有机化学课件-第二十章杂环化合物

2020/5/20,课件,1,第二十章杂环化合物（heterocycliccompounds）,2020/5/20,课件,2,主要内容,20.1杂环化合物的分类与命名20.2五元单杂环化合物20.3唑20.4吡啶20.5喹啉与异喹啉20.6嘧啶与嘌呤20.7杂环化合物的合成(自学)20.8生物碱,2020/5/20,课件,3,环状有机化合物中，成环原子除碳原子外还含有其他原子，这种环状化合物称为杂环化合物。,本章讨论的是那些环为平面型，环内电子数符合4n+2规则，具有一定芳香性的芳杂环化合物。,2020/5/20,课件,4,20.1杂环化合物的分类与命名,一、杂环化合物的分类,2020/5/20,课件,5,常见的杂环化合物,2020/5/20,课件,6,2020/5/20,课件,7,二、杂环化合物的命名,1、音译法：在同音汉字左边+口字。,2020/5/20,课件,8,2.杂环及环上取代基的编号,(1)母体杂环的编号：杂原子的编号为“1”。,杂原子邻位的碳原子也可依次用、编号。,(2)环上有不同杂原子时，按OSN次序编号。若环有不同取代基，其编号按次序规则和最低系列。,2020/5/20,课件,9,2020/5/20,课件,10,20.2五元单杂环化合物,一、呋喃、噻吩、吡咯杂环的物理性质和结构,1.物理性质A.呋喃：无色液体，存于松木焦油中,b.p.31.36oC.遇盐酸浸湿的松木片呈绿色。B.噻吩：无色有特殊气味的液体，存于煤焦油中,b.p.84.16oC.与吲哚醌在硫酸作用下显兰色。C.吡咯：无色液体，存于煤焦油和骨焦油中,b.p.130-131oC.遇盐酸浸湿的松木片呈红色.,2020/5/20,课件,11,2.结构呋喃、噻吩、吡咯结构上共同点:构成环的五个原子都为sp2杂化，成环五原子处在同一平面，杂原子上孤对电子参与共轭形成共轭体系，电子数符合休克尔规则(4n+2)，所以，它们都具芳香性。,2020/5/20,课件,12,二、呋喃、噻吩、吡咯杂环的化学性质,1亲电取代反应从结构上分析，五元杂环为56共轭体系，电荷密度比苯大，发生亲电取代反应的速度也比苯快得多。如以苯环上碳原子的电荷密度为标准（作为0），则五元杂环化合物的有效电荷分布为：,2020/5/20,课件,13,亲电取代反应活性：吡咯呋喃噻吩苯主要进入-位说明：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。,2020/5/20,课件,14,五元杂环化合物亲电取代反应发生在-位可用共振论解释：,由此可见，进攻2位所形成的共振杂化体比进攻3位所形成的共振杂化体稳定。,2020/5/20,课件,15,说明：噻吩环芳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，更易磺化。,(1)磺化：呋喃、吡咯不能用浓硫酸磺化，要用特殊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。,2020/5/20,课件,16,利用磺化反应可分离苯和噻吩：,2020/5/20,课件,17,(2)硝化,不能用混酸硝化，一般是用乙酰基硝酸(CH3COONO2)作硝化试剂，在低温下进行。,不用强酸，否则呋喃或噻吩开环聚合,2020/5/20,课件,18,（3）卤代由于反应太活泼，所以反应要控制，常在低温及非极性溶剂中反应。,2020/5/20,课件,19,(4)傅-克酰基化：,2020/5/20,课件,20,(5)吡咯的特殊反应,吡咯十分活泼，活性类似于苯胺、苯酚.,2020/5/20,课件,21,（6）、五元杂环化合物亲电取代反应的定位规律,以噻吩为例：,A.-位上有取代基,B.-位上有取代基,2020/5/20,课件,22,注意：吡咯和呋喃也遵循上述规律，但当-位上有m定位基(如:CHO、COOH)时，新引入基团进入的位置与反应试剂有关。,2020/5/20,课件,23,2.加成反应,2020/5/20,课件,24,D-A反应,2020/5/20,课件,25,3.