杂环化合物PPT演示课件

(Heterocycliccompounds),杂环化合物是指成环的原子中含有除碳以外的原子(杂原子常见的是N、O、S等)的环状化合物。,1,杂环化合物不包括极易开环的含杂原子的环状化合物，例如：,本章只讨论芳杂环化合物。,2,14.1杂环化合物的分类和命名,一.分类:,3,含一个杂原子,含二个杂原子,呋喃噻吩吡咯Furanthiophenepyrrole,吡唑咪唑噻唑Pyrazoleimidazolethiazole,单杂环,4,五元杂环与苯环稠合,苯并呋喃benzofunan,吲哚indole,苯并噻唑benzothiophene,稠杂环,5,编号：1.杂环上有取代基时，从杂原子算起依次用1，2，3，4，5编号。（也可从杂原子相邻的碳原子开始依次编号为，）,2.如果杂环上不止一个杂原子时，则按O、S、N顺序编号。编号时杂原子的位次数字之和应最小.,2-呋喃甲醛3-硝基噻吩4-甲基吡啶,噁唑噻唑咪唑,二.命名：音译法（带“口”旁的同音汉字）,6,14.2五元杂环化合物,一、吡咯、呋喃和噻吩的结构,呋喃吡咯噻吩,杂原子（O、S、N）杂化态均为sp2杂化,7,呋喃、噻吩和吡咯的原子轨道示意图：,杂原子为sp2杂化,返回,8,呋喃、噻吩的结构,下页,退出,上页,返回,动画,9,呋喃、噻吩、吡咯在结构上具有共同点，即构成环的五个原子都为sp2杂化，故成环的五个原子处在同一平面，杂原子上的孤对电子参与共轭形成共轭体系，其电子数符合休克尔规则（电子数=4n+2），所以，它们都具有芳香性。,10,键长,因此芳香性：苯噻吩吡咯呋喃,C2C3具有双键的性质,但比烯烃中的双键长,C3C4较长,说明环内碳碳键长并未完全平均化.,苯、噻吩、吡咯、呋喃的共振能分别为:150、125.5、90.4、71.1KJ/mol,11,呋喃为无色液体。颜色反应：遇盐酸润湿的松木片呈绿色。,噻吩为无色有特殊气味的液体。颜色反应：与吲哚醌在硫酸的作用下呈兰色。,二、吡咯、呋喃和噻吩的性质,吡咯为无色液体，颜色反应：其蒸汽遇到盐酸润湿的松木片呈红色。,12,(Z=O,NH,S),其电子云密度比苯大，故比苯容易亲电取代,-取代：,-取代,化学性质,1.亲电取代反应（以取代为主）,13,*亲电取代反应的活性顺序：吡咯呋喃噻吩苯,吡咯、呋喃、噻吩的亲电取代反应，对试剂及反应条件必须有所选择和控制。,.卤代反应不需要催化剂，要在较低温度下进行,14,.硝化反应不能用混酸硝化，一般是用乙酰基硝酸酯(CH3COONO2)作硝化试剂，在低温下进行。,.磺化反应呋喃、吡咯不能用浓硫酸磺化，要用特殊的磺化试剂吡啶三氧化硫的络合物，噻吩可直接用浓硫酸磺化,15,付克烷基化反应:常得到多烷基化产物，用处不大。,付克酰基化:,16,2.加成反应（催化加氢、狄阿反应）,小结：a.活性顺序：吡咯呋喃噻吩苯b.亲电取代通常主要发生在2位（-位）,H2,Pd,THF,17,呋喃易起D-A反应,噻吩在加压下能发生D-A反应吡咯在一般条件下不起D-A反应。,H2,MoS2,H2Ni,18,吡咯是仲胺，但碱性很弱。,吡咯具有弱酸性，其酸性介与乙醇和苯酚之间。,3.吡咯的弱酸性和弱碱性,19,故吡咯能与固体氢氧化钾加热成为钾盐，与格式试剂作用放出RH而生成吡咯卤化镁。,20,吡咯钾盐和吡咯卤化镁都可用来合成吡咯衍生物。,21,1制备由农副产品如甘蔗残渣、花生壳、高粱杆、棉子壳用稀酸加热蒸煮制取。,三、重要的五元杂环衍生物,（一）糠醛（-呋喃甲醛）,b.p.162,22,Cannizaro歧化反应,氧化反应,还原反应,2糠醛的性质表现为无-H的醛和不饱和呋喃杂环的双重性质。