第十三章雜環(huán)化合物

1、     第十三章 雜環(huán)化合物 學習要求： 1掌握各類常見雜環(huán)化合物的結構和命名。 2掌握呋喃、噻吩、吡咯、吡啶、吲哚、喹啉的化學性質(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。    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：     本章我們

2、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） 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。  

3、    當環(huán)上有取代基時，取代基的位次從雜原子算起依次用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)字之和應最小。例見P552   §13.2 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)的結構  呋喃、噻吩、吡咯在結構上具有共同點，即構成環(huán)的五個原子都為sp2雜

4、化，故成環(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。  13.2.2 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）化學性質(zhì) 1親電取代反應    從結構上分析，五元雜環(huán)為56共軛體系，電荷密度比苯大，如以苯環(huán)上碳原子的電荷密度為標準（作為0），則五元雜環(huán)化合物的有效電荷分布為：    五元雜

5、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中的速率也比要苯快得多。親電取代反應的活性為：     吡咯>  呋喃  > 噻吩  > 苯，主要進入-位。    五元雜環(huán)吡咯、呋喃、噻吩的反應實例見P555556說明：吡咯、呋喃、噻吩的親電取代反應，對試劑及反應條件必須有所選擇和控制。    鹵代反應    不需要催化劑，要在較低溫度和進行。   

6、; 硝化反應    不能用混酸硝化，一般是用乙酰基硝酸酯(CH3COONO2)作硝化試劑，在低溫下進行。    磺化反應    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合物，噻吩可直接用濃硫酸磺化。 2加氫反應     3呋喃、吡咯的特性反應 （1） 呋喃易起D-A反應    吡咯、噻吩要在特定條件下才能發(fā)生D-A反應。 （2）吡咯的弱酸性和弱堿性 

7、60;  吡咯雖然是一個仲胺，但堿性很弱。     吡咯具有弱酸性，（其酸性介與乙醇和苯酚之間。    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。     吡咯鉀鹽和吡咯鹵化鎂都可用來合成吡咯衍生物。  13.2.3 重要的五元雜環(huán)衍生物 （一）糠醛（- 呋喃甲醛） 1制備由農(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。  2糠醛的性質(zhì)  

8、0; 同有-H的醛的一般性質(zhì)。 （1）氧化還原反應 （2）歧化反應  （3）羥醛縮合反應 （4）安息香縮合反應 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。糠醛廣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。    

9、60; 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)絡合的是Fe，葉綠素環(huán)絡合的是Mg。血紅素的功能是運載輸送氧氣（P564）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VB12，用11年時間完成了全合成。 Woodward一生人工合成了20多種結構復雜的有機化合物，是當之無愧的有機合成大師。Woodward 20歲獲博士學位，30歲當教授，48歲時（1965年）獲諾貝爾化學獎。 13.2.4 噻唑和咪唑 1噻唑   噻

10、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)物幾合成藥物含有噻唑結構，如青霉素、維生素B1等。    青霉素是一類抗菌素的總稱，已知的青霉素大一百多種，它們的結構很相似，均具有稠合在一起的四氫噻唑環(huán)和- 內(nèi)酰胺環(huán)。       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B1（VB1）  &

11、#160; §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。           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)結構，維生素PP、維生素B6、輔酶及輔酶也含有吡啶環(huán)。吡啶是重要的有機合成原料（

12、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（P565）。吡啶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）吡啶的結構         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。  （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

13、大于苯胺。    吡啶易與酸和活潑的鹵代物成鹽。  2親電取代反應  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。其親電取代反應很不活潑，反應條件要求很高，不起傅-克烷基化和?；磻ＳH電取代反應主要在-位上。 3氧化還原反應（1）氧化反應    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，通常是側鏈烴基被氧化成羧酸。    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。  

14、0;  氧化吡啶在有機合成中用于合成4-取代吡啶化合物。 （2）還原反應    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。例如：  13.3.2 嘧啶及其衍生物    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B1也含有嘧啶環(huán)。合成藥物的磺胺嘧啶也含這種結構。  

15、         uracil             thymine               cytosine §13.4  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

16、一起的化合物。常見的有喹啉、吲哚和嘌呤。       13.4.1 吲哚    吲哚是白色結晶，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、生活有密切的關系。          吲哚的性質(zhì)與吡咯相似，也可發(fā)生親電取代反應，取代基進入-位。見P563。  13.4.2 喹啉  

17、;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                            喹啉是有吡啶稠合而成的，由于吡啶環(huán)的電子云    

18、0;                   密度低于與之并聯(lián)的苯環(huán)，所以喹啉的親電取代反應                        發(fā)生在電子云密度較大的苯環(huán)上，取代基主要進入5或

19、60;                     8位。而親核取代則主要發(fā)生在吡啶環(huán)的2或4位.（2）氧化還原反應    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。 2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。其反應過程見P571。 3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。  13.4.3 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，嘌呤的衍生物廣泛存在于動植物體內(nèi)。 1尿酸