有机化学杂环化合物课件

第十七章第十七章 杂环化合物杂环化合物1.1.杂环化合物结构和命名杂环化合物结构和命名2.2.杂环化合物的酸碱性杂环化合物的酸碱性3.3.芳杂环的亲电取代反应芳杂环的亲电取代反应.第十七章 杂环化合物1.杂环化合物结构和命名2.杂环1 构成环系的原子除碳原子外还有至少一个其构成环系的原子除碳原子外还有至少一个其它原子时，这样的环系称为杂环。它原子时，这样的环系称为杂环。常见杂原子：常见杂原子：N、S、O、B、Al、Si、P、As、Cu等等。可分为单杂环、稠杂环。五元杂环和六元杂可分为单杂环、稠杂环。五元杂环和六元杂环最常见。环最常见。杂环化合物最常用的名称是音译名称，即按杂环化合物最常用的名称是音译名称，即按照英文名称的发音，在相应的汉字加上口字边。照英文名称的发音，在相应的汉字加上口字边。.构成环系的原子除碳原子外还有至少一个其它原子时2非芳杂环非芳杂环芳杂环芳杂环.非芳杂环芳杂环.3第一节第一节 五元杂环五元杂环一、基本母体结构一、基本母体结构氮杂茂氮杂茂氧杂茂氧杂茂硫杂茂硫杂茂.第一节 五元杂环一、基本母体结构氮杂茂.4 结构结构 环为平面结构，杂原子均为环为平面结构，杂原子均为sp2杂化，有杂化，有5条条p轨道，轨道，6个个p电子（电子（P P56）。）。p电子数符合电子数符合4n+2的规的规则，环有芳香性，为富电子的芳杂环。则，环有芳香性，为富电子的芳杂环。.结构 环为平面结构，杂原子均为sp2杂化，有5条5.6 杂原子的电负性大杂原子的电负性大,环上电荷分布不均匀，键长环上电荷分布不均匀，键长也不完全平均化也不完全平均化:.杂原子的电负性大,环上电荷分布不均匀，键长也不完全7电负性：电负性：C 2.0 S 2.5 N 3.0 O 3.5 五元杂环中五元杂环中,诱导效应与共轭效应方向相反。诱导效应与共轭效应方向相反。呋喃、噻吩中，诱导大于共轭，在吡咯中共轭呋喃、噻吩中，诱导大于共轭，在吡咯中共轭大于诱导。大于诱导。.电负性：C 2.0 S 2.5 N8共轭能较大的共轭能较大的,意味着环的稳定性较强。意味着环的稳定性较强。.共轭能较大的,意味着环的稳定性较强。.9二、化学性质二、化学性质 芳香性的大小是以电子云分布密度均匀性而芳香性的大小是以电子云分布密度均匀性而言，它与环的稳定性相一致。亲电取代反应的活言，它与环的稳定性相一致。亲电取代反应的活性是以环上电子云密度的大小而言。杂原子电负性是以环上电子云密度的大小而言。杂原子电负性大的，则环上的电荷密度就小。性大的，则环上的电荷密度就小。亲电取代的活性：亲电取代的活性：吡咯吡咯 呋喃呋喃 噻吩噻吩 苯苯1、亲电取代反应：、亲电取代反应：噻吩比苯的亲电取代相对速度要大噻吩比苯的亲电取代相对速度要大103105倍倍.二、化学性质 芳香性的大小是以电子云分布密度均10.11.12.13 乙酰基硝酸酯是比较温和的氧化剂乙酰基硝酸酯是比较温和的氧化剂，适用于活泼，适用于活泼的杂环的硝化。它是无色发烟性液体，有爆炸性，临的杂环的硝化。