《杂环化合物改》PPT课件.ppt

第十二章 杂环化合物 （Heterocyclic Compounds),除C原子外，至少有一个其它原子（ex:O、S、N等）组成的环叫杂环，碳原子以外的原子叫杂原子（Heteroatoms），含杂原子的化合物叫杂环化合物。,分二类：,无芳香性的：,四氢呋喃 二噁烷 六氢吡啶 奎宁环 1、3、5一三噁烷,有芳香性的：,呋喃 噻吩 喹啉,杂环化合物广泛地存在于自然界，在生命体系中起重要作用，例如植物的叶绿素，动物的血红素都含杂环结构。目前应用的药物中有很大部分是杂环化合物，石油、染料、杀虫剂等都含杂环化合物。,杂环化合物的合成要涉及许多有机反应。有杂原子的环又有一些新的性质，为有机化学提供了新的研究领域。,一、分类和命名,按环的大小分,五员杂环 六员杂环 稠杂环,按环的大小、 杂原子数目分,含一个杂原子的五员杂环及稠杂环,含一个杂原子的六员杂环及稠杂环,含二个或多个杂原子的其它杂环,音译法命名：,furan pyrrole thiophene pyridine quinoline 呋喃 吡咯 噻吩 吡啶 喹啉,杂环化合物的命名比较复杂，我国目前主要采用音译法，即根据外文译音选用同音汉字，加上“口”旁命名，其优点是简便，缺点是不能反应出结构。,如环上有取代基，以杂环为母体，环上原子进行编号，杂原子编号最小。,2.5二甲基呋喃 （or，一二甲基呋喃）,若环上同时含 多个杂原子时,杂原子相同：杂原子编号和最小 杂原子不同：按O 、S、 N次序编号,4甲基咪唑 5乙基噻唑,茂 氧(杂)茂 硫(杂)茂 氮(杂)茂 氮(杂)苯 1氮(杂)萘,有时根据相应的碳环来命名。把杂环看成相应碳环中碳原子被杂原子取代而形成的化合物，命名时在相应碳环名前加上杂原子的名称。,二、五员杂环化合物,1、呋喃、噻吩、吡咯的结构,三种分子的键长数据如下：单位：pm,三种分子的结构有两种模型，一种是定域模型，即把共轭双键的两端用一个杂原子连接起来。从键长数据看，环内CC键并未完全平均化，C2C3较短，C3C4较长，在一定程度上与定域模型相似。,另一种是离域模型：,成环原子共平面， 电子数4n2 有芳香性。,苯 噻吩 吡咯 呋喃 （KJ/mol） 150 117 88 67,*所以芳香性大小：苯 噻吩 吡咯 呋喃,因为：离域能,由于环内电子云密度大于苯环，因此是富电子芳香杂环化合物。,2、物理性质与制法（自学） 3、化学性质,（1）取代反应（易亲电取代，一般发生在位）,a、卤代,呋喃在低温可发生卤代反应：,吡咯遇酸容易聚合，故一般不用酸性试剂进行卤代：,*亲电取代活性：呋喃、吡咯 噻吩 苯,也可用NBS溴代：,噻酚在室温即可卤代：,b.硝化,乙酰硝酸酯,呋喃在无机酸存在时，环容易破裂or树脂化，因此不能用混酸硝化，一般用温和的硝化剂乙酰基硝酸酯硝化（无色发烟液体，易爆炸，用时配）。,吡咯在低温下进行：,（主） （次）,也可用HNO3硝化：,噻酚可以用混酸硝化：,主产物是位取代,c、磺化,呋喃要用缓和的磺化试剂磺化：,吡咯也可磺化：,噻酚可用浓H2SO4进行磺化：,d、酰化,呋喃的付一克酰化反应要用缓和的Lewis acid催化剂：,吡咯、噻酚都可发生酰化反应：,（2）、加成反应,催化还原：,呋喃、吡咯、噻酚都可以被催化加氢生成四氢衍生物。噻酚、吡咯还可用化学还原法还原为二氢衍生物。呋喃表现出共轭二烯的特性，可以和顺丁烯二酸酐发生DielsAlder reaction。,化学还原：,1，4加成 1，2加成,DA反应：,双烯组分 亲双烯组分,（内型接近和外型接近两种产物）,（3）、吡咯的酸碱性,PKa16.5,从结构上看，吡咯是环状仲胺，但由于N上的未用电子对参与了茂环共轭，N上电子云密度 , 因此具弱酸性（PKa16.5），相当于低级醇，N上的H容易被金属取代。,双烯组分 亲双烯组分,它们都表现出共轭二烯的性质，但呋喃更明显。,噻酚与顺丁烯二酸酐在100也可发生DA反应：,吡咯钾,溴化吡咯镁,N烃基吡咯,2吡咯甲酸,ex:,吡咯钾RX反应，生成N烃基吡咯；与CO2反应生成羧酸：,与酰氯反应先生成N酰基吡咯，再加热重排为2酰基吡咯：,吡咯镁与RX反应生成2和3烃基吡咯：,（4）、特殊反应（用于鉴别）,靛红：,吲哚瞒二酮,4、呋喃、吡咯的重要衍生物,（1）、糠醛,（ ）,是呋喃衍生物中最重要的一个。