化學(xué)競賽輔導(dǎo)16-雜環(huán)化合物（Word）

1、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： 稠雜環(huán)是由苯環(huán)與單雜環(huán)或有兩個以上單雜環(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，表示為環(huán)狀化合物。如雜環(huán)上有取代基時，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 , , ） 來編號。 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?。?2 / 26五元雜環(huán)中含有兩個雜原子的體系叫唑（azole） 2. 呋喃，噻吩，吡咯含有一個雜原子的五元雜環(huán)單環(huán)體系:呋喃，噻吩，吡咯。 一、 呋喃，噻吩

2、，吡咯的電子結(jié)構(gòu)和光譜性質(zhì) 電子結(jié)構(gòu)：這三個雜環(huán)化合物中，碳原子和雜原子均以sp2雜化軌道互相連接成健，并且在一個平面上，每個碳原子及雜原子上均有一個p軌道互相平行，在碳原子的p軌道中有一個p電子，在雜原子的p軌道中有兩個p電子，形成一個環(huán)形的封閉的電子的共軛體系。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,試驗結(jié)果表明: 光譜性質(zhì)：IR: c-H = 30773003cm-1,N-H = 35003200 cm-1 (在非極性溶劑的稀溶液中，在3495 cm-1，有一尖峰。在濃溶液中則于3400 cm-1,有一尖峰。在濃和淡的

3、中間濃度時，兩種譜帶都有),雜環(huán)CC伸縮振動:16001300 cm-1 （有二至四個譜帶）。 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，由于外磁場的作用而誘導(dǎo)出一個繞環(huán)轉(zhuǎn)的環(huán)電流，此環(huán)電流可產(chǎn)生一個和外界磁場方向相反的感應(yīng)磁場，在環(huán)外的質(zhì)子，處在感應(yīng)磁場回來的磁力線上，和外界磁場方向一致，在去屏蔽區(qū)域，故環(huán)上氫吸收峰移向低場?；瘜W(xué)位移一般在7ppm左右。 呋喃：H =7.42ppm H =6.37ppm 噻吩：H =7.30ppm H =7.10ppm 吡咯：H =6.68ppm H =6.22ppm 二、呋喃，噻吩，吡咯的制備 1.玉米心，稻糠，花生殼，大麥

4、殼，高粱稈等用稀硫酸處理得戊糖，戊糖失水得糠醛，再在400下加熱，同時在催化劑ZnO,Cr2O3存在下，失去一氧化碳而得呋喃。 2.工業(yè)上制備噻吩是用丁烷，丁烯或丁二烯與硫磺混合，在600反應(yīng)得到： 3.噻吩也可用琥珀酸鈉鹽與五硫化二磷一起加熱反應(yīng)制得： 4.帕爾克諾爾（C.PaalL.Knorr）合成法： 1，4二羰基化合物常在無水的酸性條件下，得到呋喃及其衍生物。1，4二羰基化合物與氨或硫化合物反應(yīng)，可制備噻吩，吡咯及他們的衍生物，這個方法稱為帕爾克諾爾合成法： 5.取代吡咯的另一個一般的合成法，稱為克諾爾合成法，即用氨基酮與有亞甲基的酮進行縮合。例如用氨基酮酸酯與酮酸酯或1，3二酮縮合，

5、氨基酮酸脂由相應(yīng)的羰基酯制得。 氨基酮 亞甲基酮 三、呋喃，噻吩，吡咯的反應(yīng)1.親電取代反應(yīng)： （1） 呋喃，噻吩，吡咯親電取代活潑順序 呋喃，噻吩，吡咯親電取代反應(yīng)很容易進行。這是由于環(huán)上五個原子共有六個電子，故 電子出現(xiàn)的幾率密度比苯環(huán)大。換句話說，環(huán)上的雜原子有給電子的共軛效應(yīng)，能使雜環(huán)活化。所以，在親電取代反應(yīng)中的速度比苯環(huán)快的多。親電取代反應(yīng)活潑順序為： 雜原子給電子共軛效應(yīng)愈強，環(huán)上電子云密度愈大，親電取代愈易進行。 N 電負(fù)性3.0, O 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）親電基團容易進入雜環(huán)的2，5

