第二十章杂环化合物--宁夏大学精品课程建设平台..ppt

1 第二十章杂环化合物 2 本章讲授提要 第一节杂环化合物的定义 分类与命名 第二节五元单杂环化合物 第三节唑 第四节六元杂环化合物 吡啶 第五节喹啉和异喹啉 第六节嘧啶与嘌呤 第七节生物碱 3 概述 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 4 此外 天然和人工合成的大多数色素 酶 染料 某些助剂 一些特殊的高分子材料以及人类赖以生存所必须的 大量的医药 农药也含有杂环 因而杂环化合物在发达国家受到了化学家们的普遍重视 第一节杂环化合物的定义 分类 与命名 一 定义 从广义上来讲 组成环状化合物的原子除碳外 还有其它的原子时 这样的化合物就叫杂环化合物 但习惯上不是如此 如 5 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 6 二 分类与命名 一 分类 呋喃 咪唑 吡啶 嘧啶 吲哚 嘌呤 7 二 命名 杂环化合物的命名现在普遍采用的方法是 英文名称的音译 口字 表示环状化合物 2 对于只含一个杂原子的化合物 编号除用阿拉伯 数字外也可以使用希腊字母 3 对于含有两个或两个以上杂原子的化合物 为了避免 引起混乱只能用阿拉伯数字编号 而不能用希腊字母 4 当含有的杂原子不同时编号的顺序是 命名时的编号原则是 1 使杂原子的位次尽可能小 8 唑的命名 原子是氮时 则该杂环化合物称为唑 含有两个杂原子的五元杂环 若至少有一个杂 呋喃 furan 吡咯 pyrrole 噻吩 thiophene 含一个杂原子的五元杂环 吡唑 pyrazole 咪唑 inidazole 噻唑 thiazole 噁唑 oxazole 9 六元杂环化合物 吡啶 pyridine 哒嗪 pyridazine 嘧啶 pyrimidine 吡嗪 pyrazine 吡喃 pyran 吡喃酮 pyrone 吡喃酮 pyrone 10 5 甲基咪唑 4 溴噻唑 例 11 稠杂环化合物 喹啉 quinoline 异喹啉 isoquinoline 嘌呤 purine 吲哚 Indole 12 第二节五元单杂环化合物 一 呋喃 吡咯 噻吩的物理性质与结构 呋喃 存在于松木焦油中 有氯仿味 bp 31 吡咯 存在于煤焦油和骨胶油中 有苯胺味bp 131 噻吩 存在于煤焦油中 有特殊气味 bp 84 1 物理性质 2 结构 13 二 呋喃 吡咯 噻吩的化学性质 呋喃 吡咯 噻吩都具有芳香性 都能够进行亲电取代反应要有意识地将他们的反应活性与苯进行比较 14 五元杂环化合物的亲电取代反应主要发生在 位 1 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核能够得到更有效的分散 体系能量低反应易于进行 故 15 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 16 吡咯红 吡咯在酸性条件下发生的聚合 呋喃在酸性条件下发生的开环 17 1 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 且反应在低温下进行 乙酰硝酸酯 18 2 硝基噻吩 3 硝基噻吩 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 19 2 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 20 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 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 21 22 4 付 克酰基化反应 2 乙酰基吡咯 2 乙酰基呋喃 2 乙酰基噻吩 60 75 92 94 23 5 取代定位效应 1 第一个取代基进入到杂原子的 位 2 3 位上有取代基时 呋喃 吡咯 噻吩的定位效应一致 3 2 位上有取代基时 吡咯 噻吩的定位效应一致 2 取代呋喃无论是哪一类取代基反应总是发生在5 位 24 6 吡咯的特殊反应 吡咯的弱酸性 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 25 