1、第十五章 雜環化合物 （4 學時）目標要求1. 掌握雜環化合物的分類和命名2. 掌握五元雜環化合物的親電取代反應3. 掌握五元芳雜環的還原反應和Diels-Alder 反應4. 掌握呋喃的酸性開環，呋喃的加成反應及其應用5. 掌握吡咯的酸性聚合，吡咯鉀鹽的反應6. 掌握吡啶 N 的堿性和親核性7. 掌握吡啶環上的親電取代8. 掌握吡啶的親核取代9. 掌握喹啉和異喹啉的性質10. 了解喹啉的 Skraup 合成法及機理教學重點：雜環的分類、命名，重要的五元、六元雜環，稠雜環教學難點：重要的五元、六元雜環，稠雜環主要內容1 雜環化合物的分類和命名2五元雜環化合物的親電取代3五元芳雜環的還原反應和

2、Diels-Alder 反應4 喃的酸性開環，呋喃的加成反應及其應用5 吡咯的酸性聚合，吡咯鉀鹽的反應6 吡啶 N 的堿性和親核性7 吡啶環上的親電取代（親電取代活性和取向）8 吡啶的親核取代9 喹啉和異喹啉的性質10 喹 啉的 Skraup 合成法及機理雜環化合物的定義：在環狀有機化合物中，構成環的原子除了碳原子外還含有其他原子，這環狀種化合物就叫做雜環化合物（ heterocyclic compound ） 。除碳以外的其他原子叫做雜原子。常見的雜原子有：氮、氧、硫。第一節 雜環化合物的分類和命名1、 分類按照環的大小和環的數目可分為：21單雜環,雜環Y苯環與單雜環的稠合雜環（苯并雜環）I

3、兩個或兩個以上單雜環的稠合雜環N>t-NH命名1、音譯法：根據外文譯音，選用同音漢字，加口 ”字旁表示雜環。O吠喃furanNH口比咯pyrroleS曝吩thiophene毗哇咪哽口引口朵Hindole1,2,3 （或：a , 3 , 丫CH3SYN 1 H4-甲基咪嚏C2H5-乙基曝嚏pyridine pyrimidine取代雜環的命名：雜環的編號從雜原子起依次 如環上不止一個雜原子時，則從O、S、n的順序依次編號。有兩個相同雜原子的，應從連有H原子或取代基的開始編號。編號時注意雜原子或取代基的位次之和最小。稠雜環是特定的母體和固定的編號。2、根據結構命名：即根據相應于雜環的碳環來命名

4、，把雜環看作是相應的碳環中的碳原子被雜原子置換而形成的。 例如，口比咤可看作是苯環上一個碳原子被氮原子置換而成的，所以叫做氮雜苯。戊(環戊二烯)氮茂氧茂 硫茂苯氮苯1,3-二氮苯第二節一雜五元雜環化合物含有一個雜原子的典型五元雜環是吠喃、曝吩、口比咯。1、據現代物理方法證明：吠喃、曝吩、口比咯都是一個平面的五元環結構，即成環的四個C原子和一個雜原子都是以SP2雜化軌道成鍵的。環上每個碳原子的 P軌道有一個電子，雜原子P軌道上有兩個電子。P軌道垂直于五元環的平面，互相側面重疊而形成一個與苯環相似的閉合共軻體系。 五元環的六個兀電子分布在包括環上五個原子在內的分子軌道。2、分子結構符合休克爾(Hu

5、ckel)規則(4n+2=6,n=1 ),兀電子數為6。具有芳香性。但芳性比苯弱，環的穩定性差。3、芳香性秩序： 苯曝吩口比咯 吠喃吠喃的芳香性最弱，實際上它可以進行雙烯加成反應，表現出共軻二烯煌的性質。4、它們的鍵長數據如下單位(ppm):1405、口比咯、吠喃、曝吩環上雜原子氮、氧、硫的未共用電子對參與環的共軻體系，使環上的電子云密度增大。因此，它們都比苯活潑，比苯容易進行親電取代反應，而且它們進行親電取代反應的活潑 性順序是：口比咯 > 吠喃>曝吩苯+ (CF3CO)2O ?；?- n + CF3COOHX 三氟乙酎X COCF32、 吠喃、曝吩、叱咯的性質1、親電取代反應

