第十六章杂环化合物

Honghe University Prof Guo Ya-li第十六章第十六章 杂环化合物杂环化合物 第一节第一节 杂环化合物的分类和命名杂环化合物的分类和命名第二节第二节 五元杂环化合物五元杂环化合物第三节第三节 六元杂环化合物六元杂环化合物第四节第四节 稠杂环化合物稠杂环化合物Honghe University Prof Guo Ya-li1、杂环化合物的概念、杂环化合物的概念(氮杂环丙烷)(-丙内酯)(-丙内酰胺)(顺丁烯二酸酐)(氧杂)(1H-氮杂)OHN(环氧乙烷)OONHOOOOONH第一节第一节 杂环化合物的分类和命名杂环化合物的分类和命名一、分类一、分类Honghe University Prof Guo Ya-li2、常见的杂环化合物、常见的杂环化合物 Honghe University Prof Guo Ya-li 二、命名二、命名 杂环的命名常用音译法，是按外文名词音译成带“口”字旁的同音汉字。NHOSNNN(pyrrole)(furan)(thiophene)(pyridine)(pyrimidine)NNNNHNNH(quinoline)(indole)(purine)吡咯呋喃噻吩吡啶嘧啶喹啉吲哚嘌呤Honghe University Prof Guo Ya-li 编号从杂原子开始。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。咪唑咪唑 噻唑噻唑 噁唑噁唑 嘧啶嘧啶 稠杂环的编号稠杂环的编号 吲哚吲哚 嘌呤嘌呤 喹啉喹啉Honghe University Prof Guo Ya-li5-硝基硝基-2-呋喃甲醛呋喃甲醛 N,N-二乙基二乙基-3-吡吡 啶甲酰胺啶甲酰胺1,3,7-三甲基嘌呤三甲基嘌呤-2,6-二酮二酮 将取代基名称连同位号置杂环名前或名后。将取代基名称连同位号置杂环名前或名后。环上有取代基的杂环环上有取代基的杂环 噻吩并吡咯噻吩并吡咯 萘并呋喃萘并呋喃 5-苯基咪唑并苯基咪唑并2,1-b噻唑噻唑噻吩并噻吩并3,2-b吡咯吡咯 萘并萘并1,2-b呋喃呋喃Honghe University Prof Guo Ya-li第二节第二节 五元杂环化合物五元杂环化合物 呋喃、噻吩、吡咯在结构上具有共同点，即构成环的五个原子都为sp2杂化，故成环的五个原子处在同一平面，杂原子上的孤对电子参与共轭形成共轭体系，其电子数符合休克尔规则（电子数=4n+2），所以，它们都具有芳香性:OSNHSONH56为共轭体系电子=6符合4n+2具有芳性富电子芳环离域能:一、呋喃、噻吩、吡咯杂环的结构一、呋喃、噻吩、吡咯杂环的结构Honghe University Prof Guo Ya-li二、呋喃、噻吩、吡咯的性质二、呋喃、噻吩、吡咯的性质（一）存在与物理性质（一）存在与物理性质 都能溶于有机溶剂,水溶解度都小于六元杂环吡啶溶解度顺序为：吡咯呋喃噻吩吡咯呋喃噻吩 吡咯几乎不显碱性,相反具有弱酸性 偶极矩Honghe University Prof Guo Ya-li（二）化学性质（二）化学性质1亲电取代反应亲电取代反应 从结构上分析，五元杂环为56共轭体系，电荷密度比苯大，如以苯环上碳原子的电荷密度为标准（作为0），则五元杂环化合物的有效电荷分布为：亲电取代反应的活性为：吡咯 呋喃 噻吩 苯，主要进入-位。说明：说明：吡咯、呋喃、噻吩的亲电取代反应，对试剂及反应条件必须有所选择和控制。OSNH000000+0.1-0.03-0.02+0.20-0.06-0.04+0.32-0.10-0.06Honghe University Prof Guo Ya-li*1 亲电取代反应的活性顺序为：亲电取代反应的活性顺序为：吸电子诱导：O(3.5)N(3.0)S(2.6)给电子共轭：N O S综合：N贡献电子最多，O其次，S最少ONHSNHEHNHEHNHEHEHEHEH电子密度电子密度-络合物络合物八隅体结构最稳定八隅体结构最稳定无最稳定结构无最稳定结构Honghe University Prof Guo Ya-li*2 取代反应主要发生在-C上；*3 吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感，选择试剂时需要注意；*4 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，虽然也能与大多数亲电试剂发生亲电取代，但在强亲核试剂存在下，能发生亲核加成。