第十五章-芳杂环化合物.ppt

1,DC.sjtu,杂环化合物(HeterocyclicCompouds)“杂环”就是组成环的原子除C外，还含有其它元素的原子，这些非碳原子统称为杂原子。原则上二价以上的元素都可以成为杂原子，但最常见的是O、S和N。,前面学过的内酯、内酰胺、环氧化合物、环状酸酐等:,因其性质与相应的脂肪族化合物较相似，因此并入脂肪族化合物中讨论，而不列为杂环化合物。,2,DC.sjtu,本章讨论的杂环化合物主要指环系较稳定，包括杂原子在内的环是平面型，环内有4n+2个电子处于环闭共轭体系中，统称为芳(香)杂环化合物。,吡啶呋喃噻吩吡咯,其它不具芳香性的杂环化合物，统称为非芳香杂环化合物或杂脂环化合物。,哌啶四氢呋喃,3,DC.sjtu,一、分类,杂稠杂环：,六元杂环：,五元杂环：,苯稠杂环：,第一节分类和命名,4,DC.sjtu,43512,43512,43512,呋喃噻吩吡咯噻唑furanthiophenepirrolethiazole,N,咪唑吡唑噁唑Imidazolepyrozoleoxazole,43512,43(b)512(a),43512,34215,五元杂环,二、命名,命名原则：译音“口”旁,615724983,54637281,4536127,54637281,53621,53621,53621,53621,吡啶嘧啶哒嗪吡喃pyridinepyrimidinepyridazinepyran,稠杂环,喹啉异喹啉吲哚嘌呤quinolineisoquinolineindolepurine,六元杂环,6,DC.sjtu,呋喃吡啶吡咯,呋喃-2-甲醛-呋喃甲醛,3-溴吡啶-溴吡啶,1-甲基吡咯,43(b)512(a),43(b)512(a),1.单杂环的编号从杂原子开始。,杂环的编号规则：,7,DC.sjtu,43512,43512,43512,S,N,O,N,2.有多个杂原子时，按O、S、N-R、NH、N顺序编号.,CH3,53621,43512,2-巯基-5-氯咪唑,1-甲基吡唑,C2H5,2-乙基嘧啶,Cl,SH,噻唑,噁唑,3.有特定名称的稠杂环母环的编号，大都按照稠芳环规则编号，但个别的另有编号顺序（如嘌呤）。,喹啉异喹啉,4536127,茚,吲哚,嘌呤,8-羟基,-3-羧酸,6-溴,6-氨基,9,DC.sjtu,第二节五元杂环化合物,一、呋喃、噻吩、吡咯,呋喃噻吩吡咯,1.结构,所有成环原子都以sp2杂化轨道重叠形成键；碳原子未参加杂化的p轨道有1个电子，杂原子则有2个p电子，p轨道互相平行重叠形成6电子环状共轭大键。与苯环的6原子共6电子比，呋喃、噻吩、吡咯为5原子共用6个电子，故环上电子密度比苯环大，属于“富芳杂环”。,10,DC.sjtu,sp2,S,环状离域的大键,5个原子共用6个电子,为富电子体系。,11,DC.sjtu,吡咯环N的1个sp2杂化轨道上有1个电子与H的1s电子配对形成NH键。,12,DC.sjtu,芳香性(环的稳定性)：苯噻吩吡咯呋喃,杂环中的电子云分布不象苯环那样均匀，环的稳定性因而不如苯。O的电负性(3.5)较大，故呋喃环电子共轭程度较弱，芳香性最小。S的电负性(2.5)在三者中为最小，且S为第三周期元素，原子半径较大，原子核对共轭电子的吸引力较小，故噻吩环电子共轭程度较大，芳香性在三者中是最大的。N的电负性(3.0)在O、S之间，故吡咯的芳香性介于呋喃与噻吩之间。,13,DC.sjtu,2.化学性质为富电子芳杂环，亲电取代比苯容易。吡咯的活泼度与苯胺或苯酚相当，噻吩是三者中活性最差的，然而噻吩的亲电取代反应活性仍比苯大得多。如在室温及乙酸溶液中，噻吩与Br2发生取代反应的速度为苯的109倍。,亲电取代活性：呋喃、吡咯噻吩苯,这些杂环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。,亲电取代反应主要在2-位发生；若2、5两个位置已有基团存在，则亲电取代在位发生。