6、一一主要在雜原子的a位：它是吠喃、口比咯、曝吩的典型反應。由于它們環上的電子云密度比苯大，比苯容易發生親電取 代反應。同時環穩定性比苯差，因此反應條件與苯不同，需要在較溫和的條件下反應，以避免氧化、 開環或聚合等副反應。(1)鹵代：Br2二氧六環室溫U 7 5 %O BrNBr2乙醇0 cBrBrBrBr(2)硝化CH3-CONOO乙酎70%2-10Cno25%NO 2(3)磺化"+N-SO3-HCl »叱嚏三氧化硫(4)乙?；? (CH 3cO)2OBF3O SO3H吠喃一2 磺酸COCH 3親電取代反應小結：親電取代反應的活性：口比咯親電基團一般進入雜原子的鄰位即a位

7、。第二個取代基的位置受第一個定位基的影響。Y是I類定位基Y+XBr,Y是一類定位基.Br' X丫是1類定位基 口丫是類定位基尸Qx YX Y若環上已有兩個取代基，則第三個取代基進入3位，并受前兩個定位基的影響。2、加成反應：(1) D A 反應：O順丁烯二酸酎(2)加氫反應:HNH2/Ni aH2/Ni進行催化氫化反應，失去芳香性而得到飽和的雜環化合物。N H3、曝吩的反應：曝吩的磺化比苯容易，在室溫下用濃硫酸即可進行反應。 + 濃 H2SO4 SS SO3H睡吩2 磺酸用此反應可以除去粗苯中的少量曝吩。4、口比咯的酸堿性：弱酸性弱堿性口比咯N原子上的H原子都有微弱的酸性。 口比咯是一

8、個環狀的二級胺。N- K+匚 N- K+ + CH3COCIN- K+CO2HOCOCH 3N-乙?；诒瓤┮?COCH 3H3N- K+CH3I COOH HH CH3CH3I I + R-MgXN H口比咯還能和格氏試劑反應:口 + RHNMgXI» 口40NH RR口比咯的親電取代活性類似于苯胺、苯酚，它可進行瑞穆爾一蒂曼反應，并可與重氮鹽偶聯。CHC% + KOHCHO2-口比咯甲醛NC6H5N2C1 -NH吠喃、嚷吩、叱咯的來源N，N-C6H52- 口比咯偶氮苯NH1、工業制備曝吩是用丁烷、丁烯或丁二烯與硫磺一起加高溫反應而制得:+ H2sCH 3cH 2cH 2cH 3+

9、 s 600 c » I2、口比咯存在于骨焦油中，它可用下法進行合成:HC-CH +2CH2O Cu2c2 . HOCH2c三 CCH20H NH3壓融 I I3、吠喃存在于木焦油中，它很容易由農副產品經下述一系列反應而制得:玉米芯花生殼(C5HioO5)n JHCl水解CHO(CHOH)3 匹0CHO|催化劑、人 CHO 400 c -CO聚戊糖戊糖糠醛4、某些取代的口比咯、吠喃和曝吩可從母體雜環經過取代反應而制得。但大多數是從開鏈化合物通過閉環而制得：P2O5 . cu J j 二" CH3 OCH33(NH CH3 S ch3CH 3 N HCH35、口比咯的克諾爾（