吡咯的弱碱性和弱酸性,吡咯分子中氮原子孤对电子，由于其参与了环状56的共轭，为整个环状共轭体系所共享，使氮上电子云密度降低，孤对电子难以给出。所以，吡咯碱性很弱，甚至大大弱于苯胺碱性。,(1)弱碱性,2020/5/20,课件,26,(2)弱酸性pKa=16.5，比酚弱，比醇强，可与强碱（NaNH2，KNH2、RMgX）或金属作用。,2020/5/20,课件,27,2020/5/20,课件,28,2020/5/20,课件,29,三、呋喃、噻吩、吡咯杂环的合成,1.工业制备,2020/5/20,课件,30,2.合成,2020/5/20,课件,31,四.吡咯、呋喃和噻吩的重要衍生物,1.糠醛:无色液体，bp.162，空气中易变黑。是良好的溶剂。不含-H，性质类似于苯甲醛。由农副产品如甘蔗杂渣、花生壳、高粱杆、棉子壳等稀酸加热蒸煮制取。有-H的醛的一般性质。,（1）氧化还原反应,2020/5/20,课件,32,（2）歧化反应（3）羟醛缩合反应（4）安息香缩合反应,2020/5/20,课件,33,2.吲哚:白色结晶，mp.52.5。具有极臭的气味，纯粹的吲哚在极稀时有香味，可作香料。可发生亲电取代反应，活性位置在第3位。,2020/5/20,课件,34,含吲哚的生物碱广泛存在于植物中，如麦角碱、马钱子碱、利血平等,2020/5/20,课件,35,2020/5/20,课件,36,3.卟啉环系化合物卟啉环系是由四个吡咯和四个次甲基交替相联组成的共轭体系。卟啉环呈平面结构，环的中间空隙以共价键、配位键和不同的金属结合。,卟啉族化合物广泛分布于自然界。血红素，叶绿素都是含环的卟啉族化合物。血红素中环络合的是Fe，叶绿素环络合的是Mg。,2020/5/20,课件,37,20.3唑,一噻唑噻唑是含一个硫原子和一个氮原子的五元杂环，无色，有吡啶臭味液体，沸点117，与水互溶，有弱碱性，是稳定的化合物。一些重要的天然产物几合成药物含有噻唑结构，如青霉素、维生素B1等。,2020/5/20,课件,38,维生素B1（VB1）,青霉素,2020/5/20,课件,39,结构和性质1).弱碱性,吡咯系杂环中除咪唑是中等强度的碱外，其它为弱碱，因为：,二.咪唑和吡唑,2020/5/20,课件,40,咪唑分子间可形成氢键：,吡唑通过氢键可缔合成二聚体：,咪唑和吡唑具有较高的沸点,这是因为:,2020/5/20,课件,41,2).亲电取代反应吡咯系杂环亲电取代反应活性小于吡咯、呋喃和噻吩。,2020/5/20,课件,42,是一无色有恶臭液体，与水及许多有机溶剂，如乙醇、乙醚等混溶，是良好的溶剂。吡啶氮上有一对电子未参与共轭，易接受质子，具有碱性。碱性：脂肪胺吡啶芳香胺,20.4吡啶,一.结构和物理性质,2020/5/20,课件,43,二.化学性质,1.吡啶环上亲电取代反应与苯环比较吡啶环是缺电子芳香杂环，性质类似于硝基苯，不能进行傅氏烷基化和酰基化反应。,2020/5/20,课件,44,亲电取代位置在3-或5-位进行，为什么？,2020/5/20,课件,45,吡啶亲电取代反应发生在-位，除用电子理论解释外，还可以用中间体的稳定性加以说明：,2020/5/20,课件,46,显然，当吡啶环上连有供电子基团时，将有利于亲电取代反应的发生；反之，就更加难以进行亲电取代反应。,吡啶环也象硝基苯一样，不能发生FC烷基化和酰基化反应。,2020/5/20,课件,47,吡啶环的亲核取代反应主要发生在-位和-位，被取代的可以是氢原子，也可以是易于离去的基团。如：,2.吡啶环上亲核取代反应,2020/5/20,课件,48,除吡啶环2,4,6位上卤素容易被亲核试剂取代外，吡啶环2位的负氢离子也能被取代。,吡啶环2位负氢离子被强亲核性氨基负离子取代,同时放出氢气，称齐齐巴宾（Chichibabin）反应。,2020/5/20,课件,49,3.吡啶环上氮的碱性及亲核性,2020/5/20,课件,50,吡啶环上有供电子基时将使碱性增强。如：,pka5.175.795.686.02,2020/5/20,课件,51,吡啶既然是一个碱，遇酸形成稳定的盐。