医用有机化学第13章 杂环化合物-2011.ppt

杂环化合物广泛地存在于自然界 是有机化合物中数目最庞大的一类 邢其毅先生在给花文廷 杂环化合物 一书的序言中写到 杂环化合物占有机化合物总数的65 论文占有机化学的1 3 生物体内具有重要生理功能的两大色素 血红素和叶绿素具有杂环 对生物的生长 繁殖 遗传 变异起决定性作用的核酸具有杂环 第13章杂环化合物 内容提要 一 杂环化合物的定义 分类与命名 二 五元单杂环化合物 三 六元单杂环化合物 四 稠杂环化合物 第13章杂环化合物 广义来讲 构成环的原子除了碳原子外 还含有一个或多个非碳原子 杂原子 的化合物称为杂环化合物 常见的杂原子 hetero atom N O S 一 杂环化合物的定义 分类与命名 一 定义 环氧乙烷 氮杂环丙烷 丁酸内酯 丁内酰胺 马来酸酐 这些化合物中虽然含有杂原子 但不稳定易开环 性质类似于开链化合物 习惯上认为的杂环化合物是 定义 含有杂原子 具有芳香性或一定程度稳定性的环状化合物叫杂环化合物 一 杂环化合物的定义 分类与命名 二 杂环化合物的分类和命名 单杂环五元杂环 六元杂环 稠杂环苯环和杂环稠合 杂环和杂环稠合 一 杂环化合物的定义 分类与命名 五元杂环 五元一杂 五元二杂 1 基本杂环结构 二 杂环化合物的分类和命名 六元杂环 其中以吡啶和嘧啶最为重要 1 基本杂环结构 稠杂环 苯环与杂环稠合 1 基本杂环结构 杂环与杂环的稠合 1 基本杂环结构 几个重要的含氮杂环化合物 吡咯 吡啶 间氮咪唑和嘧啶 咪唑 嘧啶 吲哚喹啉左并苯 吲哚 喹啉 嘌呤 嘧 啶 咪 唑 稠合是嘌呤 记忆口诀 氮五吡咯六吡啶 间氮咪唑和嘧啶 吲哚喹啉左并苯 嘧咪相稠是嘌呤 指出下列杂环化合物中 各含有哪些杂环母核 1 含嘌呤环和呋喃环 2 含嘧啶和噻唑环 2 取代杂环的命名 编号的原则 对于单杂环 从杂原子开始 用阿拉伯数字 或 表示 若同一环上有多个杂原子 则按O S NH 仲氮 和N 叔氮 的顺序编号 4 甲基咪唑 4 methylimidazole 5 甲基噻唑 5 methylthiazole 对于稠杂环则有固定的编号顺序 通常是从一端开始 依次编号 公用的碳原子一般不编号 并尽可能使杂原子的编号较小如喹啉 异喹啉和吲哚 值得注意的是嘌呤 不仅公用碳参与编号 而且编号的顺序很特殊 2 取代杂环的命名 有时 为了命名的方便 也将杂环作为取代基 以官能团作为母体来命名 3 吡啶甲酸 2 呋喃甲醛 糠醛 3 pyridineformicacid 2 furanformaldehyde 2 取代杂环的命名 Z O S N 一 吡咯 呋喃和噻吩的结构与性质 二 五元杂环化合物 二 五元杂环化合物 Pyroleisanamineandaconjugateddiene howeveritschemicalpropertiesarenotconsistentwitheitherofstructuralfeatures 吡咯的结构 杂原子上的孤对电子 参与闭合的共轭体系 电子数为6 具有一定的芳香性 芳香性比苯差 芳香性 苯 噻吩 吡咯 呋喃共振能150 6121 387 866 9 kJ mol 1 结构特点 亲电取代活性比苯大 且 位比 位活泼 一 吡咯 呋喃和噻吩的结构与性质 亲电取代活性比苯大 且 位比 位活泼 富有电子的大 键 电子离域的结果 使得杂原子上的电子云密度降低 环上各碳原子的电子云密度升高 杂原子的活化作用相当于酚羟基 键长在一定程度上发生平均化 一 吡咯 呋喃和噻吩的结构与性质 为什么吡咯分子的偶极矩与四氢吡咯的方向相反 一 吡咯 呋喃和噻吩的结构与性质 五元杂环化合物的亲电取代反应主要发生在 位 二 亲电取代反应 亲电取代反应发生在 位时 反应活性中间体的正电荷能够得到更有效的分散 体系能量低反应易于进行 故 2 呋喃 吡咯 噻吩在酸性条件下都可发生质子化 吡咯在强酸作用下会发生聚合生成吡咯红 呋喃在稀酸水溶液中质子化发生在氧上 会导致开环反应发生 相对来说噻吩对于酸比较稳定 1 呋喃 吡咯 噻吩对氧化剂都敏感 