有機化學的基礎75(上)含有異質原子的雜環芳香物

1.       平面的、環狀的、共軛的分子，如果它的電子是4n+2個(n是整數)，那麼它就是芳香化合物aromatic compound，芳香化合物的有異於常人的穩定度。

注：共軛，指一個分子的每個雙鍵，彼此都間隔一個化學鍵，這使得它們的p軌域可以重疊交互作用成化學鍵，使分子的結構呈現平面的特質。

2.       在一個芳香分子裡，如果有1個或1個以上的原子被異質原子取代(通常是氧、氮、或硫)，那就稱為異質芳香分子heteroaromatic molecule。這種分子的穩定度跟完全由「碳」組成的芳香化合物差不多。

3.       異質芳香分子的衍生物都是同一族群，被稱為雜環芳香化合物heterocyclic aromatics或異質芳香化合物heteroaromatics，因為異質原子是環的組成原子之一。這些化合物並非用IUPAC系統命名，而是用俗名。

4.       舉三個五角環的例子來說明，呋喃furan、吡咯pyrrole、噻吩thiophene，每個異質原子，都以呋喃furan為雛型。

呋喃furan

5.       異質原子上，其中一組孤對電子(2個)，它們所處的p軌域，和於分子環所構成的平面有交集，也因此能夠與「碳-碳」雙鍵的p軌域互動，互相吸引而連接在一塊；另一組孤對電子垂直於分子環，電子沒有與環的「碳-碳」雙鍵的「p軌域」交集。

6.       呋喃furan、吡咯pyrrole、噻吩thiophene這些分子的結構，類似「環戊二烯基陰離子cyclopentadienyl anion」，因為每個分子都有6個電子，在一個環狀的平面上的π系統，非定域移動(共振)，這個特性讓它們成為Huckel芳香族。

吡咯pyrrole

 

噻吩thiophene

 

7.       吡咯pyrrole的「N-H 氮-氫」鍵，就是五角環的一角，它的氫原子垂直於環平面的雙鍵系統，與雙鍵上的p軌域沒有交集；吡咯pyrrole分子的氫原子所在的位置，在呋喃furan、噻吩thiophene分子，是由孤對電子所占據。

8.       吡啶pyridine，是六角形的異質芳香化合物中，最簡單的範例。吡啶pyridine的「π系統」跟苯(六角形的芳香化合物，以碳為骨架)的「π系統」一樣；環上的6個原子各自提供1個「p軌域」和1個「電子」，這是芳香化合物的基本特徵。

吡啶pyridine

9.       因此，我們可以延用苯benzene的模式，寫下吡啶(吡啶)pyridine的共振結構。

10.   吡啶pyridine與吡咯pyrrole相異之處是，吡咯pyrrole的孤對電子是π系統的一部分，但是，吡啶pyridine環上的氮原子，它的孤對電子就在sp2混成軌域裡，也就是六角環平面的平面中，此外，這組孤對電子是垂直於環的π系統，也就是它們與環平面上的p軌域沒有交集。(翻譯改寫自Mary Anne Fox, James K. Whitesell的《Organic Chemistry》)

圖片來源：Answers.com ,維基百科