杂环化合物的命名

杂环化合物（hetero cyclic compounds）属于环状有机化合物的一种，是指由碳原子和非碳原子共同参与组成环的环状化合物。这种参与成环的非碳原子称为杂原子。杂原子大都属于周期表中Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ三族的主族元素，最常见的是氮、氧、硫，其中以氮原子最为多见。按照这个定义，在前面一些章节中曾讨论过的内酯、交酯、环状酸酐和内酰胺等，也应属于杂环化合物。但这些化合物通常容易开环成原来的链状化合物，其性质又与相应的链状化合物相同，因此一般不把它们列入杂环化合物的范围。有机化学中所要讨论的杂环化合物，一般都比较稳定，不容易开环，有些杂环化合物的性质与苯、萘等相似，具有不同程度的芳香性。 杂环化合物的种类繁多，数目庞大。据统计，在已发现的几百万种有机化合物中，杂环化合物约占总数65％以上。这说明杂环化合物在有机化学的各个研究领域中都占有相当重要的地位。杂环化合物广泛地存在于自然界中，动植物体内所含的生物碱、苷类、色素等往往都含有杂环结构。许多药物，包括天然药物和人工合成药物，例如头孢菌素（抗生素）、羟基树碱（抗肿瘤药）、小檗碱（抗菌药）等也都含有杂环。与人类生命活动及各种代谢关系非常密切的物质──核酸，其碱基部分也含有杂环。近几十年来，在杂环化合物的理论和应用方面的研究不断取得重大进展，许多天然杂环化合物，包括维生素B 那样结构极其复杂的杂环分子，已经能够用人工方法进行全合成；同时，人类也合成了许多自然界不存在的杂环化合物。这些化合物作为药物，作为超导材料，作为材料，也都具有很重要的意义。   杂环化合物的分类 杂环化合物的种类繁多，其常见的分类方法按所依据的原则不同，可分为按分子所含环系的多少及其连接方式分类和按分子中所含π电子的状态和数量多少分类两种。 按分子所含环系的多少及其连接方式分类 根据这种方法可将杂环化合物分为以下几类：   按分子中所含π电子的状态和数量多少分类 按照这种方法可将杂环化合物大致分为四类，即：（1）多π-（π-excessive）杂环。以苯分子为参照，凡是环中π电子云密度大于苯，并像苯一样有一个闭合的环状共轭体系的杂环化合物属于此类，如：呋喃、吡咯、噻吩等。这类杂环的主要特征是亲电取代反应活性比苯高。 （2）缺π-（π-deficient）杂环。这类杂环也同样具有闭合的环状共轭体系，但环中π电子云密度小于苯，其亲电取代反应活性比苯低。吡啶、嘧啶等属于此类。 （3）烯型杂环。这类杂环不含有闭合的环状共轭体系，只具有孤立的π键或不连续的共轭π键。α-呋喃、γ-吡喃等属于此类。 （4）烷型杂环。这类杂环不含不饱和键，是完全饱和的杂环。四氢呋喃、六氢吡啶等属于此类。 此外，单杂环类还可按照环的大小分为三元杂环、四元杂环、五元杂环、六元杂环等，实际分类时，可将不同方法结合进行，一般分为五元杂环、六元杂环、稠杂环等几类。稠杂环化合物的结构较为复杂，可以是芳环和杂环相稠合，也可以是杂环和杂环相稠合，还可能是含有共用杂原子的稠杂环。   杂环化合物的命名 杂环化合物的命名比较复杂，其名称应包括基本母核名称和环上取代基的名称这两部分。取代基的命名原则基本上与前面各章所介绍的相同，本章主要介绍有特定名称的杂环母核以及无特定名称的稠杂环母核的命名。 有特定译音名称杂环母核的命名 许多杂环化合物都有英文俗名或半俗名，这些俗名习用已久，有些已作为特定名称为IUPAC的系统命名法所收载。对于此类杂环，可采用译音命名法命名，即按照该杂环的英文特定名称选用发音相同或相似的汉字，并在左边加“口”字偏旁，作为其名称。