(整理)第十三章雜環(huán)化合物

1、 精品文檔第十三章 雜環(huán)化合物學(xué)習(xí)要求：1掌握各類常見雜環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)和命名。2掌握呋喃、噻吩、吡咯、吡啶、吲哚、喹啉的化學(xué)性質(zhì)。3認識核酸組成中的重要堿基嘧啶、嘌呤；了解葉綠素、血紅素等卟啉環(huán)化合物；了解生物堿的有關(guān)知識。雜環(huán)化合物是指組成環(huán)的原子中含有除碳以外的原子(雜原子常見的是 N、O、S 等)的環(huán)狀化合物。, O O非芳香雜環(huán) 如NH O雜環(huán)化合物,芳雜環(huán)（符合休克爾規(guī)則的雜環(huán)）如NHN雜環(huán)化合物不包括極易開環(huán)的含雜原子的環(huán)狀化合物，例如：OO,OO ,ONHOO本章我們只討論芳香族雜環(huán)化合物。雜環(huán)化合物是一大類有機物，占已知有機物的三分之一。雜環(huán)化合物在自然界分布很廣、功用很多。例

2、如，中草藥的有效成分生物堿大多是雜環(huán)化合物；動植物體內(nèi)起重要生理作用的血紅素、葉綠素、核酸的堿基都是含氮雜環(huán)；部分維生素，抗菌素；一些植物色素、植物染料、合成染料都含有雜環(huán)。13.1 雜環(huán)化合物的分類和命名13.1.1 分類 （略）精品文檔 精品文檔13.1.2 命名雜環(huán)的命名常用音譯法，是按外文名詞音譯成帶“口”字旁的同音漢字。NHOSN(pyrrole)(furan)(thiophene)(pyridine)吡咯呋喃噻吩吡啶NNNNNHNNHN(pyrimidine) (quinoline)嘧啶 喹啉(indole)(purine)吲哚嘌呤當(dāng)環(huán)上有取代基時，取代基的位次從雜原子算起依次用

3、1,2,3, (或 , , )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(shù)字之和應(yīng)最小。例見 P55213.2 五元雜環(huán)化合物含一個雜原子的典型五元雜環(huán)化合物是呋喃、噻吩和吡咯。含兩個雜原子的有噻唑、咪唑和吡唑。本節(jié)重點討論呋喃、噻吩和吡咯，簡單介紹一下噻唑、咪唑和吡唑。13.2.1 呋喃、噻吩、吡咯雜環(huán)的結(jié)構(gòu)呋喃、噻吩、吡咯在結(jié)構(gòu)上具有共同點，即構(gòu)成環(huán)的五個原子都為 sp 雜化，故成2環(huán)的五個原子處在同一平面，雜原子上的孤對電子參與共軛形成共軛體系，其 電子數(shù)符合休克爾規(guī)則（ 電子數(shù) = 4n+2），所以，它們都具有芳香性。精品文檔 精品文檔OOS為

4、6 共軛體系5= 6 電子4n + 2符合S具有芳性富電子芳環(huán)NHNH13.2.2 呋喃、噻吩、吡咯的性質(zhì)（一）存在與物理性質(zhì) P554（二）光譜性質(zhì) P554（三）化學(xué)性質(zhì)1親電取代反應(yīng)從結(jié)構(gòu)上分析，五元雜環(huán)為 共軛體系，電荷密度比苯大，如以苯環(huán)上碳原子的65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：0- 0.04- 0.02- 0.03- 0.06- 0.100000- 0.06SNHO+ 0.320+ 0.1+ 0.20五元雜環(huán)有芳香性，但其芳香性不如苯環(huán)，因環(huán)上的 電子云密度比苯環(huán)大，且分布不勻，它們在親電取代反應(yīng)中的速率也比要苯快得多。親電取代反應(yīng)的活性為：吡咯

5、呋喃 噻吩 苯，主要進入 -位。五元雜環(huán)吡咯、呋喃、噻吩的反應(yīng)實例見 P555556說明：吡咯、呋喃、噻吩的親電取代反應(yīng)，對試劑及反應(yīng)條件必須有所選擇和控制。鹵代反應(yīng) 不需要催化劑，要在較低溫度和進行。精品文檔 精品文檔硝化反應(yīng) 不能用混酸硝化，一般是用乙?；跛狨?CH COONO )作硝化試劑，32在低溫下進行?；腔磻?yīng) 呋喃、吡咯不能用濃硫酸磺化，要用特殊的磺化試劑吡啶三氧化硫的絡(luò)合物，噻吩可直接用濃硫酸磺化。2加氫反應(yīng)H , Ni or Pd2( THF )四氫呋喃四氫吡咯OOH , Ni or Pd2NHNHH , Ni2不能用Pd 催化SPd因噻吩能 使中毒S3呋喃、吡咯的特性反應(yīng)

