有機(jī)化學(xué)第三版(胡宏紋)第十五章 雜環(huán)化合物1

1、1第十五章第十五章 雜環(huán)化合物雜環(huán)化合物1.了解雜環(huán)化合物的分類和命名了解雜環(huán)化合物的分類和命名2.掌握五元雜環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)掌握五元雜環(huán)化合物的結(jié)構(gòu) 及性質(zhì)特征及性質(zhì)特征3.了解六元雜環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)了解六元雜環(huán)化合物的結(jié)構(gòu) 及性質(zhì)特征及性質(zhì)特征教學(xué)要求：教學(xué)要求：2含有雜原子的環(huán)狀有機(jī)化合物稱為雜環(huán)化合物含有雜原子的環(huán)狀有機(jī)化合物稱為雜環(huán)化合物本章要討論的是具有芳香結(jié)構(gòu)（閉合共軛體系）和一定程度本章要討論的是具有芳香結(jié)構(gòu)（閉合共軛體系）和一定程度穩(wěn)定性的雜環(huán)化合物，即芳雜環(huán)化合物穩(wěn)定性的雜環(huán)化合物，即芳雜環(huán)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(huán)

2、狀化合物，但其性質(zhì)與從形式上看，它們都是含雜原子的環(huán)狀化合物，但其性質(zhì)與相應(yīng)的開鏈化合物相似相應(yīng)的開鏈化合物相似OO內(nèi)酯內(nèi)酯ONH內(nèi)酰胺內(nèi)酰胺OOO環(huán)狀酸酐環(huán)狀酸酐CH2CH2O環(huán)氧化合物環(huán)氧化合物3一一 、分類、分類二、命名二、命名第一節(jié)第一節(jié) 分類和命名分類和命名分類分類單雜環(huán)單雜環(huán)稠雜環(huán)稠雜環(huán)五元雜環(huán)五元雜環(huán)六元雜環(huán)六元雜環(huán)OSNNNNNN利用國際通用名稱譯音，加口旁以表示是雜環(huán)化合物利用國際通用名稱譯音，加口旁以表示是雜環(huán)化合物1. 音譯法音譯法4 這種方法的優(yōu)點(diǎn)是比較簡單，缺點(diǎn)是遇到字音相近的字這種方法的優(yōu)點(diǎn)是比較簡單，缺點(diǎn)是遇到字音相近的字比較難譯，并且譯出的名字與結(jié)構(gòu)沒有聯(lián)系比較

3、難譯，并且譯出的名字與結(jié)構(gòu)沒有聯(lián)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(diǎn)是法的缺點(diǎn)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(huán)母核）（碳環(huán)母核）苯苯（碳環(huán)母核）（碳環(huán)母核）萘萘（碳環(huán)母核）（碳環(huán)母核）2. 根據(jù)相應(yīng)碳環(huán)母核命名根據(jù)相應(yīng)碳環(huán)母核命名 把雜環(huán)當(dāng)作是相應(yīng)的碳環(huán)中碳原子被雜原子置換而形

4、把雜環(huán)當(dāng)作是相應(yīng)的碳環(huán)中碳原子被雜原子置換而形成的，命名時(shí)在碳環(huán)母體名稱前加成的，命名時(shí)在碳環(huán)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(huán)上有取代基時(shí)，應(yīng)以雜環(huán)為母體，將雜環(huán)母核編號(hào)環(huán)上有取代基時(shí)，應(yīng)以雜環(huán)為母體，將雜環(huán)母核編號(hào)編號(hào)原則編號(hào)原則 雜原子編號(hào)最?。磸碾s原子開始編號(hào)）；雜原子編號(hào)最?。磸碾s原子開始編號(hào)）； 環(huán)上含兩個(gè)以上相同雜原子時(shí)，應(yīng)使雜原子的環(huán)上含兩個(gè)以上相同雜原子時(shí)，應(yīng)使雜原子的 編號(hào)最小（一般從連有取代基的雜原子開始）；編號(hào)最?。ㄒ话銖倪B有取代基的雜原子開始）； 環(huán)上有不同雜原子時(shí)，按環(huán)上有不同雜原子時(shí)

