第十五章雜環(huán)化合物

1、 教學(xué)重點(diǎn)：教學(xué)重點(diǎn)： 1、雜環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)、命名及芳香性雜環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)、命名及芳香性； 2、常見五元雜環(huán)化合物和六元雜環(huán)化合、常見五元雜環(huán)化合物和六元雜環(huán)化合 物的性質(zhì)。物的性質(zhì)。 定義：環(huán)狀有機(jī)化合物中，構(gòu)成環(huán)的原子除了定義：環(huán)狀有機(jī)化合物中，構(gòu)成環(huán)的原子除了 碳原子外，還含有一個(gè)或多個(gè)非碳原子的化合碳原子外，還含有一個(gè)或多個(gè)非碳原子的化合 物物. 環(huán)上除碳原子以外的原子稱為雜原子，常見的環(huán)上除碳原子以外的原子稱為雜原子，常見的 雜原子有氧、硫、氮等。雜原子有氧、硫、氮等。 雜環(huán)化合物在自然界中分布很廣，如動(dòng)植物體內(nèi)雜環(huán)化合物在自然界中分布很廣，如動(dòng)植物體內(nèi) 的血紅素、葉綠素、核酸的堿基

2、，生物堿、維生的血紅素、葉綠素、核酸的堿基，生物堿、維生 素、抗生素、植物色素以及一些合成藥物等素、抗生素、植物色素以及一些合成藥物等.因此因此 雜環(huán)化合物與動(dòng)植物的生理作用及藥物、染料等雜環(huán)化合物與動(dòng)植物的生理作用及藥物、染料等 關(guān)系密切。關(guān)系密切。 N O N OH 根據(jù)有無芳香性，可將雜環(huán)化合物分為非芳香性根據(jù)有無芳香性，可將雜環(huán)化合物分為非芳香性 雜環(huán)和芳香性雜環(huán)。雜環(huán)和芳香性雜環(huán)。 O NO O N H N H 四氫呋喃1,4-二氧六環(huán) 四氫吡咯六氫吡啶 奎寧環(huán) O 1 2 3 4 5 S 1 2 3 4 5 N 1 2 3 4 5 H 呋喃呋喃 噻吩噻吩 吡咯吡咯 通常，雜環(huán)化合物

3、是指含有雜原子構(gòu)成環(huán)狀的、有一通常，雜環(huán)化合物是指含有雜原子構(gòu)成環(huán)狀的、有一 定芳香性的化合物。定芳香性的化合物。 o 雜環(huán)化合物的分類雜環(huán)化合物的分類 分類 單雜環(huán) 稠雜環(huán) 五元雜環(huán) 六元雜環(huán) 分類 富 電子芳雜環(huán) 缺電子芳雜環(huán) 15.2 雜環(huán)化合物的命名雜環(huán)化合物的命名 雜環(huán)化合物的命名常用音譯法。即按英文雜環(huán)化合物的命名常用音譯法。即按英文 名詞譯音選用名詞譯音選用 同音漢字加同音漢字加“口口”字旁表示雜環(huán)字旁表示雜環(huán) 名稱。當(dāng)雜環(huán)上有取代基時(shí)，以雜環(huán)為母體，名稱。當(dāng)雜環(huán)上有取代基時(shí)，以雜環(huán)為母體， 將環(huán)上的原子編號(hào)，并注明取代基所在的位置。將環(huán)上的原子編號(hào)，并注明取代基所在的位置。 若

4、同一環(huán)上有多個(gè)雜原子，應(yīng)使雜原子所在的若同一環(huán)上有多個(gè)雜原子，應(yīng)使雜原子所在的 位次的編號(hào)最小，并位次的編號(hào)最小，并O、S、-NH-、-N= 的順序的順序 決定優(yōu)先的雜原子。決定優(yōu)先的雜原子。 O 1 2 3 4 5 S 1 2 3 4 5 N 1 2 3 4 5 H Furan呋喃呋喃 thiophene噻吩噻吩 pyrrole吡咯吡咯 2-乙基噻吩乙基噻吩 O S C2H5 O CHO 2-呋喃甲醛（糠醛）呋喃甲醛（糠醛） S N 1 2 3 4 5 N N 1 2 3 4 5 N N 1 2 3 4 5 HH thiazole噻唑噻唑 pyrazole吡唑吡唑 imidazole咪唑咪唑

