第二十章杂环化合物课件

十章杂环化合物heterocycliccompound碳环化合物：如苯、萘、环己烷。杂环化合物。如吡啶、喹啉、四氢呋喃：农药、医药、生命科学中重要作用，研究热点。一、杂环化合物的分类和命名一、杂环化合物的分类和命名1、To class the heterocyclic compounds依有无芳香性：芳香性杂环，无芳香性杂环；依环大小分：、五元环、六元环、依杂原子种类分：氮杂环、氧杂环、磷杂环、依环的存在形式分为单杂环和稠杂环2、杂环化合物的命名to name the heterocyclic compounds呋喃 吡咯 噻吩 咪唑 噻唑 噁唑杂环母体音译，杂原子编号最小，最低位序规则。1）五元杂环2）六元杂环的命名n n常见六元杂环的母体化合物及其名称常见六元杂环的母体化合物及其名称。吡啶 嘧啶 吡嗪 六氢吡啶 吡喃 吗啉3）稠杂环化合物n n一般稠杂环化合物有固定的编号顺序。常见稠杂一般稠杂环化合物有固定的编号顺序。常见稠杂环化合物如下。环化合物如下。喹啉 奎宁 吲哚 9-氢嘌呤 7-氢嘌呤n n稠杂环化合物的编号按照规定的顺序进行，首先考虑杂原子位次，其次考虑取代基位次。3-甲基吲哚/6-羟基嘌呤4-甲基吡喃/6-羟基异喹啉 4 4）其它杂环化合物）其它杂环化合物n n其它类型杂环化合物结构与名称其它类型杂环化合物结构与名称。1，3，5-三噁烷/1，3，5-三嗪 5-硝基喹喔啉/二噁烷1 1、呋喃、噻吩、吡咯的结构特点、呋喃、噻吩、吡咯的结构特点n n呋喃、噻吩、吡咯中的杂原子都是呋喃、噻吩、吡咯中的杂原子都是spsp2 2杂化杂化,轨道中轨道中的电子分布如下图所示。的电子分布如下图所示。二、二、吡咯、呋喃和噻吩的结构与性质吡咯、呋喃和噻吩的结构与性质分析这三种化合物是否有芳香性！吡咯有没有碱性（为什么？）2 2、偶极矩、偶极矩 dipole moment呋喃和噻吩的偶极矩指向杂原子，而吡咯的则相反。氢化后的偶极矩都指向杂原子。3 3、The chemical properties of pyrroleThe chemical properties of pyrrolen n吡咯是富电子芳香环，多余电子来自吡咯是富电子芳香环，多余电子来自N N原子。原子。n n无碱性，无碱性，N-HN-H酸性，和强碱生成吡咯盐酸性，和强碱生成吡咯盐。吡咯钾盐与卤代烃反应可以生成N-烃基吡咯；3 3）The reaction of pyrrol saltThe reaction of pyrrol saltn n吡咯钾盐和二氧化碳生成吡咯钾盐和二氧化碳生成-吡咯甲酸；吡咯甲酸；吡咯钾盐和酰氯反应，经加热重排在-位上酰基；生成吡咯基酮。4 4）吡咯的）吡咯的NN取代基加热重排取代基加热重排the thermal rearrangement of pyrrol with N-substituentthe thermal rearrangement of pyrrol with N-substituentn n吡咯和格利雅试剂反应生成镁盐。吡咯和格利雅试剂反应生成镁盐。（实际上是N-取代吡咯的重排）镁盐和卤代烷反应在-位，和-位上烃基。