1、1第十五章第十五章 雜環化合物雜環化合物1.了解雜環化合物的分類和命名了解雜環化合物的分類和命名2.掌握五元雜環化合物的結構掌握五元雜環化合物的結構 及性質特征及性質特征3.了解六元雜環化合物的結構了解六元雜環化合物的結構 及性質特征及性質特征教學要求：教學要求：2含有雜原子的環狀有機化合物稱為雜環化合物含有雜原子的環狀有機化合物稱為雜環化合物本章要討論的是具有芳香結構（閉合共軛體系）和一定程度本章要討論的是具有芳香結構（閉合共軛體系）和一定程度穩定性的雜環化合物，即芳雜環化合物穩定性的雜環化合物，即芳雜環化合物常見的雜原子有常見的雜原子有：O 、N 、S 等等從形式上看，它們都是含雜原子的環

2、狀化合物，但其性質與從形式上看，它們都是含雜原子的環狀化合物，但其性質與相應的開鏈化合物相似相應的開鏈化合物相似OO內酯內酯ONH內酰胺內酰胺OOO環狀酸酐環狀酸酐CH2CH2O環氧化合物環氧化合物3一一 、分類、分類二、命名二、命名第一節第一節 分類和命名分類和命名分類分類單雜環單雜環稠雜環稠雜環五元雜環五元雜環六元雜環六元雜環OSNNNNNN利用國際通用名稱譯音，加口旁以表示是雜環化合物利用國際通用名稱譯音，加口旁以表示是雜環化合物1. 音譯法音譯法4 這種方法的優點是比較簡單，缺點是遇到字音相近的字這種方法的優點是比較簡單，缺點是遇到字音相近的字比較難譯，并且譯出的名字與結構沒有聯系比較

3、難譯，并且譯出的名字與結構沒有聯系OSNNONNfuranpyridinepyrrolethiophenepyranpyrimidine呋喃呋喃吡啶吡啶吡咯吡咯吡喃吡喃嘧啶嘧啶噻吩噻吩5這種命名方這種命名方法的缺點是法的缺點是名稱太長，名稱太長，使用不便。使用不便。目前一般都目前一般都采用音譯名采用音譯名稱來命名稱來命名ONNNNN氧（雜）茂氧（雜）茂氮（雜）茂氮（雜）茂氮（雜）苯氮（雜）苯1,3-二氮苯二氮苯氮萘氮萘茂茂（碳環母核）（碳環母核）苯苯（碳環母核）（碳環母核）萘萘（碳環母核）（碳環母核）2. 根據相應碳環母核命名根據相應碳環母核命名 把雜環當作是相應的碳環中碳原子被雜原子置換而形

4、把雜環當作是相應的碳環中碳原子被雜原子置換而形成的，命名時在碳環母體名稱前加成的，命名時在碳環母體名稱前加“某雜某雜” （雜原子的名（雜原子的名稱）兩字，以表示其中的雜原子稱）兩字，以表示其中的雜原子67環上有取代基時，應以雜環為母體，將雜環母核編號環上有取代基時，應以雜環為母體，將雜環母核編號編號原則編號原則 雜原子編號最小（即從雜原子開始編號）；雜原子編號最小（即從雜原子開始編號）； 環上含兩個以上相同雜原子時，應使雜原子的環上含兩個以上相同雜原子時，應使雜原子的 編號最小（一般從連有取代基的雜原子開始）；編號最小（一般從連有取代基的雜原子開始）； 環上有不同雜原子時，按環上有不同雜原子時

5、，按O、S、N的順序編號；的順序編號； 盡可能使連有取代基的碳原子編號最小。盡可能使連有取代基的碳原子編號最小。N-CH3N-CH2COOHCH3-NNNSCH3-NN-NH2NOHNCH38-羥基喹啉羥基喹啉N-甲基吡咯甲基吡咯或或1-甲基吡咯甲基吡咯4-甲基咪唑甲基咪唑2-氨基嘧啶氨基嘧啶5-甲基噻唑甲基噻唑3-甲基吡啶甲基吡啶或或-甲基吡啶甲基吡啶123456234567812341523415123456123453-吲哚乙酸吲哚乙酸 或或-吲哚乙酸吲哚乙酸23456718 典型的五元雜環有呋喃、噻吩、吡咯。它們是最重要的典型的五元雜環有呋喃、噻吩、吡咯。它們是最重要的含一個雜原子的五

