在環(huán)狀有機化合物中,組成環(huán)的原子除碳原子外,還有其它非碳原子時,這類化合物稱為雜環(huán)化合物。這些非碳原子叫做雜原子,常見的雜原子有氮、氧、硫。
根據(jù)以上定義,雜環(huán)化合物似乎應包括內酯、交酯和環(huán)狀酸酐等,但由于它們與相應的開鏈化合物性質相似,又容易開環(huán)變成開鏈化合物,所以不包括在雜環(huán)化合物之內。本章主要討論那些環(huán)系比較穩(wěn)定,并且有不同程度芳香性的雜環(huán)化合物。所謂芳雜環(huán)化合物是保留芳香結構即6π電子閉合共軛體系的雜環(huán)。這類化合物比較穩(wěn)定,不易開環(huán),而且它們的結構和反應活性與苯有相似之處,即有不同程度的芳香性,所以稱為芳雜環(huán)化合物。
雜環(huán)化合物可按雜環(huán)的骨架分為單雜環(huán)和稠雜環(huán)。單雜環(huán)又按環(huán)的大小分為五元雜環(huán)和六元雜環(huán);稠雜環(huán)按其稠合環(huán)形式分為苯稠雜環(huán)和稠雜環(huán)。如表19-1所示。
雜環(huán)化合物的命名主要采用外文譯音法,把雜環(huán)化合物的英文名稱的漢字譯音加“口”字旁表示。例如:
呋喃(furan) 吡啶(pyridine)
外文譯音法是根據(jù)國際通用名稱譯音的,使用方便,缺點是名稱和結構之間沒有任何聯(lián)系。
雜環(huán)化合物的環(huán)上原子編號,除個別稠雜環(huán)如異喹啉外,一般從雜原子開始。
環(huán)上只有一個雜原子時,雜原子的編號為1。有時也以希臘字母α、β及γ編號,鄰近雜原子的碳原子為α位,其次為β位,再次為γ位。
當雜環(huán)上連有-R,-X,-OH,-NH2等取代f1411.cn/Article/基時,以雜環(huán)為母體,標明取代基位次;如果連有-CHO,-COOH,-SO3H等時,則把雜環(huán)作為取代基。環(huán)上有兩個或兩個以上相同雜原子時,應從連接有氫或取代基的雜原子開始編號,并使這些雜原子所在位次的數(shù)字之和為最小。環(huán)上有不同雜原子時,則按氧、硫、氮為序編號。例如:
表19-1 常用雜環(huán)化合物的構造式和名稱
另有特殊編號的,如嘌呤等(見表19-1)。
五元雜環(huán)化合物呋喃、噻吩、吡咯的結構和苯相類似。構成環(huán)的四個碳原子和雜原子(N,S,O)均為sp2雜化狀態(tài),它們以σ鍵相連形成一個f1411.cn/yishi/環(huán)面。每個碳原子余下的一個p軌道有一個電子,雜原子(N,S,O)的p軌道上有一對未共享電子對。這五個p軌道都垂直于五元環(huán)的平面,相互平行重疊,構成一個閉合共軛體系,即組成雜環(huán)的原子都在同一平面內,而p電子云則分布在環(huán)平面的上下方,如圖19-1所示。
圖19-1 呋喃、噻吩和苯的分子結構
