第17章杂环化合物.ppt

第十七章杂环化合物 构成环的原子除碳原子外还有O S N P等杂原子的一类环状化合物称为杂环化合物 环状化合物可分为两大类 碳环化合物和杂环化合物 构成环的原子只有碳原子的环状化合物为碳环化合物 第十七章杂环化合物 17 1杂环化合物的分类 命名 结构和芳香性17 2五元杂环化合物17 2 1五元杂环化合物的化学性质17 2 2常见的五元杂环化合物17 3六元杂环化合物17 3 1吡啶和嘧啶17 3 2喹啉和异喹啉17 3 3嘌呤 一般把除碳以外的成环原子叫杂原子 常见的杂原子有氧 硫和氮 环系中可含一个 两个或多个相同或不同的杂原子 环可以有三元环 四元环 五元环 六元环或更大 可以是稠合的环 杂环化合物种类繁多 约占全部已知有机化合物的三分之一 17 1杂环化合物的分类 命名和结构 这些化合物的性质与相应的脂肪族化合物相近 本章介绍的是具有不同芳香性的杂环化合物 简称芳杂化合物 已经学过的杂环化合物 按骨架分类 五元杂环 六元杂环 单杂环和稠杂环等 命名 按英文音译 常见的杂环有 杂环化合物的分类和命名 喹啉 呋喃 噻吩 吡咯 吡啶 吲哚 噻唑 嘧啶 命名1 带有取代基的杂环化合物 以杂环为母体 从杂原子开始顺着环编号 当环上含有两个或以上相同的杂原子时 应使杂原子所在位次的数字最小 环上有不同杂原子时 按O S N的次序编号 命名2 环上只有一个杂原子时 有时也把靠近杂原子的位置叫 位 其次为 位 再次为 位 命名1 带有取代基的杂环化合物 以杂环为母体 从杂原子开始顺着环编号 当环上含有两个或以上相同的杂原子时 应使杂原子所在位次的数字最小 环上有不同杂原子时 按O S N的次序编号 命名2 环上只有一个杂原子时 有时也把靠近杂原子的位置叫 位 其次为 位 再次为 位 命名3 根据相应的碳环来命名 把杂环看作相应碳环中的碳原子被杂原子取代而形成的化合物 命名时在相应的碳环名称前加上杂原子的名称 在没有误会的情况下 杂 字可以省去 杂环化合物 heterocycliccompounds 构成环的原子除碳原子外还有其它原子的一类环状化合物 常见的杂原子是O N S 四氢呋喃哌啶吡啶 头孢氨苄 先锋霉素IV 血红素 heme 非芳香性杂环 四氢呋喃1 4 二氧六环 芳杂环化合物 五元杂环 呋喃噻吩吡咯furanthiophenepyrrole 吡唑咪唑唑噻唑pyrazoleimidazoleoxazolethiazole 六元杂环 吡啶哒嗪嘧啶吡嗪Pyridinepyridazinepyrimidinepyrazine 苯并咪唑苯并唑苯并噻唑嘌呤benzomidazolebenzoxazolebenzothiazolepurine 喹啉异喹啉吖啶quinolineisoquinolineacridine 杂环的编号一般从杂原子开始 含多个杂原子时按O S N的次序编号 5 甲基噻唑 6 甲氧基苯并唑 对于含一个杂原子的杂环也可把靠近杂原子的位置叫做 位 其次为 和 位 2 命名 17 1 2结构和芳香性 呋喃 噻吩和吡咯 C N原子均为sp2杂化 环上的5个原子处于同一平面 5个p轨道都垂直于环所在的平面且相互平行 p轨道的相互交盖形成闭合的共轭体系 体系中有6个 电子 呋喃 噻吩 吡咯的结构 呋喃 吡咯和噻吩的芳香性 共振能分别为67 88 和117kJ mol 容易发生亲电取代反应键长趋于平均化 17 2五元杂环化合物17 2 1五元杂环化合物的化学性质 杂原子的 C效应 增加了杂环的亲电取代反应的活性 