杂环化合物已修改

1【目的要求】

掌握杂环化合物的分类和命名以及医学关系密切的几种杂环化合物。【内容】1、杂环化合物的分类和命名（呋喃、吡咯、吡啶、吡喃、噻吩、嘧啶、嘌呤）；2、五元杂环化合物：呋喃、吡咯和噻吩的结构和性质（吡咯的酸碱性、吡啶、呋喃和噻吩的亲电取代反应、吡咯的衍生物；咪唑的结构和功能）；第1页/共64页第一页，共65页。2【内容】3、六元杂环化合物：吡啶的结构和性质（吡啶的水溶性、碱性、亲电取代反应、亲核取代反应、氧化还原反应）；吡啶的衍生物；嘧啶及其衍生物；4、稠杂环化合物（嘌呤及其衍生物）；5、磺胺类药物第2页/共64页第二页，共65页。3

杂原子：除C和H之外的其它元素的原子称为杂原子。常见的杂原子有O，S，N，P等。

杂环：环状化合物除C以外环上还含有其它杂原子，这样的环称为杂环。

前面学过的一些环状化合物如环醚、内酯、环状酸酐、内酰胺、交酯、交酰胺等化合物比较容易开环，性质与相应的非环脂肪族化合物相似，因此都并入脂肪族化合物中讨论，而不列为杂环化合物。

第3页/共64页第三页，共65页。4

杂环化合物种类繁多，数量庞大,在自然界分布极为广泛，大多数的生物碱为杂环化合物，植物中的叶绿素，动物中的血红蛋白等，中心结构都为杂环，作为生命基础物质的核酸基本组成单位—碱基也为杂环碱。在现代药物中，杂环化合物占了相当大的比重，现在已成为一门独立的学科—杂环有机化学。

第4页/共64页第四页，共65页。5

本章着重讨论的杂环化合物,其环系较稳定并具有一定程度的芳香性,把它们统称为芳(香)杂环化合物。其它不具有芳香性的杂环化合物,统称非芳香杂环化合物(或称杂脂环化合物)。※芳香性：平面环，4n+2个电子，难氧化而易取代。第5页/共64页第五页，共65页。6第一节分类和命名

ClassificationandNomenclature

一、分类（Classification）

1、按含杂原子数目分：含一个、两个或多个杂原子的杂环。

2、按环的结合形式分：单杂环、稠杂环。

3、按环的大小分：五元杂环、六元杂环。

第6页/共64页第六页，共65页。7此外，还可这样分类：第7页/共64页第七页，共65页。8二、命名（Nomenclature）1、杂环母核采用音译法，外文谐音汉字加“口”偏傍。基本母核见P237

表14-1五元杂环化合物：（俗名+IUPAC命名）第8页/共64页第八页，共65页。9六元杂环化合物：稠杂环：第9页/共64页第九页，共65页。102、杂环母核的编号规则:（1）含1个杂原子的杂环，从杂原子开始，用阿拉伯数字或从靠近杂原子的C开始用希腊字母(α、β、γ、δ等)

编号。第10页/共64页第十页，共65页。11

（2）如果有几个不同的杂原子，则按O，-S，-NH-，-N=的先后顺序编号，并使杂原子的编号尽可能小。第11页/共64页第十一页，共65页。12（3）稠杂环一般有固定的编号顺序，通常从靠近稠合原子的一端开始，绕环一周依次编号。公用的碳原子一般不编号，并使杂原子尽量取小的编号（如喹啉，异喹啉，等）。部分稠杂环按相应的环烃编号，此时杂原子编号最大。（例如：咔唑、吖啶等）。第12页/共64页第十二页，共65页。13嘌呤有固定的编号，且共用的碳原子参与编号。吖啶咔唑第13页/共64页第十三页，共65页。143、杂环已含有最多数目的非聚集双键之外，还含有的饱和氢原子，这类氢原子称作“指示氢”、“额外氢”或“标氢”。用其位号加大写斜体“H”作词首来表示标氢不同的异构体，例如：第14页/共64页第十四页，共65页。154、若杂环不含有最多数目的非聚集双键，这样的饱和H称为“外加氢”。命名时，需标明外加氢的位置和数目，全饱和的可省略位置，例：第15页/共64页第十五页，共65页。165、杂环含有活泼H时，可能存在互变异构体，命名时需标明两种可能的位号。第16页/共64页第十六页，共65页。176、环上有其它取代基时，在母核前面标明取代基的位置、数目及名称。若取代基较大较复杂，或者取代基为命名优先基团时，可将杂环母核作为取代基。第17页/共64页第十七页，共65页。182-（2-呋喃甲氨基）苯甲酸3-（4-吡啶基）戊烷第18页/共64页第十八页，共65页。192-氧-4氨基嘧啶（4-氨基嘧啶2-酮）胞嘧啶（C）2，4-二氧嘧啶（尿嘧啶，5-Fu）5-甲基-2，4-二氧嘧啶胸腺嘧啶（T）第19页/共64页第十九页，共65页。202-氨基-6氧嘌呤鸟嘌呤（G）6-氨基嘌呤腺嘌呤(A）

