呋喃

呋fū喃（oxole或furan^[1]）又名氧杂茂、一氧化二烯五环，^[2] 是最简单的含氧五元杂环化合物。^[6]其相对分子量为68.07，^[3]是无色透明的具有氯仿气味的液体。^[3][4]密度为0.9514g/cm3（20℃），熔点为-85.61℃，^[3]沸点为31.4℃，微溶于水、^[4]氯仿，溶于丙酮、苯，易溶于乙醇，乙醚。^[3]由于呋喃比苯活泼，容易发生取代反应（卤化、硝化、磺化反应等^[7]），并且其亲电取代反应主要发生在α位。^[8]此外， 呋喃还可发生加成反应生成四氢呋喃等。^[7]

呋喃是一种天然产物，存在于紫苏、番茄、咖啡以及少数精油和松木焦油内。^{[3][9][7][10]} 此外，各种各样的热加工食品（咖啡、果汁、罐头食品、婴儿食品等）中都含有呋喃。^[10]其在工业上常通过糠醛脱羰tāng法制备。^[8] 此外，还可通过Feist–Bénary合成法、^[11]糖类（己糖、戊糖等）热解以及丁二烯在高温下催化制备。^[10][12]

呋喃最大用途是用作有机合成原料，如制取四氢呋喃、丁二烯、吡咯和噻吩。^[13] 此外，其还用作树脂和油脂的溶剂，是药物合成的原料和中间体（如呋喃西林、呋喃坦丁等）^[13]，以及用作生产灭草呋喃等除草剂和其他农药（如呋喃丹）等。^{[14] [15]}但是，呋喃已被国际癌症研究机构（IARC）归类为2B类（可能对人类致癌）。^[16]其容易被肺和肠道吸收，消化后主要影响人体的肝脏，^[17]还对人体有麻醉和弱刺激作用。^[6]

“呋喃”这个名字来源于拉丁文“furfur”，意思是麸皮。^[18]1780年瑞典化学家舍勒（Carl Wilhelm Scheele）在干馏粘液酸时得到一种叫焦粘酸的化合物，即呋喃-2-甲酸（俗名糠酸），这是最早获得的呋喃类化合物。至于呋喃本身则在1870年时人们才用碱石灰与糠酸的钡盐作用而获得。^[19]其基本结构于1877年由拜耳（Baeyer）确定。^[20]

在研究加热时食品中挥发成分时，人们首次在食品发现了呋喃。它是食品加热的特殊香气成分。1938年，人类首次提出了咖啡的香气成分中有呋喃的存在，这个想法在十多年之后即被证实。^[17]

呋喃是一种天然产物，存在于紫苏、番茄、咖啡以及少数精油和松木焦油内。^{[3][9][7][10]} 其中在香薷酮tóng型紫苏精油中可分离出紫苏呋喃，其含量占比约为41%。^[21]

此外，各种各样的热加工食品（咖啡、果汁、汤、罐头食品、罐装果蔬、婴儿食品）中都含有呋喃。美国FDA对不同食品中呋喃含量的调查，调查包括婴儿和婴儿食品（罐装食品和婴儿配方食品），混合罐头（汤、酱、肉汤、辣椒），鱼罐头，肉制品，水果罐头，果汁和蔬菜，面包，果仁，啤酒和其他食品。在这些食品中，呋喃含量比较高的有：罐装婴儿/幼儿食品（甘薯），烤豆罐头，水煮咖啡，以及含有肉和菜的汤类罐头。其中咖啡是成人饮食中呋喃的主要来源，其次是辣椒、谷物、零食和肉汤。^[10]

呋喃分子量为68.07，^[3]是无色透明的具有氯仿气味的液体。^[3][4]其密度为0.9514g/cm3（20℃），熔点为-85.61℃，^[3]沸点为31.4℃，微溶于水、^[4]氯仿，溶于丙酮、苯，易溶于乙醇、乙醚。此外，其蒸气压为600mmHg（25℃），自燃温度为390℃，折射率为1.4214（20℃），^[3] 闪点-40℃，^[22]爆炸极限为2.3%-14.3%（体积）。^[5]

呋喃比苯活泼，容易发生取代反应（卤化、硝化、磺化反应等^[7]），并且其亲电取代反应主要发生在α位。但是，由于呋喃的高度活泼性和呋喃遇酸容易发生环的破裂及树脂化， 因此在进行亲电取代反应时，不能使用一般的硝化、磺化试剂，必须用缓和的试剂才行。^[8]此外， 呋喃还可发生加成反应生成四氢呋喃，以及水解生成1,4-二羰基化合物等。^[7]

呋喃在室温下与氯或溴反应很激烈，得多卤代产物，若要得到一氯代、一溴代产物，需用溶剂稀释及低温反应。^[23]例如，用温和的溴化试剂（二氧六环溴化物）在低温时与呋喃反应，可制得α-溴代呋喃。^[8][23]