,羟醛缩合反应,23,3糠醛的用途糠醛是良好的溶剂，常用作精练石油的溶剂，以溶解含硫物质及环烷烃等。可用于精制松香，脱出色素，溶解硝酸纤维素等。糠醛广泛用于油漆及树脂工业。（二）吡咯的重要衍生物,由四个吡咯环和四个次甲基(CH=)交替相连组成的大环叫卟啉环(又称为卟吩)，卟啉的化合物广泛存在于自然界中。,卟啉环,24,血红素,血红素和血球蛋白结合而成血红蛋白，血红蛋白是高等动物血液输送氧及二氧化碳的主要物质。1853年首次拿到结晶，1929年由H.Fischer等人人工合成。,25,叶绿素是植物进行光合作用时所必需的催化剂，存在于绿色细胞叶绿体中，和蛋白质结合成为一个复合体。自然界的叶绿素由叶绿素a和叶绿素b组合而成。,26,返回,青霉素FR=CH2CH=CHCH2CH3青霉素GR=CH2C6H5青霉素XR=CH2C6H5OH(对)青霉素KR=CH2(CH2)5CH3青霉素VR=CH2OH2C6H5(人工合成),青霉素内含有四氢噻唑与-内酰胺环系，是最常用的抗生素之一，毒性小，药效远胜过磺胺药。工业生产的青霉素是青霉素G，青霉素G只能注射，不能口服。,27,帕尔克诺尔(Paal-Knorr)法:1,4-二羰基化合物在H2SO4,P2O5,ZnCl2或强酸性离子交换树脂的催化下缩合生成呋喃环,与P2S5共热生成噻吩环.,四.五元杂环的制法:,28,吲哚是白色结晶，熔点52.5。极稀溶液有香味，可用作香料，浓的吲哚溶液有粪臭味。素馨花、柑桔花中含有吲哚。,14.3吲哚,29,30,化学性质,氮原子上H的弱酸性：可被金属取代(如RMgX)亲电取代反应在3-位进行，若3-位被占，则进入2-位.,31,14.4六元杂环化合物,六元杂环化合物中最重要的有吡啶、嘧啶和吡喃等。,吡啶是重要的有机碱试剂，嘧啶是组成核糖核酸的重要生物碱母体。,32,sp2杂化,未共用电子对占据sp2杂化轨道，与环共平面，不能参与环系的共轭,p轨道与环平面垂直，相互重叠形成六个原子在内的闭合共轭体系,一.吡啶的结构,返回,氮原子以不等性sp2杂化轨道成键。,33,吡啶的结构,34,吡啶和吡咯的结构比较,孤对电子在sp2杂化轨道上,孤对电子在p轨道上,返回,35,二、物理性质,与水，乙醇，乙醚混溶，还能溶解大部分有机物和无机盐，是很好的溶剂。,2.无色有特殊气味的液体,b.p115。,36,三、化学性质,1.弱碱性与亲核性,由于孤对电子在sp2杂化轨道中，孤对电子的s成分高，不易给出电子，接受质子的能力弱，为弱碱。,吡啶的碱性小于氨大于苯胺。,37,PyridiniumChlorochromate,(PCC,氧化剂),38,由于N上的孤对电子未参与共轭,吡啶可作为亲核试剂与烷基化试剂和酰基化试剂作用.,碘化N-甲基吡啶,N-酰基吡啶盐(良好的酰基化试剂),39,2.吡啶环上的亲电取代,吡咯、呋喃、噻吩为富电子芳杂环，比苯容易亲电取代，吡啶（N吸电子能力较强），为缺电子芳杂环，比苯难亲电取代，和硝基苯相似,只有在极强的条件下才能发生硝化、磺化及卤化反应,但不发生F-C烷基化、酰化反应,亲电取代反应主要在3-位（-位）发生.,40,氧化吡啶的亲电取代比吡啶容易进行，取代基进入4-位，产物可用PCl3脱氧得到4-取代基吡啶。,吡啶环上有烷氧基，氨基等供电子基时，有助于亲电取代反应的进行，但反应活性仍低于相应的苯系化合物。,41,3.氧化还原反应,吡啶环上的烷基取代基容易氧化成羧基。,吡啶为叔胺，易被过氧化物（如过氧酸或过氧化氢的醋酸溶液）氧化成氧化物,3-吡啶甲酸(烟酸),42,吡啶对还原剂比苯环活泼,异烟酰肼是一个很好的治疗结核病的药物，商品名为“雷米封”,43,四.