糠醛是一种工业产品，由含聚戊糖的植物原料，如玉米芯、糠、花生壳等用稀硫酸水解后， 进行水蒸气蒸馏得到，为无色液体，b.p 162，在空气中变色，性质和苯甲醛相似。,聚戊糖 戊糖 糠醛,（糠酸）,（糠醇）,（2）、吡咯衍生物,吡咯的衍生物在自然界分布很广（植物的叶绿素，动物血红素等）。它们在动、植物生理上起着重要作用，基本结构是四个吡咯环和四个次甲基CH=交替相连组成的大环（共轭体系），称“ ”环（卟吩）。,5、吲哚、噻唑、吡唑及其衍生物（自学）,糠醛是常用的优良溶剂，又是重要的有机合成原料，用来合成树脂、防腐剂、增塑剂等。,三、六员杂环化合物,Pyridine Pyran Pyrimidine 吡啶 吡喃 嘧啶（1，3二氮苯）,1、吡啶的结构：,C、N都是SP2杂化，6个原子共平面，形成了 共轭体系（N上的未用电子对在SP2杂化轨道上，未参加共轭），符合4n2规则，有芳香性。但与苯有差别，由于N的电负性较大，环上的电子云密度比苯小，所以是缺电子芳环，性质类似硝基苯。,吡啶存在于煤焦油、骨焦油中，衍生物广泛存在于自然界，是具有特殊臭味的无色液体， b.p 115。,2、吡啶的性质 （1）、碱性和亲核性 吡啶是弱碱，碱性大小：脂肪胺，氨 吡啶 苯胺。碱性是未参与杂化的一对电子引起的，吡啶能和酸作用。,吡啶盐酸盐,碘化N甲基吡啶,吡啶是良好的亲核试剂，能与RX作用生成N吡啶鎓盐，例如：,N酰基吡啶鎓盐,吡啶与酰氯或酸酐生成N酰基吡啶鎓盐，反应是可逆的。N酰基吡啶鎓盐是比酰氯和酸酐更好的酰化剂，因为吡啶是一良好的离去基团。,N磺酸吡啶,N硝基吡啶氟硼酸盐,吡啶能与许多Lewis acid 形成络合物，例如：,它们是温和的磺化剂，硝化剂，常用于对酸敏感的化合物（如呋喃、吡咯）的磺化、硝化。,（2）、亲电取代,（3氯吡啶）,（3硝基吡啶）,（3吡啶磺酸）,亲电取代活性比苯差，一般发生在位。,吡啶的亲电取代反应活性约为苯的百万分之一，相当于硝基苯，一般发生在位。,当环上有供电基，有利亲电取代，但活性仍低于相应的苯系化合物：,5溴2氨基吡啶,（3）、亲核取代,把吡啶和氨基钠在N，N二甲基苯胺溶液中加热到110 ，吡啶环上2位的氢负离子被氨基负离子取代，同时放出氢气，叫Chichibabin reaction（齐齐巴宾反应）,和硝基氯苯相似，氯代吡啶也能发生亲核取代发应：,（4）、氧化与还原,4吡啶甲酸（异烟酸，雷米封中间体）,氧化吡啶，无色结晶， m.p.66 ， 溶于水,吡啶环稳定，不易被氧化，吡啶同系物氧化发生在侧链。,用过酸氧化得氧化吡啶：,六氢吡啶（哌啶）,2、嘧啶,1，3二嗪 pyrimidine,b.p 124 ， m.p 22.5 ， 有芳性。,吡啶和哌啶的衍生物在自然界和药物中广泛存在。,吡啶比苯容易加氢，常温、常压下即可进行。,含有二个N原子的六员杂环，又叫二嗪（diazines）。所有的原子在同一平面，b.p.124 ， m.p.22.5 ，是一弱碱（比吡啶弱），有芳性，共轭能比苯小。由于N原子的影响，只有在环上有羟基、氨基等活化基团时才能发生亲电取代。,四、稠杂环化合物,单杂环与苯环共用两个碳原子稠并，或两个单杂环共用两个C原子稠并都成为稠杂环，重要的有：,尿嘧啶 胸腺嘧啶 胞嘧啶 5氟尿嘧啶 Uracil Thymine Cytosine,嘧啶的衍生物广泛存在于自然界，例如遗传物质核酸的组成部分：尿嘧啶、胸腺嘧啶、胞嘧啶。5氟尿嘧啶可以干扰核酸的功能和合成，用作抗癌药，VB1含嘧啶环。,喹啉 嘌呤 吲哚,1、喹啉,喹啉是液体，b.P 238 ，难溶于H2O，易溶于有机溶剂，是弱碱（碱性比吡啶弱），电子云密度：苯环吡啶环，亲电取代在苯环5、8位，亲核取代在吡啶2，4位。,（因为SO3H体积大，和4H干扰）,3吡啶甲酸,2、嘌呤,喹啉氧化时生成3吡啶甲酸：,嘌呤由一个嘧啶环和一个咪唑环稠合而成，是水溶性固体， m.p 216 ，它既是一个弱碱（PKa2.30），又是一个弱酸（PKa8.97），其衍生物广泛存在于动、植物体内。,（1）尿酸,存在于鸟类及爬虫类的排泄物中，人尿中也有少量，是二元酸，但是酸性弱。,（2）黄嘌呤,存在于茶叶及动植物组织