亲电取代反应活性顺序 硝化一般采用硝酸乙酰脂CH3COONO2作硝化剂 它们在亲电取代反应中 使用温和的试剂 亲电取代 煤焦油中提取的苯含0 5 噻吩 可用这种方法除去苯中的噻吩 2 磺化 吡咯 呋喃通常采用吡啶与SO3的加合物 进行磺化 3 卤化 采用溶剂稀释 低温 4 Friedel Crafts酰基化 催化剂 SnCl4 BF3等 吡咯 呋喃 噻吩亲电取代反应的区域选择性 反应主要发生在2位上 五元杂环上有两种不同位置的取代 亲电试剂进攻2位的中间体稳定 结论 五元多 芳杂环的亲电取代1 反应活性比苯大 2 使用温和的反应条件 3 反应部位主要为 位 呋喃的芳香性比较弱 除进行亲电取代反应外 还容易进行亲电加成和Diels Alder环加成反应 加成反应 重要的五元杂环衍生物 1 糠醛 呋喃甲醛 制备 由农副产品如甘蔗杂渣 花生壳 高粱杆 棉子壳 用稀酸加热蒸煮制取 戊聚糖戊醛糖糠醛 糠醛 呋喃甲醛 性质 1 不饱和呋喃杂环 2 无 氢的醛 制备 脱羰 还原 糠醇树脂 歧化反应 聚合 2 糠醛的性质 1 氧化还原反应 2 歧化反应 3 羟醛缩合反应 4 安息香缩合反应 3 糠醛的用途糠醛是良好的溶剂 常用作精练石油的溶剂 以溶解含硫物质及环烷烃等 可用于精制松香 脱出色素 溶解硝酸纤维素等 糠醛广泛用于油漆及树脂工业 2 吡咯的弱酸性和弱碱性 吡咯虽然是一个仲胺 但碱性很弱 吡咯具有弱酸性 其酸性介与乙醇和苯酚之间 吡咯能与固体氢氧化钾加热成为钾盐 与格式试剂作用放出RH而生成吡咯卤化镁 吡咯钾盐和吡咯卤化镁都可用来合成吡咯衍生物 吡咯的重要衍生物 最重要的吡咯衍生物是含有四个吡咯环和四个次甲基 CH 交替相连组成的大环化合物 其取代物称为卟啉族化合物 卟啉族化合物广泛分布与自然界 血红素 叶绿素都是含环的卟啉族化合物 在血红素中环络合的是Fe 叶绿素环络合的是Mg 血红素的功能是运载输送氧气叶绿素是植物光合作用的能源 1964年 Woodward用55步合成了叶绿素 1965年接着合成VB12 用11年时间完成了全合成 Woodward一生人工合成了20多种结构复杂的有机化合物 是当之无愧的有机合成大师 Woodward20岁获博士学位 30岁当教授 48岁时 1965年 获诺贝尔化学奖 RobertB Woodward 1917 1979 U S TheNobelPrizeinChemistry1965 forhisoutstandingachievementsintheartoforganicsynthesis 噻唑和咪唑 1 噻唑 是含一个硫原子和一个氮原子的五元杂环 无色 有吡啶臭味的液体 沸点117 与水互溶 有弱碱性 是稳定的化合物 一些重要的天然产物几合成药物含有噻唑结构 如青霉素 维生素B1等 青霉素是一类抗菌素的总称 已知的青霉素大于一百多种 它们的结构很相似 均具有稠合在一起的四氢噻唑环和 内酰胺环 1928年 弗莱明在检查培养皿时发现 在培养皿中的葡萄球菌由于被污染而长了一大团霉 而且霉团周围的葡萄球菌被杀死了 只有在离霉团较远的地方才有葡萄球菌生长 他把这种霉团接种到无菌的琼脂培养基和肉汤培养基上 结果发现在肉汤里 这种霉菌生长很快 形成一个又一个白中透绿和暗绿色的霉团 通过鉴定 弗莱明知道了这种霉菌属于青霉菌的一种 于是 他把经过过滤所得的含有这种霉菌分泌物的液体叫做 青霉素 接着弗莱明又把这种霉菌接种到各种细菌的培养皿中 发现葡萄球菌 链球菌和白喉杆菌等都能被它抑制 这极大地鼓舞了正急于找到一种治疗化脓性感染药物的弗莱明 