2023年化學(xué)競(jìng)賽輔導(dǎo)雜環(huán)化合物

16--雜環(huán)化合物

§1.雜環(huán)化合物的分類和命名

一、雜環(huán)大體可分為:單雜環(huán)和稠雜環(huán)兩類:

1.分類:

稠招不

稠雜環(huán)是由苯環(huán)與單雜環(huán)或有兩個(gè)以上單雜環(huán)稠并而成。

二、命名:

雜環(huán)的命名常用音譯法，是按外文名稱的音譯，并加口字旁，表達(dá)為環(huán)狀化

合物。如雜環(huán)上有取代基時(shí)，取代基的位次從雜原子算起用1,2,3,4,5……（或

可將雜原子旁的碳原子依次編為a,P，y,5...）來(lái)編號(hào)。

吠喃嚷吩毗癥

毗喀口引喙哇咻

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:

3

44-------N

5

睡嚶

嗯嗖咪理

五元雜環(huán)中具有兩個(gè)雜原子的體系叫哇（azole）

§2.吠喃，嘎吩,口比咯

具有一個(gè)雜原子的五元雜環(huán)單環(huán)體系:映喃，口塞吩，毗咯。

一、吠喃，睡吩，口比咯的電子結(jié)構(gòu)和光譜性質(zhì)

電子結(jié)構(gòu)：這三個(gè)雜環(huán)化合物中，碳原子和雜原子均以Sp2雜化軌道互相連接

成O健,并且在一個(gè)平面上，每個(gè)碳原子及雜原子上均有一個(gè)P軌道互相平行，

在碳原子的P軌道中有一個(gè)P電子，在雜原子的P軌道中有兩個(gè)P電子，形成一

個(gè)環(huán)形的封閉的兀電子的共輾體系。這與休克爾的4n+2規(guī)則相符，因此這些

雜環(huán)或多或少的具有與苯類似的性質(zhì),故稱之為芳香雜環(huán)化合物。

芳香性大小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表白：

>[]>n

光譜性質(zhì)：IR：vc-H=3077~3003cm-l,vN-H=3500-3200cm-1（在非極

性溶劑的稀溶液中，在3495cml有一尖峰。在濃溶液中則于3400cm。有一尖

峰。在濃和淡的中間濃度時(shí)，兩種譜帶都有），雜環(huán)C=C伸縮振動(dòng)：1600?1300

cm-1（有二至四個(gè)譜帶）。

NMR:這些雜環(huán)化合物形成封閉的芳香封閉體系，與苯環(huán)類似，在核磁共振

譜上，由于外磁場(chǎng)的作用而誘導(dǎo)出一個(gè)繞環(huán)轉(zhuǎn)的環(huán)電流，此環(huán)電流可產(chǎn)生一個(gè)和

外界磁場(chǎng)方向相反的感應(yīng)磁場(chǎng)，在環(huán)外的質(zhì)子，處在感應(yīng)磁場(chǎng)回來(lái)的磁力線上,

和外界磁場(chǎng)方向一致，在去屏蔽區(qū)域，故環(huán)上氫吸取峰移向低場(chǎng)?；瘜W(xué)位移一般

在7ppm左右。

吠喃:a—H5=7.42ppmP-H8=6.37ppm

曝吩：a-II8=7.30ppmp-H8=7.10ppm

口比咯:a-H3=6.68ppmP-H8=6.22ppm

二、吠喃，嚷吩，口比咯的制備

1.玉米心，稻糠，花生殼，大麥殼，高粱稈等用稀硫酸解決得戊糖，戊糖失

水得糠醛，再在400c下加熱，同時(shí)在催化劑ZnO,Cr2O3存在下，失去一氧化碳而

得吠喃。

/、皿C3-5%H2s稀H2s

(c5H8O,n+出2。----------------?nCjHioOi~~1----------?