例如： 这类杂环母核的编号都采用固定的方法，其一般原则如下：（1）含一个杂原子的单杂环。编号用阿拉伯数字，以杂原子为起编点，同时应使取代基所在碳原子有最低位次。有时也可用希腊字母，将杂原子邻位编为α位，其次为β位，再其次为γ位。 （2）含有多个相同杂原子的单杂环。编号应使所有杂原子都有最低位次。如果其中一个杂原子连有氢或取代基，则应从此杂原子开始编号，并使其他杂原子有最低位次。 一般杂环母核都含有最多的非聚积双键，当杂环上某个不饱和碳原子再额外连接氢原子（即由＝CH变为—CH ）时，这个氢就叫“额外氢”或“指示氢”。指求氢位置不同的异构体命名时，应以所在位次加“H”（用斜体大写），放在母体名称之前。例如： （3）含有不同杂原子的单杂环编号时，一般按O、S、N的顺序优先选择起编点，例如： （4）有特定译音名称的稠杂环一般按相应芳环的编号方式编号（嘌呤除外）。例如： 嘌呤不按上述原则，则按自己的习惯方式编号。这类有特定译音名称杂环的衍生物命名时，既可把杂环当作母体，也可将杂环视为取代基。例如：   无特定译音名称稠杂环化合物的命名 对这类杂环化合物，可将其母核分解成两个有特定名称的环系，并将其中一个定为基本环，另一个定为附加环。命名时将附加环名称放在前，基本环名称放在后，两环名称间缀以方括号，方括号内分别用阿拉伯数字和小写英文字母表示两环的稠合情况。现就其具体方法说明如下： 基本环的选择方法 稠合方式的表示方法 稠合方式的表示方法         关于基本环的选择，主要按以下几条依次考虑。 ①由杂环和芳环构成的稠杂环，优先选择杂环作基本环。如还有选择时，应优先选择环数较多，且有特定名称的杂环作基本环。例如： Ⅰ中噻唑为基本环，苯为附加环，称为苯并噻唑；Ⅱ称为苯并异喹啉（不称萘并吡啶）。 ②由杂环和杂环构成的稠杂环，环大小不同时，优先选择大环作基本环；环大小相同时，按N、O、S的顺序优先选择基本环。例如：Ⅲ的基本环是吡喃，称呋喃并吡喃；Ⅳ的基本环是呋喃，称噻吩并呋喃。 ③杂环中杂原子数目不同时，含杂原子数目多的环优先；数目相同时，则含杂原子种类多的环优先。例如：Ⅴ应称吡啶并哒嗪（杂原子数目多的优先）；Ⅵ应称咪唑并噻唑（杂原子种类多的优先）；但Ⅶ应称 噻吩并吡咯（含氮杂环优先）。 ④环的大小、杂原子的数目、种类都相同时，优先选择稠合前杂原子编号较小的杂环为基本环。例如：Ⅷ应称吡嗪并哒嗪。 ⑤含有共用杂原子的稠杂环，应视为两环都含有该共用杂原子来进行选择。例如：Ⅸ应称为咪唑并噻唑（含杂原子种类多的优先）。 为了将基本环与附加环的稠合方式表达清楚，应先将两部分各自按编号原则编号，再将基本环的每条边按编号方向依次用a、b、c、d……代表，然后将附加环稠合边原子序号写在前，基本环稠合边字母写在后，二者之间用“-”隔开，一起放到两环系名称之间的方括号内。附加环稠合边原子序号在写时应与基本环字母次序的方向一致，两者顺序相同时小数字在前，大数字在后；反之则大数字在前，小数字在后。例如： 该化合物两环稠合边编号方向相反，命名时应使其一致，所以应称为咪唑并［2，1-b］噻唑，而不称咪唑并［1，2-b］噻唑。 又例如前面所见到的Ⅰ应称为苯并［d］ 唑（苯环的稠合边原子序号在此无需标出），Ⅳ称为噻 吩并［2，3-b］呋喃，Ⅵ称为咪唑并［5，4-d］噻唑，Ⅷ称为吡嗪并［2，3-d］哒嗪。 当此类化合物分子中存在有其他取代基或官能团时，需要对整个化合物进行统一编号（此编号方式与表示稠合方式的编号无关），其编号方式应注意以下几点： ①应尽可能使所有杂原子都有最低位次，其次按O、S、NH、N的顺序选择优先编号的杂原子，例如： ②共用碳原子一般不编号（个别例外），但在满足上一条规则的前提下，应尽可能使其具有较低的序号（其编号方式是依整个分子的编号方向在其前一个原子的编号下加注“a”、“b”、“c”等）。