5）吡咯的溴化与硝化bromination and nitration of pyrrolebromination and nitration of pyrrolen n吡咯遇浓酸生成树脂状物质吡咯遇浓酸生成树脂状物质.n n0 0 乙酸酐乙酸酐/浓硝酸硝化，浓硝酸硝化，位上硝基位上硝基。溴化时用NBS，在位上溴原子。6 6）Sulfonation and Vilsmeier reaction of pyrroleSulfonation and Vilsmeier reaction of pyrrolen n不用浓硫酸磺化，吡啶不用浓硫酸磺化，吡啶/三氧化硫生成三氧化硫生成吡咯磺酸。吡咯磺酸。威尔斯迈尔反应（DMF/OPCl3),生成吡咯甲醛。7）Iodination of pyrrole吡咯与碘碱性溶液中加热，生成四碘吡咯。吡咯与碘碱性溶液中加热，生成四碘吡咯。8 8）Azo reaction and conjugating addition Azo reaction and conjugating addition reaction of pyrrolereaction of pyrrole吡咯和重氮盐在吡咯和重氮盐在-位上偶连反应位上偶连反应。有文献说吡咯有双烯合成合成反应吡咯的性质歌诀n n吡咯富电芳香环，亲电活性胜苯胺。吡咯富电芳香环，亲电活性胜苯胺。n n氮氢遇碱生成盐，烃化、酰化氮上边。氮氢遇碱生成盐，烃化、酰化氮上边。n n氮上取代热重排，转向氮上取代热重排，转向2-2-位更自然。位更自然。n n二氧化碳吡咯盐，会向二氧化碳吡咯盐，会向2-2-位连甲酸。位连甲酸。n n吡咯遇酸聚合起，硝化磺化选试剂，吡咯遇酸聚合起，硝化磺化选试剂，n n硝化乙酐用低温，磺化氧硫加吡啶。硝化乙酐用低温，磺化氧硫加吡啶。n n溴化试剂溴亚胺，碘化四代用强碱溴化试剂溴亚胺，碘化四代用强碱n n偶连可用重氮盐，共轭加成不增环偶连可用重氮盐，共轭加成不增环。4、The chemical properties of furan1）呋喃和吡咯结构类似，硝化反应也用硝酸呋喃和吡咯结构类似，硝化反应也用硝酸/乙酸酐，乙酸酐，生成生成-硝基呋喃。硝基呋喃。(The chemical property of furan is analogous(The chemical property of furan is analogous to the pyrroles)to the pyrroles)2 2）The difference of furan to pyrroleThe difference of furan to pyrrolen n呋喃芳香性不如吡咯强，趋于共轭二烯烃性质。呋喃芳香性不如吡咯强，趋于共轭二烯烃性质。n n和和BrBr2 2/CS/CS2 2 1,4-1,4-加成加成,脱脱HBrHBr生成生成-位溴代物位溴代物.-503）Diels-Alderreactionoffurann n呋喃的共轭双烯性质和马来酐起双烯合成呋喃的共轭双烯性质和马来酐起双烯合成.(反应生成两种立体异构体。反应生成两种立体异构体。)外型 内型4）Hydrolysisoffuranunderacidiccondditionn n呋喃酸性水解成丁二醛。呋喃酸性水解成丁二醛。2,5-位有取代基的水解成二酮。5、The chemical properties of thiophenen n噻吩亲电取代活泼性小于吡咯和呋喃。