10、Knorr）合成法:四、重要衍生物1、吠喃衍生物一糠醛.H H；HOCC，-OH：- I !：:H-CH C+H :|_CHOOH OH稀酸 . -3H2O .CHO濃NaOH r CH2OHLJ COOH2、叱咯衍生物 一葉綠素、血紅素和維生素 B12(1)、結構:(2)、衍生物： 葉綠素a、b 血紅素維生素B12中心離子為Mg2+中心離子為Fe2+中心離子為Co第三節一雜六元雜環化合一、叱噬的結構1、結構：口比咤的結構與苯相似，也符合休克爾規則，具有芳香性。N口比咤分子中的五個碳原子和一個氮原子都是以SP2雜化軌道成鍵的，六個原子都在一個平面上。同時每個原子各提供一個 P電子，它們的P軌道

11、與環平面垂直，互相重疊成閉合共軻體系。2、口比咤的來源和制取:ROOC F乙酸乙酯 CCH”H陰HC<H°C，COOR OHY sROOC COOR(C2H5)2NH lICH3 N CH3HROOC . . COORHNO3 H2SO4 尸 |CH3 N CH3叱噬的性質 堿性口比咤是一個弱堿，它能接受一個質子，其堿性比口比咯強。口比咤也易與碘甲烷作用生成季鏤鹽:> 口比咯2、 親電取代與親核取代反應口比咤環由于氮原子的電負性大，環上的電子云向氮轉移，而且一般在進行親電取代的酸性條件下，氮上的孤電子對被質子化或路易斯酸形成絡合物，使氮原子帶正電。Br2 浮石300 c濃

12、 HNO3 + H2SO430 C濃 H2SO4HgSO4200 c39% 3-澳叱咤6% 3-硝基吐M70%叱咤-3-磺酸親電取代：條件強烈；進入此咤環的3位Il I +NaNH2NH2+NH2NaOHNH2其反應過程為：Ctl + NaNH2N口比咤和強堿性的苯基鋰反應，發生類似的親核取代反應:C6H5-Li +LiHOCH 3廠、六氫口比咤COOHCOOHNaOCH3 5 Cl3、 氧化還原反應口比咤環由于電子云密度低，對氧化劑一般比苯環穩定，而對還原劑則比苯環活潑。CrNCrCOOHN CH3N4、尼古丁 一州堿訓匕咤甲酸（煙酸）叱噬離子的親核加成反應口比咤 離子容易在2或4位與親核試

13、劑發生加成，例如:K2Fe(CNg |O CH3三、叱噬的重要衍生物1、雷米豐（remifonum ）學名異煙酰腫, 與腫縮合即可得到：COOH是一種白色固體， 熔點在170180 C之間,易溶于水，丫-毗咤甲酸（異煙酸）CONHNH 2+ H2N-NH2 NN 雷米豐2、維生素B6自然界存在的維生素 B6是有下列三種物質組成的:HOCHCH2OHCH20H, N“CHOHOCH2OH3口比多醇。比多醛CHHO比多胺NH2H2OHCH3、維生素PP維生素PP包括兩種物質,即3-口比咤甲酸和3刊匕咤甲酰胺: CONH2N然比咤甲酰胺iNi COOH伊口比咤甲酸（煙酸）5、 口比咤的鎰絡合物。第四

14、節二雜五元雜環化合物五元雜環中含有兩個雜原子，其中一個必須是氮原子的體系叫做口坐（ azole）。二雜五元雜環化 合物主要有：口比陛咪陛曝陛它們可看作是口比咯和曝吩環上的一個次甲基被一個叔胺基取代形成的雜環化合物。1、 堿性它們都具有弱堿性，其堿性都比比咯強?？梢娫诃h中引入一個氮原子堿性即大大增加。這是由于引入的氮原子的未共用電子對沒有參加共軻體系而較易與氫離子結合?？诒缺莸臍滏I締合 咪陛的氫鍵締合環穩定性它們都比相應的一元雜環穩定，它們對氧化劑不敏感，對酸也比較穩定，不易開環聚合。CH3COOH,N -KMnO J 之、n*NOH-、N'N4-甲基口比陛口比陛-4-竣酸親電取代反應它

