第十七章雜環(huán)化合物

第十七章雜環(huán)化合物第一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一雜環(huán)化合物

第十七章：第二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一第十七章雜環(huán)化合物§17-1雜環(huán)化合物的分類和命名§17-2五元雜環(huán)化合物§17-3六元雜環(huán)化合物§17-4稠雜環(huán)化合物第三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一第十七章雜環(huán)化合物

雜環(huán)化合物是指一類環(huán)狀有機化合物，構成環(huán)的原子除碳外還有其它原子（雜原子）。

這種環(huán)狀化合物具有芳香結構（閉合共軛體系）和一定程度的穩(wěn)定性。通常雜原子有：O

、N

、S

等

從形式上看，它們都是含雜原子的環(huán)狀化合物，但其性質與相應的開鏈化合物相似，不屬于雜環(huán)化合物討論的范疇。OO內酯ONH內酰胺OOO環(huán)狀酸酐CH2—CH2O環(huán)氧化合物第四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一在自然界中雜環(huán)化合物分布很廣如：使植物中成綠色的葉綠素

使血液成紅色的血紅素

具有遺傳作用的核酸

許多中草藥的有效成分大都含有含氮雜環(huán)化合物，部分維生素和抗菌素以及一些植物色素和植物染料都含有雜環(huán)，不少合成藥物和合成染料也含雜環(huán)。它們都具有重要的生理作用。

雜環(huán)化合物是一大類有機化合物，在理論和實際中都有十分重要的意義。第五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一一、分類二、命名§17-1雜環(huán)化合物的分類和命名分類單雜環(huán)稠雜環(huán)五元雜環(huán)六元雜環(huán)OSNNNNNN——利用國際通用名稱譯音，加口旁以表示是

雜環(huán)化合物。1.音譯法第六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一

這種方法的優(yōu)點是比較簡單，缺點是遇到字音相近的字比較難譯，并且譯出的名字與結構沒有聯(lián)系。OSNNONNfuranpyridinepyrrolethiophenepyranpyrimidine呋喃吡啶吡咯吡喃嘧啶噻吩第七頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一

這種命名方法的缺點是名稱太長，使用不便。目前一般都采用音譯名稱來命名。ONNNNN氧（雜）茂氮（雜）茂氮（雜）苯1,3-二氮苯氮萘茂（碳環(huán)母核）苯（碳環(huán)母核）萘（碳環(huán)母核）2.根據(jù)相應碳環(huán)母核命名

把雜環(huán)當作是相應的碳環(huán)中碳原子被雜原子置換而形成的，命名時在碳環(huán)母體名稱前加“某雜”（雜原子的名稱）兩字，以表示其中的雜原子。第八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一環(huán)上有取代基時，應以雜環(huán)為母體，將雜環(huán)母核編號編號原則①雜原子編號最小（即從雜原子開始編號）；②環(huán)上含兩個以上相同雜原子時，應使雜原子的編號最小（一般從連有取代基的雜原子開始）；③環(huán)上有不同雜原子時，按O、S、N的順序編號；④盡可能使連有取代基的碳原子編號最小。N-CH3N-CH2COOHCH3-NNNSCH3-NN-NH2NOHNCH38-羥基喹啉N-甲基吡咯或1-甲基吡咯4-甲基咪唑2-氨基嘧啶5-甲基噻唑3-甲基吡啶或β-甲基吡啶123456αβ234567812341523415123456123453-吲哚乙酸或β-吲哚乙酸2345671αβ第九頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一

典型的五元雜環(huán)是呋喃、噻吩、吡咯。它們是最重要的含一個雜原子的五元環(huán)化合物。它們的重要性不在于它們的單體而是它們的衍生物。它們的衍生物不單種類繁多，而且有些是重要的工業(yè)原料，有些具有重要的生理作用?！?7-2五元雜環(huán)化合物一、呋喃、噻吩、吡咯的結構與芳香性

物理方法證明：呋喃、噻吩、吡咯都是平面結構，環(huán)上所有原子都是SP2雜化，各原子均以SP2雜化軌道重疊形成σ鍵。

碳未雜化的P軌道中有一個電子，雜原子的P軌道中有一對電子，P軌道互相平行重疊，形成閉合的共軛體系。第十頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一符合休克爾4n+2規(guī)則，故三個雜環(huán)均具有芳香性

體系中π

電子數(shù)：

4+2=6O········呋喃的分子結構N—H······吡咯的分子結構S········噻吩的分子結構S······S原子雜化軌道O······O原子雜化軌道N·····N原子雜化軌道sp2雜化軌道P