從上圖可看出呋喃、噻吩、吡咯的結構和苯結構相似,都是6電子閉合共軛體系,因此,它們都具有一定的芳香性,即不易氧化,不易進行加成反應,而易起親電取代反應。由于共軛體系中的6個π電子分散在5個原子上,使整個環(huán)的π電子云密度較苯大,比苯容易發(fā)生親電取代。同時,α位上的電子云密度較大,因而親電取代反應一般發(fā)生在此位置上,如果α位已有取代基,則發(fā)生在β位。
與苯比較,環(huán)的芳香穩(wěn)定性不如苯環(huán),電子云密度分布也不完全平均化。由于雜原子電負性大小不同(O>N>S),電子云離域有差異,所以它們的芳香性強弱有差異,環(huán)的穩(wěn)定性也不同。
含有兩個雜原子(其中至少有一個氮原子)的五元雜環(huán)稱為唑。常見的有咪唑、吡唑和噻唑。
咪唑、吡唑、噻唑的電子結構與上述幾個環(huán)系類似,同樣具有閉合的6個電子共軛體系,所以這些雜環(huán)也都具有一定的芳香性。例如,咪唑可以看作是吡咯環(huán)上氮原子的間位“-CH=”被“-N=”取代的衍生物。這個“-N=”的氮原子上未共用電子對參與環(huán)的共軛體系,可與質子結合并保持閉合的6電子共軛體系,所以咪唑也有芳香性,并且顯弱堿性(ψKb=6.9)。
六元雜環(huán)的結構可以吡啶為例來說明。吡啶在結構上可看作是苯環(huán)中的-CH=被-NH=取代而成。5個碳原子和一個氮原子都是sp2雜化狀態(tài),處于同一平面上,相互以σ鍵連接成環(huán)狀結構。每一個原子各有一個電子在p軌道上,p軌道與環(huán)平面垂直,彼此“肩并肩”重疊形成一個包括6個原子在內的,與苯相似的閉合共軛體系。氮原子上的一對未共用電子對,占據(jù)在sp2雜化軌道上,它與環(huán)平面共平面,因而不參與環(huán)的共軛體系,不是6電子大π鍵體系的組成部分,而是以未共用電子對形式存在,如圖19-2所示。
圖19-2吡啶分子結構
吡啶分子中的C-C鍵長(0.139-0.140nm)與苯分子中的C-C鍵長(0.140nm)相似;C-N鍵長(0.134nm)較一般的C-N鍵長(0.147nm)短,但比一般的C=N雙鍵(0.128nm)長。這說明吡啶的鍵長平均化程度較高,但并不像苯一樣是完全平均化的。所以吡啶具有芳香性。然而又由于吡啶環(huán)中氮原子的電負性大于碳原子,所以環(huán)上的最子云密度因向氮原子轉移而降低,親電取代比苯難。此環(huán)上氮原子具有與間位定位基-NO2相仿的電子效應,鈍化作用使親電性取代較苯困難,取代基進入間位,且收率偏低。
吡啶環(huán)上的氮原子有一對未共用電子對參與6電子共軛體系,可與質子結合,故其堿性(PKb=8.8)較吡咯(pKb=13.6)強,也比苯胺(pKb=9.3)強,能與強酸作用生成較穩(wěn)定的鹽。但比氨(pKb=4.75)弱,也比脂肪叔胺(三甲胺的pKb=4.22)弱。原因在于吡啶環(huán)上未參與共軛體系的這一對未共用電子對處于sp2雜化軌道上,其s成分較sp3雜化軌道多,受原子核束縛強,因而較難與H+結合。
吡啶與水能以任意比例混溶,同時又能溶解大多數(shù)極性及非極性有機化合物,它是一個良好的溶劑。吡啶具有高水溶性的原因,除分子極性外,是由于其氮原子上一對未參與環(huán)共軛體系的未共用電子對與水分子易形成氫鍵。而吡啶、呋喃和噻吩雜原子的未共用電子對是6電子閉合共軛體系的組成部分,失去形成氫鍵的條件,因此難溶于水。