6、位（即, 位），若雜環(huán)的2，5位已有基團存在，則進入3位。 位比較活潑的原因是因為在反應(yīng)中形成的中間體正離子有三個共振式參與共振。如果在位發(fā)生反應(yīng)，形成的中間體正離子只有兩個共振式參與共振，參與共振的共陣式愈多，雜化體愈穩(wěn)定，故在位發(fā)生反應(yīng)的中間體正離子比較穩(wěn)定，穩(wěn)定的中間體正離子的過渡態(tài)能量低，反應(yīng)速度快。因此親電取代反應(yīng)容易在位發(fā)生。 穩(wěn)定 （3）呋喃，噻吩，吡咯，遇強酸及氧化劑很容易使環(huán)破壞，因此進行取代反應(yīng)須在較溫和的條件下進行。 (a)硝化 呋喃，噻吩，吡咯很容易被氧化，甚至也能被空氣氧化。硝酸是強氧化劑，因此一般不用硝酸直接氧化。通常用比較溫和的非質(zhì)子的硝化試劑硝酸乙酰酯進行硝化，

7、反應(yīng)還須在低溫進行： 乙酐 乙酰基硝酸酯（硝酸乙酰酯） 雜環(huán)親電取代反應(yīng)的活潑性越強，反應(yīng)溫度控制的越低。 呋喃比較特殊，在此反應(yīng)中首先生成穩(wěn)定的或不穩(wěn)定的2，5加成產(chǎn)物，然后加熱或用吡啶除去乙酸，得硝化產(chǎn)物： 呋喃易生成2，5加成物，與反應(yīng)物的離域能大小有關(guān)。離域能大，過渡態(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)生親電取代反應(yīng)。呋喃的離域能較?。ㄟ秽?6.9kJ/mol，噻吩121.3 kJ/mol，吡咯87.8 kJ/mol）易與乙酰氧基負(fù)離子發(fā)生親核加成反應(yīng)，而吡咯具有較高的芳香性，因此，易于失去質(zhì)子發(fā)生親電取代反應(yīng)。但必須注意到呋喃與大多數(shù)親電試劑發(fā)生親電取

8、代反應(yīng)，只有在強的親核試劑存在時，才發(fā)生親核加成反應(yīng)（邢其毅等基礎(chǔ)有機化學(xué)第二版874頁）噻吩可以用一般的硝化試劑進行硝化，但反應(yīng)非常猛烈。 （b）磺化 呋喃，噻吩，吡咯也需避免直接用硫酸進行磺化，常用溫和的非質(zhì)子磺化試劑，如用吡啶與三氧化硫加成物作為磺化劑進行反應(yīng)： 吡咯2磺酸反應(yīng)首先得到吡啶的磺酸鹽，在用無機酸轉(zhuǎn)為游離的磺酸。由于噻吩比較穩(wěn)定（芳香性強），可以用硫酸直接進行磺化，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含有少量的噻吩。可在室溫下反復(fù)用硫酸提取，由于噻吩比苯容易磺化，磺化的噻吩溶于濃硫酸內(nèi)，可以與苯分離。然后水解，將磺酸基去掉，可得到噻吩： 噻吩2磺酸6976%（

9、溶于濃H2SO4） (c)鹵化 呋喃，噻吩在室溫與氯或溴反應(yīng)很強烈，得到多鹵代的產(chǎn)物。如希望得到一氯代和一溴代的產(chǎn)物，須在溫和的條件下（如用溶劑稀釋）及低溫下進行反應(yīng)。不活潑的碘則須在催化劑作用下進行： 吡咯鹵代常得到四鹵化物。2氯吡咯很不穩(wěn)定，是唯一能直接鹵化制得的2鹵吡咯。 (d)傅氏酰基化 呋喃用酸酐或酰氯在傅氏催化劑作用下發(fā)生酰基化反應(yīng)，酸酐如用三氟化硼做催化劑產(chǎn)率最高： 呋喃，吡咯，噻吩親電取代反應(yīng)小結(jié)：呋喃，吡咯遇強酸容易開環(huán)或產(chǎn)生聚合物。故所使用的親電試劑一般比較溫和。 噻吩很穩(wěn)定，與酸不發(fā)生上述反應(yīng)。 噻吩傅氏?；磻?yīng)非常有用，但需要小心控制反應(yīng)條件，如用無水三氯化鋁，氯化錫

