第16章雜環(huán)化合物

1、遼寧中醫(yī)藥大學(xué)杏林學(xué)院講稿課程名稱：有機化學(xué)第十六章 雜環(huán)化合物教學(xué)目的：1. 掌握雜環(huán)化合物的分類和命名。2理解雜環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)與芳香性。3. 掌握五元雜環(huán)化合物的化學(xué)性質(zhì)。教學(xué)重點：雜環(huán)化合物命名；結(jié)構(gòu)與芳香性；五元雜環(huán)化合物的化學(xué)性質(zhì)教學(xué)難點：雜環(huán)化合物結(jié)構(gòu)與芳香性；化學(xué)性質(zhì)教學(xué)方法 采用模型、多媒體課件和板書相結(jié)合的課堂講授方法。引言雜環(huán)化合物是指組成環(huán)的原子中含有除碳以外的原子(雜原子常見的是N、O、S等)的環(huán)狀化合物。 雜環(huán)化合物不包括極易開環(huán)的含雜原子的環(huán)狀化合物，例如：本章我們只討論芳香族雜環(huán)化合物。雜環(huán)化合物是一大類有機物，占已知有機物的三分之一。 年 月 日 x0404-0

2、8遼寧中醫(yī)藥大學(xué)杏林學(xué)院講稿課程名稱：有機化學(xué)環(huán)化合物在自然界分布很廣、功用很多。例如，中草藥的有效成分生物堿大多是雜環(huán)化合物；動植物體內(nèi)起重要生理作用的血紅素、葉綠素、核酸的堿基都是含氮雜環(huán)；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(huán)。 §16.1  雜環(huán)化合物的分類雜環(huán)大體可分為：單雜環(huán)和稠雜環(huán)兩類。 稠雜環(huán)是由苯環(huán)與單雜環(huán)或有兩個以上單雜環(huán)稠并而成。  §16.2  雜環(huán)化合物的命名雜環(huán)的命名常用音譯法，是按外文名稱的音譯，并加口字旁，表示為環(huán)狀化合物。如雜環(huán)上有取代基時，取代基的位次從雜原子算起用1，2，3

3、，4，5 年 月 日 x0404-08遼寧中醫(yī)藥大學(xué)杏林學(xué)院講稿課程名稱：有機化學(xué)（或可將雜原子旁的碳原子依次編為 , , ） 來編號。 如雜環(huán)上不止一個雜原子時，則從O,S,N 順序依次編號，編號時雜原子的位次數(shù)字之和應(yīng)最小： 五元雜環(huán)中含有兩個雜原子的體系叫唑（azole）當環(huán)上有取代基時，取代基的位次從雜原子算起依次用1，2，3， (或，)編號。如雜環(huán)上不止一個雜原子時，則從O、S、N順序依次編號。編號時雜原子的位次數(shù)字之和應(yīng)最小。 §16.3 五元雜環(huán)化合物一、 呋喃、噻吩、吡咯含一個雜原子的典型五元雜環(huán)化合物是呋喃、噻吩和吡咯。含兩個雜原子的有噻唑、咪唑

4、和吡唑。本節(jié)重點討論呋喃、噻吩和吡咯，簡單介紹一下噻唑、咪唑和吡唑。 年 月 日 x0404-08遼寧中醫(yī)藥大學(xué)杏林學(xué)院講稿課程名稱：有機化學(xué)1雜環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)與芳香性呋喃、噻吩、吡咯在結(jié)構(gòu)上具有共同點，即構(gòu)成環(huán)的五個原子都為sp2雜化，故成環(huán)的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，其電子數(shù)符合休克爾規(guī)則（電子數(shù) = 4n+2），所以，它們都具有芳香性。吡啶的結(jié)構(gòu) 由于吡啶環(huán)的N上在環(huán)外有一孤對電子，故吡啶環(huán)上的電荷分布不均。 年 月 日 x0404-08遼寧中醫(yī)藥大學(xué)杏林學(xué)院講稿課程名稱：有機化學(xué)2物理性質(zhì) 光譜性質(zhì) 呋喃，噻分，吡咯的電子結(jié)構(gòu)和光譜性質(zhì)。 電子結(jié)構(gòu)：

5、這三個雜環(huán)化合物中，碳原子和雜原子均以sp2雜化軌道互相連接成健，并且在一個平面上，每個碳原子及雜原子上均有一個p軌道互相平行，在碳原子的p軌道中有一個p電子，在雜原子的p軌道中有兩個p電子，形成一個環(huán)形的封閉的電子的共軛體系。這與休克爾的4n+2規(guī)則相符，因此這些雜環(huán)或多或少的具有與苯類似的性質(zhì)，故稱之為芳香雜環(huán)化合物。 芳香性大小,試驗結(jié)果表明:   光譜性質(zhì)：IR: c-H = 30773003cm-1,N-H = 35003200 cm-1 (在非極性溶劑的稀溶液中，在3495 cm-1，有一尖峰。在濃溶液中則于3400 cm-1,有一尖峰。在濃和淡的中間濃度時，兩種譜帶都有