5、 4-甲基咪唑甲基咪唑 S N N H NO2 N N H CH3 3-硝基吡咯硝基吡咯 N 1 2 3 4 5 6 N N 1 2 3 4 5 6 N N 1 2 3 4 5 6 pyridine吡啶吡啶 pyridazine噠嗪噠嗪 pyrimidine 嘧啶嘧啶 3-溴吡啶溴吡啶 3-吡啶磺酸吡啶磺酸 4-甲基嘧啶甲基嘧啶 NN N Br CH3 N SO3H N N Br N SO3H N N CH3 N 1 2 3 45 6 7 8 N 1 2 3 45 6 7 8 quinoline 喹啉喹啉 isoquinoline 異喹啉異喹啉 N H 1 2 3 4 5 6 7 N NN N

6、 H 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Indole吲哚吲哚 N OH N N H N OH purine嘌啉嘌啉 8-羥基喹啉羥基喹啉 2S2 2Px12Py12Pz1 激發(fā)雜化 N H N H N OS 2s22px22py12pz1 激發(fā)雜化 O S 2s 2p 五元雜環(huán)雜原子上的一對(duì)五元雜環(huán)雜原子上的一對(duì)p電子與電子與平面垂直，平面垂直， 與碳原子未參與雜化的與碳原子未參與雜化的p軌道平行，形成軌道平行，形成 的大的大鍵，這種大鍵，這種大鍵由于含有鍵由于含有6個(gè)個(gè)電子，電子， 符合符合休克爾休克爾4n+2規(guī)則規(guī)則的要求，所以它們具有的要求，所以它們具有 一定的芳香性（可發(fā)生環(huán)上的親電

7、取代反一定的芳香性（可發(fā)生環(huán)上的親電取代反 應(yīng)）；應(yīng)）； 由于環(huán)上的由于環(huán)上的5 個(gè)原子共享個(gè)原子共享6個(gè)個(gè)電子，屬于富電子，屬于富 電子芳環(huán)電子芳環(huán),電子云密度比苯環(huán)大，發(fā)生親電取電子云密度比苯環(huán)大，發(fā)生親電取 代反應(yīng)的速度也比苯快得多。代反應(yīng)的速度也比苯快得多。 從以上分析看出從以上分析看出: 5 6 下列實(shí)驗(yàn)事實(shí)均說明呋喃、噻吩、吡咯具有芳香性：下列實(shí)驗(yàn)事實(shí)均說明呋喃、噻吩、吡咯具有芳香性： 鍵長(zhǎng)數(shù)據(jù)鍵長(zhǎng)數(shù)據(jù) 呋喃、噻吩、吡咯都具有一定程度的鍵長(zhǎng)平均化：呋喃、噻吩、吡咯都具有一定程度的鍵長(zhǎng)平均化： 注：普通注：普通CC鍵長(zhǎng)鍵長(zhǎng)0.133nm；普通；普通CC鍵長(zhǎng)鍵長(zhǎng)0.154nm。 離域能

8、數(shù)據(jù)離域能數(shù)據(jù) 以上的數(shù)據(jù)說明，芳香性：以上的數(shù)據(jù)說明，芳香性： N H SO 與苯的性質(zhì)接近 具有部分共軛 二烯的性質(zhì) 15.3.2 六元雜環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)六元雜環(huán)化合物的結(jié)構(gòu) 2S22Px12Py12Pz1 激發(fā)雜化 N N 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 N 1.43 0.84 0.84 1.01 N 0.147 正常值(單位：nm) C-NC=CC-CC=N N0.134nm 0.139nm 0.140nm 0.140nm 0.140nm 0.1280.1330.154 N 2s 2p 由于吡啶環(huán)中有由于吡啶環(huán)中有6中心中心6電子的大電子的大鍵，符合休鍵，符合

9、休 克爾克爾4n+2規(guī)則，所以規(guī)則，所以吡啶環(huán)亦有芳香性吡啶環(huán)亦有芳香性。但由于鍵。但由于鍵 長(zhǎng)未完全平均化，其芳香性不及苯。長(zhǎng)未完全平均化，其芳香性不及苯。 由于吡啶環(huán)中氮原子上的一對(duì)孤對(duì)電子與苯環(huán)共由于吡啶環(huán)中氮原子上的一對(duì)孤對(duì)電子與苯環(huán)共 平面（填入平面（填入sp2軌道中），不參與環(huán)狀共軛體系，所軌道中），不參與環(huán)狀共軛體系，所 以這一對(duì)孤對(duì)電子很容易給出去從而表現(xiàn)出以這一對(duì)孤對(duì)電子很容易給出去從而表現(xiàn)出堿性堿性。 討論討論: 15.4 五元雜環(huán)化合物的性質(zhì)五元雜環(huán)化合物的性質(zhì) 15.4.1 呋喃的性質(zhì)呋喃的性質(zhì) （1） 呋喃的取代反應(yīng)呋喃的取代反應(yīng) O + 鹵代 Br2 O Br+ H