5、，按O、S、N的順序編號(hào)；的順序編號(hào)； 盡可能使連有取代基的碳原子編號(hào)最小。盡可能使連有取代基的碳原子編號(hào)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(huán)有呋喃、噻吩、吡咯。它們是最重要的典型的五元雜環(huán)有呋喃、噻吩、吡咯。它們是最重要的含一個(gè)雜原子的五

6、元環(huán)化合物。它們的重要性不在于它們的含一個(gè)雜原子的五元環(huán)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(yè)原料，有些具有重要的生理作用有些是重要的工業(yè)原料，有些具有重要的生理作用第二節(jié)第二節(jié) 五元雜環(huán)化合物五元雜環(huán)化合物一、一、 結(jié)構(gòu)與芳香性結(jié)構(gòu)與芳香性 物理方法證明：呋喃、噻吩、吡咯都是平面結(jié)構(gòu)物理方法證明：呋喃、噻吩、吡咯都是平面結(jié)構(gòu)環(huán)上所有原子都是環(huán)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(gè)

7、電子，雜原子的軌道中有一個(gè)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(guī)則休克爾規(guī)則，故三個(gè)雜環(huán)均具有故三個(gè)雜環(huán)均具有芳香性芳香性體系中體系中電子數(shù)：電子數(shù)： 4 + 2 = 6 O呋喃的分子結(jié)構(gòu)呋喃的分子結(jié)構(gòu)NH 吡咯的分子結(jié)構(gòu)吡咯的分子結(jié)構(gòu)S噻吩的分子結(jié)構(gòu)噻吩的分子結(jié)構(gòu)（富電子環(huán)）（富電子環(huán)）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(huán)，反應(yīng)活性于富電子環(huán)，反應(yīng)活性主要體現(xiàn)在親電取代和主要體現(xiàn)在親電取代和加成方面加成方面芳香性與穩(wěn)定性芳香性與穩(wěn)定性: OSN電負(fù)性電負(fù)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(huán)雜環(huán) 苯環(huán)苯環(huán)穩(wěn)穩(wěn) 定定 性性 ：雜環(huán)雜環(huán) 苯環(huán)苯環(huán)芳芳 香香 性：性： 雜環(huán)雜環(huán) 苯環(huán)苯環(huán)反反 應(yīng)應(yīng) 活活

9、性：性：雜環(huán)雜環(huán) 苯環(huán)苯環(huán)雜原子電負(fù)性大小：雜原子電負(fù)性大?。憾?、二、 化學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)121. 親電取代反應(yīng)親電取代反應(yīng)親電試劑進(jìn)攻發(fā)生在親電試劑進(jìn)攻發(fā)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(fā)生鹵代、硝化、磺呋喃、噻吩、吡咯能像苯一樣發(fā)生鹵代、硝化、磺化、付克反應(yīng)等一系列芳香族化合物的特征親電取代反化、付克反應(yīng)等一系列芳香族化合物的特征親電取代反應(yīng)，由于它們是富電子雜環(huán)，所以比苯更容易發(fā)生親電應(yīng)，由于它們是富電子雜環(huán)，所以比苯更容易發(fā)生親電取代反應(yīng)取代反應(yīng)溴化反應(yīng)溴化反應(yīng) 相對速率相對速率反應(yīng)活性相對次序是反應(yīng)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(yīng)鹵代反應(yīng)吡咯、呋喃、噻吩很容易發(fā)生鹵代反應(yīng)，氯代、溴代不但吡咯、呋喃、噻吩很容易發(fā)生鹵代反應(yīng)，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(yīng)活性最大，在低溫下進(jìn)行，一般得多鹵產(chǎn)物吡咯反應(yīng)活性最大，在低溫下進(jìn)行，一般得多鹵產(chǎn)物N+ Br20 C2H5OHN-Br-BrBr-Br-四溴吡咯四溴吡咯 呋喃與呋喃與 Br2 反應(yīng)也很激烈，在反應(yīng)也很激烈，在 0 與與 Br2在二氧六環(huán)存在在二氧六環(huán)存在下反應(yīng)得一溴代產(chǎn)物