吡啶环的制备-Hantsch合成法:用-酮酸酯,甲醛和氨先生成1,4-二氢吡啶衍生物,再氧化成吡啶环.,Chichibabin反应,4.亲核取代：主要形成2位(-位)取代产物。,44,:,45,14.5喹啉、异喹啉,喹啉(quinoline),异喹啉(isoquinoline),喹啉与异喹啉都是苯并吡啶，它们存在于煤焦油中，一些天然的生物碱中含有它们的结构。喹啉从氮原子开始编号。,8-羟基喹啉5-喹啉磺酸4-溴异喹啉,46,一、化学性质,弱碱性:喹啉和异喹啉都为弱碱,异喹啉的碱性强于喹啉,其PKa分别为4.94和5.40,能与酸作用成盐.,47,亲电试剂进入5,8位,亲核试剂进入2位,HNO3,H2SO4,2200C,48,3氧化还原反应喹啉经强氧化时，苯环氧化开环；还原时，通常吡啶环容易被还原。,H2,Pd,49,二.喹啉环的合成法斯克劳普（Skraup）法：用苯胺与甘油、浓硫酸及一种氧化剂如硝基苯共热而生成。,反应过程：,50,Bischer-Napieralski异喹啉合成法：将-苯乙胺酰基化后与POCl3,P2O5or其它Lewis酸共热成环后再用Pd脱氢。,51,三.喹啉的衍生物:喹啉的衍生物在自然界存在很多，如罂粟碱、奎宁、吗啡等。,鸦片罂粟,吗啡(Morphine),海洛因是吗啡的二乙酰基衍生物，(即两个乙酰基分别取代吗啡分子中两个羟基的氢原子),52,53,奎宁(Quinine)继吗啡后研究最早的生物碱之一。1810西班牙医生Gomes将KOH放于金鸡纳树皮的酒精溶液中，分离到结晶性物质，奎宁又称金鸡纳碱。1944年由Woodward完成其合成。熔点172.8C，白色粉末，味极苦。易溶于乙醇、氯仿，溶于苯、乙醚，微溶于水。用于治疗和预防各种疟疾。,返回,金鸡纳碱,54,喜树碱喜树为珙桐科植物，是我国特有的植物，喜树碱是从喜树中提取的一种生物碱，具有显著的抗癌活性。,喜树,喜树碱,55,小檗碱小檗碱是黄连的主要组成部分，存在于黄连、黄柏等小檗科植物中。分子中含有异喹啉环。它是黄色结晶，味很苦，易溶于热水和热乙醇中，但不溶于乙醚。有清热解毒很强的抗菌作用，常用于治疗菌痢、胃肠炎等疾病。,黄连,小檗碱,56,长春新碱为夹竹桃科植物长春花中提取的有效成分，是一种良好的抗癌药物。,CHO,长春花,长春新碱(醛基长春碱，Vincristine),57,可卡因是从古柯树叶提取的一种生物碱，又叫古柯碱，属莨菪烷型，1860年德国化学家尼曼(AlertNiemann)从古柯叶中分离出来。属于中枢神经兴奋剂，其盐类呈白色晶体状，无气味，味略苦而麻，易溶于水和酒精，兴奋作用强，也是一种局部麻醉剂。,古柯叶,58,麻黄碱是一种从中草药麻黄中提取的生物碱。是一种很有代表性的兴奋剂，国际奥委会和国际足联明令禁止使用。也是冰毒最主要的原料。通常服用了麻黄碱后可以刺激脑神经、加快心脏跳速和扩张支气管，对于运动员的效果是明显增加运动员的兴奋程度。,草麻黄,麻黄碱,59,烟碱又称尼古丁，存在于烟叶中。分子中含有吡啶环。微黄色液体，沸点246溶于水。有毒，40mg能使人致死。少量有兴奋中枢神经、升高血压的作用；大量则能抑制中枢神经系统，使心脏麻痹致死，危害健康。烟碱可用作杀虫剂，杀蚜虫、蓟马、木虱等害虫。,60,作业,一.将下列化合物命名：,一,1,2,3,4,5,6,61,二.写出下列反应的主要产物：,1,2,3,62,4,5,63,3.合成下列化合物,4.杂环化合物C5H4O2经氧化后生成羧酸C5H4O3,把此羧酸的钠盐与碱石灰作用转化为C4H4O，后者与钠不起反应，也不具有醛酮的性质，推导C