例如：下面化合物可有三种不同的编号方式，得到杂原子的编号均为1、4、5、8，但第一种共用碳原子的编号为4a，后两种则为8a，故正确的编号方式应为第一种。 ③氢原子和指示氢的编号应尽可能低。例如： 命名实例： 杂环化合物的命名 杂环化合物的命名比较复杂，现在一般通用的有两种类型的命名方法。一种是按照化合物的西文名称音译，另一种是根据相应的碳环化合物名称类比命名。最常用的是音译法。 18.1.1 音译法    音译法是根据每个杂环化合物的基本杂环母核的西文名称按读音译成汉字，原则上是 2～3 个汉字名词的结构尊重我国的习惯，在汉字上加上一个象形性的偏旁“口”字，作为杂环的标志构成杂环化合物的基本名称。 1．单杂环的命名方法 第一步，写出杂环化合物的基本名称 furan pyrrole thiophene imidazole oxazole 呋喃 吡咯 噻吩 咪唑 噁唑           thiazole pyran pyridine pyrimidine pyrazine 噻唑 吡喃 吡啶 嘧啶 吡嗪           第二步， 是将杂环上每个"环节"原子编号，并使杂原子处在最小号数位置，如果一个环上有两个或多个不同种类的杂原子时，则规定按O，S，N，…顺序使其位号由小到大。例如：                         第三步，当环上有取代基时，先将取代基的名称放在杂环基本名称（或称主体环名称）的前面，并把主体环的位号写在取代基名称的前面，以表示取代基在主体环上的位置。如果杂环分子上有两个或两个以上取代基时，则按照最低系列原则编号。例如：               3-甲基吡啶 1,3-二甲基吡咯(不是1,4-二甲基吡咯）                   第四步，对于不同程度饱和的杂环化合物，命名时不但要标明氢化（饱和）的程度，而且要标示出氢化的位置，用中文数字标明其数目，用阿拉伯数字标明其位置，全氢化物可只标明数目。例如：         四氢呋喃 六氢吡啶 2,3-二氢吡咯 2,5-二氢吡咯         2．稠杂环命名方法   （1）对于一些简单的稠杂环，可以直接采用与单杂环相同的命名方法，例如： indole quinoline purine carbazole 吲哚 喹啉 嘌呤 咔唑                 （2）对于大多数稠杂环的命名方法，是确定稠杂环中的主体环（当然必须是分子中的杂环部分），并以它的名字作为整个稠环分子的基本名称，其它与之骈合的环的名字都看成是这个专主体环的前缀而放在主体环名称的前面，如下式所示。 benzothiazole 苯骈噻唑 当稠环中的主体环和骈合环具有非专一位置时，则要标明用以骈合的主体环的边号。边序号是用a,b,c,d,…表示的，并规定1-2位间的键（边）为a,2-3位间者为b等，按顺序标记。最后把骈合边的边序号放在骈合环和主体环的名称之间，并以方括号括起来。例如：   苯 喹啉   苯骈[g]喹啉               (3) 在稠杂环分子中，若含有两个或多个有可能被选择作为主体环时（即在杂环骈杂环分子中），通常是优先选择最大的含氮杂环作为主体环，其次是含氧的和含硫的杂环等等。但总体环（即整个稠环分子）的编号仍然是按O,S,N……的顺序优先选择起算点。在这样的分子中，骈合边位置的标示也比苯骈杂环的情形要复杂。