水癡口熱i)吸-3H2O

戊多糖戊糖糖醛

-CO

ZrOorCtjOj.4。此

2.工業(yè)上制備曝吩是用丁烷，丁烯或丁二烯與硫磺混合，在600℃反映得到:

600℃3112s

n-C4Hio+4S---------

3.口塞吩也可用琥珀酸鈉鹽與五硫化二磷一起加熱反映制得:

r其它

CH—2—

COONaCOONa

4.帕爾——克諾爾(C.Paa1—L.Knorr)合成法:

1,4—二鍛基化合物常在無(wú)水的酸性條件下，得到吠喃及其衍生物。1,4—

二段基化合物與氨或硫化合物反映，可制備噬吩，毗咯及他們的衍生物，這個(gè)方法

稱為帕爾一克諾爾合成法：

TsOH

甲苯加熱

tBu

TsOH

M小腕兒--->■MeMeH

/甲苯加熱0

Me七。Me

H

一2H2。

----------A

MeN^Me

H

5.取代此咯的另一個(gè)一般的合成法,稱為克諾爾合成法，即用氨基酮與有a一

亞甲基的酮進(jìn)行縮合。例如用氨基酮酸酯與酮酸酯或1,3—二酮縮合，氨基酮酸

脂由相應(yīng)的默基酯制得。

三、吠喃，嚷吩，毗咯的反映

1.親電取代反映：

(1)吠喃，噬吩，口比咯親電取代活潑順序

吠喃，嚷吩，毗咯親電取代反映很容易進(jìn)行。這是由于環(huán)上五個(gè)原子共有六個(gè)

兀電子，故兀電子出現(xiàn)的幾率密度比苯環(huán)大。換句話說(shuō)，環(huán)上的雜原子有給電子

的共趣效應(yīng)，能使雜環(huán)活化。所以，在親電取代反映中的速度比苯環(huán)快的多。親

電取代反映活潑順序?yàn)椋?/p>

H

雜原子給電子共輾效應(yīng)愈強(qiáng)，環(huán)上電子云密度愈大，親電取代愈易進(jìn)行。

N電負(fù)性3.0,0電負(fù)性3.5,S電負(fù)性2.4,N、O與碳在同一周期，S

在第三周期，其p軌道與碳的p軌道重疊較小。

(2)親電基團(tuán)容易進(jìn)入雜環(huán)的2,5位(即a,啦)，若雜環(huán)的2,5位已

有基團(tuán)存在，則進(jìn)入3位。

a位比較活潑的因素是由于在反映中形成的中間體正離子有三個(gè)共振式參

與共振。假如在P位發(fā)生反映，形成的中間體正離子只有兩個(gè)共振式參與共振，參

與共振的共陣式愈多，雜化體愈穩(wěn)定，故在a位發(fā)生反映的中間體正離子比較穩(wěn)

定，穩(wěn)定的中間體正離子的過(guò)渡態(tài)能量低，反映速度快。因此親電取代反映容易

在a位發(fā)生。

穩(wěn)定

Z=-0-S--NH—

（3）吠喃，曝吩，毗咯，遇強(qiáng)酸及氧化劑很容易使環(huán)破壞，因此進(jìn)行取代反

映須在較溫和的條件下進(jìn)行。

（a）硝化

吠喃，嘎吩，毗咯很容易被氧化，甚至也能被空氣氧化。硝酸是強(qiáng)氧化劑，因此

一般不用硝酸直接氧化。通常用比較溫和的非質(zhì)子的硝化試劑一硝酸乙酰酯進(jìn)行

硝化,反映還須在低溫進(jìn)行：

0IlII00Y

CH3COCCH3+HN03--------?CH3CO-NO2+CH3COOH

乙酎乙?；跛狨ィㄏ跛嵋阴ｕィ?/p>

/N02

C

AONO2,00C+

Ac2。一AcO

10%

雜環(huán)親電取代反映的活潑性越強(qiáng)，反映溫度控制的越低。

吠喃比較特殊，在此反映中一方面生成穩(wěn)定的或不穩(wěn)定的2,5—加成產(chǎn)物,

然后加熱或用毗咤除去乙酸，得硝化產(chǎn)物：

AcO-

AcONO?

