第14-雜環(huán)化合物

第一節(jié)芳香雜環(huán)化合物一、雜環(huán)化合物的分類和命名按英文的讀音，用同音漢字加上“口”字旁命名,見表12—1。雜環(huán)上原子的編號，一般從雜原子開始（個別例外，），順環(huán)編號，并注明取代基的位置、數(shù)目和名稱.

1.含一個雜原子的雜環(huán)，雜原子的編號為1。有時以希臘字母編號，與雜原子相鄰的碳原子為

位，依次為

位、

位。

2-氨基噻吩3-甲基吡啶2,3,4,5-四溴吡咯

(

氨基噻吩)(

甲基吡啶)(

,

,

,

-四溴吡咯)

2.環(huán)上有兩個或兩個以上相同的雜原子時，應(yīng)使雜原子位次之和最小，并將連有氫原子或取代基的雜原子編號定為1。如環(huán)上有不同雜原子時，按O、S、-NH-和-N=的順序編號。

4-乙基咪唑N-甲基-2-巰基咪唑5-乙基噻唑2,4-二羥基嘧啶

3.有特定名稱的稠雜環(huán)，其固定的編號順序通常是從一端開始，依次編號一周（公用碳一般不編號），并盡可能使雜原子的編號?。ㄈ玎?、吲哚）；也有一些稠雜環(huán)按相應(yīng)的環(huán)烴編號，此時，雜原子的編號較大（如異喹啉、吖啶）；尤其值得注意的是嘌呤，不僅公用碳參與編號，且編號的順序很特殊。

2-甲基喹啉6-氨基嘌呤（腺嘌呤）2-氨基-6-氧嘌呤(鳥嘌呤)

4.

標(biāo)氫；某些雜環(huán)可能有互變異構(gòu)現(xiàn)象，為區(qū)別各異構(gòu)體，需用大寫斜體“H”及其位置編號標(biāo)明一個或多個氫原子所在的位置。

4H-吡喃2H-吡喃

5．此外，還可以將雜環(huán)作為取代基，以官能團(tuán)側(cè)鏈為母體進(jìn)行命名。

N,N-二乙基-3-吡啶甲酰胺4-嘧啶甲酸

3-吲哚乙酸2-呋喃甲醛(糠醛)

N,N-二乙基-3-吡啶β-吡啶甲酸γ-吡啶甲酸甲酰胺(煙酸)(異煙酸)

二

含氮六元雜環(huán)

(一)吡啶

1.吡啶的結(jié)構(gòu)

環(huán)上的碳原子以sp2雜化，氮原子以不等性sp2雜化，每個原子上還有一個未參與雜化的p軌道（含有一個p電子）垂直于環(huán)平面，相互重疊形成一個6原子6電子的閉合共軛體系，符合Hückel規(guī)則有芳香性。氮原子上還有一對孤對電子處于一未參與成鍵的sp2雜化軌道上，伸向環(huán)平面外側(cè)，未參與共軛，可結(jié)合質(zhì)子，因此吡啶具有弱堿性。

吡啶的分子軌道示意圖

電子云的交替極化

吡啶環(huán)上電子云密度的分布不平均，氮原子上的電子云密度較大，碳原子的電子云密度較低，尤其是氮原子鄰位、對位的電子云密度降低得比間位多，所以吡啶的親電取代反應(yīng)比苯難，并且主要發(fā)生在間位（即

位）上。像吡啶這類環(huán)碳上的

電子云密度比苯低的芳雜環(huán)亦稱為“缺

”芳雜環(huán)。吡啶是一個極性分子；氮原子的誘導(dǎo)效應(yīng)和共軛效應(yīng)的方向一致。

2.吡啶的性質(zhì)

①堿性和親核性吡啶呈堿性，能與強(qiáng)酸和Lewis酸結(jié)合成鹽。吡啶的堿性比氨和脂肪族叔胺弱得多.吡啶鹽酸鹽

吡啶三氧化硫

可與水混溶,但環(huán)上引入羥基或氨基后,水溶性顯著降低.

