资源描述
v对于环状化合物，参与成环的原子除碳以外还有其它原子（即杂原子），这样的化合物称为杂环化合物(heterocycles),这些非碳原子叫杂原子。v有些杂环化合物属于非芳香性化合物，它们与带有杂原子的脂肪族化合物性质类似.v有些杂环化合物具有一定芳香性，它们在性质上与一般的醚、胺有较大的区别。这些化合物是平面形的，电子数符合4n+2规则，所以称为芳杂环化合物芳杂环化合物。14.1 14.1 杂环化合物的分类与命名杂环化合物的分类与命名v根据环的大小，可将杂环化合物分为三元、四元、五元、六元和七元杂环等类型。v杂环化合物还有单环和稠环之分，稠杂环是由苯环（或单杂环）与一个（或多个）单杂环稠合而成的。根据IUPAC推荐的通用名，以中文译音的方法来命名，即按英文名称译音，选用同音汉字，并以“口”字旁表示为杂环化合物。目前，我国主要采用音译法。呋喃(funan)噻吩(thiophene)吡咯(pyrrole)咪唑(imidazole)吡唑(pyrazole)噻唑(thiazole)噁唑(oxazole)1,2,3-三氮唑1,2,4-三氮唑四氮唑(1,2,3-triazole)(1,2,4-triazole)(tetrazole)吡啶(pyridine)哒嗪(pyridazine)嘧啶(pyrimidine)吡嗪(pyrazine)1,2,3-三嗪1,2,4-三嗪1,3,5-三嗪(1,2,3-triazine)(1,2,4-triazine)(1,3,5-triazine)苯并呋喃苯并噻吩吲哚苯并咪唑(benzofuran)(thionaphthene)(indole)(benzoimidazole)稠杂环化合物苯并三唑(benzotriazole)苯并噻唑(benzothiazole)苯并噁唑(benzoxazole)嘌呤(purine)喹啉(quinoline)异喹啉(isoquinoline)酞嗪(phthalazine)v环上有取代基时，以杂环为母体将杂环上的原子编号，一般从杂原子编起，用阿拉伯数字表示顺序。对于含一个杂原子的杂环，也可将杂原子旁的碳原子依次用、表示。含有多个杂原子时，应使杂原子所处位次的数字最小，并按氧、硫、氮的次序编号5-甲基-4-乙基口恶唑（-甲基咪唑）2-甲基咪唑4-氨基吡啶（-氨基吡啶）8-羟基喹啉14.2 14.2 呋喃、噻吩和吡咯呋喃、噻吩和吡咯v五元杂环化合物是呋喃、噻吩和吡咯，v所有原子均为sp2杂化,形成键，构成一个平面形化合物。v每个碳原子和杂原子上均有一个p轨道，形成一个环型封闭的6个电子的共扼体系，符合休克尔（Hckel）规则，所以三个杂环化合物均具有芳香性。v芳香性按苯、噻吩、吡咯、呋喃的次序递减。呋喃噻吩吡咯v呋喃、噻吩和吡咯环上的氢受电子环流的影响，它们的NMR信号都出现在低场7ppm左右，与苯相似，这是芳香性的一个重要标志。由于杂原子的吸电子诱导效应，-H的化学位移较-H大。v呋喃、噻吩和吡咯都能发生亲电取代反应:硝化、卤化、磺化和Friedel-Crafts反应。v亲电取代反应时，比苯活泼，反应活性与苯酚、苯胺相似。它们的活性次序是：吡咯呋喃噻吩苯 64%v然而，由于高度的活泼性和对无机强酸的敏感性，呋喃、吡咯的亲电取代反应通常需要在比较温和的条件下进行 90%90%50%13%64%v呋喃、噻吩和吡咯都有两种不同的取代位置，但通常以-取代为主 v呋喃、噻吩和吡咯都有两种不同的取代位置，但通常以-取代为主。无论是位还是位，亲电取代反应的活性均比苯大，如噻吩硝化，位的活性为苯的1.9104倍，位的活性为苯的3.2107倍。v呋喃、噻吩和吡咯还可以发生共扼双烯的发应 v呋喃容易发生Diels-Alder反应吡咯能与比较活泼的亲双烯发生Diels-Alder反应，而噻吩只能与很活泼的亲双烯（如苯炔）发生Diels-Alder反应 v工业上呋喃是由糠醛（呋喃甲醛）脱羰基制备的。糠醛可用稻糠、玉米芯等含有多聚戊醛糖的农副产品以热酸处理制得。多聚戊醛糖水解成戊糖，然后脱水、环化成糠醛。v噻吩可用丁烷与硫，丁烯与二氧化硫在高温下反应制备 吡咯是由1,4-丁炔二醇或呋喃合成v取代的呋喃环可由1,4-二酮在酸催化或脱水剂（如P2O5）存在下脱水合环而成。取代的吡咯和噻吩环可分别由1,4-二酮与氨（或胺）和硫化物缩合而成 2,5-二甲基吡咯2,5-二甲基呋喃N-异丙基-2,5-二甲基吡咯70%血红素叶绿素a14.2.3 14.2.3 咪唑、噻唑和噁唑咪唑、噻唑和噁唑v咪唑、噻唑和噁唑是常见的含两个杂原子的五元杂环 pKa101.32.47.0氮原子有一个sp2杂化轨道被两个电子占据，未参与成键，可结合质子，所以具有碱性。