15、們都能進行親電取代反應， 但它們的活性都比一雜五元環低得多。因此，反應條件要求較劇烈,而且口比陛進行親電取代，取代基主要進入4位，而咪陛和曝陛則主要進入 5位。NOHNO3+H2SO4+ H2O四、互變異構現象口比陛和咪陛都能發生互變異構現象。4 < 3455/X ,N 2. 一NHCH3 H1CH?N"五、重要衍生物口比陛、咪陛和曝陛的衍生物主要是一些常用得到藥物, 等解熱鎮痛藥物的基本結構：如口比陛酮是安替匹林、氨基比林和安乃進安替匹林:3氨基比林:安乃進:R= - HR= 一 N(CH3)2R= -N-CH 2so3NaCH3第五節二雜六元雜環化合物在口比咤分子中引入第二

16、個氮原子，有三種可能的位置:1, 2位、1, 3位和1, 4位。45 N36(N 214NH N口密咤口比嗪其中以喀咤最重要,0H它的衍生物廣泛存在于自然界。HO N尿喀咤nOHch乂 JHO N胸腺喀咤nh2N I乂 JH0 n胞喀咤一、喀噬的酸堿性喀咤具有弱堿性，堿性比口比咤還弱。這是由于往口比咤環上再引入一個氮原子相當于一個硝基的吸電子效應，能使另一個氮原子上的電子密度減低，其堿性也隨著降低。二、環的穩定性喀咤比口比咤要穩定些，表現在喀咤對冷的堿溶液、氧化劑有一定的穩定性。三、親電取代核親核取代反應嘧咤更難發生親電取代反應， 一般不發生硝化和磺化反應，只能進行鹵代，反應發生在5位上:而喀

17、咤進行親核取代反應則比口比咤容易，反應主要發生在氮的鄰對位，即2, 4, 6 位。如:rNNH2第六節稠環雜環化合物從結構上看，苯環與雜環或雜環與雜環都可以共用兩個碳原子，稠合成稠環雜環化合物。重要 的稠環化合物有口引喋、唾咻、喋吟等。一、叫I珠及其衍生物口引喋分子中含有此咯環，故其性質與口比咯相似。其化學穩定性比比咯強。遇光和空氣時易被氧 化。O_.口引喋也容易進行親電取代反應，取代基進入3位（即3位）。3-澳口引喋（70%）唾咻及其衍生物1、唾咻與口比咤相似，具有弱堿性，堿性比口比咤弱。它對酸和氧化劑都較穩定。用高鎰酸鉀氧化時苯 環破裂，得到口比咤-2, 3-二竣酸：OKMnQHOOCHO

18、OCCOOH +COOH2、親電取代 主要進入苯環：濃 HNO3+ H2so4 0 c5 硝基唾咻3、親核取代主要發生在此咤環：4、制備Skraup合成法:NH2 +HCH 2-C -CH 2濃 H2SO4硝基苯LNJ8491%HO OH OH三、苯駢叱喃的衍生物1、花色素：許多天然色素是苯駢口比喃的衍生物。2、維生素E:是一個苯駢二氫毗喃的衍生物，存在于植物的綠葉、蔬菜、豆類、谷物中。四、喋吟及其衍生物喋吟可看作是由一個喀咤環和一個咪陛環相稠合而成的，它有（I）和（n）兩種互變異構體: 喋吟為無色晶體，易溶于水，水溶液呈中性，但它卻能和酸或堿生成鹽。9-H喋吟（I ）7-H喋吟（n）1、尿酸：是核蛋白的代謝產物。它也有互變異構體。烯醇式酮式2、黃喋吟：存在于動物的肝臟、血和尿中。3、咖啡堿、茶堿和可可堿：它們都是黃喋吟的甲基衍生物，存在于可可中，都有利尿和興奮中樞神 經的作用。4、腺喋吟和鳥喋吟：是廣泛存在于生物體的核蛋白的兩種喋吟衍生