第十四章-杂环化合物.ppt

ORGANICCHEMISTRY 第十四章 杂环化合物 有机化学 1 基本掌握杂环化合物的命名规则2 掌握五元杂环化合物的物理和化学性质3 掌握六元杂环化合物的物理和化学性质4 了解部分稠杂环化合物和生物碱的性质 学习内容 ORGANICCHEMISTRY 在自然界中杂环化合物分布很广 许多中草药的有效成分大都含有含氮杂环化合物 部分维生素和抗菌素以及一些植物色素和植物染料都含有杂环 不少合成药物和合成染料也含杂环 它们都具有重要的生理作用 呋喃吡咯噻吩 第一节杂环化合物的分类和命名 杂环化合物是指一类环状有机化合物 构成环的原子除碳外还有其它原子 杂原子 这种环状化合物具有芳香结构 闭合共轭体系 和一定程度的稳定性 通常杂原子有 O N S等 从形式上看 它们都是含杂原子的环状化合物 但其性质与相应的开链化合物相似 不属于杂环化合物讨论的范畴 一 杂环化合物的分类和命名 单环 五元环 含一个杂原子 呋喃吡咯噻吩 含两个杂原子 咪唑噻唑 吡唑异噻唑 1 音译名 同音汉字加 口 字旁 六元环 含一个杂原子 吡啶吡喃 含两个杂原子 哒嗪嘧啶吡嗪 稠杂环 喹啉异喹啉喋啶吖啶 吲哚嘌啉咔唑 2 环上有取代基时 应以杂环为母体 将杂环母核编号 编号原则 杂原子编号最小 即从杂原子开始编号 环上含两个以上相同杂原子时 应使杂原子的编号最小 一般从连有取代基的杂原子开始 环上有不同杂原子时 按O S N的顺序编号 尽可能使连有取代基的碳原子编号最小 8 羟基喹啉 4 甲基咪唑 2 氨基嘧啶 5 甲基噻唑 典型的五元杂环是呋喃 吡咯 噻吩 它们是最重要的含一个杂原子的五元环化合物 它们的衍生物不单种类繁多 而且有些是重要的工业原料 有些具有重要的生理作用 第二节五元杂环化合物 呋喃 Furan 是最简单的含氧五元杂环化合物 它存在于松木焦油中 为无色液体 沸点为32 具有类似氯仿的气味 难溶于水 易溶于有机溶剂 常用作溶剂 它有麻醉和弱刺激作用 极度易燃 吸入后可引起头痛 头晕 恶心 呼吸衰竭 呋喃具有毒性且致癌 呋喃环具有芳环性质 可发生卤化 硝化 磺化等亲电取代反应 常作为合成其他复杂有机物的起始原料 吡咯 Pyrrole 是最简单的含氮五元杂环化合物 主要存在于骨焦油中 煤焦油中存在的量很少 健康危害 吡咯属低毒类 虽然急性口服毒性不强 但有积蓄性毒性 注射于哺乳动物能使尿变色 对中枢神经系统有抑制麻醉作用 吸入蒸气可致麻醉 并可引起体温持续增高 吡咯在空气中加热能产生毒性强的气体 使用时需加注意 燃爆危险 易燃 其蒸气与空气可形成爆炸性混合物 遇明火 高热能引起燃烧爆炸 其蒸气比空气重 能在较低处扩散到相当远的地方 遇火源会着火回燃 噻吩 Thiophene 是最简单的含硫五元杂环化合物 存在于煤焦油和页岩油中 无色流动性 有难闻的臭味的液体 熔点 38 2 沸点84 2 易燃 有毒 经皮肤吸收或吸入蒸气会引起中毒 其蒸气与空气形成爆炸性混合物 遇明火 高热能引起燃烧爆炸 与氧化剂能发生强烈反应 其蒸气比空气重 能在较低处扩散到相当远的地方 遇火源会着火回燃 一 呋喃 吡咯 噻吩的结构与芳香性 物理方法证明 呋喃 吡咯 噻吩都是平面结构 环上所有原子都是SP2杂化 各原子均以SP2杂化轨道重叠形成 键 