《有机化学》课件-20-2

20.2五元单杂环化合物一、呋喃、噻吩、吡咯的物理性质和结构

呋喃、噻吩、吡咯是最重要的含一个杂原子的五元杂环化合物。它们的重要性不在于它们的单体，而是它们的衍生物。它们的衍生物不但种类繁多，而且有些是重要的工业原料，有些具有重要的生理作用。

呋喃、噻吩、吡咯分别存在于木焦油、煤焦油和骨焦油中，它们都是无色的液体，其物理性

质及光谱数据如表20-1所示。

物理方法证明：呋喃、噻吩、吡咯都是平面结构，环上所有原子都是sp2杂化，各原子均以sp2杂化轨道重叠形成σ键。碳未杂化的p轨道中有一个电子，杂原子的p轨道中有一对电子，P轨道互相平行重叠，形成闭合的共轭体系。体系中π电子数为6,符合休克尔（Hückel)的4n+2规则，所以三个杂环均具有芳香性。表20-1中给出的1HNMR数据可证实这一点，环上质子的化学位移在7ppm左右，与苯类似。二、呋喃、噻吩、吡咯的化学性质1.亲电取代反应

呋喃、噻吩、吡咯具有芳香性，容易进行亲电取代反应。虽然由于杂原子的大小及电负性不同，它们的活性有差异，但它们的活性都比苯大，顺序为：吡咯〉呋喃>噻吩>苯。这是由于苯环上的6个原子共有6个π电子，而呋喃、噻吩、吡咯环上的杂原子各提供一对电子，杂环为5原子6个π电子体系，π电子云的密度比苯高；另一方面与亲电取代时中间体的稳定性有关，苯反应中间体正电荷分布在碳上，而5元杂环中间体正电荷可分散在杂原子上，因此更加稳定。

呋喃、噻吩、吡咯有两种不同的取代位置，取代有选择性吗？比较两种位置取代中间体的稳定性：

可以看出α取代有三个共振式，正电荷分散在5个原子上，β取代有两个共振式，正电荷分散在两个原子上，因为α位取代形成的过渡态能比β位的低，取代以α位为主。

在这些共振式中，1与2是最稳定的，这两个共振式中的杂原子是八隅体，由它们参与形成的共振杂化体都十分稳定（尽管程度上有差别），其亲电反应活性类似于苯胺及苯酚，无论α位或β位的活性都比苯的大。如噻吩硝化，β位的活性为苯的1.9x104倍，α位的活性为苯的3.2X107倍。

呋喃、吡咯的化学稳定性较差。它们遇酸或氧化剂容易开环，或聚合成高聚物。噻吩较稳定，这是由于C一S键较长，缓解了环张力的缘故。取代呋喃在强酸作用下开环如下：吡咯在冷的稀酸中聚合成“吡咯红”:

吡咯在浓酸中树脂化，还极易被氧化，甚至在空气中很快被氧化变黑。

为了避免开环、聚合、氧化等副反应，在吡咯、呋喃、噻吩的亲电取代反应中，往往采用较温和的试剂，而避免用强酸、强氧化剂。(1)磺化

吡咯、呋喃磺化不能用浓硫酸，通常采用吡啶与三氧化硫的加合物。

从煤焦油中提取的苯含有少量（0.5%)的噻吩。噻吩沸点84°C，苯沸点80°C，很难用分馏的方法将它们分开。由于噻吩比苯活泼，故可在常温下用浓硫酸洗去苯中的噻吩，这是制取无噻吩苯的一种方法。(2)硝化

为避免氧化，一般采用硝酸乙酰酯CH3C00N02作硝化剂，硝酸乙酰酯是由乙酸酐和硝酸反应制得的，如环上带有致钝基团可直接硝化，噻吩也可采用温和条件直接硝化。

(3)卤代

由于这些杂环化合物很活泼，氯代、溴代不但不需催化剂，为避免多取代物生成，往往采用温和条件，如用溶剂稀释和采用低温，如：

吡咯活性最大，在反应中往往形成四取代物。不活泼的碘在催化剂作用下也可以直接取代:(4)傅一克酰基化反应

傅一克酰基化反应需采用较温和的催化剂如SnCl4、BF3等，对活性较大的吡咯可不用催化剂，直接用酸酐酰化。

由于呋喃、吡咯、噻吩很活泼，故傅一克烷基化反应往往得到多烷基取代混合物，甚至不可避免产生树脂状物质，因此用处不大。(5)吡咯的特殊反应

吡咯十分活泼，活性类似于苯胺、苯酚，它可进行瑞默一梯曼反应，并可与重氮盐偶联。呋喃、噻吩却不能发生这类反应。(6)取代呋喃、噻吩、吡咯的定位效应

一取代呋喃、噻吩及吡咯进一步取代，定位效应应由环上杂原子的α定位效应及取代基共同决定。例如，3位上有取代基，第二个基团进入环的1位或5位（即α位），是1位还是5位又由环上原有取代基的性质决定◦例如，噻吩-3-甲酸溴代，生成5-溴噻吩-3-甲酸。羧基是间位定位基，因此第二个基团进入5位即羧基的间位。3-溴噻吩硝化主要得到2-硝基-3-溴噻吩，第二个基团进入溴的邻位，因为溴是邻对位定位基。