噻吩亲电取代活泼性小于吡咯和呋喃。n n噻吩硝酸噻吩硝酸/硫酸硝化，生成硫酸硝化，生成硝基噻吩硝基噻吩。噻吩用浓硫酸磺化，生成硝基磺酸。4）Brominationandacylationofthiophenen n溴化用溴化用NBSNBS，生成，生成溴代噻吩。溴代噻吩。噻吩和乙酸酐/四氯化锡在位发生乙酰化。5）Vilsmeier reaction and D-A reactionn n噻吩发生威尔斯迈尔反应生成噻吩发生威尔斯迈尔反应生成噻吩甲醛噻吩甲醛。噻吩100/高压与马来酐起双烯合成反应。6）The reaction of thiophene and dimethyl but-2-ynedioaten n噻吩和丁炔二甲酸酯起双烯合成反应噻吩和丁炔二甲酸酯起双烯合成反应。桥环化合物脱硫异构成邻苯二甲酸酯。7）Hydrogenationofthiophene,furanandpyrrolen n噻吩类硫醚，催化加氢成丁烷和硫化氢。噻吩类硫醚，催化加氢成丁烷和硫化氢。吡咯加氢生成四氢吡咯。呋喃加氢生成四氢呋喃。高压呋喃和噻吩的性质歌诀呋喃和噻吩的性质歌诀 呋喃的性质呋喃的性质n n呋喃氧吸电，芳香不如吡咯环。呋喃氧吸电，芳香不如吡咯环。n n硝化硝酸乙酸酐，加溴共轭二烯见。硝化硝酸乙酸酐，加溴共轭二烯见。n n双烯合成马来酐，酸性水解丁二醛。双烯合成马来酐，酸性水解丁二醛。噻吩的性质噻吩的性质n n噻吩活性近苯胺，磺化可用浓硫酸，噻吩活性近苯胺，磺化可用浓硫酸，n n硝化用硝酸，溴化要用溴硝化用硝酸，溴化要用溴 亚胺。亚胺。n n酰化用酸酐，威尔斯迈制芳醛。酰化用酸酐，威尔斯迈制芳醛。n n双烯合成双烯合成100100度，催化加氢成丁烷。度，催化加氢成丁烷。8）pyrrole circle synthesis by Paal-Knorr methodn n二醛或二酮与氨（胺）反应合成吡咯二醛或二酮与氨（胺）反应合成吡咯n n用乙酰乙酸乙酯方法合成吡咯。用乙酰乙酸乙酯方法合成吡咯。问题：烯胺是如何与氯乙酮反应的？多吡咯环（卟吩环）化合物n n四个吡咯环由次甲基共轭连接称为卟吩环，或者叫四个吡咯环由次甲基共轭连接称为卟吩环，或者叫leilei族化合物。族化合物。氯化血红素n n叶绿素中含有多个吡咯环。n叶绿素a,R=CH3 n叶绿素b,R=CHO*synthesis of furan and thiophene circle*synthesis of furan and thiophene circlen n二二酮酮/硫硫酸酸、五五氧氧化化磷磷、氯氯化化锌锌、强强酸酸性性离离子子交交换树脂催化下合成呋喃环。换树脂催化下合成呋喃环。二酮与五硫化磷则合成噻吩环。三、三、IndoleIndolen n properties of indole(analogous to pyrrole)properties of indole(analogous to pyrrole)properties of indole(analogous to pyrrole)properties of indole(analogous to pyrrole)：n n苯环稠合吡咯环苯环稠合吡咯环吲哚具芳香性。吲哚具芳香性。