6、元環化合物。它們的重要性不在于它們的含一個雜原子的五元環化合物。它們的重要性不在于它們的單體而是它們的衍生物。它們的衍生物不單種類繁多，而且單體而是它們的衍生物。它們的衍生物不單種類繁多，而且有些是重要的工業原料，有些具有重要的生理作用有些是重要的工業原料，有些具有重要的生理作用第二節第二節 五元雜環化合物五元雜環化合物一、一、 結構與芳香性結構與芳香性 物理方法證明：呋喃、噻吩、吡咯都是平面結構物理方法證明：呋喃、噻吩、吡咯都是平面結構環上所有原子都是環上所有原子都是SP2 雜化，各原子均以雜化，各原子均以SP2 雜化軌道重疊雜化軌道重疊形成形成鍵，碳未雜化的鍵，碳未雜化的 P 軌道中有一個

7、電子，雜原子的軌道中有一個電子，雜原子的 P 軌軌道中有一對電子，道中有一對電子，P 軌道互相平行重疊，形成閉合的共軛軌道互相平行重疊，形成閉合的共軛體系體系9符合符合休克爾規則休克爾規則，故三個雜環均具有故三個雜環均具有芳香性芳香性體系中體系中電子數：電子數： 4 + 2 = 6 O呋喃的分子結構呋喃的分子結構NH 吡咯的分子結構吡咯的分子結構S噻吩的分子結構噻吩的分子結構（富電子環）（富電子環）五中心六電子五中心六電子S噻吩噻吩N吡咯吡咯O呋喃呋喃10HNMR吸收吸收 ppm共振能共振能KJ / mol化合物化合物呋喃呋喃噻吩噻吩吡咯吡咯苯苯71.190.4125.51527.4 1 7.

8、10（-H）7.30（-H）6.20（-H）6.68（-H）6.37（-H）7.42（-H）OSN+-11由于呋喃、噻吩、吡咯由于呋喃、噻吩、吡咯都是五中心六電子，屬都是五中心六電子，屬于富電子環，反應活性于富電子環，反應活性主要體現在親電取代和主要體現在親電取代和加成方面加成方面芳香性與穩定性芳香性與穩定性: OSN電負性電負性 , 對外層電子吸引力對外層電子吸引力 , 孤電子離域孤電子離域 , 故芳香性故芳香性 O (3.5) N (3.0) S (2.5)電子密度：電子密度：雜環雜環 苯環苯環穩穩 定定 性性 ：雜環雜環 苯環苯環芳芳 香香 性：性： 雜環雜環 苯環苯環反反 應應 活活

9、性：性：雜環雜環 苯環苯環雜原子電負性大小：雜原子電負性大小：二、二、 化學性質化學性質121. 親電取代反應親電取代反應親電試劑進攻發生在親電試劑進攻發生在- 位和位和- 位，而位，而- 位更容易些位更容易些 呋喃、噻吩、吡咯能像苯一樣發生鹵代、硝化、磺呋喃、噻吩、吡咯能像苯一樣發生鹵代、硝化、磺化、付克反應等一系列芳香族化合物的特征親電取代反化、付克反應等一系列芳香族化合物的特征親電取代反應，由于它們是富電子雜環，所以比苯更容易發生親電應，由于它們是富電子雜環，所以比苯更容易發生親電取代反應取代反應溴化反應溴化反應 相對速率相對速率反應活性相對次序是反應活性相對次序是吡咯吡咯 呋喃呋喃 噻

10、吩噻吩 苯苯31018 610 11 510 9 113 鹵代反應鹵代反應吡咯、呋喃、噻吩很容易發生鹵代反應，氯代、溴代不但吡咯、呋喃、噻吩很容易發生鹵代反應，氯代、溴代不但不需催化劑，而且為避免多取代物，往往采用溫和條件，不需催化劑，而且為避免多取代物，往往采用溫和條件，如用溶劑稀釋和采用低溫如用溶劑稀釋和采用低溫吡咯反應活性最大，在低溫下進行，一般得多鹵產物吡咯反應活性最大，在低溫下進行，一般得多鹵產物N+ Br20 C2H5OHN-Br-BrBr-Br-四溴吡咯四溴吡咯 呋喃與呋喃與 Br2 反應也很激烈，在反應也很激烈，在 0 與與 Br2在二氧六環存在在二氧六環存在下反應得一溴代產物

