HeterocyclicCompound

第十九章雜環(huán)化合物本章主要內(nèi)容雜環(huán)化合物的命名與分類；吡啶的結(jié)構(gòu)與化學(xué)性質(zhì)；呋喃、噻吩和吡咯的結(jié)構(gòu)與化學(xué)性質(zhì)；喹啉的結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)及其合成方法；含兩個(gè)氮原子的六員雜環(huán)如嘧啶等的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)；含兩個(gè)雜原子的五員雜環(huán)如吡唑等的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)；吲哚和嘌呤的基本性質(zhì)本章重點(diǎn)：雜環(huán)化合物的命名與分類；吡啶的結(jié)構(gòu)與化學(xué)性質(zhì)；呋喃、噻吩和吡咯的結(jié)構(gòu)與化學(xué)性質(zhì)；喹啉的結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)及其合成方法；吲哚和嘌呤的基本性質(zhì)本章難點(diǎn)：雜環(huán)化合物的命名與分類；吡啶的結(jié)構(gòu)與化學(xué)性質(zhì)；呋喃、噻吩和吡咯的結(jié)構(gòu)與化學(xué)性質(zhì)；在有機(jī)物中通常將除碳和氫之外的其他元素稱為雜原子。雜環(huán)化合物是指那些具有與苯環(huán)相似的閉合共軛體系的雜環(huán)化合物，它們具有不同程度的芳香性，所以，也叫芳雜環(huán)。19-1分類和命名

一分類

二命名

雜環(huán)化合物的命名一般用的是譯音法：根據(jù)國(guó)際通用英文名稱譯音，在同音漢字加“口”旁命名。五元一雜：

五元二雜：

六元一雜：

六元二雜：

稠雜環(huán)：

N雜環(huán)的順口溜：氮五吡咯六吡啶間氮咪唑和嘧啶吲哚喹啉左并苯嘧咪相連是嘌呤編號(hào)規(guī)則：?jiǎn)坞s環(huán)：1、只有一個(gè)雜原子：以雜原子為編號(hào)起點(diǎn)，雜原子的編號(hào)為1，也可以用希臘字母編號(hào)，靠近雜原子的碳為α位，其次為β位等。如：

α-呋喃甲醛（2-呋喃甲醛）

β-吡啶甲酸（3-吡啶甲酸）

2、含一個(gè)以上的雜原子：（1）含相同雜原子：從含H或取代基的雜原子開(kāi)始編號(hào)，并使另一個(gè)雜原子的編號(hào)盡可能的小。4-甲基咪唑

N-甲基-2-巰基咪唑4-氨基嘧啶

（2）含不同的雜原子：按O—S—NH—N的順序編號(hào)。如：

5-苯基噻唑

稠雜環(huán)：它的編號(hào)是固定的，它們大都與稠芳環(huán)的編號(hào)類似。但嘌呤的編號(hào)另有具體規(guī)定。

萘喹啉5-喹啉磺酸

茚吲哚6-溴吲哚-3-甲酸

嘌呤6-氨基嘌呤

標(biāo)氫：雜環(huán)母環(huán)的名稱已表明該雜環(huán)含有最多數(shù)目的非聚集雙鍵。在此條件下，若還含有飽和氫原子時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)異構(gòu)體，此時(shí)要用“標(biāo)氫”指示氫位置不同的異構(gòu)體，以其位號(hào)加“H”（斜體大寫(xiě)）作詞首來(lái)表示。例如：吡咯2H-吡咯3H-吡咯3H-吲哚4H-吡喃

若雜環(huán)尚未含有最大可能的非聚集雙鍵，則多出的氫原子為“外加氫”，命名時(shí)要表明氫的位置和數(shù)目。2，5-二氫吡咯

四氫呋喃3，4-二氫喹啉

含活潑氫：含活潑氫的雜環(huán)及其衍生物，可能存在互變異構(gòu)體，結(jié)構(gòu)不同，名稱也不同，命名時(shí)需要標(biāo)明兩種可能的位號(hào)。

7H-嘌呤9H-嘌呤

5-甲基吡唑

2，4-二羥基嘧啶3-甲基吡唑

嘧啶2，4-二酮

命名

5-硝基-2-呋喃甲醛肟

2，6-二氨基-3-苯偶氮基吡啶

4-氯甲基咪唑

1,3,7-三甲基嘌呤-2，6-二酮3-（3-吲哚）-2-氨基丙酸

19-2五元雜環(huán)化合物

一呋喃、噻吩、吡咯

1、結(jié)構(gòu)