n nN-HN-H可被金属取代、可被金属取代、R-MgXR-MgX取代取代N-HN-Hn n其镁盐与其镁盐与R-MgXR-MgX反应，反应，R R在在33位；位；n nHClHCl作用重排至作用重排至22位。位。n n亲电取代亲电取代33位优先；位优先；33位被占则在位被占则在22位。位。n n33位取代后可重排至位取代后可重排至22位。位。n n吲哚和吲哚和DMF/DMF/三氯氧磷在三氯氧磷在33位上甲醛基位上甲醛基.1 1、Reaction of Grignard reagentReaction of Grignard reagentn n与格利雅试剂生成镁盐，与格利雅试剂生成镁盐，n n镁盐与格利雅试剂在镁盐与格利雅试剂在33位反应，位反应，n n卤化氢重排至卤化氢重排至22位。位。2、Vilsmeierreactionofindolen n吲哚和吲哚和DMF/DMF/三氯氧磷在三氯氧磷在33位上甲醛基位上甲醛基。3、Acetylation and nitration of indolen n和乙酸酐在和乙酸酐在33位酰化，位酰化，n n三氟化硼三氟化硼/乙醚重排至乙醚重排至22位。位。n n强强酸酸性性溶溶液液中中33位位接接受受质质子子钝钝化化，硝硝化化反反应应在在55位进行。位进行。四、四、heterocyclic compounds over one hetero heterocyclic compounds over one hetero atomatom1 1、常见多杂原子的五元环、常见多杂原子的五元环三唑（1，2，4）、四唑，吡唑（1，2）、咪唑（1，3）、三唑（1，2，3）苯并咪唑，苯并咪唑，苯并三唑苯并三唑苯并恶唑，恶唑（1，3）、异恶唑（1，2）2、多杂原子稠杂环3、其它苯并杂环苯并呋喃；苯并噻吩；苯并噻唑五、吡啶五、吡啶1 1、吡啶的结构特点、吡啶的结构特点n n吡啶非正六边形，环的键长、键角均不相等。吡啶非正六边形，环的键长、键角均不相等。n n4n+24n+2个个电子，具芳香性。电子，具芳香性。n n由于由于N N原子吸电子，为缺电子芳环；原子吸电子，为缺电子芳环；n nN N原子上存在孤电子对，有碱性。原子上存在孤电子对，有碱性。2、吡啶的碱性与亲核性n n吡啶具有弱碱性只与强酸生成盐。吡啶具有弱碱性只与强酸生成盐。n n吡吡啶啶N N上上存存在在孤孤电电子子对对，是是良良好好的的亲亲核核试试剂剂，与卤代烷生成与卤代烷生成NN烃基吡啶嗡烃基吡啶嗡*盐盐溴化N-甲基吡啶3、吡啶N原子上的反应n n与酰卤发生与酰卤发生NN酰基化反应。酰基化反应。n nNN酰基吡啶是良好的酰化试剂。酰基吡啶是良好的酰化试剂。n n过氧乙酸氧化成过氧乙酸氧化成NN氧化吡啶。氧化吡啶。4、吡啶的络合反应n n可与许多路易斯酸形成络合物：可与许多路易斯酸形成络合物：n n与三氧化硫络合物用于呋喃、吡咯噻吩的磺化。与三氧化硫络合物用于呋喃、吡咯噻吩的磺化。n nNN硝基吡啶氟硼酸盐是温和的硝化试剂。硝基吡啶氟硼酸盐是温和的硝化试剂。5 5、吡啶环的卤代反应、吡啶环的卤代反应n nN N原子钝化作用，亲电取代类似于硝基苯。原子钝化作用，亲电取代类似于硝基苯。n n用用2mol2mol氯化铝催化氯化铝催化33位取代氯原子。位取代氯原子。