6、（1） 呋喃易起 D-A 反應(yīng)OOOO30OOO +O+OOOO(90%)內(nèi)式外式吡咯、噻吩要在特定條件下才能發(fā)生 D-A 反應(yīng)。（2）吡咯的弱酸性和弱堿性吡咯雖然是一個仲胺，但堿性很弱。NH2原因：N 上的未共用電子對NNHH參與了環(huán)的共軛體系，減弱了與H 的結(jié)合力。Kb3.8 10-102.5 10-142 10-4精品文檔 精品文檔吡咯具有弱酸性，（其酸性介與乙醇和苯酚之間。OHCH CH OH23NHK = 1.3 10-101 10-151 10-18a故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。熱+ KOH固體+ RMgX+ H O2NHNK干乙

7、醚+ H ONH2NMgX吡咯鉀鹽和吡咯鹵化鎂都可用來合成吡咯衍生物。RCOClNCORRNHKOH（固體）CORNNHK熱RIRCOClRINRNHCORRNNHRMgXCORNNH干乙醚MgXNRNH13.2.3 重要的五元雜環(huán)衍生物（一）糠醛（- 呋喃甲醛）1制備精品文檔 精品文檔由農(nóng)副產(chǎn)品如甘蔗雜渣、花生殼、高粱桿、棉子殼用稀酸加熱蒸煮制取。HO CH CH OH35%H SOH SO42稀(C H O )24CH CH CHO584 nCHO呋喃甲醛2水蒸氣OH OH多聚戊糖戊糖2糠醛的性質(zhì)（1）氧化還原反應(yīng)同有-H 的醛的一般性質(zhì)。CuO, Cr O2 3CH OH150,10MP

8、aOOO2弱堿性CHOCOOHOV O - MoO2 5+ CO + H OO2,22320 ,OO（2）歧化反應(yīng)濃堿+CHOCOOHCH OH2OOO（3）羥醛縮合反應(yīng)稀堿CHO +CH CHOCH=CHCHO3OO（4）安息香縮合反應(yīng)OKOH醇溶液CHOCH COOO精品文檔OH 精品文檔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?？捎糜诰扑上?，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)。（二）吡咯的重要衍生物最重要的吡咯衍生物是含有四個吡咯環(huán)和四個次甲基(-CH= )交替相連組成的大環(huán)(）化合物。其取代物稱為卟啉族化合物。23NHN418N

9、 HN576卟啉族化合物廣泛分布與自然界。血紅素，葉綠素都是含 環(huán)的卟啉族化合物。在血紅素中環(huán)絡(luò)合的是 Fe，葉綠素環(huán)絡(luò)合的是 Mg。血紅素的功能是運載輸送氧氣（P ）564葉綠素是植物光合作用的能源。1964 年，Woodward 用 55 步合成了葉綠素。1965 年接著合成 VB ，用 11 年時間完成了12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。Woodward 20 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。13.2.4 噻唑和咪唑1噻唑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

10、味的液體，沸點117，與水互溶，有弱堿性。是穩(wěn)定的化合物。一些重要的天然產(chǎn)物幾合成藥物含有精品文檔 精品文檔噻唑結(jié)構(gòu)，如青霉素、維生素 B 等。1青霉素是一類抗菌素的總稱，已知的青霉素大一百多種，它們的結(jié)構(gòu)很相似，均具有稠合在一起的四氫噻唑環(huán)和- 內(nèi)酰胺環(huán)。HOOCN COCHCH NH C RO3SCH3R = CHG為青霉素2R =CH O2為青霉素 V 常用青霉素R =OCH CH CH S CH 為青霉素23青霉素具有強酸性(pKa2.7),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。維生素 B （VB ）11NH Cl3Cl對糖類的新陳代謝有顯

11、著的影響，人體缺乏時可以引起腳氣病NCH N2CH3CH CH OH2CH2NS3噻唑環(huán)13.3 六元雜環(huán)化合物六元雜環(huán)化合物中最重要的有吡啶、嘧啶和吡喃等。NNNO吡啶嘧啶吡喃精品文檔 精品文檔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。13.3.1 吡啶(一) 來源、制法和應(yīng)用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 B 、輔酶及輔酶也含有吡6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，也可從乙炔制備（P ）。

12、吡啶565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。（二）吡啶的結(jié)構(gòu)C_ sp2N_ sp2N HN 6 體系N6成環(huán)原子共平面N上的孤電子對在N上的孤電子對在P軌道上，參與sp2軌道上，在環(huán)外環(huán)內(nèi)共軛，為富電子芳環(huán)。未參與環(huán)內(nèi)共軛。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。 0.87 1.01N 電荷分布親電取代 位親核取代 位0.84N ，1.43精品文檔 精品文檔（三）吡啶的性質(zhì)1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。NHCH NH3NH223NpK