6、),雜環(huán)CC伸縮振動:16001300 cm-1 （有二至四個譜帶）。 年 月 日 x0404-08遼寧中醫(yī)藥大學(xué)杏林學(xué)院講稿課程名稱：有機化學(xué)NMR：這些雜環(huán)化合物形成封閉的芳香封閉體系，與苯環(huán)類似，在核磁共振譜上，由于外磁場的作用而誘導(dǎo)出一個繞環(huán)轉(zhuǎn)的環(huán)電流，此環(huán)電流可產(chǎn)生一個和外界磁場方向相反的感應(yīng)磁場，在環(huán)外的質(zhì)子，處在感應(yīng)磁場回來的磁力線上，和外界磁場方向一致，在去屏蔽區(qū)域，故環(huán)上氫吸收峰移向低場?；瘜W(xué)位移一般在7ppm左右。 呋喃：H =7.42ppm H =6.37ppm 噻吩：H =7.30ppm H =7.10ppm 吡咯：H =6.68ppm H =6.22ppm 3化學(xué)性質(zhì)

7、（1）親電取代反應(yīng)從結(jié)構(gòu)上分析，五元雜環(huán)為56共軛體系，電荷密度比苯大，如以苯環(huán)上碳原子的電荷密度為標準（作為0），則五元雜環(huán)化合物的有效電荷分布為： 五元雜環(huán)有芳香性，但其芳香性不如苯環(huán)，因環(huán)上的電子云密度比苯環(huán)大，且分布不勻，它們在親電取代反應(yīng)中的速率也比要苯快得多。親電取代反應(yīng)的活性為： 吡咯 > 呋喃 > 噻吩 > 苯，主要進入-位。 年 月 日 x0404-08遼寧中醫(yī)藥大學(xué)杏林學(xué)院講稿課程名稱：有機化學(xué)五元雜環(huán)吡咯、呋喃、噻吩的反應(yīng)實例見P555556 說明：吡咯、呋喃、噻吩的親電取代反應(yīng)，對試劑及反應(yīng)條件必須有所選擇和控制。鹵代反應(yīng) 不需要催化劑，要在較低溫度和

8、進行。 硝化反應(yīng) 不能用混酸硝化，一般是用乙?；跛狨?CH3COONO2)作硝化試劑，在低溫下進行?；腔磻?yīng) 呋喃、吡咯不能用濃硫酸磺化，要用特殊的磺化試劑吡啶三氧化硫的絡(luò)合物，噻吩可直接用濃硫酸磺化。（2）加氫反應(yīng)（3）呋喃、吡咯的特性反應(yīng)A、呋喃易起D-A反應(yīng)吡咯、噻吩要在特定條件下才能發(fā)生D-A反應(yīng)。 年 月 日 x0404-08遼寧中醫(yī)藥大學(xué)杏林學(xué)院講稿課程名稱：有機化學(xué)B、吡咯的弱酸性和弱堿性吡咯雖然是一個仲胺，但堿性很弱。吡咯具有弱酸性，（其酸性介與乙醇和苯酚之間。故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RH而生成吡咯鹵化鎂。吡咯鉀鹽和吡咯鹵化鎂都可用來合成吡咯衍生

9、物。 年 月 日 x0404-08遼寧中醫(yī)藥大學(xué)杏林學(xué)院講稿課程名稱：有機化學(xué)4重要的五元雜環(huán)衍生物糠醛（- 呋喃甲醛）（1）制備由農(nóng)副產(chǎn)品如甘蔗雜渣、花生殼、高粱桿、棉子殼用稀酸加熱蒸煮制取。（2）糠醛的性質(zhì) 同有-H的醛的一般性質(zhì)。A、氧化還原反應(yīng)B、歧化反應(yīng)C、羥醛縮合反應(yīng)D、安息香縮合反應(yīng) 年 月 日 x0404-08遼寧中醫(yī)藥大學(xué)杏林學(xué)院講稿課程名稱：有機化學(xué)（3）糠醛的用途糠醛是良好的溶劑，常用作精練石油的溶劑，以溶解含硫物質(zhì)及環(huán)烷烴等。可用于精制松香，脫出色素，溶解硝酸纖維素等?？啡V泛用于油漆及樹脂工業(yè)。5吡咯的重要衍生物最重要的吡咯衍生物是含有四個吡咯環(huán)和四個次甲基(-CH=

10、 )交替相連組成的大環(huán)化合物。其取代物稱為卟啉族化合物。卟啉族化合物廣泛分布與自然界。血紅素，葉綠素都是含 環(huán)的卟啉族化合物。在血紅素中 環(huán)絡(luò)合的是Fe，葉綠素 環(huán)絡(luò)合的是Mg。血紅素的功能是運載輸送氧氣（P564）葉綠素是植物光合作用的能源。1964年，Woodward用55步合成了葉綠素。1965年接著合成VB12，用11年時間完成了全合成。 Woodward一生人工合成了20多種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的有機化合物，是當之無愧的有機合成大師。 年 月 日 x0404-08遼寧中醫(yī)藥大學(xué)杏林學(xué)院講稿課程名稱：有機化學(xué)§16.4 六元雜環(huán)化合物 六元雜環(huán)化合物中最重要的有吡啶、嘧啶和吡喃

