《芳杂环化合物》PPT课件.ppt

1,,DC.sjtu,第十五章 芳杂环化合物,掌握杂环化合物的命名； 掌握五元杂环、六元杂环 和稠杂环的结构和性质,2,,DC.sjtu,杂环化合物(Heterocyclic Compouds) “杂环”就是组成环的原子除C外，还含有其它元素的原子，这些非碳原子统称为杂原子。原则上二价以上的元素都可以成为杂原子，但最常见的是O、S和N。,前面学过的内酯、内酰胺、环氧化合物、环状酸酐等:,因其性质与相应的脂肪族化合物较相似，因此并入脂肪族化合物中讨论，而不列为杂环化合物。,3,,DC.sjtu,本章讨论的杂环化合物主要指环系较稳定，包括杂原子在内的环是平面型，环内有4n+2个电子处于环闭共轭体系中，统称为芳(香)杂环化合物。,吡啶 呋喃 噻吩 吡咯,其它不具芳香性的杂环化合物，统称为非芳香杂环化合物或杂脂环化合物。,哌啶 四氢呋喃,4,,DC.sjtu,一、分类,杂稠杂环：,六元杂环：,五元杂环：,苯稠杂环：,第一节 分类和命名,5,,DC.sjtu,4 3 5 1 2,4 3 5 1 2,4 3 5 1 2,呋喃 噻吩 吡咯 噻唑 furan thiophene pirrole thiazole,N,咪唑 吡唑 噁唑 Imidazole pyrozole oxazole,4 3 5 1 2,4 3(b) 5 1 2(a),4 3 5 1 2,3 4 2 1 5,五 元 杂 环,二、命名,命名原则：译音“口”旁,6 1 5 7 2 4 9 8 3,5 4 6 3 7 2 8 1,4 5 3 6 1 2 7,5 4 6 3 7 2 8 1,5 3 6 2 1,5 3 6 2 1,5 3 6 2 1,5 3 6 2 1,吡啶 嘧啶 哒嗪 吡喃 pyridine pyrimidine pyridazine pyran,稠杂环,喹啉 异喹啉 吲哚 嘌呤 quinoline isoquinoline indole purine,六 元 杂 环,7,,DC.sjtu,呋喃 吡啶 吡咯,呋喃-2-甲醛-呋喃甲醛,3-溴吡啶-溴吡啶,1-甲基吡咯,4 3(b) 5 1 2(a),4 3(b) 5 1 2(a),1. 单杂环的编号从杂原子开始。,杂环的编号规则：,8,,DC.sjtu,4 3 5 1 2,4 3 5 1 2,4 3 5 1 2,S,N,O,N,2. 有多个杂原子时，按O、S、N-R、NH、N 顺序编号.,CH3,5 3 6 2 1,4 3 5 1 2,2-巯基-5-氯咪唑,1-甲基吡唑,C2H5,2-乙基嘧啶,Cl,SH,噻唑,噁唑,3. 有特定名称的稠杂环母环的编号，大都按照稠芳环规则编号，但个别的另有编号顺序（如嘌呤）。,喹啉 异喹啉,4 5 3 6 1 2 7,茚,吲哚,嘌呤,8-羟基,-3-羧酸,6-溴,6-氨基,10,,DC.sjtu,第二节 五元杂环化合物,一、呋喃、噻吩、吡咯,呋喃 噻吩 吡咯,1. 结构,所有成环原子都以sp2杂化轨道重叠形成键；碳原子未参加杂化的p轨道有1个电子，杂原子则有2个p电子，p轨道互相平行重叠形成6电子环状共轭大键。 与苯环的6原子共6电子比，呋喃、噻吩、吡咯为5原子共用6个电子，故环上电子密度比苯环大，属于“富芳杂环”。,11,,DC.sjtu,sp2,S,环状离域的大 键, 5个原子共用 6个电子,为 富电子体系。,12,,DC.sjtu,吡咯环 N 的1个sp2杂 化轨道上有1个电子 与 H 的1s电子配对 形成NH 键。,13,,DC.sjtu,芳香性 (环的稳定性)：苯 噻吩 吡咯 呋喃,杂环中的电子云分布不象苯环那样均匀，环的稳定性因而不如苯。O的电负性(3.5)较大，故呋喃环电子共轭程度较弱，芳香性最小。S的电负性(2.5)在三者中为最小，且S为第三周期元素，原子半径较大，原子核对共轭电子的吸引力较小，故噻吩环电子共轭程度较大，芳香性在三者中是最大的。N的电负性(3.0)在O、S之间，故吡咯的芳香性介于呋喃与噻吩之间。,14,,DC.sjtu,2. 化学性质 为富电子芳杂环，亲电取代比苯容易。