11、，與下反應得一溴代產物，與 Cl2 在在 40 下反應得混合產物。下反應得混合產物。O+ Br2O-Br0 OO2-溴呋喃溴呋喃80%14噻吩溴化可在室溫下進行，得一溴代產物噻吩溴化可在室溫下進行，得一溴代產物O+ Cl2O-Cl-40 2-氯呋喃氯呋喃O-ClCl-+2,5-二氯呋喃二氯呋喃SS+ Br2-BrAcOH 2-溴噻吩溴噻吩78%室溫室溫 硝化反應硝化反應五元雜環化合物與硝酸（強氧化劑）反應，得不到預期產物，五元雜環化合物與硝酸（強氧化劑）反應，得不到預期產物，而是芳環被破壞。因此它們硝化反應必須在溫和條件下，采而是芳環被破壞。因此它們硝化反應必須在溫和條件下，采用弱硝化劑乙酰硝

12、酸酯用弱硝化劑乙酰硝酸酯15(CH3CO)2O + HONO2 CH3COONO2 + CH3COOH乙酰硝酸酯乙酰硝酸酯酸酐酸酐N-NO2N + CH3COONO2HH+N-NO2H83%17%Ac2O5 O + CH3COONO2Ac2O-30 -5 O-NO235%S-NO270%S + CH3COONO2Ac2O-10 +S-NO25%16 磺化反應磺化反應 吡咯、呋喃不能直接用硫酸磺化，因為它們在濃硫酸中吡咯、呋喃不能直接用硫酸磺化，因為它們在濃硫酸中不穩定，會發生聚合，通常用一種溫和的磺化劑不穩定，會發生聚合，通常用一種溫和的磺化劑 吡啶吡啶三氧化硫進行磺化三氧化硫進行磺化+ SO

13、3NSO3N+-吡啶三氧化硫吡啶三氧化硫吡啶吡啶HClN-SO3HH+H90%N-+Cl吡咯吡咯-2-磺酸磺酸吡啶鹽酸鹽吡啶鹽酸鹽N-SO3N +HHH90%100 SO3N+-N-+吡咯吡咯-2-磺酸吡啶鹽磺酸吡啶鹽17O+室溫室溫 3天天SO3N+-O-SO3HN+-47%呋喃呋喃-2-磺酸磺酸HCl41%O-SO3HSS+ H2SO4（95%）-SO3H噻吩噻吩-2-磺酸磺酸69%71%室溫室溫 從煤焦油中提取的苯（從煤焦油中提取的苯（b.p.80）含有少量（）含有少量（0.5%）噻）噻吩（吩（ b.p.84 ）很難用分餾的方法將它們分開，由于噻吩）很難用分餾的方法將它們分開，由于噻吩比

14、苯活潑，故可在常溫下用濃硫酸一起振搖，噻吩比苯容比苯活潑，故可在常溫下用濃硫酸一起振搖，噻吩比苯容易磺化，生成的噻吩易磺化，生成的噻吩-2-磺酸溶于硫酸中，然后分離除去磺酸溶于硫酸中，然后分離除去 噻吩比較穩定，既可以用硫酸在室溫下直接磺化（產噻吩比較穩定，既可以用硫酸在室溫下直接磺化（產率稍低），也可以用溫和的磺化試劑磺化率稍低），也可以用溫和的磺化試劑磺化18 傅克反應傅克反應五元雜環化合物酰化時，需要較溫和的催化劑甚至不用催化劑五元雜環化合物酰化時，需要較溫和的催化劑甚至不用催化劑吡咯不用催化劑可以直接酰化吡咯不用催化劑可以直接酰化N-COCH3N + (CH3CO)2OHH60%150

15、 160 2-乙酰基吡咯乙酰基吡咯呋喃與酸酐或酰氯在催化劑作用下發生酰基化反應呋喃與酸酐或酰氯在催化劑作用下發生酰基化反應O + (CH3CO)2OBF3O-COCH375%92%2-乙酰基呋喃乙酰基呋喃（或（或CH3COCl）噻吩酰化反應要用磷酸或氯化錫作催化劑噻吩酰化反應要用磷酸或氯化錫作催化劑S-COCH370%S + (CH3CO)2OH2PO4或或SnCl42-乙酰基噻吩乙酰基噻吩19呋喃、噻吩、吡咯進行烷基化反應很難得到一烷基取代物，呋喃、噻吩、吡咯進行烷基化反應很難得到一烷基取代物，往往生成混合的多烷基取代物，甚至不可避免地產生樹脂往往生成混合的多烷基取代物，甚至不可避免地產生樹

16、脂狀物質，因此用途不大狀物質，因此用途不大2. 加成反應加成反應呋喃、噻吩、吡咯分子中都有一個順丁二烯型結構，因此呋喃、噻吩、吡咯分子中都有一個順丁二烯型結構，因此它們又具有不飽和性質，其不飽和性可用共振能來衡量。它們又具有不飽和性質，其不飽和性可用共振能來衡量。它們的穩定性和不飽和性有如下順序：它們的穩定性和不飽和性有如下順序：穩定性降低、不飽和性增加穩定性降低、不飽和性增加SON152 125.5 90.4 71.1 12.6共振能共振能（KJ / mol）加成反應是標志化合物不飽和性的最典型反應加成反應是標志化合物不飽和性的最典型反應20三種雜環化合物都能像環戊二烯分子一樣催化加氫生成相