一5?一3#cK八Il/H

0N02

AcO0N02

此咤

-AcOH,或加熱^0^N0235%

映喃易生成2,5—加成物，與反映物的離域能大小有關(guān)。離域能大，過(guò)渡態(tài)已

具有穩(wěn)定的芳香族化合物的部分性質(zhì),能量也就較低，活化能小，容易發(fā)生親電取

代反映。吠喃的離域能較?。ǚ袜?6.9kJ/mol,口塞吩121.3kJ/mo1,毗咯87.8

kJ/mol）易與乙酰氧基負(fù)離子發(fā)生親核加成反映，而毗咯具有較高的芳香性，因此,

易于失去質(zhì)子發(fā)生親電取代反映。但必須注意到吠喃與大多數(shù)親電試劑發(fā)生親電

取代反映，只有在強(qiáng)的親核試劑存在時(shí)，才發(fā)生親核加成反映（邢其毅等《基礎(chǔ)有

機(jī)化學(xué)》第二版874頁(yè)）噬吩可以用一般的硝化試劑進(jìn)行硝化，但反映非常劇烈。

（b）磺化

吠喃，曝吩，毗咯也需避免直接用硫酸進(jìn)行磺化，常用溫和的非質(zhì)子磺化試劑，

如用毗咤與三氧化硫加成物作為磺化劑進(jìn)行反映:

毗咯一2—磺酸

反映一方面得到毗咤的磺酸鹽，在用無(wú)機(jī)酸轉(zhuǎn)為游離的磺酸。由于嘎吩比較

穩(wěn)定（芳香性強(qiáng)），可以用硫酸直接進(jìn)行磺化，但產(chǎn)率不如上述試劑所得到的高。

從煤焦油中得到的苯通常具有少量的噬吩。可在室溫下反復(fù)用硫酸提取，由于噬

吩比苯容易磺化,磺化的噬吩溶于濃硫酸內(nèi)，可以與苯分離。然后水解，將磺酸基

去掉，可得到曝吩：

口塞吩一2—磺酸69~76%（溶于濃H2so4）

(c)鹵化

吠喃，噫吩在室溫與氯或澳反映很強(qiáng)烈，得到多鹵代的產(chǎn)物。如希望得到一

氯代和一澳代的產(chǎn)物，須在溫和的條件下(如用溶劑稀釋)及低溫下進(jìn)行反映。

不活潑的碘則須在催化劑作用下進(jìn)行：

毗咯鹵代常得到四鹵化物。2—氯毗咯很不穩(wěn)定，是唯一能直接鹵化制得的2—

鹵毗咯。

■|------FlBr2,00C.嚴(yán)

-EJOH*n―f

HBrN^Br

H

Et2OSO2cb

P<>C

II80%

H

是唯一能直接鹵化制得的產(chǎn)物

(d)傅氏酰基化

吠喃用酸酎或酰氯在傅氏催化劑作用下發(fā)生?；从?，酸酎如用三氟化硼

做催化劑產(chǎn)率最高:

COCH3

萬(wàn)~92%

吠喃，此咯，噬吩親電取代反映小結(jié)：吠喃，毗咯遇強(qiáng)酸容易開(kāi)環(huán)或產(chǎn)生聚

合物。故所使用的親電試劑一般比較溫和。

嗨吩很穩(wěn)定，與酸不發(fā)生上述反映。

H3Po4,口p

75~92%

、2coe西

嘎吩傅氏?；从撤浅Ｓ杏?，但需要小心控制反映條件，如用無(wú)水三氯化

鋁，氯化錫等催化劑易于噬吩產(chǎn)生樹(shù)脂狀物質(zhì)。必須將三氯化鋁等先與?；噭?/p>

反映生成活潑的親電試劑，然后在與噫吩反映。

毗咯可用乙酸酎在150?200C直接?；?/p>

+AC2O皿2。。f

N^N^"COCH3

H

60%

(e)傅氏烷基化

吠喃，嚷吩，毗咯進(jìn)行烷基化反映很難得到一烷基取代的產(chǎn)物。常得到混合的

多烷基取代物。甚至不可避免的產(chǎn)生樹(shù)脂狀物質(zhì)，因此用處不大。

2.加成反映：

(a)D-A反映

吠喃的離域能較小,芳香性較差，故環(huán)的穩(wěn)定性較低?？梢钥醋魇?,3—二

烯。具有共朝雙烯的性質(zhì)，可以發(fā)生雙烯加成類型的反映：

毗咯與順丁烯酸酎不發(fā)生D-A反映，也許是氮原子的未共用電子對(duì)參與了

共也體系,典型的親二烯試劑丁煥二酸(或酯)與之發(fā)生邁克爾加成反映。

毗咯能發(fā)生下列加成反映：

OH4。CH2coOH

1

OH室溫MXA

MNCHCOOH

MeHMeH

曝吩發(fā)生上述加成反映的傾向性很小。I?吩與乙快的親二烯試劑加成的研究較多,

雙烯加成產(chǎn)物通常不穩(wěn)定,失硫而得苯的衍生物。

OOR

CCOOR

M^x^COOR

C

—COORIX

COOR

曝吩和毗咯中，由于硫和氮原子的電負(fù)性較小，芳香性較強(qiáng)，共粗二烯的性質(zhì)

較差。

(b)催化氫化反映

吠喃，噬吩，口比咯均可進(jìn)行催化氫化反映，失去芳香特性而得到飽和雜環(huán)化合物。

映喃和毗咯可用一般催化劑還原，睡吩能使一般催化劑中毒，需使用特殊催化劑:

［。］

-------------A

S

H30%H2O2

O

3.毗咯的弱堿性和弱酸性

從結(jié)構(gòu)上看，毗咯是環(huán)狀第二胺，但因氫原子上的未共用電子對(duì)參與了環(huán)的共

血體系，使氮原子上的電子出現(xiàn)的幾率密度減少。減弱吸引H'的能力，故毗咯的

堿性極弱,Kb=2.5x10”,比苯胺弱的多,苯胺Kb=3.8x10小.另一方面叫

咯氮原子上的氫原子卻有極薄弱的酸性，其酸性電離常數(shù)KaWO75,較醇強(qiáng)而較

酸弱。苯酚Ka=L3xl0」。,乙醇Ka=10M。故毗咯能與固體氫氧化鉀加熱成為鉀鹽:

毗咯鉀鹽

毗咯也能與格氏試劑作用放出燒（RH）而成毗咯鹵化鎂:

HH+RMgX--------?[!H+RH

Vf

MgX

毗咯鹵化鎂

毗咯鉀鹽及毗咯鹵化鎂都可以用來(lái)合成毗咯衍生物。

?..Ir^HcCnrin-------1

4H--------------------?1II+KC1

not甲苯

K1

COC6H5

N—苯甲?；?0%

,,/Br

[f

MgBrCH3

4.毗咯的其它反映:毗咯的性質(zhì)與酚很類似，可發(fā)生下列反映：

H]CHC13>O

25%KOH^NXCH0

HH

2—毗咯甲醛（瑞穆?tīng)栆惶萋从常?/p>

---（NH4）2CO3N__N

IJJ130℃KJ、

NCOONH4

HH

2—毗咯甲酸鐵鹽（柯?tīng)柊胤从常?/p>

C6H5N2X'

