青海大学 有机化学 11.3杂环化合物a

1、第十一章第十一章 杂环化合物杂环化合物 具有一定芳香性的、成环原子除碳原子以外，还有其它原子的环状化合物。常见的杂原子有O、S、N，也可出现B、P、Si。 二元酸酐、内酰胺、内酯虽具有环状结构和成环的杂原子，但它们在水中易水解开环。因此, 不属于杂环化合物。OOOCH2 -CCH2 -C丁二酸酐OOCH2 -CCH2 -C-丁内酯NHOCH2 -CCH2 -C-丁酰胺 天然化合物中有很大部分含有杂环结构，叶绿素、血红素、DNA、RNA、部分维生素、中草药中的有效成分(生物碱)、抗生素、植物色素等。第一节第一节 杂环化合物的分类和命名杂环化合物的分类和命名一、一、 杂环化合物的分类杂环化合物的分

2、类 由于组成杂环化合物的杂原子的种类、数目不由于组成杂环化合物的杂原子的种类、数目不同，环的大小及稠合的形式不同。因此其种类同，环的大小及稠合的形式不同。因此其种类繁多数目可观，约占全部有机物的繁多数目可观，约占全部有机物的1/3,一般以环一般以环骨架为基础。骨架为基础。1.杂环化合物分为五元杂环化合物和六元杂环化杂环化合物分为五元杂环化合物和六元杂环化合物。合物。2.杂环化合物分为单杂原子杂环化合物和多杂原杂环化合物分为单杂原子杂环化合物和多杂原子杂环化合物。子杂环化合物。3.杂环化合物分为单杂环化合物和稠杂环化合物。杂环化合物分为单杂环化合物和稠杂环化合物。二、二、 杂环化合物的命名 一般

3、有一般有“译音名译音名”和环母体加杂原子两种方式。和环母体加杂原子两种方式。 碳环母体如下：碳环母体如下：环戊二烯环戊二烯茂茂苯苯茚茚Indene1,4-环己二烯环己二烯芑芑萘萘芴芴Fluorene 杂环的编号以杂原字为最小号，存在两个以上杂原子的以O、S、NH、N顺序进行。即不含双键的取1号位次。O呋喃呋喃furanS噻吩噻吩thiopheneHN吡咯吡咯pyrrole氧(杂)茂氮(杂)茂硫(杂)茂异噁唑异噁唑isoxazoleON异噻唑异噻唑isothiazoleSNON噁唑噁唑oxazoleSN噻唑噻唑thiazoleNHN吡唑吡唑pyrazoleHNN咪唑咪唑imidazole1,3-

4、氧氮(杂)茂1,3-二氮(杂)茂1,3-硫氮(杂)茂1,2-硫氮(杂)茂1,2-二氮(杂)茂1,2-氧氮(杂)茂茚茚IndeneO苯并呋喃苯并呋喃benzofuran氧茚氧茚嘌呤嘌呤 purine1,3,7,9-四氮茚四氮茚NHNNN431256789吲哚吲哚indole氮茚氮茚4312567NHH3CSN5-甲基噻唑甲基噻唑5-methylthiazoleHNNH3C4-甲基咪唑甲基咪唑4-methylimidazoleOCHO2-呋喃甲醛呋喃甲醛-呋喃甲醛呋喃甲醛糠醛糠醛NHCH2COOH3-吲哚乙酸吲哚乙酸-吲哚乙酸吲哚乙酸NHNNNNH2腺嘌呤腺嘌呤ANHNNNNH2OH鸟嘌呤鸟嘌呤G

5、NNNNOOCH3CH3CH3咖啡因咖啡因1,3,7-三甲基三甲基-2,6-二氧嘌呤二氧嘌呤O吡喃吡喃pyran氧芑氧芑N吡啶吡啶pyridine氮苯氮苯NN哒嗪哒嗪 pyridazine1,2-二氮苯二氮苯NN嘧啶嘧啶pyrimidine1,3-二氮苯二氮苯NN吡嗪吡嗪pyrazine1,4-二氮苯二氮苯84312567N喹啉喹啉quinoline氮萘氮萘984312567N10吖啶吖啶acridine氮蒽氮蒽84312567N异喹啉异喹啉isoquinoline2-氮萘氮萘NNNN喋啶喋啶pteridine1,3,5,8-四氮萘四氮萘1431256NCOOH3-吡啶甲酸吡啶甲酸-吡啶甲酸吡

