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第十六章杂环化合物

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第十六章杂环化合物

第十六章杂环化合物
醇和糠酸钠(Cannizzaro反应)。
第十六章
20
呋喃在镍催化下，加氢可得四氢呋喃。四氢呋喃沸点65.5℃，
是良好的溶剂，也是有机合成的原料。从四氢呋喃可得到己二酸和
己二胺，它们是制造尼龙—66的原料。
第十六章
21
尽管呋喃在温和条件下容易发生亲电取代反应，但由于它的芳
香性较弱，呋喃及其衍生物可以容易地进行Diels—Alder反应和一般
合物。最常见的和最稳定的杂环化合物可分为五元杂环和六元杂环 两大类，在每一类中又根据杂原子种类、数目、单环或稠环等再分 类。
第十六章
4
第十六章
5
第十六章
6
杂环化合物的命名采用英文名称的音译，一般在同音汉字的左
边加一“口”旁。对于含一个杂原子的杂环也可把靠近杂原子的位
置叫做α位，其次为β位和γ位。
沸点162℃。糠醛在醋酸存在下遇苯胺呈亮红色，可用来定性检验 糠醛。糠醛可由农副产品如燕麦壳、玉米芯、棉子壳等原料来制取。 这些原料中含有戊醛糖的高聚物 (戊聚糖)。戊聚糖用盐酸处理后， 先解聚变为戊醛糖，然后再失水而成糠醛。
第十六章
19
糠醛是一个很好的溶剂，也是有机合成的原料。糠醛的化学性
质同苯甲醛类似，例如糠醛与约50％氢氧化钠水溶液作用可生成糠
第十六章
7
16.1.2 结构和芳香性
呋喃、噻吩和吡咯是含一个杂原子的五元杂环化合物，组成环
的五个原子位于同一平面上，彼此以 σ键相连接，每个碳原子还有
一个电子在p轨道上，杂原子的未共用电子对也在p轨道上，这五个 p轨道都垂直于环所在的平面。
第十六章
8
呋喃、吡咯和噻吩的离域能分别为67 kJ· mol-1、88 kJ· mol-1和