碳原子未杂化的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 噻吩侵入途径为吸入 食入 经皮吸收 具有引起兴奋和痉挛的作用 其蒸气刺激呼吸道粘膜 对造血系统亦有毒性作用 刺激骨髓中白细胞的生命 急救方法 皮肤接触 脱去污染的衣服 立即用流动清水彻底冲洗 眼睛接触 立即提起眼睑 立即用流动清水彻底冲洗 吸入 迅速脱离现场至空气新鲜处 呼吸困难时给输氧 呼吸停止时 立即进行人工呼吸 就医 食入 误服者给饮大量温水 催吐 就医 符合休克尔4n 2规则 故三个杂环均具有芳香性 体系中 电子数 4 2 6 吡咯的结构 孤电子对在p轨道上 吡咯结构 吡咯N是sp2杂化 孤电子对参与共轭 反应 碱性较弱 环易发生亲电取代反应 环上相当于有一个邻对位定位基 共轭效应是给电子的 诱导效应是吸电子的 呋喃 噻吩的结构请同学自己分析 由于呋喃 噻吩 吡咯都是五中心六电子 属于富电子环 三种杂环具有一定程度的芳香性 杂原子电负性大小 芳香性与稳定性 O 3 5 N 3 0 S 2 5 电子密度 稳定性 芳香性 反应活性 杂环 苯环 杂环 苯环 杂环 苯环 杂环 苯环 H 呋喃 吡咯 噻吩分别存在于木焦油 骨焦油和煤焦油中 但含量不多 二 制备方法 工业上常用糠醛 呋喃甲醛 脱羰基制备呋喃 噻吩可用丁烷与硫 丁稀与二氧化硫在高温下反应制得 呋喃遇到盐酸浸湿的松木片呈绿色 称为松木片反应 噻吩在硫酸的作用下发生蓝色的反应 呋喃和氨在高温下反应制得吡咯 吡咯的蒸气遇到盐酸浸湿的松木片呈红色 可以用来检验吡咯及其低级同系物 呋喃遇到盐酸浸湿的松木片呈绿色 称为松木片反应 噻吩在硫酸的作用下发生蓝色的反应 H 1 亲电取代反应 亲电试剂进攻发生在 位和 位 但 位更容易些 吡咯 呋喃 噻吩能像苯一样发生一系列芳香族化合物的特征反应 由于它们是富电子杂环 所以比苯更容易发生亲电取代反应 三 化学性质 位 位 吡咯 呋喃 噻吩 苯 溴化反应相对速率 3 10186 10115 1091 反应活性相对次序是 卤代反应 像苯酚和苯胺一样 吡咯 呋喃 噻吩很容易发生卤代反应 氯代 溴代不但不需催化剂 而且为避免多取代物 往往采用温和条件 如用溶剂稀释和采用低温 吡咯反应活性最大 在低温下进行 一般得多卤产物 呋喃与Br2反应也很激烈 在0 与Br2在二氧六环存在下反应得一溴代产物 与Cl2在 40 下反应得混合产物 H H 噻吩溴化可在室温下进行 得一溴代产物 硝化反应 五元杂环化合物与硝酸 强氧化剂 反应 得不到预期产物 而是芳环被破坏 呋喃 吡咯和噻吩易被氧化 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 如乙酰基硝酸酯 反应在低温下进行 2 氯呋喃 2 5 二氯呋喃 磺化反应 呋喃 吡咯不能直接用硫酸磺化 因为它们在浓硫酸中不稳定 会发生聚合 通常用一种温和的磺化剂 吡啶三氧化硫进行磺化 噻吩比较稳定 既可以用硫酸在室温下直接磺化 产率稍低 也可以用温和的磺化试剂磺化 说明 噻吩环芳香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 傅克酰基化反应 五元杂环化合物酰化时 需要在较温和催化剂甚至不用催化剂即可反应 吡咯不用催化剂可以直接酰化 