第十七章--杂环化合物.ppt

第十七章杂环化合物,17-5生物碱简介,17-1杂环化合物的分类和命名,17-2五元杂环化合物,17-3六元杂环化合物,17-4稠杂环化合物,第十七章杂环化合物,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。,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。,杂环化合物是一大类有机化合物，在理论和实际中都有十分重要的意义。,一、分类,二、命名,17-1杂环化合物的分类和命名,分类,单杂环,稠杂环,五元杂环,六元杂环,利用国际通用名称译音，加口旁以表示是杂环化合物。,1.音译法,这种方法的优点是比较简单，缺点是遇到字音相近的字比较难译，并且译出的名字与结构没有联系。,这种命名方法的缺点是名称太长，使用不便。目前一般都采用音译名称来命名。,氮萘,2.根据相应碳环母核命名,把杂环当作是相应的碳环中碳原子被杂原子置换而形成的，命名时在碳环母体名称前加“某杂”（杂原子的名称）两字，以表示其中的杂原子。,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、噻吩、吡咯。它们是最重要的含一个杂原子的五元环化合物。它们的重要性不在于它们的单体而是它们的衍生物。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。,17-2五元杂环化合物,一、呋喃、噻吩、吡咯的结构与芳香性,物理方法证明：呋喃、噻吩、吡咯都是平面结构，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。,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,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：杂环苯环稳定性：杂环苯环芳香性：杂环苯环反应活性：杂环苯环,呋喃、噻吩、吡咯分别存在于木焦油、煤焦油和骨焦油中，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,呋喃和氨在高温下反应制得吡咯,三、化学性质,1.亲电取代反应,亲电试剂进攻发生在-位和-位，而-位更容易些。,呋喃、噻吩、吡咯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。,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。,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。因此它们硝化反应必须在温和条件下，采用弱硝化剂乙酰硝酸酯。,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。,磺化反应,吡咯、呋喃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。,从煤焦油中提取的苯（b.p.80）含有少量（0.5%）噻吩（b.p.84）很难用分馏的方法将它们分开，由于噻吩比苯活泼，故可在常温下用浓硫酸一起振摇，噻吩比苯容易磺化，生成的噻吩-2-磺酸溶于硫酸中，然后分离除去。,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。,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。,呋喃、噻吩、吡咯进行烷基化反应很难得到一烷基取代物，往往生成混合的多烷基取代物，甚至不可避免地产生树脂状物质，因此用途不大。,2.加成反应,呋喃、噻吩、吡咯分子中都有一个顺丁二烯型结构，因此它们又具有不饱和性质，用共振能值来衡量。它们的稳定性和不饱和性有如下顺序：,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。,呋喃由于芳香性最小，环的稳定性也较低，能发生双烯合成。,吡咯也可以与苯炔、丁炔二酸发生类似的反应,噻吩的芳香性较大，环比较稳定，难发生双烯合成,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。,四、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。,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。,17-3六元杂环化合物,六元杂环化合物中最重要的有吡啶和嘧啶：,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。,=2.20D=1.17D,氮上未成键电子对未参与共轭，因此具有碱性。,核磁共振数据也可以证明吡啶的芳香性,这是由于杂环上氮原子作用不同，吡啶环上的N是吸电子作用。（电负性NC）吡啶具有碱性，在发生亲电取代反应时比苯难。（相当于环上有一个吸电子基）,吡咯环上的N把电子转移给环吡咯具有酸性，亲电取代反应时比苯容易（相当于环上有一个供电子基）,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,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。,17-4稠杂环化合物,吲哚主要衍生物：,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,含有取代基的喹啉可用苯胺与、-不饱和醛酮合成,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216217，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。,一结构,9H-嘌呤,7H-嘌呤,嘌呤是一对互变异构体的平衡体系,尿嘧啶(U),胞嘧啶(C),胸腺嘧啶(T),二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),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。,17-5生物碱简介,1.生物碱的一般性质,（生物碱的）沉淀反应,能与生物碱生成沉淀的试剂有：碘化汞钾（K2HgI4)、苦味酸、丹宁酸等。,（生物碱的）颜色反应,能与生物碱产生颜色反应的有：浓硫酸、硝酸、甲醛和氨水等,2.几种重要的生物碱,烟碱（尼古丁）,从烟草中提取，有剧毒，少量有兴奋中枢神经，能增高血压，大量则抑制中枢神经系统，使心脏麻痹以致死亡。,麻黄素,麻黄素亦称麻黄碱，有兴奋交感神经、收缩血管、抗张支气管的作用，用于治疗支气管哮喘症。,颠茄碱,颠茄碱又叫阿托平，存在于茄科植物如颠茄、曼陀罗、天仙子等。在医药上用作抗胆碱药，能抑制汗腺、唾液、泪腺、胃液等分泌，并能扩散瞳孔，用于治疗胃痛与肠绞痛，也可用作有机磷与锑剂中毒的解毒剂。,吗啡对中枢神经有麻醉作