這類雜環(huán)也叫“多π”芳雜環(huán)，所以，吡咯的親電取代比苯容易。與吡啶、苯比較，吡咯相當(dāng)于在苯環(huán)上有活化基團(tuán)氨基，吡啶相當(dāng)于苯環(huán)上有硝基。

呋喃、噻吩的結(jié)構(gòu)與吡咯類似：核磁共振譜：其環(huán)外質(zhì)子處于屏蔽區(qū)，共振移向低場(chǎng)，其化學(xué)位移在7左右：

呋喃、噻吩的結(jié)構(gòu)與吡咯類似：核磁共振譜：其環(huán)外質(zhì)子處于屏蔽區(qū)，共振移向低場(chǎng)，其化學(xué)位移在7左右：

偶極矩：

2、酸堿性

3、化學(xué)性質(zhì)

（1）穩(wěn)定性

吡咯和呋喃遇強(qiáng)酸時(shí)，雜原子能質(zhì)子化，使芳香大π鍵破壞，從而呈現(xiàn)出共軛二烯的性質(zhì)，能發(fā)生水解、聚合等反應(yīng)，表現(xiàn)出環(huán)的不穩(wěn)定性。噻吩比較穩(wěn)定。環(huán)的穩(wěn)定性為：苯>噻吩>吡咯>呋喃。

（2）親電取代反應(yīng)

三個(gè)雜環(huán)中環(huán)上的電子云密度都比苯大，因而易發(fā)生親電取代反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物以α-取代產(chǎn)物為主。

反應(yīng)活性為：吡咯>呋喃>噻吩》苯。

呋喃和吡咯硝化時(shí)所用的硝乙酐具有爆炸性，需用時(shí)現(xiàn)制。方法：將欲硝化的物質(zhì)溶于乙酐中，冷卻控制溫度滴入硝酸，則按下式生成硝乙酐，并立即發(fā)生硝化反應(yīng)。由此可見(jiàn)，進(jìn)攻2–位所形成的共振雜化體比進(jìn)攻3–位所形成的共振雜化體穩(wěn)定。五元雜環(huán)化合物親電取代反應(yīng)的定位規(guī)律

以噻吩為例：α-位上有取代基β-位上有取代基吡咯和呋喃也遵循上述規(guī)律（3）其他反應(yīng)

吡咯環(huán)很活潑與苯酚類似，還可以發(fā)生如瑞默爾-梯門(mén)反應(yīng)及與重氮鹽偶合：

呋喃的共振能較小，環(huán)的穩(wěn)定性較低，具有共軛二烯的性質(zhì)。如可以發(fā)生雙烯合成反應(yīng)，且易被還原。例如：

糠醛（2-呋喃甲醛）是呋喃的重要衍生物，它具有芳香醛的特性。例如：

4制備二含兩個(gè)雜原子的五元雜環(huán)

1、結(jié)構(gòu)與物理性質(zhì)

氮上的這對(duì)電子可通過(guò)氫鍵與水分子締合，所以五個(gè)唑類水溶度都增大；也可與質(zhì)子成鹽，故堿性增強(qiáng)；還因該氮原子的吸電誘導(dǎo)和吸電共軛，使環(huán)上電子云密度降低，所以，親電取代比苯難。

這五個(gè)唑類化合物的沸點(diǎn)有較大差別，其中吡唑和咪唑沸點(diǎn)較高，這是因?yàn)樗鼈兛梢孕纬煞肿觾?nèi)氫鍵：

2、酸堿性

五個(gè)唑類化合物的堿性都比吡咯強(qiáng)，這是由于它們的結(jié)構(gòu)上多了一個(gè)有未共用電子對(duì)的氮的緣故，但比一般的胺的堿性弱。它們的堿性的強(qiáng)弱又與另一雜原子的電負(fù)性及兩雜原子的相對(duì)位置有關(guān)。例如：堿性強(qiáng)弱順序?yàn)椋喊?gt;咪唑>吡唑>吡咯。一般來(lái)說(shuō)1，3-唑類的堿性比相應(yīng)的1，2-唑類的堿性強(qiáng)，為什么？在這五個(gè)唑類化合物中噁唑類的堿性最弱，為什么？噻唑的堿性比咪唑弱，為什么？在這五個(gè)唑類化合物中咪唑的堿性最強(qiáng)，還由于它與質(zhì)子結(jié)合后的正離子較穩(wěn)定的緣故吡唑和咪唑的酸性也比吡咯強(qiáng),為什么？3、互變異構(gòu)現(xiàn)象