遇到氧化剂时环都很容易被破坏 五元杂环的反应有两点需要注意 二 亲电取代反应 1 卤代反应 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 2 硝化反应 呋喃 吡咯和噻吩易氧化 一般不用硝酸直接硝化 通常用比较温和的非质子硝化剂 且在低温下进行 乙酰硝酸酯 2 硝基噻吩 主 呋喃的硝化比较特殊 相当于先进行1 4 加成 然后再加热或用吡啶除去乙酸 得到硝化产物 2 硝基呋喃 2 硝化反应 3 磺化反应 吡咯 呋喃不太稳定 磺化时直接使用质子酸会发生聚合或开环 所以使用较温和的磺化剂 吡啶与三氧化硫的加合物 呋喃磺酸或呋喃 2 磺酸 噻吩环较稳定 磺化可在室温下直接使用浓硫酸 生成的 噻吩磺酸溶于浓硫酸 苯在室温下不与浓硫酸反应 据此 常用浓硫酸洗涤来除去苯中的噻吩 3 磺化反应 4 酰化 因吡咯 呋喃 噻吩的环上电子云密度比苯大 故比苯活泼 取代基进入 位 亲电取代反应活性 吡咯 呋喃 噻吩 苯 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 小结 二 亲电取代反应 三 吡咯的酸碱性 苯酚吡咯乙醇氨 Ka1 3 10 1010 1510 1810 35 吡咯可将格氏试剂分解 说明分子中有酸性氢 卟吩 porphine 是由4个吡咯环的 碳原子通过次甲基 CH 相连而成的复杂的共轭体系 成环的原子共平面 有26个 电子 符合4n 2的规则 有芳香性 其取代物则称为卟啉 porphyrin 四 吡咯的重要衍生物 卟吩 porphine 与生命有着密切关系的两大色素 叶绿素和血红素 以及维生素B12都含有卟吩环 血红素 血红素与蛋白质结合生成血红蛋白 其功能是在血液中运送氧气和二氧化碳 0 0 1MPa时 1克血红蛋白可结合1 35升O2 血红蛋白与CO的结合能力是与O2结合能力的210倍 血红素1929年由Hans Fischer合成 四 吡咯的重要衍生物 叶绿素是绿色植物进行光合作用所必须的催化剂 光合作用的实质是绿色植物将太阳的光能转化成化学能的过程 叶绿素由 现代有机合成之父 Woodward历时4年经30多步反应 于1960年合成 叶绿素 四 吡咯的重要衍生物 维生素B12 1926年发现肝脏提取液可治疗恶性贫血 1948年得到纯品暗红色的结晶物 1954年测得其结构 合成工作在Woodward的组织下前后有19个国家的一百多位化学家参加 经95步反应 历时11年 于1972年宣告完成 VB12的合成被成为有机化学界的 阿波罗登月 四 吡咯的重要衍生物 五 咪唑及其衍生物 结构特点 有一个氮原子的孤电子对未参与杂化 既能与水形成氢键 又能与质子结合 互变异构 含咪唑环的氨基酸 组氨酸 组氨酸 histamineacid 它是构成酶的活性中心的重要基团 具有独特的化学性质 在生理环境中 它既能接受质子 又能解离质子 尤其是它还具有在环的一端接受质子 而在环的另一端给出质子的功能 起到一种质子传递的作用 五 咪唑的及其衍生物 将组胺分子中三个N原子的碱性由强至弱排列成序 并说明理由 碱性 N 属于脂肪胺 N 上的孤对电子未参与大 键 N 上的孤对电子参与大 键 思考 六 噻唑及其衍生物 青霉素是噻唑的衍生物 青霉素G疗效最好 1928年由英国微生物学家Fleming发现 后经一千多人的努力分离出纯品 1957年完成全合成工作 青霉素对化脓性球菌 链球菌 肺炎菌 葡萄球菌有显著的抑制和杀灭作用 拯救了千百万人的生命 R 名称 CH2C6H5青霉素G CH2C6H4NHOH羟氨苄青霉素 阿莫西林 CH NH2 C6H5氨苄青霉素 氨比先 三 六元杂环化合物 一 吡啶的结构和性质 吡啶环上碳原子和氮原子都以sp2杂化轨道重叠形成 键 各有一个p轨道相互重叠 形成一个闭合的共轭体系 注意 氮原子上的孤电子对未参与共轭体系 孤电子对在sp2杂化轨道上 1 17D 2 26D 1 58D 1 81 吡啶N是sp2杂化 孤对电子伸向环外不参与共轭 碱性较强 在吡啶环中 