10、等催化劑易于噻吩產(chǎn)生樹脂狀物質(zhì)。必須將三氯化鋁等先與?；噭┓磻?yīng)生成活潑的親電試劑，然后在與噻吩反應(yīng)。 吡咯可用乙酸酐在150200直接?；?(e)傅氏烷基化 呋喃，噻吩，吡咯進行烷基化反應(yīng)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)生樹脂狀物質(zhì)，因此用處不大。 2加成反應(yīng)： (a) DA反應(yīng) 呋喃的離域能較小，芳香性較差，故環(huán)的穩(wěn)定性較低?？梢钥醋魇?，3二烯。具有共軛雙烯的性質(zhì)，可以發(fā)生雙烯加成類型的反應(yīng)： 吡咯與順丁烯酸酐不發(fā)生DA反應(yīng)，可能是氮原子的未共用電子對參加了共軛體系，典型的親二烯試劑丁炔二酸（或酯）與之發(fā)生邁克爾加成反應(yīng)。 吡咯能發(fā)生下列加成反應(yīng)：

11、噻吩發(fā)生上述加成反應(yīng)的傾向性很小。噻吩與乙炔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。噻吩和吡咯中，由于硫和氮原子的電負(fù)性較小，芳香性較強，共軛二烯的性質(zhì)較差。 （b）催化氫化反應(yīng) 呋喃，噻吩，吡咯均可進行催化氫化反應(yīng)，失去芳香特性而得到飽和雜環(huán)化合物。呋喃和吡咯可用一般催化劑還原，噻吩能使一般催化劑中毒，需使用特殊催化劑：3吡咯的弱堿性和弱酸性 從結(jié)構(gòu)上看，吡咯是環(huán)狀第二胺，但因氫原子上的未共用電子對參與了環(huán)的共軛體系，使氮原子上的電子出現(xiàn)的幾率密度降低。減弱吸引H+的能力，故吡咯的堿性極弱，Kb=2.510-14,比苯胺弱的多，苯胺Kb=3.810-10.另一

12、方面，吡咯氮原子上的氫原子卻有極微弱的酸性，其酸性電離常數(shù)Ka=10-15， 較醇強而較酸弱。苯酚Ka=1.310-10,乙醇Ka10-18。故吡咯能與固體氫氧化鉀加熱成為鉀鹽： 吡咯也能與格氏試劑作用放出烴（RH）而成吡咯鹵化鎂： 吡咯鹵化鎂 吡咯鉀鹽及吡咯鹵化鎂都可以用來合成吡咯衍生物。 N苯甲?；量?70% 4吡咯的其它反應(yīng)：吡咯的性質(zhì)與酚很類似，可發(fā)生下列反應(yīng)： 2吡咯甲醛（瑞穆爾梯曼反應(yīng)） 2吡咯甲酸銨鹽（柯爾柏反應(yīng)） 四、呋喃，吡咯的衍生物 1糠醛（呋喃甲醛）： 糠醛是無色透明液體，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

13、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。 （3）氧化反應(yīng)： （4）歧化反應(yīng)：（無H的醛） （5）安息香縮合： （6）合成四氫呋喃 2卟吩化合物：四個吡咯環(huán)和四個次甲基交替相連組成的大環(huán)，叫卟吩 環(huán)。含卟吩環(huán)的化合物稱卟啉化合物。 卟吩環(huán)碳上氫原子被取代及部分或全部取代后形成的化合物，叫做 卟啉。 卟吩化合物廣泛分布于自然界，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，葉綠素吸收太陽能轉(zhuǎn)

14、變?yōu)榛瘜W(xué)能，是植物進行光合作用時必需的催化劑。自然界的葉綠素不是一個單純的化合物，而是由兩種葉綠素組合而成，即藍綠色的葉綠素a（熔點：117120 ）和黃綠色的葉綠素b（熔點：120130 ） ，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） 葉綠素 的結(jié)構(gòu) 維生素B12,是含鈷的類似卟啉環(huán)化合物。但其卟啉環(huán)在位少一個碳原子。它具有強的醫(yī)治貧血的功能。 2含有一個雜原子的五元雜環(huán)苯并體系苯與呋喃，噻吩，吡咯共用兩個碳原子而成的苯并體系，成為苯并呋喃，苯并噻吩，吲哚： 這三類化合物中，以吲哚環(huán)系比較重要，因此主要對吲哚環(huán)系進行一些介紹。吲哚本身為線狀結(jié)晶，具有極臭的