總稱為咪唑-4（5）-磺酸。

又如吡唑的互變異構(gòu)：

總稱為3（5）-吡唑

4、化學(xué)反應(yīng)唑類化合物中因分子中增加了一個(gè)起吸電子作用的氮原子，所以其親電取代反應(yīng)比含一個(gè)雜原子的五元雜環(huán)明顯要低。例如：

三吲哚和嘌呤

1、吲哚

吲哚具有苯并吡咯的結(jié)構(gòu)。稠合后的吲哚比吡啶穩(wěn)定。吲哚是比吡咯還弱的堿。

（1）合成

費(fèi)歇爾合成法是用苯肼與醛或酮先生成苯腙，然后在酸催化下加熱轉(zhuǎn)變成吲哚衍生物。例如：反應(yīng)機(jī)理：

（2）反應(yīng)

親電取代反應(yīng)活性比吡咯低，比苯高，故親電取代反應(yīng)在雜環(huán)上進(jìn)行，反應(yīng)主要在3-位上發(fā)生。

穩(wěn)定的極限式越多，中間體正離子越穩(wěn)定，越易形成。

例如：

2、嘌呤

嘌呤是由咪唑和嘧啶稠合而成，它是兩個(gè)互變異構(gòu)體形成的平衡體系，平衡偏向于9H形式：

嘌呤衍生物廣泛存在于生物體內(nèi)。許多重要的具生理活性的物質(zhì)含嘌呤環(huán)如：

19-3六元雜環(huán)化合物

一吡啶

1、結(jié)構(gòu)及物理性質(zhì)（1）結(jié)構(gòu)

氮的三個(gè)sp2軌道中，有一個(gè)是被未共用電子對(duì)占據(jù)。

吡啶環(huán)上各處的電子云密度是不一樣的。

氮原子的作用類似于苯環(huán)上的硝基，使環(huán)上的電子云密度降低了。這類雜環(huán)又叫“缺π”芳雜環(huán)。表現(xiàn)在性質(zhì)上，親電取代變難，親核取代變易，氧化變難，還原變易；另外，由于氮的未共用電子對(duì)暴露在外，從而具有一定的堿性。（2）物理性質(zhì)

紅外光譜：與苯類似，在3070—3020cm-1有環(huán)上氫的伸縮振動(dòng)，在1600—1500cm-1有芳環(huán)的骨架振動(dòng)。核磁共振氫譜：與苯環(huán)氫（δ=7.27）相比，化學(xué)位移略大。具體為：

2、堿性與親核性

吡啶的堿性比氨、脂肪氨弱得多，但比苯胺強(qiáng)，為什么？吡啶環(huán)上的取代基對(duì)其堿性是有影響的。其規(guī)律與取代基對(duì)苯胺的堿性的影響類似。習(xí)題：按堿性強(qiáng)弱排序：（1）乙胺（2）苯胺（3）吡啶（4）氨

吡啶也可以與路易斯酸作用成鹽。例如：吡啶是良好的親核試劑，能與鹵代烷、酰鹵等反應(yīng)成鹽。例如：

形成的這些吡啶鹽都是一些很好的固體，是活性強(qiáng)而溫和的磺化、烷基化或酰基化試劑。例如：

3、環(huán)上的親電取代反應(yīng)

取代基為什么主要進(jìn)入β位呢？

吡啶與硝基苯一樣不能發(fā)生傅—克反應(yīng)。為什么？

4、環(huán)上的親核取代反應(yīng)當(dāng)在N的鄰或?qū)ξ挥休^好的離去基團(tuán)（如鹵素等）時(shí)，就可以被親核試劑取代。例如：

吡啶環(huán)的親核取代反應(yīng)主要發(fā)生在α-位和γ-位，被取代的可以是氫原子，也可以是易于離去的基團(tuán)。如：

5、氧化與還原反應(yīng)

與苯環(huán)類似，吡啶本身很難被氧化，但烷基吡啶可被氧化成羧酸。例如：吡啶與過(guò)氧酸作用時(shí)，能生成——吡啶N-氧化物：吡啶N-氧化物是一個(gè)在合成上很用的中間體，它既易發(fā)生親電取代，同時(shí)也易發(fā)生親核取代，而且取代反應(yīng)都發(fā)生在2、4位。例如：

吡啶N-氧化物用三氯化磷或其他方法處理又可得到吡啶。

吡啶的還原反應(yīng)比苯容易。還原產(chǎn)物為哌啶。

α-甲基吡啶和γ-甲基吡啶

吡啶同系物中以甲基吡啶最為重要，它有三個(gè)異構(gòu)體：

甲基吡啶的側(cè)鏈甲基的活潑性與硝基甲苯中的甲基相似，具有一定的酸性。因此，在強(qiáng)堿的催化下可進(jìn)行縮合反應(yīng)，且主要發(fā)生在α-位和γ-位。如：

