第四十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日二、吡啶的化學性質（5）吡啶的氧化和還原B還原第五十頁，共五十八頁，2022年，8月28日煙酰胺(維生素pp)異煙酰肼（雷米封）抗結核藥維生素B6煙酰二乙胺（可拉明）中樞神