第二十章雜環(huán)化合物三

第二十章雜環(huán)化合物三第1頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一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2頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一定義：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(jù)有無(wú)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(yīng)脂肪族化合物相類似的性質(zhì)。例如：

通常，雜環(huán)化合物是指含有雜原子構(gòu)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3頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)

芳雜環(huán)化合物的分類和命名芳雜環(huán)的數(shù)目很多，按環(huán)的大小，雜原子的多少及單環(huán)和稠環(huán)來(lái)分類，常見(jiàn)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(gè)雜原子含兩個(gè)雜原子

呋喃吡咯噻吩異噁唑吡唑異噻唑噁唑咪唑噻唑第4頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)芳雜環(huán)化合物的分類和命名含一個(gè)雜原子：吡啶吡喃含兩個(gè)雜原子：噠嗪嘧啶吡嗪六元環(huán)第5頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一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6頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

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(hào)。如雜環(huán)上不止一個(gè)雜原子時(shí)，則從O、S、N順序依次編號(hào)。編號(hào)時(shí)雜原子的位次數(shù)字之和應(yīng)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(tuán)時(shí)，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7頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4、含兩個(gè)或以上相同雜原子，編號(hào)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8頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)

五元單雜環(huán)化合物呋喃噻吩吡咯

一、物理性質(zhì)呋喃為無(wú)色液體，難溶于水而易溶于有機(jī)溶劑，b.p為32℃。存在于松木焦油中。噻吩為無(wú)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(wú)色油狀液體，b.p131℃，微溶于水，易溶于有機(jī)溶劑。存在于煤焦油。第9頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。＊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：一個(gè)閉合的環(huán)狀共軛體系環(huán)上原子均為sp2

雜化

π電子數(shù)6（4n+2）鍵長(zhǎng)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10頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、結(jié)構(gòu)（芳香性）呋喃吡咯噻吩雜原子的電負(fù)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(fù)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(fù)性最大，呋喃上電子云最不均勻，芳香性最差。硫原子電負(fù)性最小，又在第三周期，原子半徑較大，原子核對(duì)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(qiáng)環(huán)的穩(wěn)定性較強(qiáng)第二節(jié)

五元單雜環(huán)化合物第11頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(二)呋喃、噻吩、吡咯的化學(xué)性質(zhì)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(jìn)行親電取代反應(yīng)的特點(diǎn)是：使用較為溫和的試劑或反應(yīng)條件。原因：π56，環(huán)上的5個(gè)原子共享6個(gè)π電子，電子云密度比苯環(huán)大，發(fā)生親電取代反應(yīng)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(yīng)活性太高，環(huán)穩(wěn)定性較差，反應(yīng)需在極溫和條件下進(jìn)行，否則開環(huán)、聚合等，產(chǎn)物復(fù)雜。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(tuán)而使環(huán)活化.親電取代活性：第12頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一吡咯上的氮原子上的孤電子對(duì)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(yīng)，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(shuō)的P-π共軛，而噻吩上的S原子則是3P軌道（離核較遠(yuǎn)）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(yīng)（+C效應(yīng)）不如吡咯。雜原子的電負(fù)性：O>N>S(3.5)(3.0)(2.6)親電取代活性：

反應(yīng)速度以苯為1若則則第13頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一注意: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(jìn)攻2位所形成的共振雜化體比進(jìn)攻3位所形成的共振雜化體穩(wěn)定。第14頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1、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(zhì)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(gè),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15頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1、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(wú)機(jī)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(zhì)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(tuán)可直接硝化，噻吩可采用溫和條件直接硝化。醋酸乙酰酯第16頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1、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(yīng)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17頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1、親電取代均易于苯——低溫、弱親電試劑（4）傅-克酰基化反應(yīng)需采用溫和的催化劑如：SnCl4,BF3等，對(duì)活性較大的吡咯可不用催化劑，直接用酸酐?；＿量┩榛磻?yīng)時(shí)易得混合物，因此用途不大。酰基化：第18頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1、親電取代均易于苯——低溫、弱親電試劑（5）吡咯的特殊反應(yīng)第19頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1、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(yīng)一取代呋喃、吡咯和噻吩的進(jìn)一步取代，定位效應(yīng)由環(huán)上雜原子的α定位效應(yīng)及取代基共同決定。3-位上有取代基第二個(gè)官能團(tuán)進(jìn)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(zhì)決定。第20頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1、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(yīng)（2）α-位上有取代基第21頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、加成反應(yīng)（加成反應(yīng)比苯容易）（1）催化加氫噻吩中含硫，會(huì)使一般催化劑中毒，氫化時(shí)應(yīng)采用特殊催化劑第22頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、加成反應(yīng)（加成反應(yīng)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(jìn)行Diles-Alder反應(yīng)第23頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、加成反應(yīng)（加成反應(yīng)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(jìn)行Diles-Alder反應(yīng)噻吩與乙炔的親雙烯加成反應(yīng)產(chǎn)物不穩(wěn)定，常失硫而得苯的衍生物。第24頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3、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(duì)電子，但是由于其參與了環(huán)狀π56的共軛，為整個(gè)環(huán)狀共軛體系所共享，從而使氮上電子云密度降低，孤對(duì)電子難以給出去，難以與H+結(jié)合而表現(xiàn)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(qiáng)弱：<可緩慢溶解于冷稀酸溶液中P653,20-5第25頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3、吡咯的弱堿性和弱酸性弱酸性：可與強(qiáng)堿或金屬作用成鹽但是，吡咯（pKa=17.5）的酸性非常小，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于酚(pKa=10)由于氮原子上孤對(duì)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26頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(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(yīng)糠醛第27頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(三)呋喃、噻吩、吡咯的合成（3）吡咯的合成呋喃與氨高溫反應(yīng)可制得吡咯1,4-丁炔二醇合成第28頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(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29頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(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(zhì)：糠醛具有典型的無(wú)α－H的醛的性質(zhì)，與苯甲醛性質(zhì)類似：