吡咯的活泼度与苯胺或苯酚相当，噻吩是三者中活性最差的，然而噻吩的亲电取代反应活性仍比苯大得多。如在室温及乙酸溶液中，噻吩与Br2发生取代反应的速度为苯的109倍。,亲电取代活性：呋喃、吡咯 噻吩 苯,这些杂环进行亲电取代反应时，须用缓和的试剂在温和的条件下进行。,亲电取代反应主要在2-位发生；若2、5两个位置已有基团存在，则亲电取代在位发生。,-0.06 -0.10 +0.32,15,,DC.sjtu,O,呋喃,(80%),产率变迁不定,(35%),2-硝基呋喃,(41%),呋喃-2-磺酸,(1) 亲电取代,16,,DC.sjtu,30% 14% + 13%加成产物,噻吩-2-磺酸,(78%),70% 5%,S,噻吩,产物均为四卤吡咯,(90%),吡咯-2-磺酸,51% 13%,吡咯,18,,DC.sjtu,(2) 加成:,O,呋喃,H2 / Ni 125 , 100atm,四氢呋喃,S,噻吩,H2 / Pd-C, CH3OH, H2SO4, 3 atm,四氢噻吩,吡咯,H2 / Ni 高温高压,四氢吡咯,19,,DC.sjtu,(3) 吡咯的弱碱性和弱酸性,吡咯N上孤对电子因环的共轭，故碱性极弱，比苯胺(kb=3.610-10)还弱得多。另一方面，吡咯N上的H却有微弱的酸性(ka=10-15), 比醇强，而比酚弱。,Kb: 210-4 3.610-10 2.510-14,Ka: 1.310-10 10-15 10-18,20,,DC.sjtu,吡咯能与固体KOH加热生成盐：,Question 1：吡咯加氢变成四氢吡咯 后，碱性为什么大大加强？,Kb： 2.510-14 210-4,二、咪唑、吡唑,咪唑 吡唑,处于N的sp2杂化轨道上的孤电子对可作为质子受体，能形成氢键，可增加化合物的碱性及水溶性。,22,,DC.sjtu,杂环的互变异构现象,4位和5位等同,4-甲基咪唑 等于 5-甲基咪唑,23,,DC.sjtu,重要的衍生物,安替匹林: R= H,氨基比林: R= N(CH3)2,安乃近: R= N(CH3)CH2SO3Na,吡唑酮,这些都是常见的解热镇痛药物,24,,DC.sjtu,吡咯衍生物,卟吩,血红素,吡咯衍生物在自然界中分布很广，植物中的叶绿素和动物中的血红素都是吡咯衍生物。它们具有重要的生理活性。,血红素的基本骨架成为卟吩，它是有四个吡咯环通过位相连而成的大环。卟吩中的配位原子与Fe2+形成配合物，血红素与蛋白结合形成血红蛋白，存在人和动物的血红细胞中，它的功能是运输氧气。,25,,DC.sjtu,第三节 六元杂环化合物 六元杂环化合物包括环中有1个杂原子的六元杂环(如吡啶等)；环中有多个杂原子的六元杂环(如嘧啶等)；以及稠杂环(如喹啉、嘌呤等)。,吡啶存在于煤焦油、骨焦油中，其衍生物广泛存在于自然界。工业上主要从煤焦油的轻油部分提取吡啶。 吡啶是具有特殊臭味的无色液体，bp115.5，可与水、乙醇、乙醚等混溶。,一、吡啶(C5H5N),26,,DC.sjtu,结构似苯，也是平面六边形分子(但不是正六边形)。分子中CC键长139pm(与苯的相等)，CN键长137pm，介于一般的CN单键(147pm)与C=N双键(128pm) 之间。,1. 吡啶的结构,Pyridine Benzene,环中的N和C都以sp2杂化轨道相互以 键相连。每个原子余下的p轨道相互平行重叠，形成环闭共轭体系，电子数为6，具有芳香性.,N原子的处于sp2杂化 轨道上的一对未共 用电子，与环共平面， 未参与环的共轭体系.,p电子云向电负性较大的N原子转移，使N带部分负电荷，C带部分正电荷，p电子云出现的几率密度如下：,29,,DC.sjtu,Kb： 10-5 2.310-9 3.610-10,(1) 碱性：吡啶环N原子的一对孤电子对处于sp2杂化轨道上，而一般脂肪胺N上的孤电子对处于sp3杂化轨道。前者s成分较大，受N的束缚力较强，与 H+ 的结合力较弱。,2. 吡啶的化学性质,比苯难得多。与硝基苯相似,吡啶不发生付-克反应。 亲电取代主要发生在-位上。