11、，與下反應(yīng)得一溴代產(chǎn)物，與 Cl2 在在 40 下反應(yīng)得混合產(chǎn)物。下反應(yīng)得混合產(chǎn)物。O+ Br2O-Br0 OO2-溴呋喃溴呋喃80%14噻吩溴化可在室溫下進(jìn)行，得一溴代產(chǎn)物噻吩溴化可在室溫下進(jìn)行，得一溴代產(chǎn)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(yīng)硝化反應(yīng)五元雜環(huán)化合物與硝酸（強(qiáng)氧化劑）反應(yīng)，得不到預(yù)期產(chǎn)物，五元雜環(huán)化合物與硝酸（強(qiáng)氧化劑）反應(yīng)，得不到預(yù)期產(chǎn)物，而是芳環(huán)被破壞。因此它們硝化反應(yīng)必須在溫和條件下，采而是芳環(huán)被破壞。因此它們硝化反應(yīng)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(yīng)磺化反應(yīng) 吡咯、呋喃不能直接用硫酸磺化，因?yàn)樗鼈冊跐饬蛩嶂羞量?、呋喃不能直接用硫酸磺化，因?yàn)樗鼈冊跐饬蛩嶂胁环€(wěn)定，會(huì)發(fā)生聚合，通常用一種溫和的磺化劑不穩(wěn)定，會(huì)發(fā)生聚合，通常用一種溫和的磺化劑 吡啶吡啶三氧化硫進(jìn)行磺化三氧化硫進(jìn)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(wěn)定，既可以用硫酸在室溫下直接磺化（產(chǎn)噻吩比較穩(wěn)定，既可以用硫酸在室溫下直接磺化（產(chǎn)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(yīng)傅克反應(yīng)五元雜環(huán)化合物?；瘯r(shí)，需要較溫和的催化劑甚至不用催化劑五元雜環(huán)化合物?；瘯r(shí)，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?；量┎挥么呋瘎┛梢灾苯吁；疦-COCH3N + (CH3CO)2OHH60%150

15、 160 2-乙?；量┮阴；量┻秽c酸酐或酰氯在催化劑作用下發(fā)生酰基化反應(yīng)呋喃與酸酐或酰氯在催化劑作用下發(fā)生?；磻?yīng)O + (CH3CO)2OBF3O-COCH375%92%2-乙?；秽阴；秽ɑ颍ɑ駽H3COCl）噻吩?；磻?yīng)要用磷酸或氯化錫作催化劑噻吩酰化反應(yīng)要用磷酸或氯化錫作催化劑S-COCH370%S + (CH3CO)2OH2PO4或或SnCl42-乙?；绶砸阴；绶?9呋喃、噻吩、吡咯進(jìn)行烷基化反應(yīng)很難得到一烷基取代物，呋喃、噻吩、吡咯進(jìn)行烷基化反應(yīng)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(chǎn)生樹脂往往生成混合的多烷基取代物，甚至不可避免地產(chǎn)生樹

16、脂狀物質(zhì)，因此用途不大狀物質(zhì)，因此用途不大2. 加成反應(yīng)加成反應(yīng)呋喃、噻吩、吡咯分子中都有一個(gè)順丁二烯型結(jié)構(gòu)，因此呋喃、噻吩、吡咯分子中都有一個(gè)順丁二烯型結(jié)構(gòu)，因此它們又具有不飽和性質(zhì)，其不飽和性可用共振能來衡量。它們又具有不飽和性質(zhì)，其不飽和性可用共振能來衡量。它們的穩(wěn)定性和不飽和性有如下順序：它們的穩(wěn)定性和不飽和性有如下順序：穩(wěn)定性降低、不飽和性增加穩(wěn)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(yīng)是標(biāo)志化合物不飽和性的最典型反應(yīng)加成反應(yīng)是標(biāo)志化合物不飽和性的最典型反應(yīng)20三種雜環(huán)化合物都能像環(huán)戊二烯分子一樣催化加氫生成相

17、三種雜環(huán)化合物都能像環(huán)戊二烯分子一樣催化加氫生成相應(yīng)的飽和化合物應(yīng)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(huán)的穩(wěn)定性也較低，能發(fā)生雙烯合成呋喃芳香性最小，環(huán)的穩(wěn)定性也較低，能發(fā)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(fā)生類似的反應(yīng)吡咯也可以與苯炔、丁炔二酸發(fā)生類似的反應(yīng)+N-HN-H-COOH-COOHC-COOHC-COOH噻吩的芳香性較大，環(huán)比較穩(wěn)定，難發(fā)生雙烯合成噻吩的芳香性較大，環(huán)比較穩(wěn)定，難發(fā)生雙烯合成22NH. 氮上電子