它是无色发烟性液体，有爆炸性，临用时才配制：把欲硝化的物质溶于乙酐中，在足够冷用时才配制：把欲硝化的物质溶于乙酐中，在足够冷却的温度下加入却的温度下加入100%的硝酸，则生成的乙酰基硝酸酯的硝酸，则生成的乙酰基硝酸酯立即与反应物发生硝化作用：立即与反应物发生硝化作用：.乙酰基硝酸酯是比较温和的氧化剂，适用于活泼142、加成反应、加成反应.2、加成反应.15呋喃的芳香性最小，有共轭二烯的特征。呋喃的芳香性最小，有共轭二烯的特征。.呋喃的芳香性最小，有共轭二烯的特征。.16.173、吡咯的弱酸性、吡咯的弱酸性.3、吡咯的弱酸性.18.19三、重要的衍生物三、重要的衍生物1、糠醛、糠醛无色透明液体，无色透明液体，b.p 161.7制备：甘蔗渣、花生壳、高粱杆、棉子壳等含制备：甘蔗渣、花生壳、高粱杆、棉子壳等含有戊多糖，将它们打碎放入反应釜，加入稀硫有戊多糖，将它们打碎放入反应釜，加入稀硫酸，通入水蒸气加热，戊多糖水解为戊糖，戊酸，通入水蒸气加热，戊多糖水解为戊糖，戊糖失水成糠醛。糖失水成糠醛。.三、重要的衍生物1、糠醛无色透明液体，b.p 161.7.20.212、卟啉化合物、卟啉化合物.2、卟啉化合物.22.23四、含两个或两个以上杂原子的五元环四、含两个或两个以上杂原子的五元环 五元杂环中含有多个杂原子，其中一个必五元杂环中含有多个杂原子，其中一个必N原原子的体系称为唑，该类化合物统称为吡咯系杂环。子的体系称为唑，该类化合物统称为吡咯系杂环。.四、含两个或两个以上杂原子的五元环 五元杂环中含有多个24 唑环中的第二个杂原子的唑环中的第二个杂原子的p轨道中均有轨道中均有一个一个p电子参加共轭，由于环中多了一个电电子参加共轭，由于环中多了一个电负性强的杂原子，所以环上的电子云密度降负性强的杂原子，所以环上的电子云密度降低，亲电取代反应均不如含一个杂原子的五低，亲电取代反应均不如含一个杂原子的五元环活泼。元环活泼。.唑环中的第二个杂原子的p轨道中均有一个p电25重要衍生物：重要衍生物：咪唑的衍生物咪唑的衍生物组胺和组胺酸组胺和组胺酸组氨，有降低血压的作用。组氨，有降低血压的作用。组氨酸，动物的血液中约含组氨酸，动物的血液中约含11%，一般从牛血液中提取。，一般从牛血液中提取。在细菌的作用下失羧成组氨。在细菌的作用下失羧成组氨。.重要衍生物：咪唑的衍生物组胺和组胺酸组氨，有降低血压的26 吡唑的衍生物吡唑的衍生物.吡唑的衍生物.27 噻唑的衍生物噻唑的衍生物青霉素青霉素 青霉素含有四氢噻唑、青霉素含有四氢噻唑、-内酰胺环系。内酰胺环系。1940年从青霉年从青霉的培养液中取得。能治疗由葡萄球菌、链球菌引起的病，的培养液中取得。能治疗由葡萄球菌、链球菌引起的病，如肺炎、脑炎等，毒性极小。青霉素只能注射，不能口服，如肺炎、脑炎等，毒性极小。青霉素只能注射，不能口服，因为因为-内酰胺对酸、碱不稳定。内酰胺对酸、碱不稳定。工业生产的青霉素是工业生产的青霉素是G，从青霉素培养液分离。其杀，从青霉素培养液分离。其杀菌作用是阻止细菌的细胞壁的合成，它能与进行生物合成菌作用是阻止细菌的细胞壁的合成，它能与进行生物合成的细胞壁的主要的酶的氨基反应使酶失去活性。的细胞壁的主要的酶的氨基反应使酶失去活性。.