,-0.06-0.10+0.32,14,DC.sjtu,O,呋喃,(80%),产率变迁不定,(35%),2-硝基呋喃,(41%),呋喃-2-磺酸,(1)亲电取代,15,DC.sjtu,30%14%+13%加成产物,噻吩-2-磺酸,(78%),70%5%,S,噻吩,产物均为四卤吡咯,(90%),吡咯-2-磺酸,51%13%,吡咯,17,DC.sjtu,(2)加成:,O,呋喃,H2/Ni125,100atm,四氢呋喃,S,噻吩,H2/Pd-C,CH3OH,H2SO4,3atm,四氢噻吩,吡咯,H2/Ni高温高压,四氢吡咯,18,DC.sjtu,(3)吡咯的弱碱性和弱酸性,吡咯N上孤对电子因环的共轭，故碱性极弱，比苯胺(kb=3.610-10)还弱得多。另一方面，吡咯N上的H却有微弱的酸性(ka=10-15),比醇强，而比酚弱。,Kb:210-43.610-102.510-14,Ka:1.310-1010-1510-18,19,DC.sjtu,吡咯能与固体KOH加热生成盐：,Question1：吡咯加氢变成四氢吡咯后，碱性为什么大大加强？,Kb：2.510-14210-4,二、咪唑、吡唑,咪唑吡唑,处于N的sp2杂化轨道上的孤电子对可作为质子受体，能形成氢键，可增加化合物的碱性及水溶性。,21,DC.sjtu,杂环的互变异构现象,4位和5位等同,4-甲基咪唑等于5-甲基咪唑,22,DC.sjtu,重要的衍生物,安替匹林:R=H,氨基比林:R=N(CH3)2,安乃近:R=N(CH3)CH2SO3Na,吡唑酮,这些都是常见的解热镇痛药物,23,DC.sjtu,吡咯衍生物,卟吩,血红素,吡咯衍生物在自然界中分布很广，植物中的叶绿素和动物中的血红素都是吡咯衍生物。它们具有重要的生理活性。,血红素的基本骨架成为卟吩，它是有四个吡咯环通过位相连而成的大环。卟吩中的配位原子与Fe2+形成配合物，血红素与蛋白结合形成血红蛋白，存在人和动物的血红细胞中，它的功能是运输氧气。,24,DC.sjtu,第三节六元杂环化合物六元杂环化合物包括环中有1个杂原子的六元杂环(如吡啶等)；环中有多个杂原子的六元杂环(如嘧啶等)；以及稠杂环(如喹啉、嘌呤等)。,吡啶存在于煤焦油、骨焦油中，其衍生物广泛存在于自然界。工业上主要从煤焦油的轻油部分提取吡啶。吡啶是具有特殊臭味的无色液体，bp115.5，可与水、乙醇、乙醚等混溶。,一、吡啶(C5H5N),25,DC.sjtu,结构似苯，也是平面六边形分子(但不是正六边形)。分子中CC键长139pm(与苯的相等)，CN键长137pm，介于一般的CN单键(147pm)与C=N双键(128pm)之间。,1.吡啶的结构,PyridineBenzene,环中的N和C都以sp2杂化轨道相互以键相连。每个原子余下的p轨道相互平行重叠，形成环闭共轭体系，电子数为6，具有芳香性.,N原子的处于sp2杂化轨道上的一对未共用电子，与环共平面，未参与环的共轭体系.,p电子云向电负性较大的N原子转移，使N带部分负电荷，C带部分正电荷，p电子云出现的几率密度如下：,28,DC.sjtu,Kb：10-52.310-93.610-10,(1)碱性：吡啶环N原子的一对孤电子对处于sp2杂化轨道上，而一般脂肪胺N上的孤电子对处于sp3杂化轨道。前者s成分较大，受N的束缚力较强，与H+的结合力较弱。,2.吡啶的化学性质,比苯难得多。与硝基苯相似,吡啶不发生付-克反应。亲电取代主要发生在-位上。,3-溴吡啶(33%),(20%),吡啶-3-磺酸(71%),(2)亲电取代,30,DC.sjtu,吡啶环对氧化作用较苯环稳定，而对还原剂比苯活泼。,b-吡啶甲酸(烟酸),(3)氧化与还原,31,DC.sjtu,六氢吡啶(哌啶)(95%),32,DC.sjtu,二、嘧啶(pyrimidineC4H4N2)及其取代衍生物,嘧啶为无色结晶，mp22，bp123124，能与水混溶.,543612,环闭大p键,由于两个N的强吸电子作用，使嘧啶的碱性比吡啶弱得多，也比吡啶难于发生亲电取代反应，而亲核取代反应则比吡啶容易；嘧啶难以被氧化。