经过一系列试验和研究 弗莱明认为青霉素可能成为一种可以全身应用的抗菌药物 1935年 重新研究青霉素的性质 分离和化学结构 终于解决了青霉素的浓缩问题 当时正值二战期间 青霉素的研制和生产转移到了美国 青霉素的大量生产 拯救了千百万伤病员 成为第二次世界大战中与原子弹 雷达并列的三大发明之一 这一造福人类的贡献使弗莱明 钱恩和弗洛里共同获得了1945年诺贝尔生理学和医学奖 英国细菌学家亚历山大 弗莱明 青霉素的发明 1928年 青霉素具有强酸性 pKa 2 7 在游离状态下不稳定 青霉素O例外 故常将它们变成钠盐 钾盐或有机碱盐用于临床 维生素B1 VB1 维生素B1 作用和用途儿童需要补充维生素1 促进成长 2 帮助消化 特别是碳水化合物的消化 3 改善精神状况 维持神经组织 肌肉 心脏活动的正常 4 减轻晕机 晕船 5 可缓解有关牙科手术后的痛苦 呋喃 噻吩 吡咯的制备 Paal Knorr合成法 二羰基化合物在酸催化下脱水或与氨或硫化物作用 17 3六元杂环化合物 生物碱一般是指从动植物中得来的 具有碱性的 有强烈生理作用的一类有机含氮化合物 其中大部分带有杂环 尼古丁 烟碱 是一种无色至淡黄色透明油状液体 是烟草中含氮生物碱的主要成分 在烟叶中的含量为1 3 它能迅速溶于水及酒精中 通过口 鼻 支气管黏膜 很容易被人体吸收 粘在皮肤表面的尼古丁 可 渗 入人体内 香烟中的尼古丁对人的致死量是50 70毫克 相当于2025支香烟尼古丁的含量 如果将一支雪茄或三支香烟的尼古丁一次注入人的静脉内 3 5分钟人即可死亡 对昆虫具有杀灭作用 作为烟叶的一种主要生物碱 淡黄色透明油状液体 功用作用 对心血管系统表现为心率加快 血压升高 也可表现为心率减慢 血压下降 尚可作用于呼吸 呕吐等中枢 由于本毒性较大 无临床应用价值 吡啶也是一种典型芳香性杂环化合物 具有和苯非常相似的骨架结构和 电子结构 因N的电负性大于C 吡啶为缺 芳杂环 亲电取代活性小于苯 1 吡啶 17 3 1吡啶和嘧啶 吡啶的结构 由于吡啶环的N上在环外有一孤对电子 故吡啶环上的电荷分布不均 亲电取代反应 类似硝基苯 一般需在强烈条件下才能发生亲电取代反应 亲电试剂主要进入 位 1 硝化 2 磺化 3 卤化 亲电试剂主要进入 位 芳环上的亲核取代反应 吡啶更容易发生亲核取代反应 反应的部位是在环上的 位和4位 环上氮原子的性质 亲核性 吡啶能与卤代烷作用生成相当于季铵盐的产物吡啶盐 吡啶的碱性 还原 有机碱催化剂 环氧树脂的固化剂 氧化 吡啶与过氧化氢作用生成吡啶 N 氧化物 含有吡啶环的药物分子 用于防治因大量或长期服用异烟肼而引起的周围神经炎 减轻抗癌药和放射治疗引起的胃肠道反应 抗结核病药 主要用于各种肺结核 也可用于结核性脑膜炎和其他肺外结核等 尼古丁 吡啶和哌啶的衍生物 17 3 2稠杂环化合物 稠杂环化合物 是指苯环与杂环稠合或杂环与杂环稠合在一起的化合物 常见的有喹啉 吲哚和嘌呤 一 吲哚 吲哚是白色结晶 熔点52 5 极稀溶液有香味 可用作香料 浓的吲哚溶液有粪臭味 素馨花 柑桔花中含有吲哚 吲哚环的衍生物广泛存在于动植物体内 与人类的生命 生活有密切的关系 吲哚的性质与吡咯相似 也可发生亲电取代反应 取代基进入 位 二 喹啉 喹啉存在于煤焦油中 为无色油状液体 放置时逐渐变成黄色 沸点238 05 有恶臭味 难溶于水 能与大多数有机溶剂混溶 是一种高沸点溶剂 1 喹啉的性质 1 取代反应 喹啉是有吡啶稠合而成的 由于吡啶环的电子云密度低于与之并联的苯环 