1、2022-4-28第十四章第十四章 雜環化合物雜環化合物 2022-4-28 3、認識嘧啶、嘌呤；了解葉綠素、血、認識嘧啶、嘌呤；了解葉綠素、血紅素等卟啉環化合物；了解生物堿的有關紅素等卟啉環化合物；了解生物堿的有關知識。知識。學習要求學習要求 1、掌握各類常見雜環化合物的結構和、掌握各類常見雜環化合物的結構和命名。命名。 2、掌握呋喃、噻吩、吡咯、吡啶的化、掌握呋喃、噻吩、吡咯、吡啶的化學性質。學性質。2022-4-28141 雜環化合物的分類和命名雜環化合物的分類和命名 一、分類一、分類 雜環化合物是指組成環的原子中含有除雜環化合物是指組成環的原子中含有除碳以外的原子碳以外的原子(雜原子雜

2、原子-常見的是常見的是N、O、S等等)的環狀化合物。的環狀化合物。 雜環化合物非芳香雜環芳雜環（符合休克爾規則的雜環）如如OONHNNHO,2022-4-28 雜環化合物不包括極易開環的含雜原雜環化合物不包括極易開環的含雜原子的環狀化合物，例如：子的環狀化合物，例如：NHO,OOOOOO本章我們只討論芳香族雜環化合物。本章我們只討論芳香族雜環化合物。 根據以上定義，酸酐、環氧、內酯、根據以上定義，酸酐、環氧、內酯、內酰胺不屬雜環化合物內酰胺不屬雜環化合物1 1、單環、單環五員環五員環 雜環化合物的分類雜環化合物的分類:2022-4-28含一個雜原子的五員雜環，例如含一個雜原子的五員雜環，例如

3、ONSHFuranPyrroleThiophene 呋喃呋喃 吡咯吡咯 噻吩噻吩含兩個雜原子的五員雜環，例如含兩個雜原子的五員雜環，例如 NONNNSHOxazoleImidazoleThiazole噁唑噁唑 咪唑咪唑 噻唑噻唑2022-4-282 2、單環、單環六員環六員環 含一個雜原子含一個雜原子： NOPyridinePyran 吡啶吡啶 吡喃吡喃含兩個雜原子含兩個雜原子： NNNNNNPyridazinePyrimidinePyrazine 噠嗪噠嗪 嘧啶嘧啶 吡嗪吡嗪2022-4-283 3、稠雜環化合物、稠雜環化合物 NNNNNNNQuinolineIsoquinoline喹啉喹啉

4、 異喹啉異喹啉 蝶啶蝶啶 吖啶吖啶NNNHNHNNHIndolePurineCarbazole吲哚吲哚 嘌啉嘌啉 咔唑咔唑2022-4-28 例如，中草藥的有效成分生物堿大多例如，中草藥的有效成分生物堿大多是雜環化合物；動植物體內起重要生理作是雜環化合物；動植物體內起重要生理作用的血紅素、葉綠素、核酸的堿基都是含用的血紅素、葉綠素、核酸的堿基都是含氮雜環；部分維生素，抗菌素；一些植物氮雜環；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。色素、植物染料、合成染料都含有雜環。 二、命名二、命名 雜環化合物是一大類有機物，占已知雜環化合物是一大類有機物，占已知有機物的三分之一。雜環

5、化合物在自然界有機物的三分之一。雜環化合物在自然界分布很廣、功用很多。分布很廣、功用很多。1. 音譯名音譯名 （同音漢字加（同音漢字加“口口”字旁）字旁）2022-4-28NHOSNNN(pyrrole)(furan)(thiophene)(pyridine)(pyrimidine)NNNNHNNH(quinoline)(indole)(purine)吡咯呋喃噻吩吡啶嘧啶喹啉吲哚嘌呤 雜環的命名常用音譯法，是按外文名雜環的命名常用音譯法，是按外文名詞音譯成帶詞音譯成帶“口口”字旁的同音漢字。字旁的同音漢字。 2022-4-282. 當作碳環芳香化合物的衍生當作碳環芳香化合物的衍生, 如：如：O

6、N氧雜茂茂氮雜苯苯 3. 環上原子的編號順序環上原子的編號順序 從雜原子開始從雜原子開始 1，2，3，4 (, ) 不止一個雜原子，按不止一個雜原子，按O，S，N順序編號順序編號 取代基位次之和最小原則取代基位次之和最小原則2022-4-28142 五元雜環化合物五元雜環化合物 含一個雜原子的典型五元雜環化合物是含一個雜原子的典型五元雜環化合物是呋喃、噻吩和吡咯。含兩個雜原子的有噻唑、呋喃、噻吩和吡咯。含兩個雜原子的有噻唑、咪唑和吡唑。本節重點討論呋喃、噻吩和吡咪唑和吡唑。本節重點討論呋喃、噻吩和吡咯。咯。 一、呋喃、噻吩、吡咯雜環的結構一、呋喃、噻吩、吡咯雜環的結構例：SC2H523452-