取代呋喃、噻吩、吡咯的定位效应 试写出试写出5-甲基-2-甲氧基噻吩和3-硝基吡咯的一硝化产物的结构式并解释之。Honghe University Prof Guo Ya-li（1）呋喃、噻吩、吡咯的卤化反应呋喃、噻吩、吡咯的卤化反应 反应强烈，易得多卤取代物。为了得一卤代(Cl,Br)产物，要采用低温、溶剂稀释等温和条件。OOOClClClCl2-40+OBrOOBr2,0稀释(86%)SSBrSIBr2AcOHI2,HgOC6H6,0(78%)碘不活泼，要用催化剂才能发生一元取代Br2,0NHNHClNHBrBrBrBrEtOHSOCl2(1 mol)Et2O,0(80%)Honghe University Prof Guo Ya-li（2）呋喃、噻吩、吡咯的硝化反应呋喃、噻吩、吡咯的硝化反应 呋喃,噻吩和吡咯易氧化,一般不用硝酸直接硝化;通常用比较温和的非质子硝化试剂，如：硝酸乙酰酯。反应在低温下进行。CH3COCCH3 +HNO3O OCH3CONO2 +CH3COOHOSAcONO2O oCAc2O/AcOHSNO2SNO2+NHAcONO2O oCAc2O/AcOHNHNO2NHNO2+60%10%51%13%Honghe University Prof Guo Ya-li 呋喃比较特殊,先生成稳定的或不稳定的2,5加成产物,然后加热或用吡啶除去乙酸,得到硝化产物。ONHNO2OOHNO2HNO2HAcOAcONO2-5-30oC+PyridineHonghe University Prof Guo Ya-li（3）呋喃、噻吩、吡咯的磺化反应呋喃、噻吩、吡咯的磺化反应 吡咯、呋喃不太稳定，所以须用温和的磺化试剂磺化。常用的温和的非质子的磺化试剂有：吡啶与三氧化硫的加合化合物。噻吩比较稳定，既可以直接磺化（产率稍低），也可以用温和的磺化试剂磺化。N+SO3CH2Cl2室温NSO3(固体，含量90%)O+NSO3ClCH2CH2Clr.t.3 daysOSO3-NHOSO3-O3SNHNHHonghe University Prof Guo Ya-liS+NSO3ClCH2CH2Clr.t.SSO3-Ba(OH)22Ba2+NH+NSO3100 oCNHSO3-NHHClNHSO3HHonghe University Prof Guo Ya-li（4）呋喃、噻吩、吡咯的傅氏酰基化反应呋喃、噻吩、吡咯的傅氏酰基化反应(60%)NH+Ac2O150-200 NHCCH3O(70%)NHNa或 NaOH(浓)PhCClNNa+ONCOPhSAc2O 与 AlCl3 的混合体系SCCH3OEg 1Eg 4Eg 3Eg 2OBF3+Ac2OOCCH3O(75%-92%)Honghe University Prof Guo Ya-liNHENHEsp2杂化杂化sp3杂化杂化碳上酰化，正电荷处在碳上酰化，正电荷处在离域范围内，较稳定。离域范围内，较稳定。氮上酰化，正电荷不处氮上酰化，正电荷不处在离域范围内。在离域范围内。NHOO+H2SO4 +S墨绿色 呋喃、噻吩的酰化反应在呋喃、噻吩的酰化反应在-C上发生，而吡咯的酰化反应（不用上发生，而吡咯的酰化反应（不用催化剂）既能在催化剂）既能在 -C上发生，又能在上发生，又能在N上发生。在上发生。在 -C上发生比在上发生比在N上上发生容易。发生容易。Honghe University Prof Guo Ya-li2加氢反应加氢反应ONHSH2,Ni or PdH2,Ni or PdH2,NiONHS四氢呋喃四氢吡咯(THF)不能用 催化因噻吩能 使中毒PdPdHonghe University Prof Guo Ya-li3呋喃、吡咯的特性反应呋喃、吡咯的特性反应(1)Diels-Alder反应反应 呋喃最易发生Diels-Alder反应90%OOOO+OOOO76%O+O+NCH3H3CCOCH3COOCH3COOCH3NCOCH3CH3H3CCOOCH3COOCH3AlCl3AlCl3NHCCH3H3CCOOCH3COOCH3OCH3Honghe University Prof Guo Ya-li（2）吡咯的弱酸性和弱碱性吡咯虽然是一个仲胺，但碱性很弱。