第十六章 杂环化合物

第十六章 杂环化合物

第十六章杂环化合物♦杂环化合物的分类和命名；♦五元、六元杂环化合物的结构和性质；♦稠杂环化合物，喹啉的制法；♦了解生物碱；了解毒品的种类与危害。

♦呋喃、吡咯、噻吩的结构和性质；♦吡啶、喹啉的结构和性质。

环状酸酐、内酯、内酰胺等，由于它们的环容易打开，性质和开链化合物相似，习惯上不看作杂环化合物。

杂环化合物是一大类有机物，占已知有机物的三分之一以上，广泛存在于自然界中。

⏹植物中的叶绿素和动物中的血红素，都含有杂环结构；⏹石油、煤焦油中，有含硫、含氮及含氧的杂环化合物；⏹生物的遗传，是核酸链上的嘌呤和嘧啶碱基在起作用。

⏹许多杂环化合物用作医药、农药、染料等。

杂环化合物的内容非常丰富，无论在理论研究或实际应用方面都很重要，本章只限于几类常见的杂环化合物。

sp2杂化轨道p轨道红外光谱：呋喃、吡咯、噻吩的C—H伸缩振动比苯的频率高，位于3077~3303cm-1处。

⏹吡咯的N—H伸缩振动：❒非极性稀溶液中在3495cm-1有一尖锐的峰；❒浓溶液中在3400cm-1出现一宽峰。

⏹环伸缩振动(骨架振动)，和苯的骨架振动吸收位置接近，在1600~1300cm-1处出现2~4个峰，但峰的形状不同。

(3) 亲电取代反应呋喃、吡咯、噻吩环上的6个π电子分布在5个原子上，电荷密度比苯大。

⏹杂原子对环上电子的贡献为：N最多，O其次，S最少。

⏹亲电取代反应的活性为：吡咯>呋喃>噻吩>苯。

❒吡咯的反应活性和苯胺或苯酚相当，噻吩活性较差，但也比苯快得多。

由于呋喃、吡咯、噻吩环上的π电子云分布不匀，亲电取代反应主要发生在α-位上。

芳香性对亲电取代的影响：⏹噻吩、吡咯的芳香性较强，所以易取代而不易加成；⏹呋喃的芳香性较弱，更像二烯醚，亲电取代往往是通过加成-消除的方式进行的。

环的稳定性对亲电取代的影响：⏹吡咯在强酸性溶液中容易聚合或开环，因此亲电取代反应不能在强酸性溶液中进行。

⏹噻吩对酸不如吡咯和呋喃敏感，可以用硫酸磺化，用混酸硝化。

有机化学-第16章杂环化合物

有机化学-第16章杂环化合物

O NH3Cl
-
O + Me Me
H3C NaOH N H CH3
O NH3Cl
-
O NaOH O H N H H HO OHN H -OHH3C N H CH3 Me Me O N H
16.3 一杂六元杂环化合物
16.3.1 吡啶的结构
H H N H H
0.140 nm 0.139 nm
N
H
吡啶的轨道结构
Cl N
与重氮盐的偶联反应
H N N N Cl N H N N N H N N
呋喃、噻吩 、吡咯的合成
H Me O O Me Me O O H Me Me O OH Me P2O5 -H2O Me O Me
H Me O O Me (NH4)2CO3 OH Me H N O H H Me Me N H2 Me Me N H OH2 Me
16.3.1 吡啶的性质
N 0.134 nm C–N: 0.146 nm C=N: 0.128 nm
• 是弱碱：pKb = 8.8，但比三级胺弱： pKb = 4.2
碱 性
• 原因：吡啶上氮原子的孤对电子在SP2轨道上，比三级 胺（孤对电子在SP3轨道上）S成分多，降低了结合质子 的能力。 • 碱性比苯胺强
N
1. 吡啶很难发生亲 电取代反应 2. 不发生FreidelCrafts烷基化和 酰基化反应
• 亲电取代反应需要 Brønsted酸或Lewis酸促 进，而吡啶的氮原子和酸 作用使氮带正电荷，进一 步降低电子云密度。
吡啶和苯的亲电取代反应比较
Br N NO2 N SO3H N R N RX/ AlCl3 R 发烟 H2SO4 SO3H HNO3/H2SO4 50 oC NO2 Br

第十六章 杂环化合物

第十六章 杂环化合物

N N pyrazine 吡嗪
5 6 7 8
4 3 6 7 2
5
4 3
4
6 3 2 1N 2
N
N2
8 1
5 6
5
7 8
1
7
quinoline 喹啉
isoquinoline 异喹啉
N1 H indole 吲哚
N 4 N9 H 3 purine 嘌呤
杂环化合物分类：
第一类：无芳香性的杂环化合物：
O 例： O 四氢呋喃 O 丁二酸酐 O N H 四氢吡咯 N H 六氢吡啶
CO2Et H2C COCH3 Et2NH CO2Et C COCH3
H2 C O
+
CH2
第二步：发生迈克加成
CH2
CO2Et C COCH3
+
H2 C
CO2Et COCH3
Et2NH
EtO2C H3C OO
CO2Et CH3
第三步：关环，生成二氢吡啶环
EtO2C H3 C OO
CO2Et CH3
KNO3 , H2SO4(SO3) N 300℃ Br N N
NO2 3-硝基吡啶
Br2 , HOAc N NH2 20℃
NH2
E N
E
H N
E
H N
E
H N
E N
E H E N N E H or N+
16.1.4 吡啶环上亲核取代反应 亲核取代是吡啶环特有的反应，苯系化合物没有类似的反应。 吡啶环 2, 4, 6 位上的卤素容易被亲核试剂取代。
N2
2
thiazole
oxazole
2 六元杂环
N N pyridine 吡啶 N pyrimidine 嘧啶 N pyridazine 哒嗪 N N N pyrazine 吡嗪