17、三種雜環化合物都能像環戊二烯分子一樣催化加氫生成相應的飽和化合物應的飽和化合物O + 2 H2NiO四氫呋喃（四氫呋喃（THF）N + 2 H2NiN四氫吡咯四氫吡咯S + 2 H2NiS四氫噻吩四氫噻吩21呋喃芳香性最小，環的穩定性也較低，能發生雙烯合成呋喃芳香性最小，環的穩定性也較低，能發生雙烯合成O+76%苯炔苯炔OOOOO=+90%OO=OO=吡咯也可以與苯炔、丁炔二酸發生類似的反應吡咯也可以與苯炔、丁炔二酸發生類似的反應+N-HN-H-COOH-COOHC-COOHC-COOH噻吩的芳香性較大，環比較穩定，難發生雙烯合成噻吩的芳香性較大，環比較穩定，難發生雙烯合成22一、一、 吡啶吡

18、啶1. 存在與結構存在與結構 吡啶存在于煤焦油、頁巖油和骨焦油中，它的衍生吡啶存在于煤焦油、頁巖油和骨焦油中，它的衍生物廣泛分布于自然界，如植物堿、維生素、輔酶等物廣泛分布于自然界，如植物堿、維生素、輔酶等第三節第三節 六元雜環化合物六元雜環化合物六元雜環化合物中最重要的有吡啶和嘧啶：六元雜環化合物中最重要的有吡啶和嘧啶：NNN吡啶吡啶嘧啶嘧啶N吡啶結構吡啶結構與苯相似與苯相似N SP2 雜化雜化23N1.430.841.011.010.840.87 電子云的分布電子云的分布24氮上未成鍵電子對未參與共軛，因此具有堿性氮上未成鍵電子對未參與共軛，因此具有堿性 核磁共振數據也可以證明吡啶的芳香性

19、核磁共振數據也可以證明吡啶的芳香性吡啶環上的氫的吡啶環上的氫的H NMR 數據數據NHHH8.50 ppm6.98 ppm7.36 ppm吡啶環是具有吡啶環是具有6個個P 電子的閉合共軛體系，具有芳香性電子的閉合共軛體系，具有芳香性吡啶的偶極矩與吡咯方向相反：吡啶的偶極矩與吡咯方向相反：NNH= 0 D= 2.26 D= 1.81 DNH =1.17D 252. 化學性質化學性質吡啶的化學性質體現在芳環的取代反應（包括親核、親電）吡啶的化學性質體現在芳環的取代反應（包括親核、親電）及氮上未成鍵電子對的堿性及親核性上及氮上未成鍵電子對的堿性及親核性上 堿性和親核性堿性和親核性吡啶分子中氮原子的吡

20、啶分子中氮原子的SP2雜化軌道上有一對未共用電子，這雜化軌道上有一對未共用電子，這對電子不參與環的共軛，它像叔胺一樣這對電子可以接受質對電子不參與環的共軛，它像叔胺一樣這對電子可以接受質子，具有堿性。但堿性弱于叔胺，強于吡咯子，具有堿性。但堿性弱于叔胺，強于吡咯堿性：堿性：叔胺叔胺 吡啶吡啶 吡咯吡咯NNH叔胺叔胺NH2pKb: 4 8.8 9.37 14堿性增強堿性增強26N+ HClN Cl -+H吡啶鹽酸鹽吡啶鹽酸鹽可以作為親核試劑與可以作為親核試劑與R-X、Br2等親核試劑反應形成吡啶鹽等親核試劑反應形成吡啶鹽N+ Br2N Br -+BrN+ CH3IN I -+CH3三級胺三級胺季銨鹽季銨鹽300重排重排N I -+-CH3H I -N+CH3H+甲基吡啶鹽甲基吡啶鹽27 親電取代反應親電取代反應氮原子的吸電子作用降低了環上碳原子的電子云密度，與氮原子的吸電子作用降低了環上碳原子的電子云密度，與富電子芳雜環的呋喃、吡咯和噻吩相反，親電取代反應比富電子芳雜環的呋喃、吡咯和噻吩相反，親電取代反應比苯難得多，一般反應必需在激烈的條件下才能硝化、鹵代苯難得多，一般反應必需在激烈的條