NHNHNH2Kb3.8 10-102 10-42.5 10-14原因：上的未共用电子对参与了环的共轭体系，减弱了与 的结合力。NHHonghe University Prof Guo Ya-li吡咯具有弱酸性，其酸性介与乙醇和苯酚之间。NHOHKa=1.3 10-101 10-181 10-15CH3CH2OHpKa=10OH-OOHNHNK+Na 或 K或浓NaOHpKa 17.5Honghe University Prof Guo Ya-li三、重要的五元杂环衍生物三、重要的五元杂环衍生物（一）糠醛（一）糠醛（-呋喃甲醛）呋喃甲醛）1制备制备 由农副产品如甘蔗杂渣、花生壳、高粱杆、棉子壳用稀酸加热蒸煮制取。(C5H8O4)n35%H2SO4HO CHCH OHCH2OHCH CHOOHH2SO4稀CHO多聚戊糖戊糖呋喃甲醛水蒸气 糠醛是良好的溶剂，常用作精练石油的溶剂，以溶解含硫物质及环烷烃等。可用于精制松香，脱出色素，溶解硝酸纤维素等。糠醛广泛用于油漆及树脂工业。Honghe University Prof Guo Ya-li 2糠醛的性质糠醛的性质 同有-H的醛的一般性质。（1）氧化还原反应）氧化还原反应OCHO KMnO4弱碱性CuO,Cr2O315010MPa,V2O5-MoO320,O2,OCH2OHOCOOHOOO+CO2 +H2OHonghe University Prof Guo Ya-li（2）歧化反应）歧化反应（3）羟醛缩合反应）羟醛缩合反应（4）安息香缩合反应）安息香缩合反应OCHOOCH2OHOCOOH+浓碱OCHOOCH=CHCHO+稀碱CH3CHOOCHOOCH醇溶液KOHCOOHOHonghe University Prof Guo Ya-li 给给出下列反应的产物结构、名称及反应类型。Honghe University Prof Guo Ya-li（二）吡咯的重要衍生物（二）吡咯的重要衍生物 最重要的吡咯衍生物是含有四个吡咯环和四个次甲基(-CH=)交替相连组成的大环化合物。其取代物称为卟啉族化合物。12345678NHNHNN 卟啉族化合物广泛分布与自然界。血红素，叶绿素都是含 环的卟啉族化合物。在血红素中 环络合的是Fe，叶绿素 环络合的是Mg。Honghe University Prof Guo Ya-li 灵菌红素 卟吩胆色素原(2)叶绿素、血红素和维生素叶绿素、血红素和维生素B12电致发光材料Honghe University Prof Guo Ya-li四、噻唑和咪唑四、噻唑和咪唑1噻唑噻唑 噻唑是含一个硫原子和一个氮原子的五元杂环，无色，有吡啶臭味的液体，沸点117，与水互溶，有弱碱性，是稳定的化合物。一些重要的天然产物几合成药物含有噻唑结构，如青霉素、维生素B1等。青霉素青霉素SNCHC ONHC ROHOOCCH3CH3R=CH2CH2OCH CH CH2S CH3R=R=GVO常用青霉素为青霉素为青霉素为青霉素Honghe University Prof Guo Ya-li维生素维生素B1（VB1）NNCH2NSCH3CH2CH2OHNH3ClCH3Cl噻唑环对糖类的新陈代谢有显著的影响，人体缺乏时可以引起脚气病Honghe University Prof Guo Ya-li第三节第三节 六元杂环化合物六元杂环化合物 六元杂环化合物中最重要的有吡啶、嘧啶和吡喃等。NNNO吡啶嘧啶吡喃Honghe University Prof Guo Ya-li一、吡啶一、吡啶 (一一)来源、制法和应用来源、制法和应用 吡啶存在于煤焦油页岩油和骨焦油中，吡啶衍生物广泛存在于自然界，例如，植物所含的生物碱不少都具有吡啶环结构，维生素PP、维生素B6、辅酶及辅酶也含有吡啶环。吡啶是重要的有机合成原料（如合成药物）、良好的有机溶剂和有机合成催化剂。吡啶的工业制法可由糠醇与氨共热（500）制得，也可从乙炔制备。