6、啶甲酸431256NCH34-甲基吡啶甲基吡啶-甲基吡啶甲基吡啶43125NNHCH3O3-甲基甲基-1-苯基苯基-5-吡唑酮吡唑酮NNONH2H胞嘧啶胞嘧啶CNNOOHH尿嘧啶尿嘧啶UNNOOHHCH3胸腺嘧啶胸腺嘧啶T 此外，还有一类带有杂原子的饱和环状化合物,例：NHON-HOOSOOOH-NN-HN-HOS氮丙啶;吖丙啶氮杂环丙烷环氧乙烷氧化乙烯吖丁啶氮杂环丁烷1,3-环氧丙烷氧杂环丁烷噁噻烷四氢呋喃二噁烷四氢噻吩哌嗪吗啉1.富电子体系富电子体系NH 典型的物质：呋喃、噻吩、吡咯。环原子为sp2杂化，平面结构 杂原子提供一对p电子，参与大键的组成。 符合4n+2的休克尔规则。因此，具有

7、芳香性。环的电子密度大于苯环。尤其在杂原子的邻位。56三、杂环化合物的结构三、杂环化合物的结构 此外，根据环上各键的键长并不相等，说明杂环中的电子密度没有完全平均化芳香性弱于苯环。苯吡咯呋喃噻吩。其电子密度的变化情况类似于苯胺。2.缺电子体系缺电子体系 吡啶是典型的六元杂环化合物，环原子以sp2方式杂化。并且，每个原子的未参加杂化p轨道上均只有一个单电子，组成 大键符合4n+2休克尔规则，六元杂环化合物同样具有芳香性电子密度变化情况如左图66NH- - 1.101. 050.640.84N-+0.871.02N芳香性芳香性 具有闭合环结构，具有环多烯结构，具有闭合环结构，具有环多烯结构，具有共

8、平面或近似平面结构，具有共平面或近似平面结构，电子电子数符合数符合4n+2规则。规则。 符合休克尔规则，因此具有芳香性。符合休克尔规则，因此具有芳香性。 易发生亲电取代反应。富电子体系易发生亲电取代反应。富电子体系亲电取代反应发生在亲电取代反应发生在 -位为主；缺电位为主；缺电子体系亲电取代反应发生在子体系亲电取代反应发生在 -位为主。位为主。芳香性强弱亲电反应强弱亲电反应强弱(反应活性反应活性)环稳定性大小环稳定性大小NHSONHSO相互转化相互转化 佑尔业夫佑尔业夫(Yupev)：利用：利用Al2O3为催化为催化剂，实现剂，实现噻吩、吡咯、呋喃环噻吩、吡咯、呋喃环之间的转之间的转化。化。N

9、HSOH2SH2SH2OH2ONH3NH3第二节第二节 杂环化合物的性质杂环化合物的性质一、五元杂环化合物的性质一、五元杂环化合物的性质（一）亲电取代反应（一）亲电取代反应 1. 硝化反应硝化反应S+CH3CONO2OAcOH Ac2O 0 OCSNO2NH+CH3CONO2OAcOH Ac2O -10 OCNO2NHO+CH3CONO2OAcOH Ac2O-5-30 OCNNO2O硝乙酐硝乙酐OSO3HONSO3 72hNHNHSO3HNSO3S100OCNSO3SSO3H2. 磺化反应磺化反应3. 卤代反应卤代反应OCl2 -40 OC+ClOClOClOBr2 0OCBrOOOSSBr

