chapter 雜環(huán)化合物資料

chapter雜環(huán)化合物資料第1頁/共60頁第十六章雜環(huán)化合物Chapter16HeterocyclicCompound各類常見雜環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)和命名呋喃、吡咯、噻吩和吡啶的結(jié)構(gòu)與芳香性。呋喃、噻吩、吡咯、吡啶、吲哚、喹啉等的化學(xué)性質(zhì)核酸組成中的重要堿基——嘧啶、嘌呤葉綠素、血紅素等卟啉環(huán)化合物生物堿第2頁/共60頁16―1雜環(huán)化合物的分類和命名

一、雜環(huán)化合物-----成環(huán)原子除碳以外，還有其它如O、N、S、P等雜原子的環(huán)狀化合物。本章重點介紹那些環(huán)為平面型，環(huán)內(nèi)π電子數(shù)符合4n+2規(guī)則，具有一定芳香性的芳雜環(huán)化合物。16-1-1雜環(huán)化合物第3頁/共60頁二、芳香性的雜環(huán)化合物的分類第4頁/共60頁16-1-2雜環(huán)化合物的命名:音譯法和系統(tǒng)命名法1.音譯法：在同音漢字左邊+“口”字第5頁/共60頁2.雜環(huán)及環(huán)上取代基的編號：

(1)母體雜環(huán)的編號：雜原子的編號為“1”。

雜原子鄰位的碳原子也可依次用α、β、γ…編號。如雜環(huán)上不止一個雜原子時，則從O、S、N(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。

第6頁/共60頁吡啶3-吡啶甲酸胞嘧啶（煙酸）第7頁/共60頁16-2結(jié)構(gòu)與芳香性一、雜環(huán)化合物的芳香性第8頁/共60頁五元雜環(huán)化合物具有芳香性的另一個標(biāo)志:環(huán)上氫受離域電子環(huán)流的影響，其核磁共振信號都出現(xiàn)在低場區(qū)。-H由于受雜原子吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)的影響，其化學(xué)位移（值）較大，在低場。第9頁/共60頁二、具有芳香性的雜環(huán)與苯環(huán)的異同點1.五元雜環(huán)化合物噻吩共振式第10頁/共60頁(2)五元雜環(huán)化合物是富電子體系，而苯環(huán)為等電子體系，其環(huán)電子云密度比苯高，親電取代反應(yīng)比苯容易，尤其易發(fā)生在α-位。雜原子的存在相當(dāng)于在環(huán)上引入了―NH2、―OH、―SH等活化基團而使環(huán)活化，故進行親電取代反應(yīng)的活潑順序是：(1)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。因此，五元雜環(huán)化合物的芳香性比苯差。其芳香性次序是：離域能：150.6121.387.866.9(kJ/mol)誘導(dǎo)效應(yīng)(電負(fù)性):O(3.5)>N(3.0)>S(2.6)(吸電子）共軛效應(yīng)(供電子）：N>O>S

(3p與2p共軛較差）第11頁/共60頁

2.六元雜環(huán)化合物

吡啶環(huán)的鍵長發(fā)生了較大程度的平均化，C―C鍵與苯相似，但C―N鍵變化很大，因此，其芳香性比苯略差。吡啶和苯屬等電子體系，但因氮原子電負(fù)性較大，使環(huán)上的電子云密度降低，故其親電取代反應(yīng)性能比苯差，而且親電取代反應(yīng)發(fā)生在電子云密度較高的β-位,這一特性很類似于硝基苯。

第12頁/共60頁16―3五元雜環(huán)化合物的物理性質(zhì)b.p.131oCb.p.84oCb.p.32oC偶極矩1HNMR第13頁/共60頁16―4五元雜環(huán)化合物的化學(xué)性質(zhì)1.五元雜環(huán)為Π56共軛體系，電荷密度比苯大，如以苯環(huán)上碳原子的電荷密度為標(biāo)準(zhǔn)（作為0），則五元雜環(huán)化合物的有效電荷分布為：

親電取代反應(yīng)的活性為：吡咯>呋喃>噻吩>苯，主要進入-位

一、親電取代反應(yīng)第14頁/共60頁親電取代反應(yīng)的活性為：吡咯>呋喃>噻吩>苯，主要進入-位

吡啶三氧化硫配合物第15頁/共60頁使用較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α-位共振論解釋：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。2.五元雜環(huán)化合物進行親電取代反應(yīng)的特點：第16頁/共60頁3.五元雜環(huán)化合物親電取代反應(yīng)的定位規(guī)律

