杂环化合物

第十九章 杂环化合物,目的要求,1、掌握杂环化合物的分类和命名； 2、掌握五元杂环化合物的结构和化学性质，了解它们的制法； 3、掌握糠醛的性质，了解一些含五元杂环化合物的用途； 4、掌握吡啶的结构和化学性质，了解一些含六元杂环化合物的用途； 5、了解生物碱的一般性质和提取方法。,杂环化合物:是指一类环状有机化合物中，构成环的原子除碳原子外还有其它原子（杂原子）。,结构特点：有闭合共轭体系，p电子数符合4n+2， 具有芳香性。,通常杂原子有：O 、N 、S 等,第一节杂环化合物的分类和命名,一 、分类,二、命名,1、利用杂环英文名称译音成汉语同音字，加口字旁以表示杂环化合物，做为母体。,音译法,2、环上有取代基时，从杂原子开始编号，取代基位次最小，取代基位次、名称写在杂环母体前；,3、 环上含两个以上相同杂原子时，从连有取代基或氢原子的杂原子开始编号，并使另一个杂原子位次最小。,2,3,4,1,5,4-甲基咪唑,2-氨基嘧啶,4、环上有不同杂原子时，按 O、S、N的顺序编号,5、稠杂环共用碳不编号，嘌呤除外，杂原 子的位次尽小。,5-甲基噻唑,8-羟基喹啉,6-氨基嘌呤,6、杂环有复杂活泼的取代基时，杂环为取代基。,2-呋喃甲醛,第二节 杂环化合物的结构与性质,典型的五元杂环是呋喃、噻吩、吡咯。,一、 呋喃、噻吩、吡咯杂环的结构,物理方法证明：呋喃、噻吩、吡咯都是平面结构，环上所有原子均以sp2 杂化轨道重叠形成键。,碳未杂化的 p 轨道中有一个电子，杂原子的 p 轨道中有一对电子，p 轨道互相平行重叠，形成闭合的共轭体系。,体系中p电子数：4+2 =6,符合休克尔 4n+2 规则，故三个杂环均具有芳香性,二、吡啶的结构,(2)构成闭合的,(1)碳原子和杂原子都采取sp杂 化。 (未参与杂化的p轨道有 一个电子占据),三种杂环都具有一定程度的芳香性，原因在于它们都符合休克尔规则。思考：为什么它们的芳香性的顺序是噻吩 吡咯 呋喃？,杂原子电负性大小： O (3.5) N (3.0) S (2.5),因为这些环中杂原子的电负性是ONS，对外层电子吸引力逐渐减弱，对芳环供电子的能力正相反；亦即呋喃中的 O 比吡咯中的 N 更不愿供电子给环构成芳香大 键，故芳香性最差，噻吩中的 S 较易于供电子给环，故芳香性较强。,由于呋喃、噻吩、吡咯都是五中心六电子，属于富电子环,p电子密度： 杂环 苯环稳 定 性 ： 杂环 苯环芳 香 性 ： 杂环 苯环亲电反应活性 ： 杂环 苯环,三、 呋喃、噻吩、吡咯的性质,2. 呋喃、噻吩、吡啶及其衍生物鉴别反应,3、化学性质,1) 亲电取代反应,五元杂环化合物是富电子体系，而苯环为等电子体系，故环上的电子云密度比苯高，其亲电取代反应比苯容易，易于卤代、硝化、磺化等。杂原子的存在相当于在环上引入了 NH2、OH、 SH 等活化基团而使环活化，,亲电取代反应主要在-位发生；若、两个位置已有基团存在，则亲电取代在位发生。,吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感，在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。,吡啶和苯虽然都属等电子体系，但因氮原子的电负性较大，从而使环上的电子云密度降低 ，故其亲电取代反应性能不但比苯差，且亲电取代反应发生在电子云密度较高的-位。这一特性很类似于硝基苯。,综上所述，五元、六元杂环化合物虽然都具有芳香性，但其环上的电子云的密度是不同的，其电子云密度由高到低的顺序是：,呋喃、噻吩、吡咯的卤化反应,反应强烈，比苯快，新引入基上位。 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。