吡啶为有特殊臭味的无色液体，沸点115.5，相对密度0.982，可与水、乙醇、乙醚等任意混和。Honghe University Prof Guo Ya-li（二）吡啶的结构（二）吡啶的结构NNNH上的孤电子对在 轨道上，参与环内共轭，为富电子芳环。上的孤电子对在 轨道上，在环外未参与环内共轭。成环原子共平面体系C_ sp2N_ sp2 66NPsp2NHonghe University Prof Guo Ya-li由于吡啶环的N上在环外有一孤对电子，故吡啶环上的电荷分布不均。N1.430.841.010.87电荷分布亲电取代亲核取代N ，位位Honghe University Prof Guo Ya-li（三）吡啶的性质（三）吡啶的性质1碱性与成盐碱性与成盐 吡啶的环外有一对未作用的孤对电子，具有碱性，易接受亲电试剂而成盐。吡啶的碱性小于氨大于苯胺。CH3NH2NH3NNH2pKb3.384.768.809.42Honghe University Prof Guo Ya-li吡啶易与酸和活泼的卤代物成盐。N+HClN HClNNH3N+SO3CH2Cl2N SO3(90%)此反应常用于在反应中吸收生成的气态酸室温吡啶三氧化硫络合物是常用的缓和磺化剂Honghe University Prof Guo Ya-liNNNRIR I300INI+RROHNNRROH制取烷基吡啶的一种方法Honghe University Prof Guo Ya-li2亲电取代反应亲电取代反应NNClNBrNNO2NSO3HCl2,AlCl3Br2,H2SO4HgSO4100300浮石催化气相浓220混酸300催化，氯吡啶溴吡啶硝基吡啶吡啶 磺酸3333吡啶环容易发生亲核取代反应。、位，以位为主。Honghe University Prof Guo Ya-li实验事实实验事实：钝化和 b取代N发发烟烟 H2SO4发发烟烟 HNO3 /无无反反应应发发生生发发烟烟 H2SO4发发烟烟 HNO3 /NNO2取取代代在在 b b 位位N(CH3)3发发烟烟 H2SO4发发烟烟 HNO3 /N(CH3)3NO2起起吸吸电电子子基基作作用用300oC/24hHonghe University Prof Guo Ya-li其它反应现象其它反应现象NNSO3HNBr浓浓 H2SO4/HgSO4220oC300oCBr2/浮浮石石无无反反应应发发生生Friedel-Crafts 反反应应Honghe University Prof Guo Ya-li环上有给电子基时反应相对较易进行NKNO3/浓浓 H2SO4110oCNNO2H3CCH3H3CCH3NNH220oCBr2/HOAcNNH2BrHonghe University Prof Guo Ya-li3氧化还原反应氧化还原反应（1）氧化反应NNNN吡 啶 甲 酸（烟 酸）CH3KMnO4/HHNO3COOHCOOH吡 啶 甲 酸Honghe University Prof Guo Ya-liNNCH3C-OOHOONHNO3ONONO2H2SO490PCl3NNO2+POCl3Honghe University Prof Guo Ya-li（2）还原反应 吡啶比苯易还原，用钠加乙醇、催化加氢均使吡啶还原为六氢吡啶（即胡椒啶）。Honghe University Prof Guo Ya-li4亲核取代亲核取代NNaNH2NH2ONHNaNNH2二甲苯胺中回流取代主要发生在 a 位NPhLiNPhO2 or PhNO2,(氧氧化化)Honghe University Prof Guo Ya-li二、嘧啶及其衍生物二、嘧啶及其衍生物NN 嘧啶本身不存在于自然界，其衍生物在自然界分布很广，脲嘧啶、胞嘧啶、胸腺嘧啶是遗传物质核酸的重要组成部分，微生素B1也含有嘧啶环。合成药物的磺胺嘧啶也含这种结构。NNNNNNOHHOOHHOHOCH3NH2尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶(U)(T)(C)Honghe University Prof Guo Ya-li第四节第四节 稠杂环化合物稠杂环化合物 稠杂环化合物是指苯环与杂环稠合或杂环与杂环稠合在一起的化合物。