首先要将主体环和所有骈合环分别各自编号，然后标明主体环的边序号 a,b,c,d,...... 骈合边的位置是用主体环上的边序号和骈合环的编号一起表示的，并且都放在方括号内。但是在方括号列出的骈合环的骈合边的位置号码，必须要和主体环的边序号的走向顺序一致。　 18.1.2 碳环类比命名法 这种命名方法的基本出发点是把所有的杂环化合物都看成是在碳环环节原子中掺杂进去一个或多个杂原子的结果。所以，各种杂环化合物的名称，只要在相应的碳环化合物的名字中加上某杂就行了。如吡啶又可以名之为氮杂苯，呋喃可以名之为氧杂茂等等。 类 别 碳环化合物 杂环化合物 结构 名称 杂原子 单杂原子化合物 多杂原子化合物 三 员 环 环丙烷 O 氧杂环丙烷 S 硫杂环丙烷 N 氮杂环丙烷 四 员 环 环丁烷 O 氧杂环丁烷   S 硫杂环丁烷 N 氮杂环丁烷 五 员 环 茂 O 氧杂茂   N 氮杂茂 S 硫杂茂 六 员 环 苯 芑 O 氧杂芑（吡喃） 1,3-二氮杂苯 N 氮杂苯（吡啶） S 硫杂芑（噻喃） 稠 环 茚 O 氧杂茚   N 氮杂茚 S 硫杂茚             18.2 杂环化合物的分类 杂环化合物的数量十分庞大，种类非常复杂，通常是根据杂环化合物的结构特征进行分类，大致有三种分类方法。 １.按照杂环分子中所含?π?电子的状态和数量来分类；可以分为四种类型： （1）以苯分子为参比标准，凡是环中的 π?电子密度比苯大，并像苯一样有一个连续封闭的共轭体系的杂环环系，称为超?π?电子环系（π-excessive）。例如呋喃环系、吡啶环系等。它们在性质上的主要特征是亲电取代反应的反应性比苯还大。 （2）杂环分子中虽然存在一个像苯一样的连续封闭的共轭体系，但环中的 π?电子密度比苯中的小，这类杂环环系称为缺 π?电子环系（π-deficient）。显然，这类杂环的亲电取代反应性要比苯小，例如吡啶等。 （3）含有孤立的π键或者不连续的 π?键的杂环环系，也称为烯型杂环环系。例如吡喃环系、二氢吡咯等等。 （4）不含有 π?键的杂环环系，即饱和杂环环系，也称为烷型杂环环系，例如四氢呋喃、二氧六环、六氢吡啶。 ２.将所有杂环化合物分为芳香型杂环环系和脂肪型杂环环系； ３.按照分子中所含的成环原子数目（亦即按环的大小）分为三员杂环、四员杂环、五员杂环等。 上述分类应包括单杂环系和稠杂环系，综合杂环化合物的性质和分子结构，可以将杂环化合物分为单杂环、稠杂环、巨杂环、螺杂环、和桥杂环与杂环多面体等五类。具体分类如下： 单杂环类 三员杂环 饱和三员杂环，如环氧乙烷、氮丙啶等 不饱和三员杂环，如diazirene和Thiazirene等 四员杂环 饱和环系，如硫杂环丁烷，1,3-三甲基氮杂环丁烷 不饱和环系，如硫杂环丁烷-2-烯 五员杂环 饱和环系，如四氢呋喃、四氢吡咯 不饱和环系，如呋喃，唑等 六员杂环 饱和环系，如六氢吡啶、1,4-二氧六环 不饱和环系，如吡啶、嘧啶 七员杂环 饱和环系，如六亚甲基胺 不饱和环系，如氮杂 稠杂环类 碳环骈杂环 多苯骈杂环环系，如咔唑，吖啶 其它碳环骈杂环，如N-乙氧羰基-2-氮杂二环[3.2.0]-庚-3,6-庚二烯 杂环骈杂环 双杂环骈合环系，如嘌呤、喋啶 多杂环骈合环系，如聚噻吩、BTX毒素 巨杂环类 卟吩环系，如卟啉、咕啉、酞菁等 大环醚，如各种冠醚 氮穴类化合物 螺杂环类 碳环螺杂环，如：      螺[吖噁啶-3-环己烷]    利己素  杂环螺杂环，如: 螺[二氢吡咯烷-2-酮-2,4-环己烷]    白诺丁 桥杂环和杂环多面体类 桥杂环环系，如: 丁公藤碱 杂环多面体，如: 河豚毒素