10、Br 。 1,4-二氧六環(huán) 25 C，75% 硝化 O +CH3COONO2 ONO2 CH3COONO2+ SNO2S 醋酸硝酰 一種弱的硝化試劑， 或噻吩開環(huán)聚合！ 不用強(qiáng)酸，否則呋喃 硝化 O +CH3COONO2 ONO2 CH3COONO2+ SNO2S 醋酸硝酰 一種弱的硝化試劑， 或噻吩開環(huán)聚合！ 不用強(qiáng)酸，否則呋喃 H H ！不能用強(qiáng)酸 N C5H5N SO3 N SO3H O SO3H C5H5N SO3 O 磺化 吡啶三氧化硫，一種溫和的磺化劑 H H ！不能用強(qiáng)酸 N C5H5N SO3 N SO3H O SO3H C5H5N SO3 O 磺化 吡啶三氧化硫，一種溫和的磺

11、化劑 H H ！不能用強(qiáng)酸 N C5H5N SO3 N SO3H O SO3H C5H5N SO3 O 磺化 吡啶三氧化硫，一種溫和的磺化劑 （2） 呋喃的加成反應(yīng)呋喃的加成反應(yīng) O +2 Br2 - 500C O O H H Br Br + Br Br HH 加鹵素 O H2，Ni O HCl 140 0C,0.4MPa Cl(CH2)4Cl NaCN NC(CH2)4CN O H2，Ni O HCl 1400C,0.4MPa Cl(CH2)4Cl NaCN NC(CH2)4CN +O O O O O C C O O O 2 3 4 1 1 4 3 2 呋喃環(huán)具有共 軛雙烯的性質(zhì)！ 15.4

12、.2 吡咯吡咯 （1） 吡咯的弱堿性和弱酸性吡咯的弱堿性和弱酸性 N H sp2 sp2 p N H 參與環(huán)體系共軛 離域于整個(gè)共軛體系 難以表現(xiàn)出堿性 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)狀參與了環(huán)狀 的共軛，為整個(gè)環(huán)狀共軛體系所共享，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)電子難以給出去而從而使氮上電子云密度降低，孤對(duì)電子難以給出去而 表現(xiàn)堿性。所以，吡咯的堿性很弱，甚至于大大弱于表現(xiàn)堿性。所以，吡咯的堿性很弱，甚至于大大弱于 苯胺的堿性。苯胺的堿性。 堿性：苯胺（堿性：苯胺（Kb=3.810-10

13、）吡咯（吡咯（Kb=2.510-14） 5 6 另一方面，吡咯有弱酸性：另一方面，吡咯有弱酸性： 但是，吡咯（但是，吡咯（pKa=17）的酸性非常小，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)）的酸性非常小，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn) 小于酚小于酚(pKa=10)。 H2，Ni N N 還原還原 H N + KOH N K (s) H2O + _ + H2O （2） 吡咯的取代反應(yīng)吡咯的取代反應(yīng) N +4 I2 H NaOH N H II II + NaIH2O+ 鹵代 N + H 硝化 CH3COONO2 N H NO2 H H ！不能用強(qiáng)酸 N C5H5N SO3 N SO3H O SO3H C5H5N SO3 O 磺化 吡啶三氧化硫，一種

14、溫和的磺化劑 磺化磺化 H H 付氏?；焊妒硝；?N H N COCH3 H +(CH3CO)2O 60% 150-200 C 。 （3） 吡咯的催化加氫吡咯的催化加氫 N + 2000C H H2 N H Pt N NHN HN 吡咯的重要衍生物吡咯的重要衍生物 卟吩由四個(gè)吡咯和四個(gè)次甲基卟吩由四個(gè)吡咯和四個(gè)次甲基(=CH)交替相連組成交替相連組成 的共軛體系。的共軛體系。 卟吩呈平面結(jié)構(gòu)，環(huán)中間的空隙里四個(gè)氮原子可卟吩呈平面結(jié)構(gòu)，環(huán)中間的空隙里四個(gè)氮原子可 分別以共價(jià)鍵、配價(jià)鍵與不同的金屬離子結(jié)合。分別以共價(jià)鍵、配價(jià)鍵與不同的金屬離子結(jié)合。 卟吩卟吩 NN NN Fe+Cl- CH