诱导效应和共轭效应都是吸电子在吡咯环中 诱导效应是吸电子共轭效应是给电子 吡啶与吡咯的结构比较 吡啶存在于煤焦油与骨胶油之中 是无色具有怪臭味的液体 沸点115 5 与水无限互溶 与乙醇 乙醚 苯等有机溶剂无限互溶 它是良好的溶剂 一 吡啶的结构和性质 二 吡啶的化学性质 吡啶环是 缺电子芳环 不易发生亲电取代反应 但易发生亲核取代反应 亲电取代反应类似于硝基苯 比苯难 发生在 位 亲核取代反应发生在 位 根据量子化学计算 吡啶环上有效电荷分布 1 吡啶的碱性 Kb 2 5 10 14 3 8 10 10 2 3 10 9 10 5 吡啶可与质子酸或Lewis酸成盐 常在一些反应中加入吡啶来接受反应放出的HX以促进反应的进行 将下列化合物按碱性强弱排序 并说明理由 1 a 吡啶b 六氢吡啶c 嘧啶d 吡咯 2 d a c b 思考 2 a 乙胺b 苯胺c 氨d 四氢吡咯 1 b a c d 2 吡啶的亲电取代反应 6 3 硝基吡啶 71 吡啶磺酸 39 3 溴吡啶 NO 吡啶环电子密度较低 亲电取代反应活性小 N相当于间位定位基 若E 进攻 位 若E 进攻 位 若E 进攻 位 2 吡啶的亲电取代反应 3 吡啶的亲核取代反应 亲核取代反应历程 吡啶环由于电子云密度低 对氧化剂比苯环还稳定 而对还原剂则比苯活泼 吡啶环上的烷基侧链 像烷基苯一样 在强氧化剂如KMnO4作用下 位的氢容易被氧化 生成吡啶甲酸 位的氢的活性似羰基的 位的氢 4 吡啶的氧化 还原反应 1 吡啶侧链的氧化 尼古丁 烟碱 烟酰胺 尼古丁酸 烟酸 2 吡啶环的还原 室温下在铂催化下 即可与氢反应生成六氢吡啶 后者具有仲胺的结构 碱性远比吡啶强 4 吡啶的氧化 还原反应 若HI过量 反应情况如何 4 吡啶的氧化 还原反应 二 吡啶衍生物 烟碱又称尼古丁 nicotin 存在于烟草中 纯粹的烟碱是无色的油状液体 沸点246 有苦辣味 易溶于水和乙醇 自然界的烟碱是左旋体 在空气中容易氧化而变色 烟碱的毒性很大 少量对中枢神经有兴奋作用 能增高血压 大量时能抑制中枢神经系统 使呼吸停止和心脏麻痹 以致死亡 在农业上烟碱可用作杀虫剂 维生素PP包括3 吡啶甲酸 烟酸 和3 吡啶甲酰胺 烟酰胺 二 吡啶衍生物 维生素PP是B族维生素之一 能促进人体细胞的新陈代谢 它存在于肉类 谷物 花生及酵母中 它们都是白色结晶 能溶于热水和乙醇中 对酸 碱和热稳定 体内缺乏维生素PP时 能引起皮炎 消化道炎以至神经紊乱等症状 称作癞皮病 异烟肼又称为雷米封 remifon 是一种白色固体 熔点170 173 易溶于水和乙醇 是抗结核的良药 对维生素PP有拮抗作用 若长期服用 应补充维生素PP 它可由4 吡啶甲酸 异烟酸 与肼缩合得到 二 吡啶衍生物 三 嘧啶及其衍生物 嘧啶衍生物中最重要的是核酸的组成部分 胞嘧啶 C 尿嘧啶 U 和胸腺嘧啶 T 这三个化合物统称为嘧啶碱 三 嘧啶及其衍生物 都存在酮式和烯醇式互变异构 尿嘧啶的5位上的氢原子被氟取代后生成5 氟尿嘧啶 5 fluorouracil 具有干扰核酸的功能和合成的作用 可用作抗癌药物 三 嘧啶及其衍生物 适用于乳腺癌 结肠癌 直肠癌 胃癌 肝癌 卵巢癌 宫颈癌 膀胱癌 前列腺癌和头颈部肿瘤 也可作为放射治疗的增敏剂 喹啉与异喹啉 喹啉 quinoline 沸点 238 熔点 15 6 异喹啉 isoquinoline 沸点 243 熔点 26 5 碱性 喹啉 吡啶 异喹啉 喹啉是无色有恶臭味的油状液体 可与大多数有机溶剂混溶 但在水中的溶解度很小 是一种高沸点溶剂 四 稠杂环化合物 嘌呤 由嘧啶和咪唑稠合而成 在水溶液中发生互变异构 平衡偏向于9H形式 9H 嘌呤 生物体内 7H 嘌呤 药物内 四 稠杂环化合物 嘌呤的衍生物腺嘌呤和鸟嘌呤是核酸的碱基 腺嘌呤 A 鸟嘌呤 G AdenimeGuanine 四 稠杂环化合物 咖啡碱和茶碱 它们都是黄嘌呤的甲基衍生物 存在于茶叶 咖啡和可可中 都有利尿和兴奋中枢神经的作用 四 稠杂环化合物 尿酸具有弱酸性 pKa 5 75 可以成盐 具有酮式