硝酸是较强的氧化剂，因此呋喃一般不能用硝酸直接硝化，通常采用比较缓和的硝酸乙酰酯zhǐ进行硝化。^[8]

磺化时也不能直接用硫酸，常用温和的磺化剂，如吡啶与三氧化硫加合物。^[8]

呋喃可发生傅-克酰xiān基化反应，例如，呋喃用酸酐或酰卤在三氟化硼存在下酰化，则生成α-乙酰基呋喃。^[23]

呋喃也能进行芳基化反应（通过重氮化合物），从而把芳基引入呋喃环上。^[13]

其中—Ar为—C6H5。^[13]

呋喃芳香性比苯差的具体表现之一是呋喃具有双烯体的性质，能和顺丁烯二酸酐等发生狄尔斯-阿尔德反应。^[8][24]

在催化剂作用下，呋喃加氢生成四氢呋喃。^[8]

在ZnCl2存在下，呋喃还可与三氯乙醛反应。^[13]

呋喃还可水解生成1,4-二羰基化合物。^[7]

呋喃可经呼吸道、消化道及皮肤吸收。动物试验表明，吸收后的呋喃有14%～16%以原型经肺呼出，其余84%~ 86%在体内代谢。呋喃的生物转化主要在肝进行。由CYP2E1（细胞色素P450代谢酶之一）催化，呋喃环打开，生成有毒的活性中间代谢产物顺式-2-丁烯-1,4-二醛，^[6]会导致不可逆转的解偶联作用—肝细胞线粒体氧化磷酸化。^[17]此代谢过程还需消耗谷胱甘肽，并可能引起细胞死亡。顺式-2-丁烯-1,4-二醛进一步氧化生成终代谢产物CO2而排出体外。^[6]

相关小鼠和大鼠实验都表明，呋喃是一种肝致癌物，能够诱发肝细胞癌和胆管癌。^[10] 小鼠吸入LC50（半数致死浓度）为120mg/m³（1小时）。在体外试验中，呋喃可致培养的肝细胞死亡，随着剂量增加，肝细胞死亡时间缩短。大鼠和小鼠经口给予一定剂量的呋喃，可明显增加肝细胞癌和胆管癌的发生率。由于呋喃不是致突变物，也不与DNA反应，其致癌机制可能与反复的肝细胞毒性和细胞致死性及再生细胞的不断增生有关。^[6]

呋喃已被国际癌症研究机构（IARC）归类为2B类，可能对人类致癌。^[16]其容易被肺和肠道吸收，消化后主要影响人体的肝脏。在肝脏中，它被P-450酶系统代谢为顺-2-丁烯-1,4-二醛，这个高反应性化合物被认为有遗传毒性（造成DNA的破坏），因为它可以与细胞内的亲核物质包括蛋白质和核酸结合。在肝脏中，呋喃会不可逆转地耗尽ATP，造成DNA中双键的断裂，最终导致细胞的死亡。^[17]

呋喃有麻醉和弱刺激作用，长期接触者，其手、足可出现黄褐色色素沉着， 吸入后可引起中枢神经系统抑制症状，过量接触可出现疲劳、头痛、头晕、恶心、血压降低、胃肠道充血、肝损害、呼吸衰竭等。^[6]

在呋喃分子中，四个碳原子和一个氧原子处于同一平面，五个原子分别以sp²杂化轨道构成σ键，组成一个五元环，每个碳原子又分别以一个σ键与一个氢原子相连接，每个碳原子还余下一个半充满的p轨道，氧原子的p轨道上有一对未共用电子对，这五个p轨道都垂直环所在的平面，这样就形成了具有六个π电子的离域体系，^[8]即O原子向五元环闭合π电子共轭体系提供了电子。^[25]

呋喃、吡咯、噻吩都具有芳香性，但芳香性比苯差，实际上，三者的共振能都低于苯。^[26]其中苯、噻吩、吡咯、呋喃的相对共振能值分别为150kJ·mol-1、121kJ·mol-1、 89kJ·mol-1、66kJ·mol-1。^[27]由于在氧、氮、硫三种原子中，氧原子电负性较大，呋喃环中氧原子周围π电子云密度较大，削弱了π电子的共轭，故呋喃的芳香性最小。实际上它已表现出部分二烯的性质。硫原子电负性较小，原子半径又大，因而硫原子对π电子的吸引力较小，噻吩环上π电子共轭程度增强，电子云分布较均匀，所以具有较强的芳香性。氮原子介于氧原子和硫原子之间，使得吡咯的芳香性也介于呋喃和噻吩之间。^[26]因此，呋喃、噻吩和吡咯与苯相比芳香性的强弱顺序为：苯>噻吩>吡咯>呋喃。^[27]