呋喃与酸酐或酰氯在催化剂作用下发生酰基化反应 噻吩酰化反应要用磷酸或氯化锡作催化剂 加成反应是标志化合物不饱和性的最典型反应 它们能像环戊二烯分子一样催化加氢生成相应的饱和化合物 2 加成反应 H H 3 吡咯的弱碱性 弱酸性 吡咯表面上是个仲胺 但实际上吡咯是一个很弱的碱 碱性比苯胺弱得多 它只能慢慢地溶解在冷的稀酸溶液中 吡咯卤化镁 四 呋喃衍生物 糠醛 呋喃甲醛 2 性质及用途 糠醛是无色透明液体 沸点161 7 在空气中逐渐变为黄棕色 能溶于醇 醚及其它有机溶剂中 糠醛本身是一个良好的溶剂 在工业上有广泛的用途 常用于精炼石油 精制松香 溶解硝酸纤维等 在有机合成工业上也很重要 是油漆 树脂工业的重要原料 糠醛与苯甲醛具有类似结构 表现出无 H的醛的性质 20151127作业 P3421a c e g h i 2 10a b e f g 11 一 吡啶 1 来源和结构 吡啶存在于煤焦油 页岩油和骨焦油中 它的衍生物广泛分布于自然界 如植物碱 维生素 辅酶 和 中都存在吡啶环 工业上吡啶主要有从糠醛制备法和乙炔制备法中制得 六元杂环化合物中最重要的有吡啶和嘧啶 第三节六元杂环化合物 1 吡啶的结构 共轭效应和诱导效应都是吸电子的 孤电子对在sp2杂化轨道上 吡啶结构 吡啶N是sp2杂化 孤电子对不参与共轭 反应 碱性较强 环不易发生亲电取代反应但易发生亲核取代反应 发生亲电取代反应时 环上N起间位定位基的作用 发生亲核取代反应时 环上N起邻对位定位基的作用 2 吡啶的性质 吡啶是一个无色有恶臭的液体 沸点115 5 与水及许多有机溶剂如乙醇 乙醚等混溶 它是良好的溶剂 吡啶的化学性质体现在芳环的取代反应 包括亲核 亲电 及氮上未成键电子对的碱性及亲核性上 碱性和亲核性 吡啶分子中氮原子的SP2杂化轨道上有一对未共用电子 这对电子不参与环的共轭 它像叔胺一样这对电子可以接受质子 具有碱性 但碱性弱于叔胺 强于吡咯 碱性 叔胺 吡啶 吡咯 吡啶氮原子还可以作为亲核试剂与R X Br2等亲核试剂反应形成吡啶盐 二乙胺 吡咯 吡啶 氨 苯胺 亲电取代反应 吡啶是缺电子芳杂环 由于氮原子的吸电子作用 降低环上碳原子密度 它的亲电取代反应似硝酸苯 与富电子芳杂环的呋喃 吡咯和噻吩相反 吡啶在亲电取代反应中很不活泼 比苯的取代反应难得多 一般反应必需在激烈的条件下才能硝化 卤代和磺化 不能进行傅克反应 反应特点 1不能发生傅氏烷基化 酰基化反应 2硝化 磺化 卤化必须在强烈条件下才能发生 3吡啶环上有给电子基团时 反应活性增高 4吡啶N可以看作是一个间位定位基 反应主要发生在 位 电子云密度 如果吡啶环上有供电子基团 则能增加反应活性 提高产率 亲核取代 由于环上电子云密度降低 吡啶易与亲核试剂 如芳基锂 烷基锂等 作用 主要生成 位取代产物若 位被占据 则生成 位取代产物 吡啶环对氧化剂的稳定性 吡啶比苯稳定 难于氧化 因吡啶为叔胺 很容易被H2O2 过氧化酸氧化成N 氧化物 吡啶N 氧化物是有机合成的重要中间体 由于O上孤电子对与吡啶环发生动态共轭的结果 它使吡啶环活化 使之容易在 和 位发生亲电取代反应 且产率较高 吡啶N 氧化物用三氯化磷处理 可恢复为吡啶环 还原反应 吡啶还原反应比苯更容易进行 还原生成六氢吡啶 嘧啶是含有二个氮原子的六元杂环 易溶于水 嘧啶中的氮是SP2杂化 