10、Br2 CH3COOHSSII2 0OCHg2O4. 傅克反应：主要是酰基化反应，烷基化反应傅克反应：主要是酰基化反应，烷基化反应得到混合物。得到混合物。NHNHClCl2 0OCC2H5OC2H5NHBr2 0OCC2H5OHNHBrBrBrBrCOCH3OOAc2OBF3NHNHCOCH3Ac2O150200OCNHNKOHKC6H5COCl 110OCNC6H5CO（二二）加成反应）加成反应 1. 亲双烯加成反应亲双烯加成反应+OOOOOOOONH+NH+OO 一般认为：呋喃较易发生亲双烯加成反应，一般认为：呋喃较易发生亲双烯加成反应，吡咯也能和活性较大的亲双烯体发生反应，噻吡咯也能和活

11、性较大的亲双烯体发生反应，噻吩不易发生反应。吩不易发生反应。2. 催化加氢反应：呋喃、吡咯较易发生反应，催化加氢反应：呋喃、吡咯较易发生反应，噻吩能催化剂中毒，在特殊催化下发生反应。噻吩能催化剂中毒，在特殊催化下发生反应。NHSONHSOH2Pd H2MoS2H2Pd（三）五元杂环化合物的鉴别（三）五元杂环化合物的鉴别NHSO蒸气遇到盐酸浸渍过的松木片蒸气遇到盐酸浸渍过的松木片显显绿色绿色。蒸气遇到盐酸浸渍过的松木片蒸气遇到盐酸浸渍过的松木片显显红色红色。浓硫酸存在下，与靛红一起加浓硫酸存在下，与靛红一起加热，显示热，显示蓝色蓝色。糠醛（呋喃甲醛） 无色液体，Tb=161.7，易被空气氧化，在

12、水中的溶解度9%。可通过戊糖脱水制得。HO-CH-CH-OHH-CH C-HOHHOCHO稀H2SO4呋喃甲醛呋喃甲醛OCHO康尼查罗反应康尼查罗反应（四）五元杂环化合物的重要衍生物鉴别：鉴别：1.托伦斯试剂：生成银镜。托伦斯试剂：生成银镜。2.斐林试剂：生成斐林试剂：生成红色红色沉淀。沉淀。3.醋酸存在下加入苯胺，显醋酸存在下加入苯胺，显红色红色。CHOO+ 2O2V2O5,-MoO3520CH-CCH-COOO+ CO2 + H2OOCHONaOH2OCOONaOCH2OH+浓浓NHNNNH卟吩环卟啉化合物在自然界分布极为广泛：叶绿素、血红素、维生素B12细胞色素等都含有基本结构卟吩环。具

13、有重要的生理作用。卟啉化合物血红素血红素NNNNFe+OHCH2CH2COOH CH2CH2COOHX=CH3;叶绿素a =CHO;叶绿素bNNNNFe+OHCH2CH2COOH CH2CH2COOHMgHHCH3CH2CH2COORXOCOOCH3R= -C20H39= -CH2CH=C-(CH2)3-CH-(CH2)3-CH-(CH2)3-CH(CH3)2CH3CH3CH3SNRCONHOCH3COOHCH3青霉素青霉素青霉素青霉素F： R=CH2CH=CHCH2CH3青霉素青霉素G： R=CH2C6H5青霉素青霉素X： R=CH2C6H4OH-p青霉素青霉素F： R=CH2(CH2)5C

14、H3青霉素青霉素V： R=CH2OC6H5SNHOOCCHCH2CH2CH2CONHOCH3COOHCH3NH2头孢霉素头孢霉素可口服青霉素的可口服青霉素的R为：为：CHClClOCH3二、六元杂环化合物的性质二、六元杂环化合物的性质（一）吡啶环系的化学性（一）吡啶环系的化学性质质1.吡啶环系的碱性吡啶环系的碱性 pKb = 8.1(强于苯胺强于苯胺)NCN+ HClNCNHCl+N+SO3NSO3+2.吡啶环系吡啶环系氮上氮上发生的反应发生的反应NCH3+ NO2BF4NCH3NO2BF4+Et2ON+Br2NBrBr+CCl4N+ CH3INCH3I+CCl43.吡啶环系的亲电取代反应吡啶