15、3 H2C=HC H3C H2C=HCCH3 CH2CH2COOH CH2CH2COOH CH3 氯氯化化血血紅紅素素 15.4.3 噻吩的性質(zhì)噻吩的性質(zhì) S Br2 S BrHOAc 78% 鹵代反應(yīng)鹵代反應(yīng) 硝化 O +CH3COONO2 ONO2 CH3COONO2+ SNO2S 醋酸硝酰 一種弱的硝化試劑， 或噻吩開環(huán)聚合！ 不用強(qiáng)酸，否則呋喃 硝化反應(yīng)硝化反應(yīng) S 濃H2SO4 室溫S SO3H磺化反應(yīng)磺化反應(yīng) S + (CH3CO)2O SnCl4 S CCH3 O + CH3COOH ?；磻?yīng)?；磻?yīng) 綜上所述，呋喃、吡咯、噻吩的親電取代反應(yīng)，反應(yīng)綜上所述，呋喃、吡咯、噻吩的

16、親電取代反應(yīng)，反應(yīng) 發(fā)生在雜原子的發(fā)生在雜原子的位。位。 + O H E + O H E (1) (2) 原因：原因： 碳正離子（碳正離子（1）有共軛體系，比碳正離子（）有共軛體系，比碳正離子（2）穩(wěn)定。）穩(wěn)定。 所以，富電子芳雜環(huán)的親電取代反應(yīng)發(fā)生在雜原子的所以，富電子芳雜環(huán)的親電取代反應(yīng)發(fā)生在雜原子的 位。位。 五元雜環(huán)由于為富電子芳環(huán)，其親電取代反應(yīng)比苯容五元雜環(huán)由于為富電子芳環(huán)，其親電取代反應(yīng)比苯容 易進(jìn)行。易進(jìn)行。 15.4.4 糠醛的性質(zhì)糠醛的性質(zhì) (C5H8O4)n H+,H2O (CHOH)3 CHO CH2OH 戊聚糖 戊醛糖 -3H2O O CHO O 糠醛 呋喃 (1)

17、糠醛的氧化反應(yīng)糠醛的氧化反應(yīng) O CHO O COOH 1) KMnO4/OH- 2) H+/ H2O + O CHOO2 V2O5, TiO2, Fe2O3 320 3500C C C O O O (2) 糠醛的還原反應(yīng)糠醛的還原反應(yīng) + O CHO O CH2OH H2 CuO, Cr2O3 + O CHO CH2OH H2 Ni, 1701800C O (3) 糠醛的歧化反應(yīng)糠醛的歧化反應(yīng) 岐化： NaOH濃 OCOONaOCH2OH + 糠酸糠醇 CHOO 鈉 CHOO + (CH3CO)2O NaOAc O CH=CHCOOH + HOAc 縮合： 呋喃丙烯酸 (4) 糠醛的糠醛的P

18、erkin反應(yīng)反應(yīng) 顏色反應(yīng)顏色反應(yīng) 呋喃綠色 松木片HCl- 吡咯紅色 松木片HCl- 噻吩藍(lán)色 靛紅-H2SO4 糠醛紅色 醋酸苯胺 用于區(qū)別檢驗(yàn)五元雜環(huán) NN N 吡啶吡啶嘧啶嘧啶 吡啶與苯的不同之處是氮的電負(fù)性比碳大，吡啶環(huán)吡啶與苯的不同之處是氮的電負(fù)性比碳大，吡啶環(huán) 上的電子云分布不如苯那樣均勻，吡啶環(huán)上的碳原上的電子云分布不如苯那樣均勻，吡啶環(huán)上的碳原 子電子云密度較苯低，氮原子附近電子云密度較大，子電子云密度較苯低，氮原子附近電子云密度較大， 可以結(jié)合質(zhì)子，具有堿性，易溶于水。可以結(jié)合質(zhì)子，具有堿性，易溶于水。 吡啶是良好的溶劑，能與水以任意比例混溶；能溶吡啶是良好的溶劑，能與水

19、以任意比例混溶；能溶 于大多極性與非極性有機(jī)化合物；氮原子上有孤對(duì)于大多極性與非極性有機(jī)化合物；氮原子上有孤對(duì) 電子能作為配位體，故可作為無機(jī)鹽類的溶劑。電子能作為配位體，故可作為無機(jī)鹽類的溶劑。 (1) 堿性與親核性堿性與親核性 由于氮上孤對(duì)電子與苯環(huán)共面，不參與環(huán)體系的共由于氮上孤對(duì)電子與苯環(huán)共面，不參與環(huán)體系的共 軛，所以吡啶有堿性和親核性，且軛，所以吡啶有堿性和親核性，且堿性大于苯胺：堿性大于苯胺： 怎樣解釋吡啶與哌啶的堿性差別？怎樣解釋吡啶與哌啶的堿性差別？ 為什么為什么? N H 堿性 NH2 pKb N 2.88.8 9.3 NN H H 15.5.1 吡啶的性質(zhì)吡啶的性質(zhì) 吡啶