以噻吩為例：

(1)α-位上有取代基(2)β-位上有取代基值得注意的是：吡咯和呋喃也遵循上述規(guī)律，但當(dāng)α-位上有m–定位基(如：–CHO、–COOH)時，新引入基團進入的位置與反應(yīng)試劑有關(guān)。第17頁/共60頁二、加氫反應(yīng)三、呋喃、吡咯的特性反應(yīng)呋喃易進行

D-A反應(yīng)第18頁/共60頁2.吡咯的弱酸性和弱堿性(1)弱堿性:吡咯雖然是一個仲胺，但堿性很弱。

N上的未共用電子對參與了環(huán)的共軛體系，減弱了與H+

的結(jié)合力。(2)弱酸性:其酸性介于乙醇和苯酚之間。吡咯能與固體氫氧化鉀加熱成為鉀鹽，與格式試劑作用放出RH而生成吡咯鹵化鎂。第19頁/共60頁第20頁/共60頁16-5重要的五元雜環(huán)衍生物（一）呋喃

呋喃為無色液體，難溶于水而易溶于有機溶劑，b.p為32℃。盡管呋喃在較溫和的條件下就可發(fā)生親電取代反應(yīng)，但因其芳香性較弱，呋喃及其衍生物容易進行Diels-Alder反應(yīng)和一般的親電加成反應(yīng)。如：呋喃在Ni催化下，易于加氫生成四氫呋喃——良好的溶劑和重要的有機合成原料。第21頁/共60頁1．制備2．糠醛的性質(zhì)（二）糠醛（α-呋喃甲醛）由農(nóng)副產(chǎn)品如甘蔗渣、花生殼、高粱桿、棉子殼等,稀酸加熱蒸煮制取。（1）氧化還原反應(yīng)第22頁/共60頁（2）歧化反應(yīng)（3）羥醛縮合和Pekin反應(yīng)（4）安息香縮合反應(yīng)第23頁/共60頁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。可用于精制松香，脫出色素，溶解硝酸纖維素等?？啡V泛用于油漆及樹脂工業(yè)。(5)顏色反應(yīng)第24頁/共60頁最重要的吡咯衍生物是由四個吡咯環(huán)和四個次甲基(-CH=)交替相連組成的大環(huán)(卟吩)化合物。其取代物稱為卟啉族化合物。1964年，R.B.Woodward（1917—1979）

用55步合成了葉綠素。1965年接著開始合成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)（三）吡咯的重要衍生物卟啉族化合物廣泛分布與自然界:

血紅素，葉綠素都是含卟吩環(huán)的卟啉族化合物。在血紅素中,與卟吩環(huán)配位的是Fe,血紅素的功能是運載輸送氧氣葉綠素與卟吩環(huán)配位的是Mg,葉綠素是植物光合作用的能源。卟吩環(huán)(Porphine)第25頁/共60頁伍德沃德1917年4月10日生于美國馬薩路塞州波士頓。從小喜讀書，善思考，學(xué)習(xí)成績優(yōu)異。1933年夏，16歲的伍德沃德就以優(yōu)異成績，進入麻省理工學(xué)院。在全班學(xué)生中，他年齡最小，素有“神童”之稱，學(xué)校為了培養(yǎng)他，為他一人單獨安排了許多課程。他聰穎過人，只用3年時間完成本科全部課程，并以出色的成績獲得了學(xué)士學(xué)位。然后直接攻取博士學(xué)位，只用1年時間，學(xué)完博士學(xué)位課程，并通過論文答辯獲博士學(xué)位。隨后，伍德沃德在哈佛大學(xué)執(zhí)教，1950年被聘為教授。他教學(xué)極為嚴(yán)謹(jǐn)，且有極強吸引力，特別重視化學(xué)演示實驗，著重訓(xùn)練學(xué)生實驗技巧，他培養(yǎng)的學(xué)生，許多人成了化學(xué)界的知名人士。伍德沃德在化學(xué)上的出色成就，使他名揚全球。1963年，瑞士人集資，辦了一所化學(xué)研究所，此研究所以伍德沃德的名字命名，并聘請他擔(dān)任了第一任所長。伍德沃德是上世紀(jì)在有機合成化學(xué)實驗和理論上取得劃時代成果的罕見有機化學(xué)家，他以極其精湛而巧妙的技術(shù)，合成了膽固醇、皮質(zhì)酮、馬錢子堿、利血平、葉綠素等多種復(fù)雜有機物。據(jù)不完全統(tǒng)計，他合成的各種極難合成的復(fù)雜有機化合物達(dá)24種以上，所以他被稱為“現(xiàn)代有機合成之父”。