軌道（富電子環(huán)）五中心六電子S噻吩N吡咯··O呋喃····第十一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一由于呋喃、噻吩、吡咯都是五中心六電子，屬于富電子環(huán)三種雜環(huán)具有一定程度的芳香性，雜原子電負性大小：芳香性與穩(wěn)定性:

＞

＞

＞

OSN電負性

,對外層電子吸引力

,孤電子離域

,故芳香性。O(3.5)＞

N(3.0)＞

S(2.5)π電子密度：雜環(huán)＞

苯環(huán)穩(wěn)定性

：

雜環(huán)＜

苯環(huán)芳香性：雜環(huán)＜

苯環(huán)反應活性：雜環(huán)＞

苯環(huán)第十二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一HNMR吸收

δppm共振能KJ/mol化合物呋喃噻吩吡咯苯71.190.4125.51527.417.10（β-H）7.30（α-H）6.20（β-H）6.68（α-H）6.37（β-H）7.42（α-H）OSN+-αβαβαβ第十三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一

呋喃、噻吩、吡咯分別存在于木焦油、煤焦油和骨焦油中，但含量不多。二、制備方法工業(yè)上常用糠醛（α-呋喃甲醛）脫羰基制備呋喃。O-CHO+H2OO+CO2ZnO-Cr2O3-MnO2400℃~415℃噻吩可用丁烷與硫、丁稀與二氧化硫在高溫下反應制得S+4S+3H2SCH2—CH2CH3CH3600℃~650℃CH2=CH-CH2CH3CH3-CH=CH-CH3+SO2S高溫第十四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一苯噻吩吡咯呋喃芳香性穩(wěn)定性呋喃和氨在高溫下反應制得吡咯NO+NH3+H2O430℃Al2O3三、化學性質

五元雜環(huán)

＞＞

苯（富電子環(huán)）反應活性（親電取代和加成反應）第十五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一1.親電取代反應親電試劑進攻發(fā)生在α-位和β-位，而α-位更容易些。

呋喃、噻吩、吡咯能像苯一樣發(fā)生一系列芳香族化合物的特征反應，由于它們是富電子雜環(huán)，所以比苯更容易發(fā)生親電取代反應。溴化反應相對速率反應活性相對次序是吡咯

＞

呋喃

＞

噻吩

＞＞

苯3×10186×10115×1091第十六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一①鹵代反應

像苯酚和苯胺一樣，吡咯、呋喃、噻吩很容易發(fā)生鹵代反應。

氯代、溴代不但不需催化劑，而且為避免多取代物，往往采用溫和條件，如用溶劑稀釋和采用低溫。吡咯反應活性最大，在低溫下進行，一般得多鹵產物。N+Br20℃C2H5OHN-Br-BrBr-Br-四溴吡咯

呋喃與Br2

反應也很激烈，在0℃與Br2在二氧六環(huán)存在下反應得一溴代產物，與

Cl2在–40℃

下反應得混合產物。O+Br2O-Br0℃OO2-溴呋喃80%第十七頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一噻吩溴化可在室溫下進行，得一溴代產物。O+Cl2O-Cl-40℃2-氯呋喃O-ClCl-+2,5-二氯呋喃SS+Br2-BrAcOH2-溴噻吩78%室溫②硝化反應

五元雜環(huán)化合物與硝酸（強氧化劑）反應，得不到預期產物，而是芳環(huán)被破壞。因此它們硝化反應必須在溫和條件下，采用弱硝化劑——乙酰硝酸酯。第十八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一(CH3CO)2O+HONO2CH3COONO2+CH3COOH乙酰硝酸酯酸酐N-NO2N+CH3COONO2HH+N-NO2H83%17%Ac2O5℃O+CH3COONO2Ac2O-30℃~-5℃O-NO235%S-NO270%S+CH3COONO2Ac2O-10℃+S-NO25%

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子硝化試劑，如：硝酸乙酰酯，反應在低溫下進行。第十九頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一③磺化反應

吡咯、呋喃不能直接用硫酸磺化，因為它們在濃硫酸中不穩(wěn)定，會發(fā)生聚合，通常用一種溫和的磺化劑——吡啶三氧化硫進行磺化。+SO3NSO3N+-吡啶三氧化硫吡啶HClN-SO3HH+H90%N-+Cl吡咯-2-磺酸吡啶鹽酸鹽N-SO3N+HH·H90%100℃SO3N+-N-+吡咯-2-磺酸吡啶鹽第二十頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一O+室溫3天SO3N+-O-SO3·HN+-47%呋喃-2-磺酸HCl41%O-SO3HSS+H2SO4（95%）-SO3H噻吩-2-磺酸69%~71%室溫