18、云少，氮上電子云少，H 易離解，顯一易離解，顯一定的酸性定的酸性氮上孤電子對參與環(huán)內(nèi)共軛，氮上孤電子對參與環(huán)內(nèi)共軛，堿性減弱，比苯胺還弱，難堿性減弱，比苯胺還弱，難以與酸結(jié)合以與酸結(jié)合NHR-OH-OH 酸性：酸性：pka： 10 15 18 MgXNHN+ RMgX + RH NH+ KOH + H2O NK+-吡咯鉀鹽吡咯鉀鹽3. 吡咯的弱堿性、弱酸性吡咯的弱堿性、弱酸性23三、制備方法三、制備方法常用糠醛（常用糠醛（- 呋喃甲醛）脫羰基制備呋喃呋喃甲醛）脫羰基制備呋喃O-CHO+ H2OO+ CO2ZnO-Cr2O3-MnO2400 415噻吩可用丁烷與硫、丁稀與二氧化硫在高溫下反應(yīng)制得

19、噻吩可用丁烷與硫、丁稀與二氧化硫在高溫下反應(yīng)制得S+ 4 S+ 3 H2SCH2CH2CH3CH3600 650CH2=CH-CH2CH3CH3-CH=CH-CH3+ SO2S高溫高溫呋喃和氨在高溫下反應(yīng)制得吡咯呋喃和氨在高溫下反應(yīng)制得吡咯NO+ NH3+ H2O430 Al2O324一、一、 吡啶吡啶1. 存在與結(jié)構(gòu)存在與結(jié)構(gòu) 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(jié)第三節(jié) 六元雜環(huán)化合物六元雜環(huán)化合物六元雜環(huán)化合物中最重要的有吡啶和嘧啶：六元雜環(huán)化合

20、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(jié)構(gòu)吡啶結(jié)構(gòu)與苯相似與苯相似N SP2 雜化雜化25N1.430.841.011.010.840.87 電子云的分布電子云的分布26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(shù)據(jù)也可以證明吡啶的芳香性核磁共振數(shù)據(jù)也可以證明吡啶的芳香性吡啶環(huán)上的氫的吡啶環(huán)上的氫的H NMR 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)NHHH8.50 ppm6.98 ppm7.36 ppm吡啶環(huán)是具有吡啶環(huán)是具有6個(gè)個(gè)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=

21、0 D= 2.26 D= 1.81 DNH =1.17D 272. 化學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)吡啶的化學(xué)性質(zhì)體現(xiàn)在芳環(huán)的取代反應(yīng)（包括親核、親電）吡啶的化學(xué)性質(zhì)體現(xiàn)在芳環(huán)的取代反應(yīng)（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(huán)的共軛，它像叔胺一樣這對電子可以接受質(zhì)對電子不參與環(huán)的共軛，它像叔胺一樣這對電子可以接受質(zhì)子，具有堿性。但堿性弱于叔胺，強(qiáng)于吡咯子，具有堿性。但堿性弱于叔胺，強(qiáng)于吡咯堿性：堿性：叔胺叔胺 吡啶吡啶 吡咯

22、吡咯NNH叔胺叔胺NH2pKb: 4 8.8 9.37 14堿性增強(qiáng)堿性增強(qiáng)28N+ 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(yīng)形成吡啶鹽等親核試劑反應(yīng)形成吡啶鹽N+ Br2N Br -+BrN+ CH3IN I -+CH3三級(jí)胺三級(jí)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29 親電取代反應(yīng)親電取代反應(yīng)氮原子的吸電子作用降低了環(huán)上碳原子的電子云密度，與氮原子的吸電子作用降低了環(huán)上碳原子的電子云密度，與富電子芳雜環(huán)的呋喃、吡咯和噻吩相反，親電取代反應(yīng)比富電子芳雜環(huán)的呋喃、吡咯和噻吩相反，親電取