15、氣味，但在其稀薄時則有香味，可以當(dāng)作香料用。含吲哚環(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。植物生長調(diào)節(jié)劑吲哚乙酸，哺乳動物及人腦中思維活動的重要物質(zhì)5羥基色胺，植物染料靛藍以及蛋白質(zhì)組分的色氨酸都會有吲哚環(huán)。 1. 合成：費歇爾吲哚合成法是吲哚環(huán)系一個重要的廣泛應(yīng)用的合成方法，它是用苯腙在酸催化下加熱重排消除一分子氨得到2取代或3取代吲哚衍生物。 現(xiàn)舉例子如下： 2反應(yīng)：五元雜環(huán)與苯并和后，仍具芳香性，但親電取代反應(yīng)的活潑性比未并和的五元雜環(huán)低，比苯高，故親電取代反應(yīng)在雜環(huán)上進行。這些環(huán)系遇濃硫酸易樹脂化，需避免在濃硫酸存在下進行反應(yīng)： 從上面反應(yīng)可以看到，這些雜環(huán)化合物的

16、親電取代反應(yīng)主要發(fā)生在3位。這與反應(yīng)中間體正離子的穩(wěn)定性有關(guān)。親電試劑在C2位進攻，帶有完整苯環(huán)的穩(wěn)定共振式只有一個；而在C3位進攻，帶有完整苯環(huán)的穩(wěn)定共振式有兩個： 在C2位進攻： 在C3位進攻： （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. 含有兩個雜原子的五元雜環(huán)單環(huán)體系五元雜環(huán)中含有兩個雜原子的體系叫唑（azole），根據(jù)雜原子在環(huán)中的位置不同，又可分為1，2唑與1，3唑兩類。 一、命名：環(huán)中有不同雜原子，按氧，硫，氮順序編號。使雜原子編號最?。?1，2唑： 1，3唑： 二、 性質(zhì)1噻唑 一些重要的天然產(chǎn)物集合成藥物含有噻唑結(jié)構(gòu)，如： 2. 咪唑 它的

17、堿性較噻唑強，3位上的氮原子能與氫離子結(jié)合，故與強酸生成穩(wěn)定的鹽。 它也有微弱的酸性，像吡咯一樣 NH上的氫原子可被堿金屬原子置換而成鹽。 咪唑有互變異構(gòu)現(xiàn)象，即 NH上的氫原子可以移至3位N原子上。 4甲基咪唑 5甲基咪唑 含咪環(huán)的物質(zhì)廣泛存在于自然界中，具有生理活性。由于含咪唑環(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、嘧啶含有兩個氮原子的六元雜環(huán)，嘧啶的衍生物廣泛的存在于自然界。如核酸中含脲嘧啶、 胸腺嘧啶、 胞嘧啶。 脲嘧啶、 胸腺嘧啶、 胞嘧啶 另外，VB1合成的磺胺嘧啶物也含有嘧啶環(huán)這種結(jié)構(gòu)。 二、嘌呤 嘌呤可看作是有一個嘧啶環(huán)和一個咪唑環(huán)共用兩個碳原

18、子稠并而成，它是無色結(jié)晶，熔點216217, 易溶于水，其水溶液呈中性，但卻能與酸或堿共成鹽。 嘌呤是兩個互變異構(gòu)體形成的平衡體系，平衡主要在9H嘌呤一邊： 嘌呤的衍生物廣泛存在于動植物體中。 1.尿酸：存在于鳥類及爬蟲類的排泄物中。 2黃嘌呤：存在于茶葉及動植物組織和人尿中。 3咖啡堿，茶堿和可可堿：都是黃嘌呤的甲基衍生物。存在于茶葉，咖啡，和可可中，他們有興奮中樞作用。 4腺嘌呤和鳥嘌呤： 是決定生命的遺傳及合成蛋白質(zhì)的物質(zhì)。核酸中存在的嘌呤環(huán)系是腺嘌呤與鳥嘌呤。 5生物堿生物堿是一類存在于生物體內(nèi)，對任何動物有強烈生理作用的含氮堿性有機化合物，如煙葉中的主要生物堿組分是 尼古?。?）。生物堿在植物體內(nèi)常于有機酸（果酸，檸檬酸，草酸，琥珀酸，醋酸，丙酸等