11、等。 吡啶是重要的有機堿試劑，嘧啶是組成核糖核酸的重要生物堿母體。一、吡啶1 來源、制法和應(yīng)用 吡啶存在于煤焦油頁巖油和骨焦油中，吡啶衍生物廣泛存在于自然界，例如，植物所含的生物堿不少都具有吡啶環(huán)結(jié)構(gòu)，維生素PP、維生素B6、輔酶及輔酶也含有吡啶環(huán)。吡啶是重要的有機合成原料（如合成藥物）、良好的有機溶劑和有機合成催化劑。 吡啶的工業(yè)制法可由糠醇與氨共熱（500）制得，也可從乙炔制備（P565）。 吡啶為有特殊臭味的無色液體，沸點115.5，相對密度0.982，可與水、乙醇、乙醚等任意混和。2 吡啶的性質(zhì) 年 月 日 x0404-08遼寧中醫(yī)藥大學(xué)杏林學(xué)院講稿課程名稱：有機化學(xué)（1）堿性與成鹽吡

12、啶的環(huán)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。吡啶的堿性小于氨大于苯胺。吡啶易與酸和活潑的鹵代物成鹽。（2）親電取代反應(yīng)吡啶環(huán)上氮原子為吸電子基，故吡啶環(huán)屬于缺電子的芳雜環(huán)，和硝基苯相似。其親電取代反應(yīng)很不活潑，反應(yīng)條件要求很高，不起傅-克烷基化和酰基化反應(yīng)。親電取代 反應(yīng)主要在-位上。 年 月 日 x0404-08遼寧中醫(yī)藥大學(xué)杏林學(xué)院講稿課程名稱：有機化學(xué)（3）氧化還原反應(yīng)A、氧化反應(yīng)吡啶環(huán)對氧化劑穩(wěn)定，一般不被酸性高錳酸鉀、酸性重鉻酸鉀氧化，通常是側(cè)鏈烴基被氧化成羧酸。 吡啶易被過氧化物（過氧乙酸、過氧化氫等）氧化生成氧化吡啶。氧化吡啶在有機合成中用于合成4-取代吡啶化

13、合物。 年 月 日 x0404-08遼寧中醫(yī)藥大學(xué)杏林學(xué)院講稿課程名稱：有機化學(xué)B、還原反應(yīng)吡啶比苯易還原，用鈉加乙醇、催化加氫均使吡啶還原為六氫吡啶（即胡椒啶）。（4）親核取代由于吡啶環(huán)上的電荷密度降低，且分布不均，故可發(fā)生親核取代反應(yīng)。例如：§16.5 稠雜環(huán)化合物 稠雜環(huán)化合物是指苯環(huán)與雜環(huán)稠合或雜環(huán)與雜環(huán)稠合在一起的化合物。常見的有喹啉、吲哚和嘌呤。 1吲哚 吲哚是白色結(jié)晶，熔點52.5。極稀溶液有香味，可用作香料，濃的吲哚溶液有糞臭味。素馨花、柑桔花中含 年 月 日 x0404-08遼寧中醫(yī)藥大學(xué)杏林學(xué)院講稿課程名稱：有機化學(xué)有吲哚。吲哚環(huán)的衍生物廣泛存在于動植物

14、體內(nèi)，與人類的生命、生活有密切的關(guān)系。 吲哚的性質(zhì)與吡咯相似，也可發(fā)生親電取代反應(yīng)，取代基進入-位。見P563。 年 月 日 x0404-08遼寧中醫(yī)藥大學(xué)杏林學(xué)院講稿課程名稱：有機化學(xué)2.喹啉喹啉存在于煤焦油中，為無色油狀液體，放置時逐漸變成黃色，沸點238.05，有惡臭味，難溶于水。能與大多數(shù)有機溶劑混溶，是一種高沸點溶劑。（1）喹啉的性質(zhì) 取代反應(yīng) 喹啉是有吡啶稠合而成的，由于吡啶環(huán)的電子云密度低于與之并聯(lián)的苯環(huán)，所以喹啉的親電取代反應(yīng)發(fā)生在電子云密度較大的苯環(huán)上，取代基主要進入5或8位。而親核取代則主要發(fā)生在吡啶環(huán)的2或4位。 年 月 日 x0404-08遼寧中醫(yī)藥大學(xué)杏林學(xué)院講稿課程名稱：有機化學(xué)氧化還原反應(yīng)喹啉用高錳酸鉀氧化時，苯環(huán)發(fā)生破裂，用鈉和乙醇還原是其吡啶環(huán)被還原，這說明在喹啉分子中吡啶環(huán)比苯環(huán)難氧化，易還原。(2)喹啉環(huán)的合成法斯克勞普（Skraup）法：喹啉的合成方法有多