,3-溴吡啶(33%),(20%),吡啶-3-磺酸(71%),(2) 亲电取代,31,,DC.sjtu,吡啶环对氧化作用较苯环稳定，而对还原剂比苯活泼。,b-吡啶甲酸(烟酸),(3) 氧化与还原,32,,DC.sjtu,六氢吡啶(哌啶) (95%),33,,DC.sjtu,二、嘧啶(pyrimidine C4H4N2)及其取代衍生物,嘧啶为无色结晶，mp22 ，bp123124 ，能与水混溶.,5 4 3 6 1 2,环闭 大 p键,由于两个N的强吸电子作用，使嘧啶的碱性比吡啶弱得多，也比吡啶难于发生亲电取代反应，而亲核取代反应则比吡啶容易；嘧啶难以被氧化。,胞嘧啶,尿嘧啶,胸腺嘧啶,35,,DC.sjtu,三、稠杂环,吲哚,喹啉,36,,DC.sjtu,1、喹啉和异喹啉,喹啉（bp：2380C）,异喹啉（ bp：2430C）,(1) 亲电取代：在苯环（位）,（2） 亲核取代：在吡啶环上,37,,DC.sjtu,（3）氧化还原：,2、嘌呤,可看成是由一个嘧啶环和一个咪唑环共用2个碳原子稠合而成。易溶于酸，其水溶液呈中性，但却能与强酸或强碱生成盐。,嘌呤在水溶液中可发生酮式-烯醇式互变异构。在晶态时以7H-嘌呤存在。,9H-嘌呤,7H-嘌呤,39,,DC.sjtu,嘌呤的取代衍生物:,6-氨基嘌呤(腺嘌呤),2-氨基-6-羟基嘌呤(鸟嘌呤),2,6-二羟基嘌呤(黄嘌呤),40,大自然并非都是绿色的,天然杀虫剂 许多人认为，所有合成的东西都是可疑和“坏”的，而所有的天然的化学物质都是无害的。这是一个错误的观念！ 每人每天以蔬菜的形式消费1.5g天然杀虫剂超过他们摄入的合成杀虫剂残留的10000倍。那为什么我们没有被这些毒药消灭呢？ 我们所接触每一种含量都非常低； 人类已经进化到面对这一化学炮弹的攻击足够保卫自己。 我们的DNA有许多修复损伤的方法； 我们闻出或尝出令人厌恶的物质的能力提供了预警信号。,任何东西不要过量，要保持膳食的多样性。,咖啡酸（致癌）,烯丙基异硫氰酸酯（致癌）,苧烯（致癌）,补骨脂素（致癌）,天然植物杀虫剂,植物性食品（g/g）,苹果、胡萝卜、芹菜、葡萄、生菜、土豆（50200）：,卷心菜（35500）；花菜（1266）；棕色芥菜（1600072000）；辣根（4500）,橙汁（31）；黑胡椒（8000）,荷兰芹，芹菜,鼠尾草、百里香和其他草药（1000）：,咖啡（焙烤咖啡豆）（18000）：,42,,DC.sjtu,生物碱是生物体内一类具有一定生理活性的含氮有机化合物。多数属于仲胺、叔胺和季铵类，少数为伯胺，常含氮杂环结构，且多具有碱性。,由于生物碱主要存在于植物中，所以也常叫植物碱。一种植物中可以含有多种生物碱，同一科植物所含生物碱的结构往往是相似的。,一、生物碱的概念,第四节 生物碱 (Alkaloid),43,,DC.sjtu,1：烟碱，尼古丁(nicotine),存在于烟叶中，有剧毒。少量 对中枢神经有兴奋作用，大量则 抑制中枢神经，出现恶心、呕吐, 使心脏麻痹以至死亡。1978年美 国报告，1支烟含烟碱0.052.5mg.,含吡啶环及四氢吡咯环,二、几种常见的生物碱,例2：可卡因(cocain),仲胺,例3：吗啡(morphine) 、可待因(codein)和海洛因(heroin),R=R1=H morphine R=CH3, R1=H codein R=R1=CO-CH3 heroin,吗啡 味苦，对中枢神经有麻痹作用，有极快的镇痛效力，但易成瘾。临床上一般使用吗啡的盐酸盐及其制剂。 可待因与吗啡有相同的生理作用，临床一般使用其磷酸盐，主要作为镇咳剂。其镇痛作用较小，强度为吗啡的1/4，亦不象吗啡那样易成瘾。 海洛因即二乙酰吗啡，不存在于自然界，其成瘾性为吗啡的35倍，它从不作为药用，是对人类危害最大的毒品之一。,叔胺,例4：苯丙胺类药物,麻黄素,为中药麻黄中的主要有效成分。具有类似肾上腺素作用。有兴奋交感神经、增高血压、扩张气管的作用，用于支气管哮喘症，疗效持久.,苯异丙胺(1-苯基-2-丙胺),N-甲基苯异丙胺(去氧麻黄素),于1887年首次人工合成的兴奋剂，其作用类似于麻