吡啶與三氧化硫生成的吡啶三氧化硫是緩和的磺化劑，可用于對酸敏感的化合物，如吡咯的磺化反應(yīng)中。

吡啶與叔胺相似，氮原子上的孤電子對可以進(jìn)攻鹵代烷中缺電子的中心碳原子，反應(yīng)生成季銨鹽，因此吡啶具有良好的親核性。

溴化N-甲基吡啶

②芳環(huán)上的親電取代反應(yīng)

吡啶的親電取代反應(yīng)比苯難，取代基多進(jìn)入

-位。吡啶不能發(fā)生Friedel-Crafts反應(yīng)。

（3-硝基吡啶）

20%

（3-吡啶磺酸）70%

（3-溴吡啶）

30%

③親核取代反應(yīng)吡啶環(huán)作為一個缺π芳雜環(huán),較易進(jìn)行親核取代,主要生成α-取代產(chǎn)物.當(dāng)吡啶的2-位(或4-位)有較優(yōu)良的離去基團(tuán)(如鹵素)時,較弱的親核試劑(如NH3,H2O)就能反應(yīng).④側(cè)鏈上的氧化反應(yīng)吡啶比苯難氧化.由于吡啶環(huán)碳電子云密度降低,故難失去電子被氧化.但吡啶環(huán)上的烷基側(cè)鏈，在強(qiáng)氧化劑如KMnO4作用下，容易被氧化，側(cè)鏈被氧化成羧基，保留吡啶環(huán)，生成吡啶甲酸。

-吡啶甲酸（煙酸）

⑤還原反應(yīng) 吡啶比苯易還原，對還原劑較苯活潑，室溫下，用Pt作催化劑，吡啶就能與氫反應(yīng)生成六氫吡啶，后者具有脂環(huán)仲胺的結(jié)構(gòu)，堿性比吡啶強(qiáng)。3.吡啶的衍生物

①維生素PP(VitaminPP)

煙酸（

-吡啶甲酸）和煙酰胺（

-吡啶甲酰胺）統(tǒng)稱為維生素PP。

煙酸煙酰胺

（

-吡啶甲酸）

-吡啶甲酰胺）

②異煙肼

(Isoniazide)： 又稱為雷米封(Remifon)，為白色針狀結(jié)晶或粉末，熔點170~173

C,易溶于水和乙醇，是抗結(jié)核的良藥，對維生素PP有拮抗作用，長期服用，應(yīng)補(bǔ)充維生素PP。

異煙肼（雷米封,γ-吡啶甲酰肼）

二．嘧啶及其衍生物

嘧啶是含有兩個氮原子的六元雜環(huán)化合物，易溶于水，堿性比吡啶弱得多，其水溶液呈中性；嘧啶難于起親電取代反應(yīng)，環(huán)上如有致活基團(tuán)，則能發(fā)生親電取代反應(yīng)，取代基一般進(jìn)入5-位。

（一）尿嘧啶(Uracil)：2，4-二氧嘧啶被稱為尿嘧啶（縮寫符號為U），存在于RNA中，具有酮型和烯醇型互變異構(gòu)現(xiàn)象，在生理pH環(huán)境下以酮式為主：

酮型烯醇型5-氟尿嘧啶（5-FU）

（二）胞嘧啶：2-氧-4-氨基嘧啶(4-amino-2-oxypyrimidine)被稱為胞嘧啶（C），存在于RNA和DNA中，也具有酮型和烯醇型互變異構(gòu)現(xiàn)象：

（三）胸腺嘧啶(Thymine)：2，4-二氧-5-甲基嘧啶(5-methyl-2,4-dioxypyrimidine)稱為胸腺嘧啶（T），存在于DNA中，其酮型和烯醇型互變異構(gòu)現(xiàn)象如下：

三含氮五元雜環(huán)

一、吡咯

（一）吡咯的結(jié)構(gòu)

吡咯分子呈平面構(gòu)型，碳原子與氮原子均以sp2雜化；每個碳原子上還有一個p電子在未參與雜化的p軌道上，氮原子上有一對孤對電子處于未雜化的p軌道上，這5個p軌道均垂直于環(huán)平面，相互平行重疊形成6個P電子分布在5個原子上的富電子閉合共軛體系，符合Hückel規(guī)則，具有芳香性。吡咯的分子軌道示意圖