伍德沃德探明了金霉素、土霉素、河豚素等復(fù)雜有機物的結(jié)構(gòu)與功能，探索了核酸與蛋自質(zhì)的合成問題、發(fā)現(xiàn)了以他的名字命名的伍德沃德有機反應(yīng)和伍德沃德有機試劑。他在有機化學(xué)合成、結(jié)構(gòu)分析、理論說明等多個領(lǐng)域都有獨到見解和杰出貢獻，他還獨立地提出二茂鐵的夾心結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)與英國化學(xué)家威爾金森（G.Wilkinscn）、菲舍爾（E.O.Fischer）的研究結(jié)果完全一致。

在有機合成過程中，伍德沃德以驚人的毅力夜以繼日地工作。例如在合成番木鱉堿、喹寧堿等復(fù)雜物質(zhì)時，需要長時間的守護和觀察、記錄，那時，伍德沃德每天只睡4個小時，其他時間均在實驗室工作。

伍德沃德謙虛和善，不計名利，善于與人合作，一旦出了成果，發(fā)表論文時，總喜歡把合作者的名字署在前邊，他自己有時干脆不署名，對他的這一高尚品質(zhì)，學(xué)術(shù)界和他共過事的人都眾口稱贊。伍德沃德對化學(xué)教育盡心竭力，他一生共培養(yǎng)研究生、進修生500多人，他的學(xué)生已布滿世界各地。伍德沃德在總結(jié)他的工作時說：“之所以能取得一些成績，是因為有幸和世界上眾多能干又熱心的化學(xué)家合作。”

1979年6月8日，Woodward與世長辭，終年62歲。他逝世以后，人們經(jīng)常以各種方式悼念這位有機化學(xué)巨星。第26頁/共60頁維生素B12第27頁/共60頁1965年，伍德沃德榮獲諾貝爾化學(xué)獎。獲獎后，他組織了14個國家的110位化學(xué)家，協(xié)同攻關(guān)，探索維生素B12的人工合成問題。在他以前，這種極為重要的藥物，只能從動物的內(nèi)臟中經(jīng)人工提煉，所以價格極為昂貴，且供不應(yīng)求。

維生素B12結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，伍德沃德經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，它有181個原子，在空間呈魔氈狀分布，性質(zhì)極為脆弱，受強酸、強堿、高溫的作用都會分解，這給人工合成造成極大困難。伍德沃德設(shè)計了一個拼接式合成方案，即先合成維生素B12的各個局部，然后再把它們對接起。這種方法后來成為合成所有有機大分子普遍采用的方法。

合成維生素B12過程中，不僅存在一個創(chuàng)立新的合成技術(shù)的問題，還遇到一個傳統(tǒng)化學(xué)理論不能解釋的有機理論問題。為此，和他的學(xué)生兼助手霍夫曼一起，提出了分子軌道對稱守恒原理，這一理論用對稱性簡單直觀地解釋了許多有機化學(xué)過程，如電環(huán)合反應(yīng)過程、環(huán)加成反應(yīng)過程、σ鍵遷移過程等。該原理指出，反應(yīng)物分子外層軌道對稱一致時，反應(yīng)就易進行，這叫“對稱性允許”反應(yīng)物分子外層軌道對稱性不一致時，反應(yīng)就不易進行，這叫“對稱性禁阻”。分子軌道理論的創(chuàng)立，使霍夫曼和福井謙一共同獲得了1981年諾貝爾化學(xué)獎。因為當(dāng)時，伍德沃德已去世2年，而諾貝爾獎又不授予已辭世的科學(xué)家，所以學(xué)術(shù)界認(rèn)為，如果伍德沃德健在，他必是獲獎人之一，那樣，他將成為少數(shù)兩次獲得諾貝爾獎金的科學(xué)家之一。

伍德沃德合成維生素B12時，共做了近千個復(fù)雜的有機合成實驗，歷時11年，終于在他謝世前幾年實現(xiàn)了，完成了復(fù)雜的維生素B12的合成工作。參加維生素凡之合成的化學(xué)家，除了霍夫曼以外，還有瑞士著名化學(xué)家埃申莫塞（A.Escheni11oser）等。第28頁/共60頁血紅素膽紅素IXa生物素,維生素H第29頁/共60頁