從煤焦油中提取的苯（b.p.80℃）含有少量（0.5%）噻吩（b.p.84℃

）很難用分餾的方法將它們分開，由于噻吩比苯活潑，故可在常溫下用濃硫酸一起振搖，噻吩比苯容易磺化，生成的噻吩-2-磺酸溶于硫酸中，然后分離除去。

噻吩比較穩(wěn)定，既可以用硫酸在室溫下直接磺化（產率稍低），也可以用溫和的磺化試劑磺化。第二十一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一④傅克?；磻?/p>

五元雜環(huán)化合物?；瘯r，需要在較溫和催化劑甚至不用催化劑即可反應。吡咯不用催化劑可以直接酰化。N-COCH3N+(CH3CO)2OHH60%150℃~160℃2-乙酰基吡咯呋喃與酸酐或酰氯在催化劑作用下發(fā)生?；磻+(CH3CO)2OBF3O-COCH375%~92%2-乙?；秽ɑ駽H3COCl）噻吩?；磻昧姿峄蚵然a作催化劑。S-COCH370%S+(CH3CO)2OH2PO4或SnCl42-乙?；绶缘诙?，共五十頁，編輯于2023年，星期一

呋喃、噻吩、吡咯進行烷基化反應很難得到一烷基取代物，往往生成混合的多烷基取代物，甚至不可避免地產生樹脂狀物質，因此用途不大。2.加成反應

呋喃、噻吩、吡咯分子中都有一個順丁二烯型結構，因此它們又具有不飽和性質，用共振能值來衡量。它們的穩(wěn)定性和不飽和性有如下順序：不飽和性增加穩(wěn)定性增加SON152125.590.471.112.6共振能（KJ/mol）第二十三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一

加成反應是標志化合物不飽和性的最典型反應，它們能像環(huán)戊二烯分子一樣催化加氫生成相應的飽和化合物。O+2H2NiO四氫呋喃（THF）N+2H2NiN四氫吡咯S+2H2NiS四氫噻吩第二十四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一

呋喃由于芳香性最小，環(huán)的穩(wěn)定性也較低，能發(fā)生雙烯合成。O+△76%苯炔OOOOO==+△90%順丁烯二酸酐OO=OO=吡咯也可以與苯炔、丁炔二酸發(fā)生類似的反應N-H+△N-H+△N-HN-H-COOH-COOHC-COOHC-COOH

噻吩的芳香性較大，環(huán)比較穩(wěn)定，難發(fā)生雙烯合成第二十五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一NH..

氮上電子云少，H易離解，顯一定的酸性。氮上孤電子對參與環(huán)內共軛，不能再與酸結合。NHR-OH-OH＞＞酸性：pka：

101518MgXNHN+RMgX+RHNH+KOH+H2O△NK+-吡咯鉀鹽3.吡咯的弱堿性、弱酸性

吡咯表面上是個仲胺，但實際上吡咯是一個很弱的堿，堿性比苯胺弱得多，它只能慢慢地溶解在冷的稀酸溶液中。第二十六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一四、糠醛（α-呋喃甲醛）1.制備

由米糠、甘蔗渣、高粱桿、玉米芯、花生殼等與酸共熱、蒸餾制取。農業(yè)副產品含戊多糖打碎水解為戊糖進一步脫水糠醛稀H2SO4△

糠醛是呋喃衍生物中最重要的一個，最初從米糠制得而得名。O-CHO(C5H8O4)n+nH2OnC5H10O53%~5%H2SO4△，水解戊多糖戊糖H-CHCH-CHO-3H2O△HO-CH—CH-OHOHOH戊糖O-CHO糠醛第二十七頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一2.性質及用途

糠醛是無色透明液體，沸點161.7℃,在空氣中逐漸變?yōu)辄S棕色，能溶于醇、醚及其它有機溶劑中，糠醛本身是一個良好的溶劑，在工業(yè)上有廣泛的用途，常用于精煉石油、精制松香、溶解硝酸纖維等，在有機合成工業(yè)上也很重要，是油漆、樹脂工業(yè)的重要原料?？啡┡c苯甲醛具有類似結構，表現(xiàn)出無α-H的醛的性質。①催化加氫O-CHO+H2O-CH2OHCr2O3·CuO150℃，10MPa糠醇②氧化O-CHOO-COOHKMnO4中性或堿性糠酸第二十八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一③歧化反應O-CHOO-CH2OHO-COOH濃OH-2+④安息香縮合（糠醛偶合）O-CHOKCN2O-CH—C-O=OOH呋嗡O-CHO+O2V2O5-MoO3320℃+CO2+H2OOOO==順丁烯二酸酐⑤柏琴反應O-CHO+(CH3CO)2OO-CH=CHCOOHCH3COOKα-呋喃丙烯酸第二十九頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一一、吡啶1.來源和結構