有机化学第十六章杂环

有机化学第十六章杂环
取代基顺序
按照英文字母顺序排列取代基，并按照取代基的数目和位置进行编 号。
编号顺序
按照取代基的编号顺序进行编号，取代基的编号越小，优先级越高。
分类方法
1
根据杂环母核的环状结构分类：分为单环、双环 和多环杂环化合物。
2
根据杂环母核中杂原子的种类分类：分为含氧、 含氮、含硫和含磷等杂环化合物。
3
根据杂环母核中碳原子和杂原子的成键情况分类： 分为碳-碳键和碳-杂原子键杂环化合物。
杂环化合物的特点
01
02
03
稳定性
杂环化合物通常比相应的 碳环化合物更加稳定，因 为杂原子可以提供额外的 电子，增加环的稳定性。
芳香性
有些杂环化合物具有芳香 性，其特点是具有特殊的 电子分布和化学性质。
反应性
杂环化合物的反应性取决 于其结构和取代基的性质， 有些杂环化合物容易进行 亲电或亲核反应。
THANKS
感谢观看
随着科学技术的发展，杂环化合物在 未来的应用将更加广泛和深入。
同时，随着人们对环境保护和可持续 发展的重视，开发环境友好型的杂环 化合物合成方法和技术也将成为未来 的重要研究方向。
未来发展的方向包括开发新的杂环化 合物合成方法、研究杂环化合物的生 物活性与作用机制、探索杂环化合物 在其他领域的应用等。
杂环化合物的取代反应机理通常涉及亲核和亲电取代反应。
详细描述
杂环化合物的取代反应机理通常涉及亲核和亲电取代反应。在亲核取代反应中，亲核试剂进攻杂环上 的碳原子，形成负离子中间体；在亲电取代反应中，亲电试剂进攻杂环上的碳原子，形成正离子中间 体。这些中间体可以进一步发生重排或水解，最终形成取代产物。
05
在材料科学中的应用
杂环化合物在材料科学中也有广泛的应用，如高分子材料、功能材料和复合材料等。

第十六章杂环化合物

第十六章杂环化合物
我国的新药研制发展趋势：
创制具有自主知识产权的新型化学合成药物
新化学实体药研究与开发的重要环节：
先导化合物的发现
EWG
EWG
EWG
R2
R
R
5
NH
6
R6R5N
O
R4
R2
R1S SR1
R1S O R4
OH
EWG = 吸电子基
R2 R8
R7
O
R
2-芳基苯并呋喃类化合物的合成：
OH
O
R1 R2
R4 R5
R3
R3
O
R6
R10
R8 R7
R9 R4
O
R5
R8
R6
R7
R3
R9 R4
RS O
R5
R8
R6
R7
Stemofurans A～K
3
5
环境友好无气味代硫醇试剂
硫醇类化合物是重要的精细有机化工产品:
O R1 R2
+ RSH
RS SR R1 R2
羰基保护试剂
O
R1
R2 + RSH
SR O
R1
R2
硫醚的合成
H3C OCH3
N HO
呋喃衍生物
O2N
O
CNN
H
O
O
痢特灵
速尿：利尿药物，用于治疗浮肿
O HN
COOH
Cl SO2NH2
甲氰咪胍：抗溃疡药物
S N
CH3 N H
HH NN
N CN
发莫替丁：抗溃疡药物
吡啶衍生物
烟酸和烟酰胺：维生素B族中的一种，能促进细胞的 新陈代谢

第十六章-杂环化合物精选全文完整版


Ag(NH3)2OH
O CHO
O
糠醛具有典型的无α－H的醛的性质：
+ Ag COONH4
浓 NaOH O CHO
+
O COONa
O CH2OH
NaOAc
O CHO + (CH3CO)2O
O
C C COOH HH
糠醛在醋酸存在下遇苯胺呈亮红色，可用于鉴别 26
二、吲哚
N H 吲哚为白色片状晶体，熔点52.5℃，具有极臭的气味，但纯粹的 吲哚在极稀时有素馨花的香味，可作香料。
中性
N pKb=2.7 H
pKb=3.42
N
◆ 未共用电子对参与共轭的情况不同：
pKb=8.8
N
NH2 pKb=9.3
N
H
pKb=13.6
含氮化合物碱性强弱顺序: 脂肪胺 > 氨 > 吡啶 > 苯胺 > 吡咯
29
(2) 亲核性 吡啶与叔胺相似，也可与卤代烷作用生成季铵盐。
+ C15H31Cl N
+ N C15H31 Cl 氯化十五烷基吡啶
H
OO O + H3C C O C CH3
BF3
O N C CH3 H
O O C CH3
OO S + H3C C O C CH3
H3PO4
O S C CH3
由于呋喃、噻吩、吡咯很活泼，故傅-克烷基化反应往往得到多烷
基取代混合物，甚至不可避免产生树脂状物质，用处不大。
21
◆ 取代呋喃、噻吩、吡咯的定位效应：
HNO3 N
COOH NH3
N
CH3
N
CONH2 N
尼古丁（烟碱） 尼古丁酸（烟酸） 尼古丁酰胺（烟酰胺）