都以一个P电子参与共轭 性质与吡啶类似 由于体系中氮的吸电子作用 碱性比吡啶弱得多 其亲电取代反应比吡啶困难 亲核取代则比吡啶容易 自然界有许多嘧啶衍生物 在新陈代谢中起着重要作用 如用氨基 羟基取代的嘧啶 尿嘧啶 胞嘧啶 胸腺嘧啶是组成核酸的三个碱基 维生素及药物中许多含有嘧啶环系 维生素B1是19世纪末荷兰医生艾克曼从米糠中提取制得的 是人们最早发现的一种维生素 它是嘧啶的重要衍生物之一 是维持糖的正常代谢必需的物质 体内缺乏维生素B1时 可引起多发性神经炎 脚气病及食欲不振等 维生素B1存在于米糠 麦麸 瘦肉 绿叶 花生 豆类 酵母中 一 吲哚 吲哚存在于煤焦油中 为无色片状结晶 熔点52 5 具有极臭的气味 与 甲基吲哚共存于粪便中 但纯吲哚的极稀溶液有愉快香气 可制香精 吲哚是闭合的共轭体系 它的性质和吡咯很相似 几乎没有碱性 但比吡咯稳定 第四节稠杂环化合物 吲哚主要衍生物 H H H 二 喹啉 喹啉和异喹啉都是苯环与吡啶环稠合而成的化合物 它们是同分异构体 都存在于煤焦油中 很多生物碱中含有喹啉杂环 1 喹啉的合成法 斯克普 Skraup 法 由苯胺 甘油 浓硫酸及一种弱氧化剂 如硝基苯 氧化铁 共热来制得 反应历程 2 喹啉的化学性质 喹啉是无色油状液体 有特殊气味 化学性质和吡啶及 硝基萘有些相似 亲核取代反应 喹啉分子中用吡啶环 可发生亲核取代反应 主要在2 4位 氧化和还原反应 喹啉加氢还原时 吡啶环最先被还原生成四氢化喹啉 三 嘌呤 嘌呤为无色晶体 熔点216 217 易溶于水 水溶液呈中性 但它却能与酸或碱生成盐 嘌呤本身不存在于自然界中 但它的羟基和氨基衍生物却存在于自然界中 1 尿酸 是鸟类和爬虫类动物排泄物中的主要成分 无色晶体 难溶于水 它的酸性很弱 pKa 5 7 2 黄嘌呤 存在于动物的血液 肝脏和尿中 黄嘌呤本身不太重要 而其衍生物则比较重要 它们都是嘌呤的甲基衍生物 都是生物碱类药物 它们都有刺激中枢神经的作用 以咖啡碱的效为力最好 被广泛地用于医药中 它们存在于茶叶 咖啡和可可中 3 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 嘌呤的两个重要衍生物 腺嘌呤 A 鸟嘌呤 G 6 氨基嘌呤 2 氨基 6 羟基嘌呤 本品是核酸的组成成分 参与遗传物质的合成 能促进白细胞增生 使白细胞数目增加 用于防治各种原因引起的白细胞减少症 特别是用于肿瘤化学治疗时引起的白细胞减少症 也用于急性粒细胞减少症 别名 鸟粪素 鸟便嘌呤 与腺嘌呤一起构成核酸中的两种主要嘌呤碱 在生物体内 其含量极少 但具有重要的生理功能 与cAMP 环磷酸腺苷 对代谢调控有拮抗效应 一种物质被另一种物质所阻抑 cGMP 环磷鸟苷 也像cAMP一样在细胞中作为胞内信使起信号传递的作用 生物碱又称植物碱 是指一类由生物体中取得的有机碱性物质 它们大多数具有含氮杂环 有很强的生理作用 是非常有效的药物 例如当归 甘草 贝母 麻黄 黄连等许多草药中的有效成分都是生物碱 生物碱大多为固体 难溶于水 而能溶于乙醇等有机溶剂 大部分生物碱具有旋光性 左旋体 许多试剂能与生物碱生成不溶性的沉淀或发生颜色反应 这些试剂叫做生物碱试剂 可以用它们检验出生物碱 第五节生物碱简介 1 生物碱的一般性质 生物