n n浓硫酸催化浓硫酸催化130130在在33位取代溴原子；位取代溴原子；6、吡啶环上的硝化与磺化n n与硝酸钾与硝酸钾/硫酸在硫酸在300300在在30-30-位上硝基；位上硝基；n n浓硫酸浓硫酸/氯化汞催化氯化汞催化265265在在3-3-位上磺化。位上磺化。7、氨基吡啶与氧化吡啶n n2-2-氨基吡啶乙酸催化可以在氨基对位溴化。氨基吡啶乙酸催化可以在氨基对位溴化。n n氧化吡啶氧化吡啶9090时可以在时可以在4-4-位硝化。位硝化。n n三氯化磷脱氧成三氯化磷脱氧成4-4-硝基吡啶。硝基吡啶。8、吡啶环的亲核取代反应n n吡啶环上氯活性小于硝基苯环上氯，与醇钠反应生成醚。吡啶环上氯活性小于硝基苯环上氯，与醇钠反应生成醚。n nN N活化活化2-2-，4-4-位氯，位氯，3-3-氯不易于取代。氯不易于取代。n nNN甲基吡啶嗡离子甲基吡啶嗡离子22，44为氯易取代。为氯易取代。9、Chichibabin反应n n与氨基钠在与氨基钠在N N，N-N-二甲基苯胺中二甲基苯胺中110110生成生成2-2-氨基吡啶。氨基吡啶。n n与甲基锂也可生成与甲基锂也可生成22甲基吡啶。甲基吡啶。1010、吡啶环的合成、吡啶环的合成n n1 1）乙乙酰酰乙乙酸酸乙乙酯酯/Me/Me2 2NHNH与与CHCH2 2O O缩缩合合,再再与与乙乙酰酰乙乙酸酸乙乙酯酯加成生成加成生成3 3，5-5-二酯基二酯基-2-2，4-4-二酮。二酮。n n与氨与氨/乙醇生成取代的乙醇生成取代的1 1，4-4-二氢吡啶。二氢吡啶。n n用混酸氧化脱氢生成取代吡啶。用混酸氧化脱氢生成取代吡啶。2）2，4-戊二酮合成吡啶n n2 2，4-4-戊戊二二酮酮与与乙乙酸酸铵铵烯烯胺胺化化，再再与与戊戊二二酮酮缩缩合合成成取取代代吡啶。吡啶。1111、吡啶衍生物、吡啶衍生物n n氨基吡啶重氮化水解成羟基吡啶。氨基吡啶重氮化水解成羟基吡啶。n n 2-2-，4-4-羟基吡啶与其吡啶酮互变。羟基吡啶与其吡啶酮互变。n n2-2-，4-4-甲基与氨基钠生成负离子，甲基与氨基钠生成负离子，n n负离子与碘代烃反应可以烃基化。负离子与碘代烃反应可以烃基化。12、甲基吡啶的迈克尔加成、羟醛缩合与脱羧n n嗡盐的甲基可以发生迈克尔加成和羟醛缩合反应。嗡盐的甲基可以发生迈克尔加成和羟醛缩合反应。n n吡啶甲酸易于脱羧，吡啶甲酸易于脱羧，n n活泼性为活泼性为243243羧基。羧基。吡啶的性质歌诀n n吡啶吡啶N N吸电，缺电芳环是叔胺。吸电，缺电芳环是叔胺。n n盐酸和弱碱，盐酸和弱碱，酰化烃化酰化烃化N N嗡盐。嗡盐。n n钝似硝基苯，亲电取代条件很。钝似硝基苯，亲电取代条件很。n n氯气氯化铝，高于一百间位取。氯气氯化铝，高于一百间位取。n n硫酸硝酸钾，三百高温才硝化。硫酸硝酸钾，三百高温才硝化。n n磺化用汞盐，二百六十也犯难。磺化用汞盐，二百六十也犯难。n n对位有卤素，亲核取代条件够。对位有卤素，亲核取代条件够。n n氨基钠加温，氨基取代邻位氨基钠加温，氨基取代邻位H H。n n对位甲基对位甲基H H，嗡盐活化显酸性：，嗡盐活化显酸性：n n醛基能缩合，迈克加成可发生。醛基能缩合，迈克加成可发生。含吡啶环的维生素n n烟酸和烟酰胺是烟酸和烟酰胺是B B族维生素族维生素维生素维生素pppp。有机体。