噻唑的衍生物青霉素 青霉素含有四氢噻唑、28第二节第二节 六元杂环六元杂环一、吡啶一、吡啶 Pyridine 1、结构结构.第二节 六元杂环一、吡啶 Pyridine.29 诱导效应和共轭效应均为吸电子，方向相同，诱导效应和共轭效应均为吸电子，方向相同，使吡啶环上电子密度降低很多，不易起亲电取代使吡啶环上电子密度降低很多，不易起亲电取代反应，活性比苯低很多，常用做溶剂或碱性试剂。反应，活性比苯低很多，常用做溶剂或碱性试剂。bp115oC。.诱导效应和共轭效应均为吸电子，方向相同，使302、命名命名.2、命名.313、化学性质化学性质 碱性及其盐：吡啶及其同系物是弱碱。碱性及其盐：吡啶及其同系物是弱碱。环上有给电子基团使碱性增强。环上有给电子基团使碱性增强。.3、化学性质环上有给电子基团使碱性增强。.32吸电子基团使碱性减弱。吸电子基团使碱性减弱。.吸电子基团使碱性减弱。.33氮上具有孤对电子，可与亲电试剂反应成盐：氮上具有孤对电子，可与亲电试剂反应成盐：.氮上具有孤对电子，可与亲电试剂反应成盐：.34 亲电取代亲电取代 由于由于N的吸电子效应，吡啶环上发生亲电取代的的吸电子效应，吡啶环上发生亲电取代的活性低于苯（约为百万分之一），想但于硝基苯，为活性低于苯（约为百万分之一），想但于硝基苯，为间位定位基，有活化基团引入，其活性相应增强。间位定位基，有活化基团引入，其活性相应增强。.亲电取代.35.36 亲核取代亲核取代 类似取代硝基苯化合物的亲核取代。类似取代硝基苯化合物的亲核取代。吡啶甚至可以被强亲核试剂进攻取代掉负吡啶甚至可以被强亲核试剂进攻取代掉负H。.亲核取代吡啶甚至可以被强亲核试剂进攻取代掉负H。.37.38.39 氧化反应氧化反应对氧化剂的稳定性较好对氧化剂的稳定性较好.氧化反应对氧化剂的稳定性较好.40 吡啶的还原吡啶的还原.吡啶的还原.41 4、吡啶的衍生物、吡啶的衍生物.4、吡啶的衍生物.42二、含两二、含两个或三个个或三个N原子的六原子的六元环元环都有弱碱性，但比吡啶碱性弱。都有弱碱性，但比吡啶碱性弱。.二、含两个或三个N原子的六元环都有弱碱性，但比吡啶碱性弱。.43遗传物质核酸的组成成分，遗传信息载体。遗传物质核酸的组成成分，遗传信息载体。最重要的衍生物是嘧啶衍生物，在生理和药理上最重要的衍生物是嘧啶衍生物，在生理和药理上有重要地位：有重要地位：.遗传物质核酸的组成成分，遗传信息载体。最重要的衍44三、含氧三、含氧六六元杂环元杂环 吡喃是个非封闭的共轭结构，无芳香性。吡喃是个非封闭的共轭结构，无芳香性。常见的吡喃结构为吡喃酮，主要存在于植物体内：常见的吡喃结构为吡喃酮，主要存在于植物体内：吡喃常以翁离子的形式出现，该形式有芳性吡喃常以翁离子的形式出现，该形式有芳性因而较稳定。因而较稳定。.三、含氧六元杂环 吡喃常以翁离子的形式出现，该形式45自然界中吡喃常以苯并环形式存在：自然界中吡喃常以苯并环形式存在：.自然界中吡喃常以苯并环形式存在：.46.47第三节第三节 稠杂环稠杂环一、苯并五元杂环一、苯并五元杂环.第三节 稠杂环一、苯并五元杂环.48吲哚有一定的酸性，可以与碱反应生成盐。吲哚有一定的酸性，可以与碱反应生成盐。