吡啶存在于煤焦油、頁巖油和骨焦油中，它的衍生物廣泛分布于自然界，如植物堿、維生素、輔酶Ⅰ和Ⅱ中都存在吡啶環(huán)。工業(yè)上吡啶主要有從糠醛制備法和乙炔制備法中制得。§17-3六元雜環(huán)化合物六元雜環(huán)化合物中最重要的有吡啶和嘧啶：NNN吡啶嘧啶··N······吡啶結構與苯相似：N··SP2雜化第三十頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一1.吡啶的結構共軛效應和誘導效應都是吸電子的孤電子對在sp2雜化軌道上。吡啶結構：吡啶N是sp2雜化，孤電子對不參與共軛。反應：堿性較強。環(huán)不易發(fā)生親電取代反應但易發(fā)生親核取代反應。發(fā)生親電取代反應時，環(huán)上N起間位定位基的作用。發(fā)生親核取代反應時，環(huán)上N起鄰對位定位基的作用。=2.20D=1.17D第三十一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一氮上未成鍵電子對未參與共軛，因此具有堿性。

核磁共振數(shù)據(jù)也可以證明吡啶的芳香性吡啶環(huán)上的氫的’HNMR

數(shù)據(jù)NHHH8.50ppm6.98ppm7.36ppm

吡啶環(huán)上的N

以SP2雜化成鍵。一個P

電子參與共軛，形成具有6個P電子的閉合的共軛體系，具有芳香性。N····N······SP2雜化吡啶的偶極矩與吡咯方向相反：NNHμ=0Dμ=2.26Dμ=1.81D第三十二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一

這是由于雜環(huán)上氮原子作用不同，吡啶環(huán)上的N是吸電子作用。（電負性N>C）——吡啶具有堿性，在發(fā)生親電取代反應時比苯難。（相當于環(huán)上有一個吸電子基）

吡咯環(huán)上的N把電子轉移給環(huán)——吡咯具有酸性，親電取代反應時比苯容易（相當于環(huán)上有一個供電子基）2.吡啶的性質

吡啶是一個無色有惡臭的液體，沸點115.5℃，與水及許多有機溶劑如乙醇、乙醚等混溶，它是良好的溶劑。

吡啶的化學性質體現(xiàn)在芳環(huán)的取代反應（包括親核、親電）及氮上未成鍵電子對的堿性及親核性上。①堿性和親核性

吡啶分子中氮原子的SP2雜化軌道上有一對未共用電子，這對電子不參與環(huán)的共軛，它像叔胺一樣這對電子可以接受質子，具有堿性。但堿性弱于叔胺，強于吡咯。第三十三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一堿性：叔胺>>

吡啶

>

吡咯NNH叔胺NH2pKb:~48.89.37~14堿性增強N+HClN·Cl-+H吡啶鹽酸鹽

吡啶氮原子還可以作為親核試劑與R-X、Br2等親核試劑反應形成吡啶鹽N+Br2N·Br-+Br第三十四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一N+CH3IN·I-+CH3三級胺季銨鹽300℃重排NI-+-CH3HNI-+CH3H+甲基吡啶鹽②親電取代反應

吡啶是缺電子芳雜環(huán)，由于氮原子的吸電子作用，降低環(huán)上碳原子密度，它的親電取代反應似硝酸苯。

與富電子芳雜環(huán)的呋喃、吡咯和噻吩相反，吡啶在親電取代反應中很不活潑，比苯的取代反應難得多，一般反應必需在激烈的條件下才能硝化、鹵代和磺化，不能進行傅克反應。第三十五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一反應特點*1不能發(fā)生傅氏烷基化、?；磻?。*2硝化、磺化、鹵化必須在強烈條件下才能發(fā)生；*3吡啶環(huán)上有給電子基團時，反應活性增高；*4吡啶N可以看作是一個間位定位基。第三十六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一反應主要發(fā)生在β位（電子云密度

β>α）N··+Br2N300℃氣相3-溴吡啶-Br39%N+濃HNO3300℃，一天濃H2SO4N3-硝基吡啶-NO26%N+發(fā)煙H2SO4220℃N吡啶-3-磺酸-SO3H70%第三十七頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一