吡咯環(huán)的封閉共軛體系中，環(huán)上

電子云分布是不均勻的，因此吡咯環(huán)沒有苯環(huán)穩(wěn)定.此外，吡咯的封閉式大

鍵不同于苯和吡啶，它是在5個p軌道上分布著6個

電子，電子離域的結(jié)果使氮原子上的

電子云密度降低，而環(huán)上碳原子的電子云密度升高，其中α-位電子云密度比β-位高。故吡咯的親電取代反應(yīng)比苯容易進(jìn)行，且α-位上易取代。像吡咯這類碳環(huán)上的

電子云密度比苯高的芳雜環(huán)亦稱為“多

”芳雜環(huán)。吡咯為極性分子。

(二)吡咯的化學(xué)性質(zhì)

吡咯易發(fā)生親電取代反應(yīng)，易氧化，在空氣中因氧化而迅速變黑，不易發(fā)生加成反應(yīng)。濃鹽酸浸過的松木片遇到吡咯的蒸氣時顯紅色,可用于吡咯及其衍生物的檢驗。

1．酸、堿性：堿性極弱（其共軛酸的

pKa=-3.8），比苯胺還要弱得多，顯示弱酸性（pKa=17.5），能與固體氫氧化鉀共熱成鹽：

2．芳環(huán)上的親電取代反應(yīng)

吡咯(呋喃,噻吩)比苯更容易發(fā)生鹵代、硝化、磺化反應(yīng)，也能進(jìn)行Friedel-Crafts反應(yīng)，取代基主要進(jìn)入

-位。吡咯和呋喃不能直接用強(qiáng)酸進(jìn)行硝化、磺化等反應(yīng)，而需要采用較溫和的非質(zhì)子性試劑進(jìn)行反應(yīng)。

小結(jié)：

堿性：季銨堿＞脂肪胺＞氨＞吡啶＞苯胺＞吡咯親電取代反應(yīng)：吡咯＞＞苯＞吡啶

3、咪唑、噻唑及其衍生物

含有兩個雜原子的五元雜環(huán)稱為唑。咪唑是含有兩個氮原子的五元雜環(huán)，噻唑是含有一個氮原子和一個硫原子的五元雜環(huán)，它們都是平面型分子，結(jié)構(gòu)式如下：

咪唑噻唑

咪唑3-位上的氮原子能與質(zhì)子結(jié)合，而顯堿性，能與強(qiáng)酸生成穩(wěn)定的鹽。同時咪唑也有微弱的酸性，N—H鍵上的氫原子可被金屬置換成鹽。在生理pH（~7.4）條件下,咪唑以質(zhì)子化狀態(tài)（酸型）和未質(zhì)子化的中性狀態(tài)（中性型）同時存在：

酸型中性型

組胺(histamine)：

組氨酸(histidine)組胺

組胺分子中，三個氮原子的堿性強(qiáng)弱順序為：①＞②＞③。

青霉素(penicillin)：

式中R=為青霉素G

R=為氨芐青霉素

四稠雜環(huán)

(一)喹啉及其衍生物

喹啉由苯和吡啶稠合而成。它與吡啶相似，氮原子上的一對電子可以結(jié)合質(zhì)子，而顯弱堿性，可與無機(jī)酸成鹽，與碘甲烷生成季銨鹽，也能發(fā)生鹵代、硝化、磺化反應(yīng)，取代基主要進(jìn)入5-位或8-位。

(二)嘌呤及其衍生物

嘌呤由嘧啶和咪唑稠合而成，本身不存在于自然界中。嘌呤分子中的咪唑環(huán)可以互變，有兩種互變異構(gòu)體，晶體狀態(tài)下主要以7H-嘌呤的形式存在，在生物體內(nèi)多以9H-嘌呤的形式存在：

9H-嘌呤(9H-purine)7H-嘌呤(7H-purine)

1.腺嘌呤（adenine）：6-氨基嘌呤稱為腺嘌呤（A）。2.鳥嘌呤(guanine)：2-氨基-6-氧嘌呤稱為鳥嘌呤（G）。2-氨基-6-氧嘌呤（酮型）2-氨基-6-羥基嘌呤（烯醇型）

3.尿酸(urate