含氧雜環（上）

含氧雜環（上）(Oxygen Heterocyclic Ring (I))
國立臺灣師範大學化學系碩士生 鍾長志

在有機化學領域中，雜環化合物 (heterocyclic compound, heterocycle)，¹扮演重要的角色。根據 IUPAC 的定義，雜環化合物為「在環形分子中，具有至少兩種不同的元素之環狀化合物」。而常見的有機雜環分子中，以含氧雜環、含氮雜環，含硫雜環最為常見，如圖一所示，而本篇將著重於介紹含氧三員~七員雜環及常見的製備方式。

圖一、基本的雜環化合物。（作者繪製）

含氧雜環種類眾多，可以先以形成之環數簡單分類，再以下列方式細分：¹

1. 飽和 (saturation) 及不飽和 (unsaturated) 環形化合物
2. 含氧之環形化合物
3. 同時含氧及其他雜原子的環形化合物
4. 位置異構物 (positional isomer) 環形化合物

A. 含氧三員環，常見結構及俗名如圖二所示

圖二、含氧三員環。（作者繪製）

環氧乙烷 (ethylene oxide, or oxirane)，為一種的環狀醚類化合物 (cyclic ethers)，因三員環的關係使之容易開環 (decyclization)，具有非常好的反應性，應用於非常多的加成反應 (addition reaction) 和聚合反應 (polymerization)（圖三）。²

圖三、含氧三員環的反應。（作者繪製）

二氧環丙烷 (dioxirane)，又稱雙環氧乙烷，是一個不穩定的化合物，在有機合成中，此類化合物最常見的是 3,3-雙甲基二氧環丙烷 (3,3-dimethyldioxirane, DMD)，因其不穩定性質，容易進行反應，被廣泛應用於氧化反應 (oxidation reaction) 以及環氧化 (epoxidation)，如圖四所示。³

圖四、以 DMD 提供氧原子的反應。（作者繪製）

氧環丙烯 (oxirene)，又稱氧吮，目前無法確定是否真實存在，不過有文獻提出它可能存在於反應之中為中間體。

氧氮環丙烷 (oxaziridine)，因三員環以及氮氧鍵較弱的關係，使之容易開環進行反應。在西元 1956 年，被 William D. Emmons 合成，1970 年代，Franklin Davis 合成出以它為名的 Davis’ oxazirdine，其被廣泛應用有機合成以及不對稱合成中（圖五）。⁴

圖五、Davis’ oxazirdine 的合成作為。（作者繪製）

B. 含氧四員環，常見結構及俗名如圖六所示

圖六、含氧四員環 。（作者繪製）

氧環丁烷 (oxetane)，又稱氧呾，於 1949 年 Noller 實驗室，以氫氧化鉀 (potassium hydroxide, KOH) 及加熱的條件下製備氧環丁烷；與 1954 年由 Büchi 實驗室，以照光的方式合成出 oxetanem （圖七）。^5,6,7

圖七、氧環丁烷的合成。（作者繪製）

C. 含氧五員環，常見結構及俗名如圖八所示

圖八、含氧五員環。（作者繪製）

五員環中的含氧雜環種類繁多。在常見的五員環雜環中同時具有氧以及氮之雜原子的也有非常多種。在天然物結構中，可以容易找到含氧原子之五員環（圖九）。

圖九、具有含氧五員環結構的天然物。（作者繪製）

含氧五員環結構的化合物之合成方式有非常多，下面僅列舉少數。下圖為四氫呋喃 (tetrahydrofurane) 的合成，利用路易士酸以及加熱的條件下將 1,4-丁二醇 (butane-1,4-diol) 進行分子內環化得到，如圖十。⁸

圖十、四氫呋喃的合成。（作者繪製）

下圖十一為含二氫呋喃 (dihydrofuran) 結構之化合物，可以透過硝基羥醛縮合反應 (nitro-aldol reaction) 合成得到。⁹

圖十一、合成含二氫呋喃結構之化合物。（作者繪製）

具呋喃 (furane) 結構之化合物的合成，透過巴爾-諾爾合成 (Paal-Knorr synthesis) 的方法可以得到呋喃類似物（圖十二）。¹⁰

圖十二、巴爾-諾爾合成帶呋喃骨架的化合物。（作者繪製）

具二草酸酯 (dioxolane) 結構之化合物的合成，可透過二溴乙烷以及碳酸鉀的條件下進行親核反應得到（圖十三）。¹¹

圖十三、帶二草酸酯結構的合成。（作者繪製）

（口咢）唑啶 (oxazolidine) 結構之化合物的合成，透過空氣的條件下進行反應，進行親核反應可以得到（圖十四）。¹²

圖十四、帶 oxazolidine 結構的合成。（作者繪製）

噁唑 (oxazole) 結構之化合物的合成，透過 Robinson — Gabriel synthesis 的概念進行分子內環化反應，可以得到噁唑化合物（圖十五） 。¹³

圖十五、帶噁唑結構的合成。（作者繪製）

（口咢）二唑 (oxadiazole) 結構之化合物的合成，利用 N,N‘-二環己基碳二亞胺 (N,N‘-Dicyclohexylcarbodiimide, DCC) 以及加熱的條件下進行環化反應，如圖十六所示。¹⁴

圖十六、帶 oxadiazole 結構的合成。（作者繪製）

連結：含氧雜環（下）

參考文獻

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