,碘不活泼，要用催化剂才能发生一元取代,呋喃、噻吩、吡咯的硝化反应,呋喃, 噻吩和吡咯易氧化, 一般不用硝酸直接硝化; 通常用比较温和的非质子硝化试剂，如：硝酸乙酰酯。反应在低温下进行。,呋喃、噻吩、吡咯的磺化反应,吡咯、呋喃不太稳定，所以须用温和的磺化试剂磺化。常用的温和的非质子的磺化试剂有：吡啶与三氧化硫的加合化合物。,噻吩比较稳定，既可以直接磺化（产率稍低），也可以用温和的磺化试剂磺化。,说明：噻吩环芳性比呋喃环和吡咯环强，较稳定； 噻吩环上电子云密度比苯环大，更容易磺化。,利用磺化反应可分离苯和噻吩：,付氏酰基化：,-乙酰基吡咯,氧化反应呋喃、吡咯对氧化剂都很敏感，在空气中都能被氧化，而吡啶对氧化剂却相当稳定。如用高锰酸钾氧化苯环被破坏，得2,3-喹啉二甲酸,-苯基吡啶,加成反应,吡咯的弱碱性和弱酸性,吡咯分子中氮原子上虽然带有孤对电子，但是由于其参与了环状56的共轭，为整个环状共轭体系所共享，从而使氮上电子云密度降低，所以，吡咯的碱性很弱，甚至于大大弱于苯胺的碱性。, 碱性：苯胺（Kb=3.810-10）吡咯（Kb=2.510-14）,能与强酸成盐 不能与强酸成 盐，遇酸分解,另一方面，氮上电子云密度降低，从而使氮原子上的氢能以H+的形式解离。吡咯有弱酸性：,但是，吡咯（pKa=17）的酸性非常小，甚至远远小于酚(pKa=10)。,吡啶的碱性及其盐的性质,N上孤电子对未参与共轭，能与质子结合，呈碱性。为弱碱，碱性比苯胺强，但比脂肪胺弱。,吡啶环上有给电子基团时，碱性加大； 有吸电子基团时，碱性减弱。,吡啶可以和无机酸作用成盐，在有机合成中可用作碱性催化剂。,吡啶盐酸盐,一、糠醛(a- 呋喃甲醛),为无色液体，在空气中逐渐氧化变为黄色至棕褐色。能溶于醇、醚等有机溶剂。,第三节 某些杂环及其衍生物,1. 制备,2. 性质和用途,(1) 糠醛在醋酸存在下与苯胺作用显红色检验糠醛；,糠醛表现出无a-H的醛(如苯甲醛和甲醛)和不饱和呋喃杂环的双重性质。,(2) 催化加氢,(3) 氧化反应,糠醛可发生银镜反应；,白色晶体，熔点52.5，含吲哚环的生物碱广泛存在于植物中。,低浓度的-吲哚乙酸是一种植物生长调节剂，其主要作用是能加速插枝作物的生根，但浓度过大时则抑制作物的生长。,二、吲哚,三、卟啉化合物,四个吡咯环和四个次甲基(-CH2-)交替相连组成的大环叫卟吩，是卟啉化合物的母体，为一大共轭体系.,卟吩,叶绿素分子结构,R=-CH3为叶绿素aR=-CHO为叶绿素b,血红素分子结构,维生素B12分子结构,维生素12（钴胺素，抗恶性贫血维生素）,又称钴胺素或氰钴素。一种由含钴的卟啉类化合物组成的B族维生素。最初发现服用全肝可控制恶性贫血症状，经20年研究，到1948年才从肝脏中分离出一种具有控制恶性贫血效果的红色晶体物质，定名为维生素B12。1954年确定其结构式。1972年完成人工合成。,维生素12是族维生素中迄今为止发现最晚的一种。维生素12为浅红色的针状结晶，易溶于水和乙醇，在pH值4.55.0弱酸条件下最稳定，强酸（pH2）或碱性溶液中分解，遇热可有一定程度破坏，但短时间的高温消毒损失小，遇强光或紫外线易被破坏。普通烹调过程损失量约30%。,维生素12缺乏症,缺乏维生素B12可能影响到体内的所有细胞，但对细胞分裂快的组织影响最为严重，如影响骨髓的生血组织可产生巨幼红细胞性贫血，即所谓恶性贫血；神经系统的损害主要是引起斑状、弥漫性的神经脱髓鞘，出现精神抑郁、记忆力下降、四肢震颤等神经症状。,维生素B1,维生素B1的结构（对酸稳定，遇碱分解）,维生素B1缺乏症,硫胺素在能量代谢中起辅酶作用，没有硫胺素就没有能量。作为辅酶它还参与葡萄糖转变为脂肪的过程。