C2H5OH—H2O

AcONa

2-毗喀偶氮苯

四、陜喃，口比咯的衍生物

1.糠醛（a—吠喃甲醛）：

糠醛是無(wú)色透明液體，糠醛在工業(yè)上由農(nóng)副產(chǎn)物如甘蔗渣，花生殼，高粱稈,

棉子殼等用稀酸加熱蒸煮制取。

（1）糠醛是良好的溶劑：糠醛常用作精煉石油的溶劑，以溶解含硫物質(zhì)及環(huán)

烷等。還可以精制松香，脫除色素，溶解硝酸纖維等。

（2）催化加氫。

CuO,Cr20a

150。C一,lOMPa

良好的溶劑，星合成糠醇樹(shù)脂的單體

中性或堿性氧化n―n

--K-O-H--+-K-M-n-C）-4AU11

%H

氣相催化氧化,ff+CO?+H2O

%O5-M0O3，32cpe/^O

(4)歧化反映:(無(wú)a—H的醛)

+NaOH+

CHOCH20HCOONa

(5)安息香縮合:

CHO

吠嗡

(6)合成四氫吠喃

Ni,280《

H2,Ni,125t!

-COOH

H0lOMPa

四氫吠喃

2.嚇?lè)曰衔铮核膫€(gè)毗咯環(huán)和四個(gè)次甲基交替相連組成的大環(huán)，叫口卜吩

環(huán)。含嚇?lè)原h(huán)的化合物稱嚇咻化合物。

嚇?lè)原h(huán)碳上氫原子被取代及部分或所有取代后形成的化合物，叫做嚇

嘛。嚇?lè)曰衔飶V泛分布于自然界，例如血紅素和葉綠素。血紅素存在于哺

乳動(dòng)物的紅血球中，它與蛋白質(zhì)合成為血紅蛋白質(zhì)。血紅蛋白質(zhì)的功能是運(yùn)載氧

氣及二氧化碳。

葉綠素與蛋白質(zhì)結(jié)合存在于植物的葉和綠色的莖中。植物光合作用時(shí)，葉綠

素吸取太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，是植物進(jìn)行光合作用時(shí)必需的催化劑。自然界的葉

綠素不是一個(gè)單純的化合物，而是由兩種葉綠素組合而成，即藍(lán)綠色的葉綠素a

（熔點(diǎn)：117?120℃）和黃綠色的葉綠素b（熔點(diǎn):120?130℃），兩者的

比例為:3a:4b,葉綠素環(huán)中含鎂。葉綠素a已經(jīng)被合成（1960年）

CH=CH2CH3

維生素BM,是含鉆的類似葉咻環(huán)化合物。但其葉咻環(huán)在3—位少一個(gè)碳原

子。它具有強(qiáng)的醫(yī)治貧血的功能。

§2.具有一個(gè)雜原子的五元雜環(huán)苯并體系

苯與吠喃,嘎吩，哦咯共用兩個(gè)碳原子而成的苯并體系，成為苯并吠喃，苯并

睡吩」引味:

bemothiophereindole

這三類化合物中,以口引口朵環(huán)系比較重要，因此重要對(duì)口引噪環(huán)系進(jìn)行一些介紹。

n引噪自身為線狀結(jié)晶，具有極臭的氣味，但在其稀薄時(shí)則有香味，可以當(dāng)作香料用。

含口引噪環(huán)的生物堿廣泛存在于植物中，如麥角堿，馬錢子堿，利血平等。植物生

長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑「一口引躲乙酸，哺乳動(dòng)物及人腦中思維活動(dòng)的重要物質(zhì)5—羥基色胺,

植物染料靛藍(lán)以及蛋白質(zhì)組分的色氨酸都會(huì)有口引躲環(huán)。

1.合成：費(fèi)歇爾口引噪合成法是口引噪環(huán)系一個(gè)重要的廣泛應(yīng)用的合成方法，

它是用苯腺在酸催化下加熱重排消除一分子氨得到2—取代或3—取代口弓|口朵衍生

物。

現(xiàn)舉例子如下：

ZnCl2

180°c

ZnCl2

-------?