呋喃的最大用途是用作有机合成原料，如制取四氢呋喃（其催化加氢可制备四氢呋喃^[12]）、丁二烯、吡咯和噻吩（与硫化氢反应可制备噻吩^[12]）等。^[13]含有丁烯三酸与呋喃的共聚物盐与碱土金属离子生成的络合物可以生产洗涤清洁剂，同时因不含有氮、磷组分，可用于食品等洗涤产品中。^[12] 此外，其还用作树脂和油脂的溶剂。^[13]

呋喃可用于生产医用药品，^[22] 其是药物合成的原料和中间体，如呋喃西林、呋喃坦丁、呋喃丙胺、雷尼替丁等。^[13][28]硝基呋喃类药（呋喃妥因、呋喃唑酮、呋喃西林等）属广谱抗菌药，细菌对其不易产生耐药性，与其他抗菌药无交叉耐药性，应用不受脓液和坏死组织分解产物的影响。^[29]

呋喃可以生产某些除草剂（如灭草呋喃^[14]），^[13] 也可以在制作其他农药中用到，如呋喃丹，具有内吸触杀和胃毒作用，施于土壤或水稻田，被植物的根部吸收并传导到植株各部位，能防治为害植株的咀嚼口器和刺吸口器害虫。^[15]

工业上采用糠醛和水蒸气于气相在催化剂（如钯、^[3]ZnO-Cr2O3-MnO2等^[30]）作用下加热，脱去羰基生成呋喃。^[8]

除了上述方法，还可以将糠醛氧化得到2-呋喃甲酸，然后脱羧制得呋喃。^[31]

除糠醛脱羰法，以下几种方法也可制备呋喃：

丁二烯为原料：用丁二烯为原料制备呋喃，如以钼mù-铋作催化剂，高温下丁二烯催化反应生成呋喃，或者丁二烯氧化联产顺丁烯二酸酐及呋喃。^[12] Feist–Bénary呋喃合成：用α-卤代酮和β-酮酯在吡啶存在下反应生成呋喃。^[11]糖热解：在极端温度下，糖（己糖、戊糖等）热解可以生成呋喃。^[10]

呋喃的蒸汽接触被盐酸浸过的松木片时，即呈现绿色，叫做松木反应，可用来鉴定呋喃的存在。^[32]也可以通过看红外谱图进行鉴定，呋喃一般在约1600cm-1、1500cm-1、1400cm-1三处均有吸收谱带。^[33]

针对不同情况给予相应急求措施：如果不慎吸入，需将受害者转移到空气新鲜的地方，并评估生命体征，包括脉搏和呼吸频率。如果没有检测到脉搏，需提供心肺复苏术。如果没有呼吸，进行人工呼吸。如果呼吸困难，给药氧或其他呼吸支持，然后立即送医治疗。如果有食入情况，急救步骤同吸入。然后可根据情况用吐根糖浆催吐或使用盐泻药或泻药来促进排泄，随后立即送医。若皮肤和眼睛不慎接触，除吸入急救步骤外，应尽快脱掉并隔离被污染的衣物，用温水冲洗眼睛水至少15分钟或用肥皂彻底清洗暴露的皮肤区域，然后立即送医。^[3]

呋喃有毒，易挥发，操作人员接触浓度应小于10ppm，必须穿戴面具与防护服操作。^[12]

对于食品中呋喃的毒性控制与预防，可通过采用干预呋喃的形成的机制，减少食品中的呋喃含量。比如，在橘汁模型中，由抗坏血酸形成的呋喃甲醛，在乙醇和甘露醇存在的条件下形成量会有所减少，因为乙醇和甘露醇是有效的自由基猝灭剂。环境中氧气的减少降低了不饱和脂肪酸自动氧化的程度，进而降低了呋喃的形成。同样，抗坏血酸由于亚硫酸盐的添加，其氧化程度降低，呋喃生成量减少。因此，加入食品添加剂，加热时降低环境中的氧气含量（气调）都是有效减少食品中呋喃的方法。^[17]

呋喃属于高度易燃物质，其蒸汽可能与空气形成爆炸性混合物，^[3]遇明火、高热能引起燃烧爆炸。由于其蒸气比空气重，所以能在较低处扩散到相当远的地方，遇明火会引着回燃。^[34] 

如发生火灾，先喷水冷却容器，可能的话将容器从火场移至空旷处。处在火场中的容器若已变色或从安全泄压装置中产生声音，必须马上撤离。灭火剂可使用：泡沫灭火剂、干粉灭火剂、二氧化碳灭火剂以及沙土，用水灭火无效。^[34]

呋喃沸点低，闪点低，易燃，易于空气接触生成不稳定的过氧化物，^[12]与酸接触会引发剧烈的产热反应，^[3] 因此，贮藏的容器应密闭，并远离高温，避去火种。^[12]