,如用非质子硝化试剂、磺化试剂，或卤素、卤代烷、酰氯与吡啶反应，也将形成相应的吡啶盐：,2020/5/20,课件,52,吡啶环2,4,6位烷基的-H具有一定酸性，其酸性与甲基酮的-H相同。,4.侧链-H的反应,2020/5/20,课件,53,吡啶成盐后，使吡啶环2,4,6位烷基-H酸性进增强，可以发生羟醛缩合和迈克尔反应：,2020/5/20,课件,54,a.氧化吡啶环电子云密度小，不容易被氧化。,5.吡啶的氧化和还原,2020/5/20,课件,55,2020/5/20,课件,56,b.还原电子云密度大的环容易被氧化，电子云密度小的环容易被还原。,2020/5/20,课件,57,20.5喹啉与异喹啉,喹啉、异喹啉的性质与吡啶相似，具有弱碱性。,1.Skraup合成：芳香族伯胺与甘油同硫酸和氧化剂（如：硝基苯、五氧化二砷、氧化铁等）一起加热，即可得喹啉及其衍生物。,一.喹啉及其衍生物的合成,2020/5/20,课件,58,反应过程：.甘油在浓硫酸（或磷酸）作用下脱水生成丙烯醛，也可直接用，-不饱和醛或酮,.苯胺与丙烯醛发生迈克加成,2020/5/20,课件,59,.质子化的醛对苯环进行亲电取代反应,.1,2-二氢喹啉氧化,2020/5/20,课件,60,2020/5/20,课件,61,2020/5/20,课件,62,2.Friedlander合成：,邻氨基苯甲醛或邻氨基芳酮与具有-H的羰基化合物反应生成喹啉衍生物.,2020/5/20,课件,63,二.异喹啉的合成,Bischler-Napieralski合成法,2020/5/20,课件,64,1.亲电取代反应亲电取代反应主要发生在碳环的5位和8位。,2.喹啉及异喹啉的反应,2020/5/20,课件,65,亲核取代反应主要发生在吡啶环上。喹啉环上2位和4位，异喹啉环上1位的氯原子容易被亲核试剂取代。,2.亲核取代反应,2020/5/20,课件,66,2020/5/20,课件,67,喹啉和异喹啉类似于吡啶，在喹啉2与4位侧链及异喹啉1位侧链上有活泼的-H，可进行缩合和亲核取代反应。,与吡啶类似，形成季铵盐后，侧链-H活性提高,3.侧链-H的反应,2020/5/20,课件,68,2020/5/20,课件,69,4.氧化及还原,2020/5/20,课件,70,20.6嘧啶、嘌呤,一.嘧啶,本身不存在于自然界，衍生物在自然界分布很广，脲嘧啶、胞嘧啶、胸腺嘧啶是遗传物质核酸的重要组成部分，维生素B1、合成药物磺胺嘧啶也含嘧啶环。,无色晶体，易溶于水，碱性比吡啶弱pKa=1.3,含嘧啶环碱性化合物常称为嘧啶碱,2020/5/20,课件,71,二、嘌呤,无色晶体，m.p216217，易溶于水，其水溶液呈中性，但能与酸或碱成盐。纯嘌呤环在自然界不存在，嘌呤衍生物广泛存在于动植物体内。,2020/5/20,课件,72,1尿酸存在于鸟类及爬虫类的排泄物中，含量很多，人尿中也含少量。2黄嘌呤存在于茶叶及动植物组织和人尿中。,2020/5/20,课件,73,3咖啡碱、茶碱和可可碱都是黄嘌呤甲基衍生物，存在于茶叶、咖啡和可可中，有兴奋中枢作用，其中咖啡碱作用最强。,4腺嘌呤和鸟嘌呤核蛋白中的两种重要碱基。,鸟嘌呤（G）,腺嘌呤（A）,2020/5/20,课件,74,20.8生物碱,生物碱：存在于生物体内的一类含氮碱性有机物，大多有较复杂环状结构，氮原子结合在环内；多呈碱性，可与酸成盐；多有显著而特殊的生物活性。,如:吗啡、延胡索乙素有镇痛作用；阿托品有解痉作用；小檗碱、苦参生物碱有抗菌消炎作用；利血平有降血压作用；麻黄碱有止咳平喘作用；奎宁有抗疟作用；喜树碱、秋水仙碱、长春新碱、三尖杉碱、紫杉醇等有不同程度的抗癌作用等。,生物碱的生物合成途径中，氨基酸是其初始物。主要有鸟氨酸、赖氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸、邻氨基苯甲酸、组氨酸等。,2020/5/20,课件,75,以下试剂可用于试管定性反应和作为平面色谱显色剂。碘化铋钾（D