180℃

2.反映:五元雜環(huán)與苯并和后，仍具芳香性，但親電取代反映的活潑性比未并

和的五元雜環(huán)低，比苯高，故親電取代反映在雜環(huán)上進(jìn)行。這些環(huán)系遇濃硫酸易

樹(shù)脂化，需避免在濃硫酸存在下進(jìn)行反映：

從上面反映可以看到，這些雜環(huán)化合物的親電取代反映重要發(fā)生在3位。這與

反映中間體正離子的穩(wěn)定性有關(guān)。親電試劑在C2位進(jìn)攻，帶有完整苯環(huán)的穩(wěn)定共

振式只有一個(gè)；而在C3位進(jìn)攻，帶有完整苯環(huán)的穩(wěn)定共振式有兩個(gè):

在C2位進(jìn)攻:

在C3位進(jìn)攻:

（八電子的帶正電荷的氮）

參與的穩(wěn)定的共振式視愈多，中間體正離子愈穩(wěn)定。

§3.具有兩個(gè)雜原子的五元雜環(huán)單環(huán)體系

五元雜環(huán)中具有兩個(gè)雜原子的體系叫嗖（az。1e）,根據(jù)雜原子在環(huán)中的位

置不同，又可分為1,2—嗖與1,3—嗖兩類。

一、命名:

環(huán)中有不同雜原子，按氧，硫,氮順序編號(hào)。使雜原子編號(hào)最小:

1,2

4343

02

55

11

isoxazoleisothiazolepyrazole

1,3喋:

thiazoleimidazole

二、性質(zhì)

1.曝噪

一些重要的天然產(chǎn)物集合成藥物具有曝理結(jié)構(gòu)，如:

青霉素

2.咪喋

它的堿性較噬唾?gòu)?qiáng)，3位上的氮原子能與氫離子結(jié)合，故與強(qiáng)酸生成穩(wěn)定的鹽。

它也有薄弱的酸性，像哦咯同樣)NH上的氫原子可被堿金屬原子置換而成鹽。

NaNH2

-NH3

咪哇有互變異構(gòu)現(xiàn)象，即)NH上的氫原子可以移至3位N原子上。

4—甲基咪嗖5—甲基咪唾

含咪環(huán)的物質(zhì)廣泛存在于自然界中，具有生理活性。由于含咪噗環(huán)的化合物具有

突出的生理活性，有的已被用作殺菌劑。

§4六元雜環(huán)化合物

一、喀咤

4

具有兩個(gè)氮原子的六元雜環(huán)，嗑陡的衍生物廣泛的存在于自然界。如核酸中

含胭喀咤、胸腺嚓咤、胞口密呢。

0H

H0

服喀咤、胸腺喀咤、胞喀唬

此外,VBi合成的磺胺嚓咤物也具有嗦咤環(huán)這種結(jié)構(gòu)。

二、喋吟

-N7

2兒

3H9

口票吟purine

喋吟可看作是有一個(gè)口密咤環(huán)和一個(gè)咪嚏環(huán)共用兩個(gè)碳原子稠并而成，它是

無(wú)色結(jié)晶，熔點(diǎn)216?217℃,易溶于水，其水溶液呈中性,但卻能與酸或堿共成

士卜

jui0

喋吟是兩個(gè)互變異構(gòu)體形成的平衡體系，平衡重要在9H-喋吟一邊:

——N7

3H9

7H一口票吟

9H_n票吟

喋吟的衍生物廣泛存在于動(dòng)植物體中。

1.尿酸：存在于鳥(niǎo)類及爬蟲類的排泄物中。

2黃喋吟：存在于茶葉及動(dòng)植物組織和人尿中。

3.咖啡堿，茶堿和可可堿：都是黃噪吟的甲基衍生物。存在于茶葉，咖啡，和

可可中，他們有興奮中樞作用。