7、 乙基噻唑N2345CH3CH2CH2OHO2N112-甲基-5-硝基-1-(2-羥乙基)吡 咯2022-4-281. 結構特點結構特點OSNHSONH56為共軛體系電子= 6符合4n + 2具有芳性富電子芳環2022-4-28 呋喃、噻吩、吡咯在結構上具有共同點：呋喃、噻吩、吡咯在結構上具有共同點：即構成環的五個原子都為即構成環的五個原子都為sp2雜化，故成環的雜化，故成環的五個原子處在同一平面，雜原子上的孤對電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，子參與共軛形成共軛體系，56，電子數符電子數符合休克爾規則（合休克爾規則（電子數電子數 = 4n+2），所以，），所以，

8、它們都具有芳香性。它們都具有芳香性。 a. 雜原子雜原子p軌道上一對未共用電子參與軌道上一對未共用電子參與環上共軛環上共軛56b. 芳香性順序芳香性順序：SNO電負性電負性O N S3.5 3.0 2.52022-4-28 雜原子電負性比雜原子電負性比C大，周圍電子云密度較大，周圍電子云密度較大。環上電子云分布不均，芳香性不如苯。大。環上電子云分布不均，芳香性不如苯。O電負性最大，呋喃芳香性最差。電負性最大，呋喃芳香性最差。SNO140142137143137143136 鍵長不完全平均化，電子云密度分布鍵長不完全平均化，電子云密度分布不均。不均。 c. 環上電子云密度比苯大，親電取代反環上電

9、子云密度比苯大，親電取代反應的活性大于苯應的活性大于苯2022-4-28二、呋喃、噻吩、吡咯的化學性質二、呋喃、噻吩、吡咯的化學性質1親電取代反應親電取代反應從結構上分析，五元雜環為從結構上分析，五元雜環為56共軛體共軛體系，電荷密度比苯大，如以苯環上碳原子的系，電荷密度比苯大，如以苯環上碳原子的電荷密度為標準（作為電荷密度為標準（作為0），則五元雜環化），則五元雜環化合物的有效電荷分布為：合物的有效電荷分布為：OSNH000000+ 0.1- 0.03- 0.02+ 0.20- 0.06- 0.04+ 0.32- 0.10- 0.062022-4-28 五元雜環有芳香性，但其芳香性不如苯五元

10、雜環有芳香性，但其芳香性不如苯環，因環上的環，因環上的電子云密度比苯環大，且分電子云密度比苯環大，且分布不勻，它們在親電取代反應中的速率也布不勻，它們在親電取代反應中的速率也比要苯快得多。比要苯快得多。SNO 親電取代反應的活性為：親電取代反應的活性為： 吡咯吡咯 呋喃呋喃 噻吩噻吩 苯，主要進入苯，主要進入-位。位。2022-4-28O+ Br2NNOBr80%0OC+ (CF3CO)2OBF3Et2O.7292%OOCF3O0OCSSS+ CH3COO-+NO2+NO2NO20OC 60% 10%-10OC 70% 5%NHNSO3100OCHClNHSO3+90%.鹵鹵代代酰酰化化硝硝化

11、化磺磺化化硝硝酸酸乙乙酸酸酯酯2022-4-28 C、磺化反應、磺化反應 呋喃、吡咯不能用濃硫呋喃、吡咯不能用濃硫酸磺化，要用特殊的磺化試劑酸磺化，要用特殊的磺化試劑吡啶三氧吡啶三氧化硫的絡合物，噻吩可直接用濃硫酸磺化。化硫的絡合物，噻吩可直接用濃硫酸磺化。 注意：吡咯、呋喃、噻吩的親電取代反注意：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應，對試劑及反應條件必須有所選擇和控制 A、鹵代反應、鹵代反應 不需要催化劑，要在較不需要催化劑，要在較低溫度和進行。低溫度和進行。 B、硝化反應、硝化反應 不能用混酸硝化，一不能用混酸硝化，一般是用乙酰基硝酸酯般是用乙酰基硝酸酯(C

12、H3COONO2)作硝化作硝化試劑，在低溫下進行。試劑，在低溫下進行。2022-4-282加氫反應加氫反應ONHSH2, Ni or PdH2, Ni or PdH2, NiONHS四氫呋喃四氫吡咯( THF )不能用 催化因噻吩能 使中毒PdPd2022-4-28H2/Ni, rtH2/MoS3Na/C2H5OHCH3CH2CH2CH3 + H2S+SSSSH2/PdZn/AcOH/H2OHNHNHNOONi/H2, 125OC100atmH2Pt/AcOHCH3CH2CH2OH2022-4-28OOOO+OOOO90%呋喃的芳香性最差，故共軛雙烯的反應最高HH3. Diels-Alder反

13、應反應OOOO+30OOOOOOOO+內式外式(90%)2022-4-28HN+NH吡咯遇活潑親雙烯體也能反應SOOO+SOOO100高壓噻吩激烈條件下也能反應HH 吡咯、噻吩要在特定條件下才能發生吡咯、噻吩要在特定條件下才能發生D-A反應。反應。2022-4-284、吡咯的弱酸性和弱堿性、吡咯的弱酸性和弱堿性 吡咯雖然是一個仲胺，但堿性很弱。其吡咯雖然是一個仲胺，但堿性很弱。其 pKb13.6。N上的上的H有酸性，有酸性，pKa15NHNHNH2Kb3.8 10-102 10-42.5 10-14 原因：原因：N上未共用電子對參與了環的上未共用電子對參與了環的共軛體系，減弱了與共軛體系，減弱