,胞嘧啶,尿嘧啶,胸腺嘧啶,34,DC.sjtu,三、稠杂环,吲哚,喹啉,35,DC.sjtu,1、喹啉和异喹啉,喹啉（bp：2380C）,异喹啉（bp：2430C）,(1)亲电取代：在苯环（位）,（2）亲核取代：在吡啶环上,36,DC.sjtu,（3）氧化还原：,2、嘌呤,可看成是由一个嘧啶环和一个咪唑环共用2个碳原子稠合而成。易溶于酸，其水溶液呈中性，但却能与强酸或强碱生成盐。,嘌呤在水溶液中可发生酮式-烯醇式互变异构。在晶态时以7H-嘌呤存在。,9H-嘌呤,7H-嘌呤,38,DC.sjtu,嘌呤的取代衍生物:,6-氨基嘌呤(腺嘌呤),2-氨基-6-羟基嘌呤(鸟嘌呤),2,6-二羟基嘌呤(黄嘌呤),39,大自然并非都是绿色的,天然杀虫剂许多人认为，所有合成的东西都是可疑和“坏”的，而所有的天然的化学物质都是无害的。这是一个错误的观念！每人每天以蔬菜的形式消费1.5g天然杀虫剂超过他们摄入的合成杀虫剂残留的10000倍。那为什么我们没有被这些毒药消灭呢？我们所接触每一种含量都非常低；人类已经进化到面对这一化学炮弹的攻击足够保卫自己。我们的DNA有许多修复损伤的方法；我们闻出或尝出令人厌恶的物质的能力提供了预警信号。,任何东西不要过量，要保持膳食的多样性。,咖啡酸（致癌）,烯丙基异硫氰酸酯（致癌）,苧烯（致癌）,补骨脂素（致癌）,天然植物杀虫剂,植物性食品（g/g）,苹果、胡萝卜、芹菜、葡萄、生菜、土豆（50200）：,卷心菜（35500）；花菜（1266）；棕色芥菜（1600072000）；辣根（4500）,橙汁（31）；黑胡椒（8000）,荷兰芹，芹菜,鼠尾草、百里香和其他草药（1000）：,咖啡（焙烤咖啡豆）（18000）：,41,DC.sjtu,生物碱是生物体内一类具有一定生理活性的含氮有机化合物。多数属于仲胺、叔胺和季铵类，少数为伯胺，常含氮杂环结构，且多具有碱性。,由于生物碱主要存在于植物中，所以也常叫植物碱。一种植物中可以含有多种生物碱，同一科植物所含生物碱的结构往往是相似的。,一、生物碱的概念,第四节生物碱(Alkaloid),42,DC.sjtu,1：烟碱，尼古丁(nicotine),存在于烟叶中，有剧毒。少量对中枢神经有兴奋作用，大量则抑制中枢神经，出现恶心、呕吐,使心脏麻痹以至死亡。1978年美国报告，1支烟含烟碱0.052.5mg.,含吡啶环及四氢吡咯环,二、几种常见的生物碱,例2：可卡因(cocain),仲胺,例3：吗啡(morphine)、可待因(codein)和海洛因(heroin),R=R1=HmorphineR=CH3,R1=HcodeinR=R1=CO-CH3heroin,吗啡味苦，对中枢神经有麻痹作用，有极快的镇痛效力，但易成瘾。临床上一般使用吗啡的盐酸盐及其制剂。可待因与吗啡有相同的生理作用，临床一般使用其磷酸盐，主要作为镇咳剂。其镇痛作用较小，强度为吗啡的1/4，亦不象吗啡那样易成瘾。海洛因即二乙酰吗啡，不存在于自然界，其成瘾性为吗啡的35倍，它从不作为药用，是对人类危害最大的毒品之一。,叔胺,例4：苯丙胺类药物,麻黄素,为中药麻黄中的主要有效成分。具有类似肾上腺素作用。有兴奋交感神经、增高血压、扩张气管的作用，用于支气管哮喘症，疗效持久.,苯异丙胺(1-苯基-2-丙胺),N-甲基苯异丙胺(去氧麻黄素),于1887年首次人工合成的兴奋剂，其作用类似于麻黄素.,为无色透明晶体，俗称冰毒，对人体的损害甚于海洛因.,45,DC.sjtu,例5酰胺类,喜树碱，抗癌、治疗肠癌，胃癌、白血病。,秋水仙碱，抗肿瘤药，抗痛风药,46,DC.sjtu,2.生物碱的沉淀反应：生物碱可与生物碱试剂（如苦味酸、碘化汞钾等）发生沉淀反应。,1.一般性状：多为无色或白色固体，少数为液体，味苦。大都有旋光性，且多为左旋。游离生物碱一般难溶于水易溶于有机溶剂，亦能溶于稀酸生成盐，生物碱的盐类则易溶于水难溶于有机溶剂。,生物碱,生物碱盐,H+OH-,三、生物碱的一般性质,常用的生物碱沉淀试剂(反应通常在酸性介质中进行),名称试剂组成沉淀组成现象,3.生物碱的显色