常见的有喹啉、吲哚和嘌呤。NNHNNNHN234567891112233445566778喹啉吲哚嘌呤(Quioline)(indole)(Purine)Honghe University Prof Guo Ya-li 一、吲哚一、吲哚 吲哚是白色结晶，熔点52.5。极稀溶液有香味，可用作香料，浓的吲哚溶液有粪臭味。NHCH2CH COOHNH2NHCH3色氨酸构成蛋白质的重要成分甲基吲哚（粪臭素）很稀时有茉莉香味分解NHCH2CH2NHAcCH3O脑白金MelatonineHonghe University Prof Guo Ya-liNHCH2COOH吲哚乙酸植物激素，少量能调节植物生长，量大则杀伤植物。如在侧链多一个 就失去生理效能。CH2吲哚的性质与吡咯相似，也可发生亲电取代反应，取代基进入-位。色氨酸利血平Honghe University Prof Guo Ya-li二、喹啉二、喹啉1喹啉的性质喹啉的性质（1）取代反应）取代反应NNNNNNNO2NO2BrBrNSO3HNHNaNNH2+H2O浓HNO3H2SO4浓浓+H2SO4浓+Br2Ag2SO4H2SO4,220KNH2.二甲苯1000Honghe University Prof Guo Ya-li（2）氧化还原反应）氧化还原反应NNNH100KMnO4CH3CH2OH,NaCOOHCOOHHonghe University Prof Guo Ya-li2喹啉环的合成法喹啉环的合成法斯克劳普（斯克劳普（Skraup）法：）法：喹啉的合成方法有多种，常用的是斯克劳普法。是用苯胺与甘油、浓硫酸及一种氧化剂如硝基苯共热而生成。NNH2 CH2-CH-CH2OHOH OH+H2SO4硝基苯8491%Honghe University Prof Guo Ya-li2喹啉环的合成法喹啉环的合成法斯克劳普（斯克劳普（Skraup）法：）法：Honghe University Prof Guo Ya-li3喹啉的衍生物喹啉的衍生物喹啉的衍生物在自然界存在很多，如奎宁、氯喹、罂粟碱、吗啡等。NCH3OCHHONCH CH2奎宁（金鸡钠碱）存在于金鸡钠树皮中，有抗疟疾疗效NNClNHCHHO(CH2)3-NC2H5C2H5CH2OCH3OCH3CH3OCH3O氯喹（合成抗疟疾药）罂粟碱Honghe University Prof Guo Ya-liHOOOHNCH312345678吗啡含一个被还原了的异喹啉环，是从鸦片中提取出来的。吗啡的盐酸盐是很强的镇痛药，能持续6小时，也能镇咳，但易上瘾。将羟基上的氢换成乙酰基，即为海洛因，不存在于自然界。海洛因比吗啡更易上瘾，可用来解除晚期癌症患者的痛苦。Honghe University Prof Guo Ya-li三、嘌呤三、嘌呤NNNHNNNNNH()()9H7H嘌呤嘌呤 嘌呤为无色晶体，m.p216217，易溶于水，其水溶液呈中性，但能与酸或碱成盐。纯嘌呤环在自然界不存在，嘌呤的衍生物广泛存在于动植物体内。Honghe University Prof Guo Ya-li1尿酸尿酸 存在于鸟类及爬虫类的排泄物中，含量很多，人尿中也含少量。HNNHNHNHNNNHNOOOOHHOOHHonghe University Prof Guo Ya-li2黄嘌呤黄嘌呤 存在于茶叶及动植物组织和人尿中。HNNHNHNNNNHNOOOHHOHonghe University Prof Guo Ya-li3咖啡碱、茶碱和可可碱咖啡碱、茶碱和可可碱 三者都是黄嘌呤的甲基衍生物，存在于茶叶、咖啡和可可中，它们有兴奋中枢作用，其中以咖啡碱的作用最强。NNNNOONNNNOONNNNHOONNNNOOHNNNNOOCH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3Honghe University Prof Guo Ya-li4腺嘌呤和鸟嘌呤腺嘌呤和鸟嘌呤 它是核蛋白中的两种重要碱基。NNNHNHNNNHNH2NONH2 腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）Honghe University Prof Guo Ya-li