如果α位上有取代基，则环的α定位效应与取代基定位效应不一致，情况比较复杂。α-呋喃的取代物比较单一，无论取代基属于何类，第二个基团都进入5位（即另一α位）。噻吩及吡咯两种选择性不明显，两种产物差别不大。2.加成反应

呋喃、吡咯催化氢化，失去芳香性，得到饱和的杂环化合物:

四氢吡咯为有机碱，广泛存在于自然界中的某些生物碱中。

四氢呋喃是重要的有机溶剂。

噻吩中含硫，会使一般的催化剂中毒，氢化时必须采用特殊催化剂。

工业上通常用开链化合物合成四氢噻吩。四氢噻吩氧化成四亚甲基砜（或环丁砜），它是一个重要的溶剂。

呋喃具有比较明显的共轭双烯性质，它可以与顺丁烯二酸酐进行狄尔斯—阿德尔反应。

吡咯氮上的氢可与顺丁烯二酸酐的双键加成，将吡咯烷基化，或用更活泼的亲双烯试剂，它仍可顺利进行狄尔斯一阿德尔反应。

有关噻吩与乙炔的亲双烯试剂加成的研究较多，双烯加成的产物通常不稳定，失硫而得苯的衍生物。

3.吡咯的弱誠性和弱酸性

从表面上看吡咯是仲胺，但实际上它的碱性很弱。这是因为氮上的未成键电子对参与环的共轭，不能再与酸结合。吡咯氢化后得到的四氢吡咯却具有很强的碱性，其碱性比吡咯的强1011倍，显然是结构上发生了根本变化。

吡咯的碱性比苯胺的弱，它只能慢慢地溶解在冷的稀酸溶液中，吡咯还具有弱的酸性，其pka=17.5，比醇的强，比酚的弱，它可与强碱或金属作用成盐。也可与格氏试剂作用释放出烃，生成吡咯卤化镁。吡咯钾盐及吡咯卤化镁都可以用来合成吡咯衍生物。吡咯钾盐也常用来制取吡咯的α取代物。例如:三、呋喃、噻吩、吡咯的合成

呋喃本身在商业上没有什么用途，但它的衍生物糠醛（呋喃甲醛）却是很重要的工业原料。糠醛可用稻糠、玉米芯等以热酸处理制得。这些农副产品为多聚戊醛糖，首先水解成戊糖，然后脱水、环化成糠醛。

经水解后的玉米芯仍可作饲料，所以呋喃甲醛的来源既丰富又经济。

咲喃很容易由糖醒去羰基制得：

噻吩可用丁烷与硫，丁烯与二氧化硫在高温下反应制得:

也可由1，4-丁炔二醇合成：

吡咯可用各种方法合成。呋喃与氨高温反应可制得吡咯：四、呋喃、吡咯的重要衍生物1.糠醛

糠醛是一种无色液体，沸点162°C，在空气中易氧化变黑。糠醛是良好的溶剂，常用于精炼石油，可以溶解含硫物质及环烷烃等。糠醛还可精制松香，脱除色素，溶解硝酸纤维等。糠醛也是重要的工业原料，可用于合成酚醛树脂、药物、农药等。

糠醛是不含α氢的醛，性质类似于苯甲醛，可发生康尼查罗、安息香缩合、普尔金等反应。糠醛还可被还原成糠醇糖醇也是一种良好溶剂，是合成糠醇树脂的单体2.吲哚

吲哚为白色片状结晶，熔点52.5°C，具有极臭的气味，但纯粹的吲哚在极稀薄时有素馨花

的香味，可作香料。

吲哚为苯并吡咯，性质与吡咯相似，碱性极弱。可进行亲电取代反应，反应发生在较活泼的杂环的第3位，例如：

带杂原子的环比并联的苯环要活泼，比较亲电试剂进攻杂环2位和3位形成的中间体的碳正离子的稳定性，可以看出进攻3位更容易。

吲哚乙酸为植物生长调节剂。植物染料靛蓝，蛋白质组分的色氨酸，哺乳动物及人脑中思维活动的重要物质5-羟基色胺，都是重要的吲哚衍生物。3.卟吩环系化合物

卟吩环系是由四个吡咯和四个次甲基（一CH)交替相联组成的共轭体系。卟吩环又称“”环（读雷）。

卟吩环呈平面结构，环的中间空隙以共价键、配位键和不同的金属结合，在叶绿素中结合的是镁，血红素中结合的是铁，维生素B12中结合的是钴。

叶绿素是重要的色素，自然界的叶绿素是由a和b两种叶绿素组成，a为蓝黑色结晶，熔点117°C〜120°C，b为深绿色结晶，熔点120°C〜130°C，两者比例a:b为3:1，其结构如下：

叶绿素与蛋白质结合，存在于植物的叶和绿色的茎中，叶绿素利用卟啉环的多共辗体系易吸收紫外光，成为激发态，促进光合作用，使光能转变为化学能。