有机化学：16章 杂环化合物


异喹啉Isoquinoline
H N
吲哚 Indole
编号从杂原子开始，尽可能使取代基的位次较小。遇两
相同杂原子, 则由带取代基(或H)的杂原子开始。含多个
不同杂原子, 则按 O
S
N 顺序编号。
CH3
C2H5 O CH3 N
O2N O CHO
S CH2CH2OH
2-甲基5-乙基呋喃
4-甲基吡啶
5- 硝 基 -2呋喃甲醛
高效杀菌剂
H3C N
NaO3SH2C
CH3
O
N CH3
N
C6H5
退热药安乃近
N
H2N
SO2NH
S
抗菌药磺胺噻唑
近70年前的第一宗二甘醇杀人事件就与“磺胺‘药有关，1937年 ，美国田纳西州的马先吉尔药厂推出了“磺胺酏----马先吉尔” （酏剂是以酒精作溶剂的一种药物剂型），这种配制成又甜
又香消炎药水主要是给小孩服用的。
两个互变异构体的平衡体系
6
1N
5
7
N
2
98
N4 N
3
H
N N
NH N
9H-嘌呤
7H-嘌呤
核酸中存在的嘌呤环系：
NH2
O
N
N
HN
N
NN H
腺嘌呤
H2N N
N H
鸟嘌呤
NH2
N
N
HOCH2 O N
N
HH
H
H
OH OH
腺嘌呤核苷（腺苷）
3. 喹啉、异喹啉
1) 亲电取代反应
N
试推测亲电试剂进入的位置 ----位
1、结构和芳香性
呋喃 furan

第十六章杂环化合物ppt课件


NH2
O 醛（酮）
H
R' R
H R' R
N NH H
N HN H 2
R' R
NN H
H R' R N HN2 H 2
H R' R - NH4
O
O
+ Br2
O 0℃
O Br
α–溴代呋喃
(90%)
(4)
S
+Br2
AcOH 室 温
Friedel–Crafts酰基化
α–S溴 代 B 噻 r 吩
催化剂：OS+ nC(C lH 4,3C BO F)23O 等BF3
O O C CH3 2–乙 酰 基 呋 喃
(75% ~92% )
O
N +(CH3CO)2O150~200℃ N C CH3
benzomidazole benzoxazole benzothiazole purine
喹啉N
N
异喹啉
quinoline isoquinoline
N
吖啶
acridine
• 杂环的编号一般从杂原子开始，含多个
杂原子时按O、S、N的次序编号。
43
4 N 3
4
5
N 3
52
O 1
C H 35S12
C H 3 C O 6
六氢吡啶
(哌啶)
有机碱催化剂、环氧树脂的固化剂
氧化： 吡啶与过氧化氢作用生成吡啶–N–氧化物：
NO2
NO2
H2O2,AcOH
HNO3,H2SO4
PCl3,CHCl3
N
65℃
90℃
N
N
△
N