所以喹啉的亲电取代反应发生在电子云密度较大的苯环上 取代基主要进入5或8位 而亲核取代则主要发生在吡啶环的2或4位 2 氧化还原反应 喹啉用高锰酸钾氧化时 苯环发生破裂 用钠和乙醇还原是其吡啶环被还原 这说明在喹啉分子中吡啶环比苯环难氧化 易还原 3 喹啉的衍生物 喹啉的衍生物在自然界存在很多 如奎宁 氯喹 罂粟碱 吗啡等 毒品的种类根据联合国公约规定 国际上管制使用的麻醉品和精神药品有200多种 如鸦片 海洛因 大麻 美沙酮 杜冷丁 苯丙胺 可卡因 安定 三唑安定 巴比妥类催眠药及苯环已哌啶等麻醉镇静剂 中枢神经系统兴奋剂 镇静催眠药及致幻剂等 目前国际国内作为毒品严厉禁止的主要有 鸦片 海洛因 吗啡 可卡因 大麻等 吗啡与海洛因 吗啡是一种异喹啉生物碱 分子式是C17H19NO3 结构简式如图 吗啡存在于鸦片中 含量含为10 吗啡为无色棱柱状晶体 熔点254 256 味若 在多数溶剂中均难溶解 在碱性水溶液中较易溶解 它可与多种酸 如盐酸 硫酸等 和多种有机酸 如酒石酸等 生成易溶于水的盐 吗啡盐的PH平均值为4 68 吗啡对人的致死量为0 2 0 3g 海洛因是吗啡的二乙酰衍生物 海洛因的毒性和成瘾性更大 可卡因 从古柯树叶提取的一种药物 又叫古柯碱 可卡因是一种莨菪烷型生物碱 分子式为C17H21NO4 结构简式如图 古柯碱是无色无臭的单斜形晶体 味先苦而后麻 熔点98 几乎不溶于水 可溶于一般的有机溶剂 但其盐酸盐易溶于水 古柯碱为酯类 用酸或碱水解时 生成苯甲酸 甲醇等 大麻 从大麻叶中提取的一种药物 叫大麻酚 它的分子式为C21H26O2 大麻叶中含有多种大麻酚类衍生物 目前已能分离出15种以上 较重要的有 大麻酚 大麻二酚 四氢大麻酚 大麻酚酸 大麻二酚酸 四氢大麻酚酸 大麻酚的结构简式如图 大麻酚及它的衍生物都属麻醉药品 并且毒性较强 三 嘌呤 嘌呤为无色晶体 m p216 217 易溶于水 其水溶液呈中性 但能与酸或碱成盐 纯嘌呤环在自然界不存在 嘌呤的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 含量很多 人尿中也含少量 2 黄嘌呤存在于茶叶及动植物组织和人尿中 3 咖啡碱 茶碱和可可碱 三者都是黄嘌呤的甲基衍生物 存在于茶叶 咖啡和可可中 它们有兴奋中枢作用 其中以咖啡碱的作用最强 腺嘌呤和鸟嘌呤 是核蛋白中的两种重要碱基 腺嘌呤 A 鸟嘌呤 G 17 3 2喹啉和异喹啉 与吡啶类似 喹啉和异喹啉都有弱碱性 喹啉 pKb 9 15 异喹啉pKb 8 86 喹啉和异喹啉的亲电取代反应 如硝化 磺化 溴化等 比吡啶容易 亲电试剂主要进攻苯环部分 亲核取代反应则发生在吡啶环上 其中喹啉主要在2 位取代 而异喹啉主要在1 位 亲电取代反应 电子密度大 亲核取代反应 电子密度小 亲电取代反应发生在 电子密度大的苯环上 亲核取代反应发生在 电子密度小的吡啶环上 杂环化合物的应用简介 药物中的杂环化合物举例杂环化合物的合成杂环化合物在新材料中的应用 药物中的杂环化合物举例 二 药物中的杂环化合物举例 奈夫西林 氯唑西林 双氯西林 氟氯西林 对酸稳定 耐酶的半合成青霉素 血药浓度较高 血药浓度较高 胃肠道吸收好 药物中的杂环化合物举例 常用喹诺酮类抗菌药 吡哌酸 环丙沙星 唑类抗真菌药 克霉唑 昔康唑 核苷抗病毒药 阿糖胞苷 三氟胸苷 齐多夫定 阿糖腺苷 拉米夫定 司他夫定 含杂环维生素举例 生素B维1 维生素B2 维生素B6 维生素H 杂环化合物的合成