(一)吡咯、咪唑及其衍生物
吡咯存在于煤焦油和骨焦油中,為無色液體,沸點131℃。吡喀的蒸氣可使浸有鹽酸的松木片產(chǎn)生紅色,稱為吡咯的松木片反應。
吡咯的衍生物廣泛分布于自然界,葉綠素、血紅素、維生素B12及許多生物堿中都含有吡咯環(huán)。
四個吡咯環(huán)的α碳原子通過四個次甲基(-CH=)交替連接構成的大環(huán)叫卟吩環(huán),舊稱環(huán)。卟吩的成環(huán)原子都在同一平面上,是一個復雜的共軛體系。卟吩本身在自然界中不存在,它的取代物稱為卟啉類化合物,卻廣泛存在。卟吩能以共價鍵和配位鍵與不同的金屬原子結合,如血紅素的分子結構中結合的是亞鐵原子。
血紅素與蛋白質結合成為血紅蛋白,存在于哺乳動物的紅細胞中,是運輸氧氣的物質。
卟吩 血紅素
咪唑的衍生物廣泛存在于自然界,如蛋白質組成成分之一的組氨酸。組氨酸經(jīng)酶的作用或體內分解,可脫羧變成組胺。
組氨酸組胺
組胺有收縮血管的作用。人體內組胺含量過多時會發(fā)生過敏反應。
(二)吡啶的重要衍生物
煙酸和煙酰胺兩者組成維生素PP。它們是B族維生素之一,體內缺乏時能引起糙皮病。煙酸還具有擴張血管及降低血膽固醇的作用。
異煙肼又叫雷米封(Rimifon),為無色晶體或粉末,易溶于水,微溶于乙醇而不溶于乙醚。異煙肼具有較強的抗結核作用,是常用治療結核病的口服藥。
(三)嘧啶及其衍生物
嘧啶是含有兩個氮原子的六元雜環(huán)化合物。它是無色固體,熔點22℃,易溶于水,具有弱堿性。
嘧啶
嘧啶可以單獨存在,也可與其它環(huán)系稠合而存在于維生素、生物堿及蛋白質中。許多合成藥物如巴比妥類藥物、磺胺嘧啶等,都含有嘧啶環(huán)。
嘧啶的衍生物如胞嘧啶,尿嘧啶和胸腺嘧啶是核酸的組成成分。
上述嘧啶衍生物有酮式和烯醇式的互變異構現(xiàn)象。如尿嘧啶的互變異構:
(四)嘌呤及其衍生物
嘌呤是咪唑環(huán)和嘧啶環(huán)稠合而成的稠雜環(huán)。嘌呤環(huán)共有四個氮原子,環(huán)的編號比較特殊,它有兩種互變異構體,常用標氫法區(qū)別。
結晶態(tài)嘌呤為(Ⅰ)式,在水溶液中(Ⅰ)式與(Ⅱ)式則以等比例共存。藥物分子中一般多為7H-嘌呤(Ⅰ式)衍生物,生物體中則9H-嘌呤(Ⅱ式)更為常見。
嘌呤為無色晶體。熔點216-217℃,易溶于水,能與強酸或強堿成鹽。
嘌呤本身在自然界并不存在,但它的衍生物分布廣,而且重要,如腺嘌呤、鳥嘌呤等都是核酸的組成成分。
腺嘌呤(A) 鳥嘌呤(G)
(6-氨基嘌呤)。2-氨基-6-羥基嘌呤)
次黃嘌呤、黃嘌呤和尿酸是腺嘌呤和鳥嘌呤在體內的代謝產(chǎn)物,存在于哺乳動物的尿和血中。
次黃嘌呤黃嘌呤尿酸
(6-氧嘌呤) (2,6-二氧嘌呤)(2,6,8-三氧嘌呤)
尿酸為無色晶體,極難溶于水,有弱酸性。健康的人每天尿酸的排泄量約為0.5-1g。如代謝紊亂而致尿酸含量過高時,可能沉積形成尿結石。當血中的尿酸含量過高時,可能沉積在關節(jié)等處,形成痛風石。
上述嘌呤衍生物均有酮式和烯醇式的互變異構現(xiàn)象。如尿酸和黃嘌呤。
尿酸:
酮式烯醇式
黃嘌呤:
酮式 烯醇式