偶聯(lián)：第30頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(四)呋喃、吡咯的重要衍生物（1）糠醛（α－呋喃甲醛）

第31頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(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(yīng)的活性比苯高，但比吡咯低。吲哚親電取代反應(yīng)發(fā)生在什么位置？主要進(jìn)攻C3第32頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(四)呋喃、吡咯的重要衍生物卟啉族化合物（血紅素，葉綠素）第33頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(四)呋喃、吡咯的重要衍生物第34頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第三節(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(duì)沒(méi)參加共軛，因此具有堿性。這對(duì)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(qiáng)<<~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(yīng)發(fā)生在什么位置？第35頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)

吡啶一、吡啶的結(jié)構(gòu)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(duì)在sp2雜化軌道上第36頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

吡啶環(huán)的鍵長(zhǎng)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(jié)構(gòu)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37頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)

吡啶吡啶的偶極矩與吡咯的方向相反：一、吡啶的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)移給環(huán)。堿性，親電取代反應(yīng)類似于硝基苯酸性，親電取代反應(yīng)類似于苯胺第38頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)

吡啶二、吡啶的化學(xué)性質(zhì)①N的一對(duì)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(fù)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(zhì)與硝基苯相似）③N的電負(fù)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(yīng)④比苯難氧化，但易還原（難氧化，易還原）第39頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)

吡啶二、吡啶的化學(xué)性質(zhì)吡啶環(huán)上的電子云密度：第40頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、吡啶的化學(xué)性質(zhì)（1）吡啶環(huán)上的親電取代反應(yīng)（不可發(fā)生傅-克反應(yīng)）

吡啶的親電取代反應(yīng)比苯困難，需在較強(qiáng)的條件下方可發(fā)生，且發(fā)生在β-位。反應(yīng)條件苛刻顯然，當(dāng)吡啶環(huán)上連有供電子基團(tuán)時(shí)，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)。第41頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一吡啶的親電取代反應(yīng)所以發(fā)生在β-位，用電子理論解釋：二、吡啶的化學(xué)性質(zhì)（1）吡啶環(huán)上的親電取代反應(yīng)可見(jiàn)：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(yīng)；如果吡啶發(fā)生芳環(huán)上的親電取代反應(yīng)，新引入基上β-位。

第42頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一吡啶的親電取代反應(yīng)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(shuō)明：二、吡啶的化學(xué)性質(zhì)（1）吡啶環(huán)上的親電取代反應(yīng)第43頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、吡啶的化學(xué)性質(zhì)（2）吡啶環(huán)上的親核取代反應(yīng)吡啶環(huán)的親核取代反應(yīng)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(tuán)。如：齊齊巴賓反應(yīng)第44頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、吡啶的化學(xué)性質(zhì)（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(shí)將使堿性增強(qiáng)。如：

pka

5.175.795.686.02吡啶環(huán)上氮帶有未成鍵電子對(duì)，具有堿性及親核性第45頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、吡啶的化學(xué)性質(zhì)遇酸便形成穩(wěn)定的鹽。如果用非質(zhì)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(jìn)行反應(yīng)，也將形成相應(yīng)的吡啶鹽：也可與鹵代烴進(jìn)行親核取代反應(yīng)（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46頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、吡啶的化學(xué)性質(zhì)（4）側(cè)鏈α氫的反應(yīng)2，4，6位烷基吡啶的側(cè)鏈α氫具有酸性，其酸性與甲基酮的α氫相當(dāng)，這是由于氮的吸電子性能使C=N基團(tuán)有何C=O基團(tuán)相似的性質(zhì)，在強(qiáng)堿性催化條件下可進(jìn)行類似醛酮的縮合等反應(yīng)：ZnCl2是路易斯酸催化劑P66120-11第47頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一那么為什么α-位、γ-位的側(cè)鏈氫酸性強(qiáng)？二、吡啶的化學(xué)性質(zhì)（4）側(cè)鏈α氫的反應(yīng)第48頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、吡啶的化學(xué)性質(zhì)（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(cè)鏈可氧化生成相應(yīng)的吡啶甲酸。A氧化用過(guò)氧化氫或過(guò)氧酸氧化，得到N-氧化物。第49頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、吡啶的化學(xué)性質(zhì)（5）吡啶的氧化和還原B還原第50頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一煙酰胺(維生素pp)異煙酰肼（雷米封）抗結(jié)核藥維生素B6煙酰二乙胺（可拉明）中樞神經(jīng)興