13、b 3.384.768.809.42吡啶易與酸和活潑的鹵代物成鹽。NH3+ HClHClN此反應(yīng)常用于在反應(yīng)中吸收生成的氣態(tài)酸NNCH Cl+ SO322(90%)N SON3室溫吡啶三氧化硫絡(luò)合物是常用的緩和磺化劑RRI300+RNNNNIIRR IOHOHRNN制取烷基吡啶的一種方法2親電取代反應(yīng)吡啶環(huán)上氮原子為吸電子基，故吡啶環(huán)屬于缺電子的芳雜環(huán)，和硝基苯相似。其親電取代反應(yīng)很不活潑，反應(yīng)條件要求很高，不起傅-克烷基化和?；磻?yīng)。親電取代反應(yīng)主要在-位上。精品文檔 精品文檔Cl , AlClClBr233氯吡啶溴吡啶NNN23濃N24NO23硝基吡啶HgSO4混酸300SO H33吡啶

14、磺酸N3氧化還原反應(yīng)（1）氧化反應(yīng)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。CH3COOHKMnO / H4NNN 吡啶甲酸（煙酸）HNO3COOHN 吡啶甲酸吡啶易被過氧化物（過氧乙酸、過氧化氫等）氧化生成氧化吡啶。OCH C-OOH3NNO氧化吡啶在有機合成中用于合成 4-取代吡啶化合物。NO2NO2NHNO3PCl3精品文檔+ POCl3H SO4NO90NO2 精品文檔（2）還原反應(yīng)吡啶比苯易還原，用鈉加乙醇、催化加氫均使吡啶還原為六氫吡啶（即胡椒啶）4親核取代由于吡啶環(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：NaNHH

15、O22NHNaNH二甲苯胺中回流N2NN13.3.2 嘧啶及其衍生物NN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 B 也含有嘧啶環(huán)。合成藥物的磺胺嘧啶也含1這種結(jié)構(gòu)。OHNOHNNHN2CHNNN3HOHOHO( C )胞嘧啶( U )( T )胸腺嘧啶尿嘧啶uracilthyminecytosine13.4 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。精品文檔 精品文檔544651 NN 76735632282NNHNN41987H13( Quioline )( in

16、dole )( Purine )嘌呤喹啉吲哚13.4.1吲哚吲哚是白色結(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。CH CH COOH2NH色氨酸N2構(gòu)成蛋白質(zhì)的重要成分H分解CH3 甲基吲哚（糞臭素）NH很稀時有茉莉香味HOCH CH NH2羥基色氨225NH動物激素，參與神經(jīng)思維的物質(zhì)。CH O3CH CH NHAc Melatonine22腦白金NHCH COOH2 吲哚乙酸植物激素，少量能調(diào)節(jié)植物生長，量大則殺傷植物。NH如在側(cè)鏈多一個 CH 就失去生理效能。2精品

17、文檔 精品文檔吲哚的性質(zhì)與吡咯相似，也可發(fā)生親電取代反應(yīng)，取代基進入-位。見 P 。563Br , O OBr233溴吲哚70%0NHC H COONO2NO2硝基吲哚35%CH CN,0NH3NHN . SO3SO H3 吲哚磺酸NH13.4.2 喹啉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 238.05，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。1喹啉的性質(zhì)（1）取代反應(yīng)喹啉是有吡啶稠合而成的，由于吡啶環(huán)的電子云0.98 0.770.960.95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)0.930.79N發(fā)生在電子云密度較大的苯環(huán)上，取代基主要進

18、入 5 或1.001.638 位。而親核取代則主要發(fā)生在吡啶環(huán)的 2 或 4 位.NO2濃3+N0NNNO2Br+濃+N2NH SO , 220濃24NSO H3KNH .二甲苯H O22NHNaNH2100NN精品文檔 精品文檔（2）氧化還原反應(yīng)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。COOHCOOHKMnO4100NCH CH OH, NaN32NH2喹啉環(huán)的合成法斯克勞普（Skraup）法：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。H SOCH -CH-CH2422+NH2OH OH OH硝基苯N8491%其反應(yīng)過程見 P 。5713喹啉的衍生物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。CH CH2NHO CHCH O3N奎寧（金雞鈉堿） 存在于金雞鈉樹皮中，有抗瘧疾療效C HHO CH (CH ) -N2 5CH O2 33C HNH2 5NCH OOCH3OCH33CH2罌粟堿ClN氯喹（合成抗瘧疾藥）精品文檔 精品文檔13.4.3 嘌呤NNNNHNNHNN( ) 9H( ) 7H嘌呤嘌呤嘌呤為無色晶體，m.p216217，易溶于水，其水溶液呈中性，但能與酸或堿成鹽。純嘌呤環(huán)在自然界不存在，