15、环系的亲电取代反应N+ C6H5COClNCOC6H5Cl+CCl4-20 OCN+ HNO3NH2SO4300 OC 24hNO2N+ H2SO4NHgSO422 OC SO3HNH2N+Br2HAc300 OC NH2NBr4.吡啶环系的亲核取代反应吡啶环系的亲核取代反应N+NaNH2NNH2NClNOH+ KOHNClNCl+ NaNH2ClNH2+ NH3NCl165OC 18atm 16hNNH2CuSO45.吡啶环系的氧化和还原吡啶环系的氧化和还原+ CH3COOOHNNO+ H2NNH PtCH3COOH+ KMnO4CH3NCOOHNHO哌啶哌啶烟酸烟酸+ O2CH3NCOOH

16、NV2O5异烟酸异烟酸吡啶衍生物吡啶衍生物COOHNNNCH3HNO3尼古丁尼古丁COOHNCONHNH2NCONH2N雷米封：雷米封：治疗结核病治疗结核病NNNO2HNO3H2SO4 0OC浓浓NNSO3H220OCH2SO4 浓NNNH2NaNH2100 OC（二）喹啉和异喹啉的化学性质（二）喹啉和异喹啉的化学性质NKMnO4100 OCNCOOHCOOHH2-Pt-CH3COOH 40 OCNNHH2-Pt-H2O 0.2MPaor Sn + HClNNHHOHONNOHOHNN 具有弱碱性，嘧啶环本身不存在于自然界。但其衍生物广泛分布于动植物体内。是组成核酸的重要部分，嘧啶的羟基、氨基

17、衍生物在核酸内称为碱基。有三种形式：NN嘧啶嘧啶pyrimidine1,3-二氮苯二氮苯HNHHONNCH3CH3NH2OHNN胞嘧啶 (C)尿嘧啶 (U)水溶液呈中性，但可与碱或酸反应成盐。其羟基和氨基衍生物是组成核酸的碱基。嘌呤嘌呤 purine1,3,7,9-四氮茚四氮茚NHNNN431256789CH3OHOHNNHOHONNCH3胸腺嘧啶 (T)NHNNNNH2NHHNNNN腺嘌呤 (A)H2NHNNNOHNOHHNNNOHNH2NOHHNHNNNN鸟嘌呤 (G)HOHNNNOHN尿酸黄嘌呤第十一章杂环化合物习题第十一章杂环化合物习题1.用适当的方法将下列混合物的少量杂质除去。(1)

18、甲苯中混有少量的吡咯 加入适量的浓碱 ，吡咯荣誉无机相。(2)苯中混有少量的噻吩 加入浓硫酸，生成噻吩-2-磺酸溶于无机相3.完成下列反应：NHNaNa+N-(1)+ H2(2)SCH3COONO2NO2SS发烟H2SO4HgSO4,25SO3HS(3)-磺酸噻吩-硝基噻吩O2NNO2(4)N+ CH3INCH3I+CCl4N+ CH3INCH3I+CCl4+ CH3ICCl4(5)N+ CH3INCH3I+CCl4+ 浓HNO3 + 浓H2SO4300,24hN+ CH3INCH3I+CCl4NH(6)(CH3CO)2O150200NHC-CH3O-乙酰吡咯-硝基吡啶碘化-N-甲基吡啶(7)NHNO3NO2NRN+ CH3INCH3I+CCl4HNO3RN+ CH3INCH3I+CCl4(8)5.写出下列化合物的分子结构式：(1)-吲哚丁酸；(2)烟酸；(3)6-苄胺基嘌呤NHCH2COOH3-吲哚乙酸-吲哚乙酸+ KMnO4CH3NCOOHNHO烟酸-吡啶甲酸NHCH2NHNNN6-苄胺基嘌呤6.吡咯和呋喃为什么不能用混酸进行硝化？吡咯和呋喃是否比苯更具有芳香性？解：吡咯和呋喃对氧化剂极为敏感，易被氧化。因此，不可使用混酸。由此，可以得出结论，吡咯和