吲哚芳环上也可以发生亲电取代反应。吲哚芳环上也可以发生亲电取代反应。.吲哚有一定的酸性，可以与碱反应生成盐。吲哚芳环上也可以发生亲49.50.51吲哚的衍生物吲哚的衍生物 吲哚最初是由靛蓝降解得到的，有强烈的粪吲哚最初是由靛蓝降解得到的，有强烈的粪臭味，其高度稀释的溶液可做香料使用。臭味，其高度稀释的溶液可做香料使用。.吲哚的衍生物 吲哚最初是由靛蓝降解得到的，有强烈的52.53.54.55二、苯并六元杂环二、苯并六元杂环1、喹啉和异喹啉喹啉和异喹啉.二、苯并六元杂环1、喹啉和异喹啉.56 化学性质化学性质弱碱性弱碱性亲电取代反应亲电取代反应 胺胺 吡啶吡啶 异喹啉异喹啉 喹啉喹啉pKa 9.25 5.23 5.40 4.94在强酸性条件下，亲电反应在苯环上进行。在强酸性条件下，亲电反应在苯环上进行。.化学性质弱碱性亲电取代反应 57.58.59 在非强酸性条件下，有些亲电试剂也可以在吡在非强酸性条件下，有些亲电试剂也可以在吡啶环上进行。啶环上进行。.在非强酸性条件下，有些亲电试剂也可以在吡啶环上进行。60 亲核取代反应亲核取代反应 喹啉和异喹啉也可以发生亲核取代反应。喹啉喹啉和异喹啉也可以发生亲核取代反应。喹啉在在2位位C，4位位C较少。异喹啉主要在较少。异喹啉主要在1位位C，几乎没有，几乎没有3位位C的产物。的产物。.亲核取代反应.61 氧化反应氧化反应.氧化反应.62 衍生物衍生物喹啉的衍生物是许多生物碱的母体结构喹啉的衍生物是许多生物碱的母体结构.衍生物喹啉的衍生物是许多生物碱的母体结构.63类似结构的苯并杂环类似结构的苯并杂环.类似结构的苯并杂环.64三、杂环并环系三、杂环并环系 1、嘌呤、嘌呤环系环系嘧啶与咪唑并环嘧啶与咪唑并环嘌呤嘌呤Purine：水溶性固体，：水溶性固体，mp 216oC，在咖啡碱、尿酸、核酸中广泛存在。在咖啡碱、尿酸、核酸中广泛存在。嘌呤即是弱酸（嘌呤即是弱酸（pKa=8.97）也是弱碱（其共）也是弱碱（其共轭酸的轭酸的pKa=2.30）.三、杂环并环系嘌呤Purine：水溶性固体，mp 216oC65尿酸：白色结晶物质，不溶于水，有一尿酸：白色结晶物质，不溶于水，有一定酸性，是蛋白质在鸟类、爬虫类动物定酸性，是蛋白质在鸟类、爬虫类动物体内代谢的终产物。体内代谢的终产物。.尿酸：白色结晶物质，不溶于水，有一定酸性，是蛋白质在鸟类、爬66.672、喋啶、喋啶环系环系嘧啶与吡嗪并环嘧啶与吡嗪并环叶酸（叶酸（VB13）：）：黄色针状晶体，存在于肝、肾、菠菜黄色针状晶体，存在于肝、肾、菠菜叶中。参与体内嘌呤、嘧啶环的生物合成，可治贫血叶中。参与体内嘌呤、嘧啶环的生物合成，可治贫血病，预防胎儿神经系统畸形。病，预防胎儿神经系统畸形。.2、喋啶环系嘧啶与吡嗪并环叶酸（VB13）：黄色针状晶体68核黄素（核黄素（VB2）：）：黄色针状晶体，存在于谷类、肝、心、黄色针状晶体，存在于谷类、肝、心、肾、乳汁中，是生物体内传递氢的物质肾、乳汁中，是生物体内传递氢的物质，VB2轻轻度缺失度缺失可导致口腔炎、角膜炎等。可导致口腔炎、角膜炎等。.核黄素（VB2）：黄色针状晶体，存在于谷类、肝、心、肾、乳汁69.70