吡咯成盐后使环上电荷密度增高 亲电取代反应更易进行 2 甲基吡咯 2 乙酰基吡咯 吡咯甲酸 吡咯甲醛 吡咯偶氮苯 26 2 加成反应 1 催化氢化反应 四氢呋喃 THF 四氢吡咯 四氢噻吩 四氢呋喃是个很重要的有机溶剂 含硫化合物容易使催化剂中毒 故噻吩的还原用一个特殊的催化剂MoS2 27 2 Diels Alder反应 呋喃中氧原子的电负性较大 使呋喃具有较多的共轭二烯的性质 易于进行狄 阿反应 吡咯可与活泼的亲双烯试剂易于进行狄 阿反应 苯炔 28 噻吩基本上不发生双烯加成 在个别情况下生成一个不稳定的中间体 直接失硫转化为别的产物 29 三 呋喃 吡咯 噻吩的合成 多聚戊糖 戊糖 糠醛 1 利用农副产品生产糠醛 农副产品如稻糠 玉米蕊 向日葵盘等 它们是戊糖的聚合物 酸性条件下加热水解得到戊糖 戊糖失水后就得到糠醛 糠醛失羰得到呋喃 30 2 实验室制备法 1 帕尔 诺尔 Paal Knorr合成法 31 呋喃 吡咯 噻吩相互之间的转化 佑尔业夫反应 32 四 呋喃 吡咯的重要衍生物 1 糠醛 糠醛是不具 氢的芳醛 能进行此类醛的特征反应 康尼查罗反应 安息香缩合反应 普尔金反应 33 2 吲哚 吲哚白色结晶熔点 52 5 少量存在于煤焦油中 素馨花和柑橘花中也含有 色氨酸 3 甲基吲哚 粪臭素 5 羟基色氨 吲哚乙酸 5 羟基色氨是维持大脑思维的物质 吲哚乙酸是植物生长调节剂 主要作用是使扦插枝条加速生根 34 3 溴吲哚 3 硝基吲哚 吲哚 3 磺酸 吲哚是苯并吡咯其性质与吡咯类似 但其碱性比吡咯弱 亲电取代反应活性比吡咯略低 但比苯高 吲哚的亲电取代反应主要发生在 位 35 3 卟吩环系化合物 卟吩环是由四个吡咯环和四个次甲基交替相连组成的大环状共轭体系 与生命有着密切关系的两大色素 叶绿和素血红素 以及维生素B12都含有卟吩环 36 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历时四年经三十多步反应 于1960年合成 熔点117 120 120 130 叶绿素 a b 3 1 37 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 38 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 39 第三节唑 原子是氮时 则该杂环化合物称为唑 含有两个杂原子的五元杂环 若至少有一个杂 碱性 N上的孤电子对在sp2杂化轨道中 吡咯N上的p轨道中有一对电子 一 噻唑 含有硫 具有特殊的臭味 沸点117 一些重要的天然产物和药物中含有噻唑环 40 存在于米糠 麦麸 瘦猪肉 花生和黄豆之中 B1缺少时影响人体糖类的正常代谢 可引起脚气病 厌食 呕吐和心率失调 青霉素 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 41 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 青霉素有一百多个品种 过敏是含有杂菌 过去不能口服是因四元环状内酰胺易开环 改变结构增加其稳定性后可口服 后两种可口服 最常用的青霉素G的钾盐 无痛注射液是苯甲醇 但苯甲醇会引起婴幼儿臀部肌肉萎缩 42 4 甲基咪唑和5 甲基咪唑通过互变异构相互转化不可分离 唑的互变异构 N N 单键 与N N 双键 之间的相互转化 43 第四节六元杂环化合物 吡啶 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 44 1 17D 1 吡啶的结构 2 26D 1 58D 1 81 孤电子对在sp2杂化轨道上 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 45 2 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 亲电取代反应发生在 位 亲核取代反应发生在 位 吡啶环上电子云出现的几率密度 46 1 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 47 2 亲核取代反应 亲核取代反应历程 48 齐齐巴宾 ChiChibabin 反应 历程 49 3 吡啶环上氮的碱性及亲核性 Kb 2 5 10 14 