有机体内参与氧化还原过程内参与氧化还原过程,促进细胞新陈代谢。促进细胞新陈代谢。n n可以防止维生素可以防止维生素pppp缺乏引起赖皮病、角膜炎、以缺乏引起赖皮病、角膜炎、以及消化和神经系统障碍等疾病。及消化和神经系统障碍等疾病。维生素B6n n维生素维生素B B6 6 （吡哆素），包括吡哆素醇、哆醛和吡（吡哆素），包括吡哆素醇、哆醛和吡哆胺。哆胺。n n广泛存在与蔬菜、谷物、豆类鱼、蛋类食物。广泛存在与蔬菜、谷物、豆类鱼、蛋类食物。n n吡哆素对光不稳定，对酸、碱、热较稳定。吡哆素对光不稳定，对酸、碱、热较稳定。n n参与生物体内转氨作用维持蛋白质正常代谢参与生物体内转氨作用维持蛋白质正常代谢。尼古丁和异烟酰肼n n尼古丁是一种生物碱，有剧毒。尼古丁是一种生物碱，有剧毒。n n少量对神经有兴奋作用，可以增高血压。少量对神经有兴奋作用，可以增高血压。n n大量烟碱抑止神经中枢，使心脏麻痹致死。大量烟碱抑止神经中枢，使心脏麻痹致死。n n异烟酰肼又叫雷米封，具有抗结核作用异烟酰肼又叫雷米封，具有抗结核作用。六、含多个杂原子的六员环六、含多个杂原子的六员环1 1、多杂原子单环、多杂原子单环1 1）命名）命名1,2二嗪（哒嗪）、1，3二嗪（嘧啶）1，4二嗪（吡嗪）1，3，5三嗪2 2）性质）性质n n弱减，有芳香性，弱减，有芳香性，n n环上有羟基、氨基活化基才起亲电取代反应。环上有羟基、氨基活化基才起亲电取代反应。n n环上杂原子增多利于亲核取代反应环上杂原子增多利于亲核取代反应。嘧啶 类化合物 及互变异构 n n脲嘧啶、胸腺嘧啶、胞嘧啶脲嘧啶、胸腺嘧啶、胞嘧啶 、55氟嘧啶氟嘧啶3 3）重要的嘧啶合成）重要的嘧啶合成n n1 1，33二二醛醛（酮酮）、二二酯酯、二二腈腈与与尿尿素素、硫硫脲脲、胍胍等起反应合成。等起反应合成。n n羰基化合物用乙醇羰基化合物用乙醇/氯化氢，酯用醇钠催化。氯化氢，酯用醇钠催化。2 2、重要的嘌呤及合成、重要的嘌呤及合成n n嘌呤嘌呤 腺嘌呤腺嘌呤 鸟嘌呤鸟嘌呤由邻二氨基嘧啶与甲酸合成，或邻氨基由邻二氨基嘧啶与甲酸合成，或邻氨基咪唑甲酰胺（氨甲酰基）与甲酸合成。咪唑甲酰胺（氨甲酰基）与甲酸合成。本章知识重点1 1、呋喃、吡咯，噻吩、噻唑、吡喃、吡啶呋喃、吡咯，噻吩、噻唑、吡喃、吡啶 、嘧啶、嘧啶、喹啉等杂环化合物的命名。吡咯与吡啶的结构特点。喹啉等杂环化合物的命名。吡咯与吡啶的结构特点。2 2、吡咯的化学性质：卤代、硝化、磺化、偶连反应的、吡咯的化学性质：卤代、硝化、磺化、偶连反应的条件与产物条件与产物3 3、呋喃的化学性质：硝化与双烯合成、呋喃的化学性质：硝化与双烯合成4 4、噻吩的化学性质：硝化、磺化和卤代、酰化、噻吩的化学性质：硝化、磺化和卤代、酰化5 5、吡啶的化学性质：卤代、硝化、磺化、催化加氢、吡啶的化学性质：卤代、硝化、磺化、催化加氢、亲核取代反应的条件与产物。亲核取代反应的条件与产物。1，4-二氧喹喔啉衍生物n n1 1，4-4-二氧喹喔啉衍生物具有抗菌抗癌活性。二氧喹喔啉衍生物具有抗菌抗癌活性。饲料添加剂的物质n n1 1，4-4-二氧喹喔啉甲酸衍生物和甲醛衍生物可以作二氧喹喔啉甲酸衍生物和甲醛衍生物可以作为饲料添加剂使用。为饲料添加剂使用。作为除草剂研究的物质n n喹喔啉衍生物的合成喹喔啉衍生物的合成