如果吡啶環(huán)上有供電子基團，則能增加反應活性。提高產率。N+濃HNO3濃H2SO4N-NO266%-CH3H3C--CH3H3C-N+Br2AcOHN-NH2-NH2Br-20℃90%····③親核取代

由于環(huán)上電子云密度降低，吡啶易與親核試劑（如芳基鋰、烷基鋰等）作用，主要生成α-位取代產物,若α-位被占據(jù)，則生成γ-位取代產物。N+NaNH2-H2N-NHNaH2Oα-氨基吡啶N-NH2+NaOH第三十八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一④吡啶環(huán)對氧化劑的穩(wěn)定性吡啶比苯穩(wěn)定，難于氧化因吡啶為叔胺，很容易被H2O2、過氧化酸氧化成N-氧化物。NHNO3△N-COOH-COOHH+KMnO4N-COOHN-CH3β-甲基吡啶β-吡啶甲酸HNO3NNH（煙酸或尼古丁酸）尼古?。焿A）NN+H2O2（30%）吡啶N-氧化物O+-95%第三十九頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一

吡啶N-氧化物是有機合成的重要中間體，由于O

上孤電子對與吡啶環(huán)發(fā)生動態(tài)共軛的結果，它使吡啶環(huán)活化，使之容易在α和γ位發(fā)生親電取代反應，且產率較高NN+CH3-C-O-OH吡啶N-氧化物O+-O=吡啶N–氧化物用三氯化磷處理，可恢復為吡啶環(huán)。NNO2+POCl3PCl3CHCl3△80%+（發(fā)煙）HNO3吡啶N-氧化物NO+-NO+-發(fā)煙H2SO490℃，4hNO290%第四十頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一⑤還原反應吡啶還原反應比苯更容易進行，還原生成六氫吡啶NHC2H5OH+NaN六氫吡啶95%NHN+H2Pt，CH3COOH25℃二、嘧啶NN165432

嘧啶是含有二個氮原子的六元雜環(huán)，易溶于水，嘧啶中的氮是SP2雜化，都以一個P

電子參與共軛，性質與吡啶類似。由于體系中氮的吸電子作用，堿性比吡啶弱得多，其親電取代反應比吡啶困難，親核取代則比吡啶容易。第四十一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一

自然界有許多嘧啶衍生物。在新陳代謝中起著重要作用，如用氨基、羥基取代的嘧啶：尿嘧啶、胞嘧啶、胸腺嘧啶是組成核酸的三個堿基。NNOHOHH3CNH2NNOHOHNNOH尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶維生素及藥物中許多含有嘧啶環(huán)系NN磺胺嘧啶—NH-S—-NH2OO==治療肺炎、腦炎等第四十二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一

維生素B1是嘧啶的重要衍生物之一，是維持糖的正常代謝必需的物質，體內缺乏維生素B1時，可引起多發(fā)性神經炎、腳氣病及食欲不振等。維生素B1存在于米糠、麥麩、瘦肉、綠葉、花生、豆類、酵母中。H3CNNNH2·HCl維生素B1（也稱鹽酸磺胺素）NS—CH2—CH2CH2OHCl+-第四十三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一一、吲哚

吲哚存在于煤焦油中，為無色片狀結晶，熔點52.5℃，具有極臭的氣味，與β-甲基吲哚共存于糞便中。但純吲哚的極稀溶液有愉快香氣，可制香精。

吲哚是閉合的共軛體系，它的性質和吡咯很相似，幾乎沒有堿性，但比吡咯穩(wěn)定?！?7-4稠雜環(huán)化合物主要介紹三種化合物NNNNN吲哚喹啉嘌呤第四十四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一

吲哚主要衍生物：

無色葉狀晶體，是一種廣泛存在于植物幼芽中的植物生長素。

亦稱糞臭素是大糞的臭味來源，可用于制香精。N-CH2COOHβ-吲哚乙酸N-CH2CH-COOHNH2N-CH3β-甲基吲哚色氨酸主要存在于蛋白質中。第四十五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一二、喹啉

喹啉和異喹啉都是苯環(huán)與吡啶環(huán)稠合而成的化合物，它們是同分異構體，都存在于煤焦油中，很多生物堿中含有喹啉雜環(huán)。1.喹啉的合成法——斯克勞普（Skraup）法

由苯胺、甘油、濃硫酸及一種弱氧化劑（如硝基苯、氧化鐵）共熱來制得。N喹啉異喹啉1