20、具有吡啶具有弱堿性弱堿性，堿性強(qiáng)于苯胺，弱于氨和脂，堿性強(qiáng)于苯胺，弱于氨和脂 肪氨，能與無機(jī)酸成鹽。在反應(yīng)中可作為脫酸肪氨，能與無機(jī)酸成鹽。在反應(yīng)中可作為脫酸 劑和催化劑。劑和催化劑。 H N N + HCl + _ Cl 吡啶鹽酸鹽 N N + CH3I + _ 吡啶季銨鹽 CH3 I N N + +_ 吡啶三氧化硫 SO3 SO3 溫和的磺化試劑 N N + Br2 Br3000C H2SO4 N N + SO3H3500C 規(guī)律規(guī)律: 像硝基苯，新引入基上像硝基苯，新引入基上位。且反位。且反 應(yīng)比苯難。應(yīng)比苯難。 N N + 3000C 混酸 NO2 24h 產(chǎn)率很低 約6% N 0.8

21、2 0.95 0.85 電負(fù)性：N C 原因：原因： 氮原子上電子云密度大，吡啶環(huán)上電子云密度小；氮原子上電子云密度大，吡啶環(huán)上電子云密度小； N N的的m-m-電子云密度比電子云密度比o-o-、p-p-大。大。 所以：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 基上基上m-。 N N N + NH2 NaNH2 吡啶的離去基團(tuán)是較難離去的吡啶的離去基團(tuán)是較難離去的H+，故親核試劑必須，故親核試劑必須 是強(qiáng)堿性親核試劑，能在吡啶的是強(qiáng)堿性親核試劑，

22、能在吡啶的 -位直接發(fā)生親核位直接發(fā)生親核 取代。取代。 N N + KOH OH 當(dāng)吡啶當(dāng)吡啶2-位位(或或4-位位)具有優(yōu)良的離去基團(tuán)時(shí)，較弱具有優(yōu)良的離去基團(tuán)時(shí)，較弱 的親核試劑就能反應(yīng)。的親核試劑就能反應(yīng)。 N N + + 1802000C NH2Cl NH3 ZnCl2 NH4Cl N N + + Br OH H2O NaBr NaOH 回流 (4) 氧化與還原氧化與還原 煙酸煙酸 異煙酸異煙酸 煙堿（尼古?。焿A（尼古丁） 煙酰胺煙酰胺 N N COOHCH3KMnO4 / H+ N COOH KMnO4 / H+ N N N COOH CH3 HNO3 N NH3 CONH2 N

23、 95% H2,Pt 25oC,0.3MPa N H 吡啶的碳環(huán)的電子云密度低，加氫還原比苯吡啶的碳環(huán)的電子云密度低，加氫還原比苯 更容易。更容易。 N CH2CH3 Na + C2H5OH N H CH2CH3 64% 六氫吡啶（典型的仲胺性質(zhì)）六氫吡啶（典型的仲胺性質(zhì)） 吡啶及其衍生物在自然界分布較廣，在藥物吡啶及其衍生物在自然界分布較廣，在藥物 中也常見吡啶及其衍生物：中也常見吡啶及其衍生物： N CH2OH CH2OH HO H3C N N CH3 N CONHNH2 N CH3 COCHC6H5 CH2OH O 維生素B6 煙堿 異煙肼 抗結(jié)核藥 顛茄堿，阿托品 一種止痛藥（） （）

24、 orCH2NH2 ( )CHO 、 尼古丁 ， 農(nóng)業(yè)殺蟲劑（ ） N N H NH2 N N O H O N NH O 胞嘧啶胞嘧啶(C) 嘧啶嘧啶 H O N NH O H3C 尿嘧啶尿嘧啶(U)胸腺嘧啶胸腺嘧啶(T) N 1 2 3 45 6 7 8 N 1 2 3 45 6 7 8 b.p.238oC b.p.243oC N 喹啉及其衍生物的制法喹啉及其衍生物的制法Skraup合成法合成法 NH2 R CH2OH CHOH CH2OH + 濃H2SO4，氧化劑 N R CH2 CH CH2 OHOHOH H2SO4, -2H2O CH2=CH-CH=O N CH2 CH2 C O H NH2 H 麥克爾加成 HO N CH2 CH C H H -2H2O H2SO4 N H N C6H5NO2 O OH NH2 + CHO CH CH2 OH NH CH CH CH