但这对电子s成分较多，靠近核，故碱性比一般的胺弱 v咪唑环上NH的氢可以转位，存在互变异构现象，故C-4位和C-5位是相同的 4-甲基咪唑与5-甲基咪唑互变异构体 v咪唑能进行亲电取代反应，噻唑和口恶唑则较难反应，但环上有活化基团时，反应也容易进行。取代主要发生在5位或4位，但5位更优先 v3位上氮原子的吸电子作用，咪唑、噻唑和噁唑容易进行亲核取代反应 v噁唑可发生Diels-Alder反应，所得产物不稳定，可转化为取代的吡啶或其它化合物。v咪唑、噻唑和噁唑环的制备方法之一是用链中带有杂原子的1,4-二羰基化合物在适当条件下环化得到 v咪唑环还可用1,2-二羰基化合物、氨（或胺）与醛缩合来制备 14.3 14.3 吡啶和嘧啶吡啶和嘧啶v14.3.1 吡啶吡啶的结构与苯相似，环上的氮原子以sp2杂化轨道成键，一个p电子参与共扼，形成具有6个电子的闭合的共扼体系，具有芳香性。1HNMR数据也证实了它的芳香性 v吡啶氮上的孤对电子未参与共扼，因此具有碱性（pKa=5.32），其碱性比脂肪胺弱，但比芳胺强，比吡咯强得多 吡啶可以发生亲电取代反应，但由于氮的电负性比碳大，吡啶环上的电子云密度比较低，且2位的电子云密度比3位低，所以，吡啶与硝基苯相似，不能进行Frieldel-Crafts反应，硝化、磺化和卤化反应一般要在强烈条件下才能发生，而且主要在3位进行 v吡啶环上若有活化基团，反应则较容易进行81%90%v进攻3（或5）位要比2（或6）位及4位形成的中间体稳定 v吡啶虽然不易进行亲电取代，但由于氮的吸电子作用使环上的电子云密度降低，有利于亲核取代。与硝基苯类似，吡啶的2,4,6位上的卤素很容易被亲核试剂取代 v吡啶环上强碱性的负氢离子（H-）也能被取代70%v亲核取代反应主要发生在2,4,6位上，但实际上主要是2（或6）位，4位的产物很少 v吡啶环本身不易被氧化，烷基吡啶可氧化成吡啶甲酸 合成4-取代吡啶的简便方法。v吡啶环容易被催化加氢成六氢吡啶环 14.3.2 14.3.2 嘧啶嘧啶v嘧啶的熔点为22oC，沸点124oC，易溶于水和醇，与吡啶相似，具有弱的碱性。由于在1,3-位有两个氮，它比吡啶更难发生亲电取代反应，但它的盐可发生卤化反应 v当嘧啶环上有给电子的活化基团（如NH2，OH等）时，亲电取代较容易进行 嘧啶容易进行亲核取代，与氨基钠反应可引入氨基，如用氨基取代环上的卤素，反应更易进行 v嘧啶衍生物广泛存在于自然界，并有重要的生物学功能。尿嘧啶(Uracil)胞嘧啶(Cytosine)胸腺嘧啶(Thymine)羟基嘧啶的互变异构体，但平衡状态下以酮式为主 维生素B1维生素B1是由嘧啶环与噻唑环连接而成的化合物，因分子中含有硫与胺，故又称硫胺素。维生素B1的焦磷酸酯是糖类代谢作用的一种辅酶，能使丙酮酸脱羧成为乙醛。人类缺乏这种维生素时可患脚气病。14.4 14.4 稠杂环化合物稠杂环化合物v14.4.1吲哚吲哚为白色片状结晶，熔点52 oC，有极臭的气味，但在极稀薄时则有香味，可作香料。吲哚为苯并吡咯，与吡咯相似，碱性极弱(pKa=-3.63)，容易进行亲电取代反应，反应主要发生在较活泼的3位上vFischer吲哚合成法 v工业制备2-苯基吲哚（一种阳离子染料的中间体)吲哚-3-乙酸色氨酸14.4.2 14.4.2 喹啉和异喹啉喹啉和异喹啉v喹啉和异喹啉是苯并吡啶，前者为一液体，沸点237oC，后者熔点26.5oC，沸点243oC。v它们有一定碱性，其中喹啉(pKa=4.94)的碱性比吡啶(pKa=5.23)弱，而异喹啉(pKa=5.40)的碱性稍强于吡啶。v喹啉和异喹啉在酸作用下，杂环氮上能接受质子，带有正电荷，故亲电取代反应在吡啶环上难以发生，在苯环上可以发生，主要在5位和8位上，反应活性也低于苯和萘 v喹啉和异喹啉可进行亲核取代反应，并且比吡啶还要容易。反应时喹啉主要在2位发生，4位较少，2位被取代时，反应发生在4位；异喹啉主要在1位发生，几乎没有3位产物。v喹啉和异喹啉可被还原，反应条件不同，产物亦不同 v最常用的喹啉环系合成方法为Skraup法v用,-不饱和醛或酮代替甘油，可直接进行反应 14.4.3 14.4.3 嘌呤嘌呤v嘌呤为一无色晶体，熔点212oC，有弱碱性。它是由咪唑环和嘧啶环稠合而成的杂环，存在两个互变异构体的平衡，但平衡偏向9H-嘌呤一边：v9H-嘌呤7H-嘌呤尿酸的结构为2,6,8-三羟基嘌呤（I），有两个互变异构体，但主要以酮式（II）存在。咖啡碱
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