第十六章 杂环化合物

有机化学 Organic Chemistry
教材:高鸿宾 主编 高等教育出版社
第十六章 杂环化合物
制作： 陈 锋
东北大学理学院化学系
第十六章
杂环化合物
杂环化合物：参与成环的原子除碳原子外，还有其它 元素的原子，这类环状化合物叫做杂环化合物 •一般把除碳以外的成环原子叫杂原子，常见的杂原子 有氧、硫和氮：
发 烟 HNO ；H SO 3 2 4 300℃ ； 24h. ; 5%
NO 2 N
N
发 烟2 H SO /HgSO 4 4 220℃ ； 70%
SO H 3 N
－Br N
Br2，300℃ N
比苯难，发生在β位。
（五）亲核取代反应
①与强亲核试剂NaNH2
+ NaNH2
发生在α位
N
N
－NH2
②当吡啶的α位联－Cl时，易进行亲核取代，与
－
3
O
－ Br
2 －溴呋喃 α－溴呋喃
N
4 －甲基吡啶 γ－甲基吡啶
⑵当环上有两个或两个以上的杂原子时，应使杂原子所在的位次 数字最小；当环上有不同杂原子时，按O→S→N的次序编号。
H 3C 5 N 1 H 4 N 3 2
4
4-甲基咪唑
N S 1
3 2
H 3C
5
5－甲基噻吩
⑶环上连有不同取代基时，编号时遵守次序规则及最低系列原则
烟碱 Nicotine(尼古丁)
三. 衍生物
（二）4-甲基吡啶
CH 3
O
COOH
H2N-NH 2
N
O C NH-NH N
2
N
H2SO 4
4-甲基吡啶
4-吡啶甲酸（异烟酸） 异烟肼 Rimifon(雷米封)
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OH
8-羟基-喹啉-5-磺酸
O
CH3
H3C
1
N
6
5
N7
2
8
O
3
N
4 N9
CH3 1,3,7-三甲基嘌呤-2,6-二酮
1H-吲哚
N H
3H-吲哚
N
2H-吡咯
N
N
N
N
N H
9H-嘌呤
N
1H-吡咯
H
H
N
N
N
N
7H-嘌呤
二、结构
(一) 吡咯和吡啶的结构：
① 吡咯环上N原子采取SP2杂化,P
轨道一对电子参与P-π共轭，形
SO3H
例：
+ KOH
N
H
KN-+ + H2O
例：判断a 、b、 c处N原子的碱性大小。
bN
CH2CHc2NH2
Na H
C＞b ＞ a
2、亲电取代：
取代反应速度：取决于环上的电子云密度。
例：
吡咯>呋喃>噻吩>>苯
Fe + Br2
Br
乙醚 Br
Br
+ Br2 N
Br N Br
H
O
H
N H
+
(CH3CO)2O CH3C-ONO2
Cl
NH2
+2NH3180∽200℃
N
+NH4Cl
N
N
+H2O Br
NaOH 回流
+NaBr
N OH
+ PhLi
N
+Li H
N
Ph
+ NaNH2 NH3
N
N
NH 2
4、氧化： 吡啶比苯还难被氧化
CH3 KMnO 4
COOH
N
H+
N
β-吡啶甲酸
SeO2
N
CH3
N
CHO
KMnO4 H+ N
COOH COOH
D . 四 氢 吡 咯 E. 六 氢 吡 啶
补充： 喹啉的合成（Shraup合成法 ）
NH2 CH2OH
+ CHOH
+
CH2OH
反应过程：
NO2 H2SO4 FeSO4
+
N
1、甘油醛脱水生成丙烯醛：
H
HO
conc. H2SO4
+
OH
HO
OH
-H2O
HO
OH
OH 2
HO
CHO conc. H2SO4 H2O+
成六电子五原子的共轭体系，
与苯的电子六电子六原子结构
N
相比，吡咯环上的电子云密度
高。 N原子上的电子云密度降
H
低。
N
吡啶的结构
② 吡啶环的N原子也是SP2杂化， N原子的P 轨道与碳上P轨道 形成六电子六原子的共轭体， N原子上未成键的孤对电子 在SP2杂化轨道上，未参与共 轭为N原子所独有，N原子上 的电子云密度较高。与苯环 相比，由于N原子的电负性 较大，故吡啶环上的电子云 密度较苯环上的电子云密度 低。
NO H
NO H
NO H
N
胞嘧啶(C) 尿嘧啶(U) 胸腺嘧啶(T)
N
嘧啶
O NH
OH N
NO H
N OH
互变异构体
嘌呤碱：
N
N
N
N H
嘌呤
NH2
N
N
N
N H
腺嘌呤(A)
OH
N
N
H2N
N
N H
鸟嘌呤(G)
次黄嘌呤、黄嘌呤和鸟嘌呤为嘌呤碱在体内 的代谢产物。其中：