3 8 10 10 2 3 10 9 10 5 环上氮的碱性 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 50 如 吡啶 沙瑞特 Sarret 试剂 温和的氧化剂 温和的磺化剂 51 环上氮的亲核反应 4 吡啶的氧化还原反应 吡啶环本身很稳定不易被氧化 但它的侧链很容易被氧化成醛或羧酸 52 尼古丁 烟碱 尼古丁酸 烟酸 烟酰胺 异烟酸 异烟肼 雷米封 雷米封是治疗各类结核病的首选药物 53 从动态的角度上看 与氮相连的氧可以看作是一个电子储存库 1 需要时 氧能提供电子 使整个环上的电荷密度增高 2 不需要时 氧不提供电子 整个环系相当于吡啶盐 54 5 吡啶侧链 H的反应 吡啶 位烷基上的 H与羰基 H相似 羟醛缩合型 SN2反应 55 第五节喹啉与异喹啉 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 56 一 合成 1 斯克柔普 Skraup 合成法 将苯胺 甘油 硫酸 硝基苯或其他氧化剂一起作用生成喹啉的反应称为斯克柔普合成 反应历程 丙烯醛 57 氧化脱氢 烯醇化 反应中硝基苯转化成苯胺 可作为原料循环使用 58 也可以用其他的 不饱和羰基化合物代替甘油 用Fe3 As2O5等作氧化剂代替硝基苯 59 喹碘仿 喹碘仿也叫药特灵 Yatren 用于治疗阿米巴痢疾 异喹啉的合成 60 二 喹啉 异喹啉的反应 1 亲电取代反应 喹啉 异喹啉的亲电取代反应都是发生在5 8 位 但所得比率不同 61 2 亲核取代反应 喹啉的亲核取代反应与吡啶类似 发生在 位 异喹啉的亲核取代反应则发生在1 位上 62 3 侧链上 氢的反应 63 4 喹啉的氧化与还原反应反应 第六节嘧啶与嘌呤 嘧啶与嘌呤的衍生物广泛地存在于自然界 有着重要的生理作用 其中尿嘧啶 胞嘧啶 胸腺嘧啶 腺嘌呤 鸟嘌呤组成了生命遗传物质核酸的碱基 64 嘧啶 pyrimidine 胞嘧啶 C 尿嘧啶 U 胸腺嘧啶 T 65 鸟嘌呤 G 2 氨基 6 羟基嘌呤 腺嘌呤 A 6 氨基嘌呤 嘌呤 一些含嘧啶环的药物和维生素 66 VB2又叫核黄素 是生物体内氧化还原过程中传递氢及电子的辅酶 人体缺少时会患口腔炎 角膜炎 结膜炎 它广泛地存在于小米 大豆 绿色蔬菜和肉 蛋奶等食物中 67 一些含嘌呤环的天然产物 第七节生物碱 一 定义 存在于生物体内 对人和动物具有强烈生理作用的碱性含氮有机化合物 二 生物碱的鉴别与提取 生物碱沉淀剂 K2HgI4 Mayer试剂 KBiI4 Dragendorff试剂 一 鉴别 68 生物碱显色剂 以及浓碘酸 浓硝酸 不同的生物碱显示不同的颜色 生物碱的存在有两个特点 1 不以游离态存在 而是以有机酸盐的形式存在于生物体内 2 不单独存在而是一系列结构相近的生物碱同时共存 69 二 提取 1 有机溶剂提取法 a 植物细粉 碱液 10 的氨水 Na2CO3或石灰水 游离生物碱的水溶液 有机溶剂萃取 生物碱的有机溶液 含有非生物碱的杂质 稀酸 生物碱的无机酸盐水溶液 1 浓缩2 氨水 游离生物碱的水溶液 浓度很低 有机溶剂萃取 生物碱的有机溶液 纯 浓缩 冷却 结晶 70 b 植物细粉 甲醇或乙醇 加热回流 有机溶剂提取液 H3 O 生物碱的无机酸盐水溶液 Na2CO3 游离生物碱的水溶液 浓度很低 有机溶剂萃取 生物碱的有机溶液 纯 浓缩 冷却 结晶 将该提取液浓缩后可得生物碱浸膏 71 2 离子交换法 阳离子交换反应 阳离子交换树脂 生物碱的硫酸盐 游离的生物碱 A 有机溶剂萃取 浓缩 冷却 结晶 交换 洗脱 R 离子交换树脂的高分子聚合物骨架 72 三 几种重要的生物碱 1 麻黄素 麻黄草茎枝中含量 1 5 其中左旋麻黄素占80 右旋假麻黄素占20 麻黄素的生理作用与肾上腺素类似 有兴奋交感神经 增高血压 扩张支气管的作用 用于治疗支气管哮喘症 73 麻黄素 去氧麻黄素 冰毒 去氧麻黄素 无色透明象冰糖 有严重的致幻作用和成瘾性故称冰毒 是摇头丸 蓝精灵 忘我 的主要成分 1919年由日本化学家首次合成 日本军国主义者曾给 神风敢死队员服用 1996年传入我国 74 2 烟碱 Nicotine 烟草中含有8 12 的12种生物碱 其中最重要的是烟碱尼古丁 它是具有剧毒的微黄色的液体 少量有兴奋中枢神经 增高血压的作用 量大时能抑制中枢神经系统使心脏麻痹