甲基吡啶那么為什么α-位、γ-位的側(cè)鏈氫酸性強(qiáng)？

β-甲基吡啶二喹啉和異喹啉

1、結(jié)構(gòu)

與吡啶類似，氮上的未共用電子對(duì)在雜化軌道上，所以，堿性接近吡啶，化學(xué)反應(yīng)也類似于吡啶。

2、親電取代反應(yīng)

親電取代反應(yīng)比吡啶容易，比萘難，主要發(fā)生在苯環(huán)上的5和8位。例如：

3、親核取代反應(yīng)

親核取代反應(yīng)也吡啶容易，主要發(fā)生在吡啶環(huán)上的2位。例如：

4、氧化還原反應(yīng)

氧化或還原反應(yīng)都比苯容易些。氧化一般發(fā)生在苯環(huán)上，而還原則一般發(fā)生在吡啶環(huán)上。例如：

5、喹啉的合成斯克勞普（Z.H.Skraup）合成法:將苯胺與無(wú)水甘油、硝基苯、硫酸等共熱，即可得喹啉：

反應(yīng)歷程：

若以α、β不飽和醛酮與取代的苯胺作用，則可得到喹啉衍生物。也可用磷酸等其他酸代替硫酸。例如：

習(xí)題：寫(xiě)出反應(yīng)產(chǎn)物（三）含氧六元雜環(huán)

吡喃本身不具有芳香性，是不穩(wěn)定的化合物。但吡喃酮?jiǎng)t可以穩(wěn)定存在。α-吡喃酮是一不飽和內(nèi)酯，而γ-吡喃酮可看作插烯內(nèi)酯，因此，它們不具有羰基的典型性質(zhì)，如不能反應(yīng)成肟等。

吡喃酮可以在堿性條件下發(fā)生酯的水解而開(kāi)環(huán)。例如：

成鹽后類似于苯酚，可以發(fā)生類似苯酚的反應(yīng)。如，甲基化：γ-吡喃酮與無(wú)機(jī)酸作用能形成穩(wěn)定的羊鹽:四含兩個(gè)氮原子的六元雜環(huán)

它們的電子構(gòu)型與吡啶中的氮相同，各有一對(duì)電子在sp2雜化軌道上，但一個(gè)氮原子與酸作用質(zhì)子化后，使吸電性大大增加，另一個(gè)氮原子就很難質(zhì)子化，故它們都是一元堿。并且由于兩個(gè)氮原子的相互影響，堿性都比吡啶弱。二嗪環(huán)上有兩個(gè)氮原子，所以與吡啶比較，親電反應(yīng)更難，但親核反應(yīng)則容易些。

親電取代反應(yīng)：由于兩個(gè)氮原子的強(qiáng)吸電子作用，親電反應(yīng)很難，尤其是2、4、6位。5位對(duì)兩個(gè)氮都是間位，電子云密度降低最少，是唯一能發(fā)生親電取代的位置。嘧啶一般不發(fā)生硝化、磺化等反應(yīng)，但能發(fā)生鹵代反應(yīng)，鹵素主要進(jìn)入5位。如：

當(dāng)環(huán)上2、4、6位等有強(qiáng)供電子基團(tuán)時(shí)，則嘧啶也能發(fā)生硝化、磺化等。如：親核取代反應(yīng)：主要發(fā)生在環(huán)上電子云密度比較低的2、4、6位。例如：嘧啶的合成：

主要是用1，3-二羰基化合物與二胺縮合。常用的二胺：尿素、硫脲、胍、脒等常用的1，3-二羰基化合物：丙二酸酯、β-酮酸、β-二酮、氰乙酸酯等。其一般式為：例如：丙二醛與尿素縮合：丙二酸酯與尿素在乙醇鈉作用下可得巴比妥酸，然后將巴比妥酸用三氯化磷處理，羥基均被氯取代，再用氫碘酸還原或催化氫解除掉氯，得嘧啶：氰乙酸酯、硫脲也可發(fā)生類似的反應(yīng)生成嘧啶衍生物：習(xí)題：1、命名2、完成反應(yīng)

參考答案：1、命名3-甲基四氫呋喃N-苯基-4-硝基咪唑8-羥基-7-碘喹啉-5-磺酸2，6-二羥基嘌呤4-乙基-5-(4-氯苯基)-2,6-二氨