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。一些重要天然產(chǎn)物及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，已知的青霉素一百多種，它們的結(jié)構(gòu)很相似。青霉素具有強酸性(pKa≈2.7),在游離狀態(tài)下不穩(wěn)定(青霉素O例外)，故常將它們變成鈉鹽、鉀鹽或有機堿鹽用于臨床。(四)、噻唑和咪唑1．噻唑由四氫噻唑環(huán)和β-內(nèi)酰胺環(huán)稠合而成第30頁/共60頁維生素B1（VB1）第31頁/共60頁16-6六元雜環(huán)化合物

六元雜環(huán)化合物中最重要的有吡啶、嘧啶和吡喃等。吡啶是重要的有機堿試劑，嘧啶是組成核糖核酸的重要生物堿母體。

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。吡啶的工業(yè)制法可由糠醇與氨共熱（500℃）制得。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。一、吡啶

1.來源、制法和應(yīng)用第32頁/共60頁2.吡啶的結(jié)構(gòu)由于吡啶環(huán)的N上在環(huán)外有一孤對電子，故吡啶環(huán)上的電荷分布不均。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)上的電子云密度降低，故其親電取代反應(yīng)性能不但比苯差，且親電取代反應(yīng)發(fā)生在電子云密度較高的β-位。這一特性很類似于硝基苯。第33頁/共60頁3.吡啶的性質(zhì)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。第34頁/共60頁吡啶三氧化硫配合物---常用的緩和磺化劑吡啶易與酸和活潑的鹵代物成鹽第35頁/共60頁吡啶環(huán)上氮原子為吸電子基，是缺電子芳雜環(huán)，和硝基苯相似。親電取代反應(yīng)不活潑，反應(yīng)條件要求高，不起傅-克反應(yīng)。親電取代反應(yīng)主要在β-位(2)親電取代反應(yīng)第36頁/共60頁親電取代共振論解釋第37頁/共60頁吡啶環(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。(3)氧化還原反應(yīng)氧化反應(yīng)第38頁/共60頁吡啶易還原，用鈉加乙醇、催化加氫均使吡啶還原為六氫吡啶(哌啶)。還原反應(yīng)氧化吡啶在有機合成中用于合成4-取代吡啶化合物。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。第39頁/共60頁由于吡啶環(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：(4)親核取代第40頁/共60頁常見的六元雜環(huán)化合物甲基吡啶甲基吡啶的側(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，在強堿的催化下可進行縮合反應(yīng)，且主要發(fā)生在α-位和γ-位。如：第41頁/共60頁α-位、γ-位的側(cè)鏈氫酸性強第42頁/共60頁β-甲基吡啶第43頁/共60頁二、嘧啶及其衍生物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)。uracilthyminecytosine第44頁/共60頁16-7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。

第45頁/共60頁吲哚是白色結(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。

一、吲哚第46頁/共60頁

第47頁/共60頁吲哚的性質(zhì)與吡咯相似，也可發(fā)生親電取代反應(yīng)，取代基進入β-位

第48頁/共60頁

喹啉存在于煤焦油中，為無色油狀液體，放置時逐漸變成黃色，沸點238.1℃，有惡臭味，難溶于水。能與大多數(shù)有機溶劑混溶，是一種高沸點溶劑。

喹啉是由吡啶稠合而成的，由于吡啶環(huán)的電子云密度低于與之并聯(lián)的苯環(huán)，所以喹啉的親電取代反應(yīng)發(fā)生在電子云密度較大的苯環(huán)上，取代基主要進入5或8位。而親核取代則主要發(fā)生在吡啶環(huán)的2或4位。二、喹啉1．喹啉的結(jié)構(gòu)第49頁/共60頁2．喹啉的性質(zhì)（1）取代反應(yīng)a.親電取代第50頁/共60頁b.親核取代喹啉用高錳酸鉀氧化時，苯環(huán)發(fā)生破裂，用鈉和乙醇還原是其吡啶環(huán)被還原，這說明在喹啉分子中吡啶環(huán)比苯環(huán)難氧化，易還原。(2)氧化還原反應(yīng)第51頁/共60頁喹啉的合成方法有多種，常用的是斯克勞普法。是用苯胺與甘油、濃硫酸及一種氧化劑如硝基苯共熱而生成。

2．喹啉環(huán)的合成法——斯克勞普（Skraup）法：反應(yīng)歷程:第52頁/共60頁喹啉的衍生物在自然界存在很多，如奎寧、氯喹、罌粟堿、嗎啡等。3．喹啉的衍生物第53頁/共60頁

嗎啡含一個被還原了的異喹啉環(huán)，