O
HN
O
N
H
H N
O N H
OH
N
HO
血红素
N
pKb=6.8
N
H
N H3C
N H
H N N
CH3
5-甲基
4-甲基
吡啶衍生物： 维生素PP：
COOH
N
β-吡啶甲酸 （烟酸）
CONH2
N
β-吡啶甲酰胺 （烟酰胺）
雷米封(Remifonum)： CONHNH 2
异烟酰肼
N
优良的抗结核药。
核酸中的碱基：
嘧啶碱：
NH2 N
O NH H3C
O NH
O
N
Which of the following has the strongest basicity in water?
A.乙 酰 胺
B. 二 乙 胺
C. 氨
D. 苯 胺
E. 丁 二 酰 亚 胺
下 列 化 合 物 与 苯 磺 酰 氯 反 应 所 生 成 NaO的H 产 物 能
A. 乙 胺
B. 二 乙 胺 C. N-甲 基 苯 胺
N
or H2/Pt
N 六氢吡啶（哌啶）
H
Na+C2H5OH
N
NH
or H2/Pt
思考：当喹啉，吲哚，对-苯基硝基苯和对-苯基 苯胺进行亲电取代时，取代基优先进于哪个位置。
N
N H
NO2
NH2
5、吡啶的水溶性 吡啶是一个极性分子，偶极矩为2.26D。
N
水溶度： 任意比例
N OH
1：1
N
NH2
1：1
HOOC
KMnO4 N H+
N
可见：电子云密度较高的环较易被氧化。
NO 2
H2O2/AcOH or CH3CO3H
N
PCl3 N CHCl3,
H2/Ni or Fe/H+ N
混酸
+
+
N
N
O-
O-
NO 2
NH 2
对于氧化剂环的稳定性顺序为：
＞
N
＞五员杂环
而当氢化时吡啶比苯容易：
Na + C2H5OH
六 员
N
N
杂 环
N
N
pyridine pyrimidine
N
pyrazine
O
pyran
稠
N
杂 quinoline
环
N H
indole
N
iso-quinnoline
1N 6
5
7 N
8
2
N 3
4
N9 H
purine
2 .命名
⑴、译音加口旁。 ⑵、编号：首先从杂原子开始，若含2个 或2个以上杂原子编号的优先顺序为 O→S→NH→N 。 ⑶、嘌呤的特殊编号。
总结：
1. 杂环化合物多具有芳香性(芳杂环)，芳香性 的 判断可根据Hückel规则：
环内各原子共平面且有环状闭合的共轭体
系， 离域π电子数= 4n+2。 2. 环上电子云密度：
五元环 ≈ 苯胺 ＞ 苯 ＞ 六元环 ≈ 硝基
(吡咯等)
(吡啶等)
3. N上的电子云密度： 脂肪胺＞NH3 ＞吡啶＞苯胺＞吡咯
N
H+
H
NO 2
N
+
H
N
O
N H
OH 2 H
N H NH 2
吲哚的合成（Fischer-indol synthesis)
+ CH3COCOOH
NHNH 2
COOH -CO2
N
250℃
H
H3C COOH
N NH
PCl3
N H
+ CH3COCH3
NHNH 2
+ CH3CH2CHO
NHNH 2
H3C CH3 ZnCl2
N NH 180℃
CH3 CH3 Zn C l2
NH N 180℃
CH3 N H
N
CH3
H
5 °C
吡啶
O
N H
NO2
+ Ac2O N H
N C-CH3 H
H2SO4 SO3
SO3H
N 230° C ,24h N
KNO3+H2SO4
NO2
Fe 350° C
N
N
Br2
Br
300° C
N
N
取代位置：发生在电子云密度高的位置即：
吡咯发生在α(邻)-位
吡啶发生在β(间)-位。
机制: E+进攻吡咯α(邻)-位的共振式（三种）：
CHO -H2O
H
NH 2
OH CHO
O
NH 2
FeCl3,ZnCl2
+ H2C=HCCCH3 PhNO2,
OH
OH
CH2OH
OH
NH2 +CHOH + CH2OH
NO 2 H2SO4
N CH3
N
CHO +
NH2 Michael addition
OH
H+ Nucleophilic addition
+
H
NE
H N +E
+
H NE
+H E
N
N+
H E
（极不稳定）
H +N E
+ E+
N
HE +
N
HE
N+
（极不稳定）
HE +
N
结论： α位和γ 位都有极不稳定的共振式，而β位
进攻则没有，因此吡啶的亲电取代反应发生在 β位上。
3 、吡啶亲核取代反应