维生素B1作用于神经末梢，这个作用使它对酒精性神经类、妊娠期神经类和脚气病都有治疗价值。维生素B1还能维持正常的食欲、肌肉的弹性和健康的精神状态。,人缺乏维生素B1会引起脚气病。摄入不足和酒精中毒是人类维生素B1缺乏最常见的原因，脚气病主要影响心血管和神经系统。心血管系统的表现包括心脏肥大和扩张、心动过速、呼吸窘迫以及腿部水肿；神经系统的表现包括腱反射亢进、多发性神经炎（有时伴有麻痹)、肌肉软弱无力、疼痛并有抽搐。成人一般表现为眼、鼻、嘴周围皮肤上出现油脂、鳞屑(脂溢性皮炎)，随后向身体的其他部分蔓延；舌红光滑；体力下降。婴儿症状突发而严重，急躁、肌肉抽搐和惊厥，常心力衰竭和紫绀。,核黄素(维生素B2),结构,维生素B2与维生素B2缺乏症：,维生素B2，又称核黄素，是我国居民膳食中最容易缺乏的维生素。易患人群；各年龄组人群均易因缺乏而致各种疾病。临床表现：口角炎：口角湿白、口角裂开、出血、糜烂、结痂舌炎：舌肿胀、裂纹、疼痛、萎缩、舌苔厚、部分脱落形成地图状唇炎：嘴唇发干、裂、肿胀、出血、溃疡眼炎：视力模糊、怕光、流泪、视力减退、眼易疲劳、角膜充血皮肤症状：引起脂溢性皮炎，多发生在鼻翼两侧、脸颊、前额及两眉之间。,口角炎 (angular stomatitis),唇炎 (cheilosis),舌炎 (glossitis),结构,叶酸,叶酸的缺乏症,巨幼红细胞贫血：为叶酸严重缺乏时的典型临床表现。红细胞比正常大而少，并且发育不全。这种贫血是由于核蛋白形成不足，使骨髓中的核巨红细胞（幼稚型红细胞）不能成熟。由于红细胞数量减小，因而血红蛋白水平降低，同时，白细胞、血小板和血清叶酸的水平也降低。孕妇缺乏叶酸使先兆子痫、胎盘早剥的发生率增高；怀孕时期缺乏叶酸是引起胎儿神经管畸形的主要原因。,由一个嘧啶环和一个咪唑环稠合而成。它有两种互变异构体。,无色晶体，熔点216 217，易溶于水，水溶液呈中性，它却能与酸或碱生成盐。,1. 尿酸,无色晶体，难溶于水，它的酸性很弱，pKa = 5.7,嘌呤，是存在人体内的一种物质，主要以嘌呤核苷酸的形式存在，在作为能量供应、代谢调节及组成辅酶等方面起着十分重要的作用。嘌呤在人体内嘌呤氧化而变成尿酸，人体尿酸过高就会引起痛风。海鲜，动物的肉的嘌呤含量都比较高，所以，有痛风的病人除用药物治疗外(医治痛风的药物一般对肾都有损害)，更重要的是平时注意忌口。,嘌呤核苷酸分解代谢反应基本过程是核苷酸在核苷酸酶的作用下水解成核苷，进而在酶作用下成自由的碱基及1-磷酸核糖。嘌呤碱最终分解成尿酸，随尿排出体外。黄嘌呤氧化酶是分解代谢中重要的酶。嘌呤核苷酸分解代谢主要在肝、小肠及肾中进行。嘌呤代谢异常：尿酸过多引起痛风症，患者血中尿酸含量升高，尿酸盐晶体可沉积于关节、软组织、软骨及肾等处，导致关节炎、尿路结石及肾疾病。临床上常用别嘌呤醇治疗痛风症。,腺嘌呤和鸟嘌呤,腺嘌呤和鸟嘌呤是核蛋白中的两种嘌呤衍生物。它们与尿嘧啶、胞嘧啶和胸腺嘧啶构成核酸的五大碱基，对核酸的生物功能起重要作用。,是核酸的重要组成部分,是核酸的重要组成部分,有机碱是一类带碱性的有机化合物，是嘌呤和嘧啶的衍生物。DNA中的碱基主要有腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶；RNA中的碱基主要有腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶。此外，DNA和RNA中都发现有许多稀有碱基，在转移核糖核酸中含量最高。碱基共有5种：胞嘧啶（缩写作C）、鸟嘌呤（G）、腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T，DNA专有）和尿嘧啶（U，RNA专有）。 5种碱基都是杂环化合物