14、了與H+的結合力。的結合力。2022-4-28 吡咯具有弱酸性，其酸性介與乙醇和苯吡咯具有弱酸性，其酸性介與乙醇和苯酚之間。酚之間。NHOHKa =1.3 10-101 10-181 10-15CH3CH2OH 吡咯能與固體氫氧化鉀加熱成為鉀鹽，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與格式試劑作用放出RH而生成吡咯鹵化鎂。而生成吡咯鹵化鎂。 NH+ KOHNK+ H2O固體熱2022-4-28NH+ RMgXN+ H2OMgX干乙醚 吡咯鉀鹽和吡咯鹵化鎂都可用來合成吡吡咯鉀鹽和吡咯鹵化鎂都可用來合成吡咯衍生物。咯衍生物。NHNK（固體）熱RCOClRINCORNRNHCORNHR

15、 KOH2022-4-28NHNMgX干乙醚RCOClRINCORNRNHCORNHR RMgX三、重要的五元雜環衍生物三、重要的五元雜環衍生物（一）糠醛（一）糠醛（- 呋喃甲醛）呋喃甲醛）1制備制備 由農副產品如甘蔗雜渣、花生殼、高由農副產品如甘蔗雜渣、花生殼、高粱桿、棉子殼等用稀酸加熱蒸煮制取。粱桿、棉子殼等用稀酸加熱蒸煮制取。2022-4-28(C5H8O4)n35%H2SO4HO CHCH OHCH2OHCH CHOOHH2SO4稀CHO多聚戊糖戊糖呋喃甲醛水蒸氣2糠醛的性質糠醛的性質 同有同有-H的醛的一般性質。的醛的一般性質。（1）氧化還原反應）氧化還原反應OCHO弱堿性CuO,

16、Cr2O3150,V2O5 - MoO320 ,O2,OCH2OHOCOOHOOO+ CO2 + H2O KMnO410MPa2022-4-28（2）歧化反應）歧化反應OCHOOCH2OHOCOOH+濃堿（3）羥醛縮合反應）羥醛縮合反應OCHOOCH=CHCHO+稀堿CH3CHO（4）安息香縮合反應）安息香縮合反應OCHOOCH醇溶液KOHCOOHO2022-4-28143 含一個雜原子的含一個雜原子的六元雜環化合物六元雜環化合物 NNNO吡啶嘧啶吡喃1. 吡啶的結構吡啶的結構 吡啶為有特殊臭味的無色液體，沸點吡啶為有特殊臭味的無色液體，沸點115.5，相對密度，相對密度0.982，可與水、乙

17、醇、，可與水、乙醇、乙醚等任意混和。乙醚等任意混和。 2022-4-28N5C、1N共面，都是共面，都是sp 雜雜化，化，6個個p軌道側面交疊形軌道側面交疊形成閉合大成閉合大 鍵。鍵。 N上一對未成鍵電子在上一對未成鍵電子在sp2雜化軌道上，雜化軌道上，未參與形成環上共軛體系，可接受未參與形成環上共軛體系，可接受H堿性堿性 N的電負性的電負性C，吸電子使環上電子云密，吸電子使環上電子云密度降低（性質與硝基苯相似）度降低（性質與硝基苯相似）2022-4-28N1.430.841.010.87電荷分布親電取代親核取代N ，位位 可發生親電取代，活性不如苯，主要在可發生親電取代，活性不如苯，主要在間

18、位間位 鄰對位可發生親核取代鄰對位可發生親核取代 鄰對位的側鏈鄰對位的側鏈-H-H有酸性有酸性 比苯難氧化，但易還原比苯難氧化，但易還原2022-4-28吡啶的性質吡啶的性質1堿性與成鹽堿性與成鹽CH3NH2NH3NNH2pKb3.384.768.809.42 吡啶的環外有一對未作用的孤對電子，吡啶的環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。吡啶具有堿性，易接受親電試劑而成鹽。吡啶的堿性小于氨大于苯胺。的堿性小于氨大于苯胺。 吡啶易與酸和活潑的鹵代物成鹽。吡啶易與酸和活潑的鹵代物成鹽。 2022-4-28N+ HClN HClNNH3N+ SO3CH2Cl2N SO3(90%)此反應常用于在反應中吸收生成的氣態酸室溫吡啶三氧化硫絡合物是常用的緩和磺化劑NNNRI300INI+RROHNNRROH制取烷基吡啶的一種方法R I2022-4-282親電取代反應親電取代反應 吡啶環上氮原子為吸電子基，故吡啶環吡啶環上氮原子為吸電子基，故吡啶環屬于缺電子的芳雜環，和硝基苯相似。其親屬于缺電子的芳雜環，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，電取代反應很不活潑，反應條件要求