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則這種環狀化合物叫做雜環化合物。組成雜環的原子,除碳以外的都叫做雜原子,常見的雜原子有O、S、N等,雜環上可以有一個或多個雜原子。前面學習過的環醚、內酯、內酐和內醯胺等都含有雜原子,但它們容易開環,性質上又與開鏈化合物相似,所以不把它們放在雜環化合物中討論。本章將主要討論的是環系比較穩定、具有一定芳香性的雜環化合物,即芳雜環化合物。
雜環化合物種類繁多,在自然界中分佈很廣,用途廣泛。具有生物活性的天然雜環化合物對生物體的生長、發育、遺傳和衰亡過程都起著關鍵性的作用。例如,在動、植物體內起著重要生理作用的血紅素、葉綠素、核酸的鹼基、中草藥的有效成分——生物鹼等都是含氮雜環化合物;一部分維生素、抗菌素、植物色素、許多人工合成的藥物及合成染料也含有雜環;有些雜環化合物還是良好的溶劑。
雜環化合物的應用範圍極其廣泛,涉及醫藥、農藥、染料、生物膜材料、高分子材料、超導材料、分子器件、貯能材料等,尤其在生物界,雜環化合物幾乎隨處可見。
13.1.1雜環化合物的分類和命名
按照雜環的結構,雜環化合物大致可分為單雜環和稠雜環兩大類。單雜環中最常見的為五元雜環和六元雜環;稠雜環中普遍存在的是苯環與單雜環稠合和雜環與雜環稠合。根據所含雜原子的種類和數目,單雜環和稠雜環又可分為多種。
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常見雜環化合物的分類和名稱見表13-1。
表13-1常見雜環化合物的結構、分類和名稱
雜環化合物的名稱包括雜環母環和環上取代基兩方面。取代基的命名原則與前述基本一致。雜環母環的命名採用譯音命名法。譯音命名法是根據IUPAC推薦的通用名,按外文名稱的譯音來命名,並用帶“口”旁的同音漢字來表示環狀化合物。例如:
①雜環上有簡單取代基時,以雜環為母體,將環編號以註明取代基的位次,編號一般從雜原子開始。含有兩個或兩個以上相同雜原子的單雜環編號時,把連有氫原子的雜原子編為1,並使其餘雜原子的位次儘可能小;如果環上有多個不同雜原子時,按氧、硫、氮的順序編號。
當只有1個雜原子時,也可用希臘字母編號,靠近雜原子的第一個位置是α-位,其次為β-位、γ-位等。例如:
②當環上有複雜取代基或官能團時,常將雜環當做取代基來命名。例如:
③稠雜環的編號一般和稠環芳烴相同,但有少數稠雜環有特殊的編號順序。
在呋喃、噻吩、吡咯分子中,由於雜原子的未共用電子對參與了共軛體系(6個π電子分佈在由5個原子組成的分子軌道中),使環上碳原子的電子雲密度增加,因此環中碳原子的電子雲密度相對地大於苯中碳原子的電子雲密度,所以此類雜環稱為富電子芳雜環或多π電子芳雜環。
雜原子氧、硫、氮的電負性比碳原子大,使環上電子雲密度分佈不像苯環那樣均勻,所以呋喃、噻吩、吡咯分子中各原子間的鍵長並不完全相等,故芳香性比苯差。由於雜原子的電負性強弱順序是:氧>氮>硫,所以芳香性強弱順序是:苯>噻吩>吡咯>呋喃。
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