7、没有固定名称的稠杂环命名（自学）第20页/共64页第二十页，共65页。21第二节五元杂环化合物Pentheterocycles第21页/共64页第二十一页，共65页。22一、呋喃、噻吩、吡咯（Furan,Thiopheneandpyrrole）（一）结构

电子离域的结果使环上各C原子的电子云密度增大(6/5),这类杂环称“多π”芳杂环。它们的亲电取代比苯容易。第22页/共64页第二十二页，共65页。23

由于杂原子的电负性不同，δ电子的平均化程度也不同，芳香性和稳定性顺序为：

苯>噻吩>吡咯>呋喃氧的电负性强，S轨道的π电子为3P电子，易给出。

（二）、物理性质

在水中的溶解度比吡啶小，其溶解度顺序为:吡咯>呋喃>噻吩。第23页/共64页第二十三页，共65页。24（三）、化学性质１、酸碱性

吡咯虽然含有N原子，但并不具有碱性，反而是N上的H表现出酸性，可以与强碱(如:金属钾、固体KOH等)成盐。例：这是由于N上P轨道中的两个电子参与形成了大π键,无孤对电子,不再有给出电子的能力。第24页/共64页第二十四页，共65页。25２、稳定性

与强酸作用时，吡咯和呋喃会发生水解、聚合等反应，表现出环的不稳定性，噻吩比较稳定。环的稳定与其芳香性有关，芳香性越强就越稳定，其顺序为：苯>噻吩>吡咯>呋喃。因此，吡咯和呋喃不能用强酸进行硝化、磺化，而要用较温和的非质子性试剂。第25页/共64页第二十五页，共65页。26３、亲电取代反应比苯容易，主要发生在α位。亲电反应活性顺序为：吡咯>呋喃>噻吩>>苯（1）卤代

一般得到多卤代物，若要制备一氯代或一溴代物，需要用溶液稀释并控制温度。第26页/共64页第二十六页，共65页。27第27页/共64页第二十七页，共65页。28

（2）硝化

不能直接用HNO3,吡咯和呋喃与强酸作用时，会发生质子化或水解。当发生质子化后，五元环失去芳香性，性质相当于环戊二烯，可发生加成聚合等反应，所以不能直接硝化或磺化。常用的硝化剂为硝酸乙酰酯（硝酸乙酸酐）。

例：第28页/共64页第二十八页，共65页。29第29页/共64页第二十九页，共65页。30（3）磺化

吡咯和呋喃所用的磺化剂为吡啶三氧化硫，噻吩可以直接用H2SO4磺化，-SO3H进入α位。第30页/共64页第三十页，共65页。31（4）付-克酰基化

第31页/共64页第三十一页，共65页。324、呋喃环的狄尔斯-阿尔特（Dels-Alder）加成呋喃环稳定性小，具有部分共轭二烯的性质，能发生双烯加成反应。

第32页/共64页第三十二页，共65页。335、还原反应第33页/共64页第三十三页，共65页。34二、嘌呤

嘌呤是两个互变异构体形成的平衡体系，平衡偏向于9H形式。

第34页/共64页第三十四页，共65页。35

嘌呤衍生物广泛存在于生物体中，许多具有生理活性。第35页/共64页第三十五页，共65页。36第三节六元杂环化合物

—吡啶、嘧啶、喹啉、吡喃Hexheterocycles第36页/共64页第三十六页，共65页。37

一、吡啶（Pyridine）（一）结构（Structure）C:SP2杂化，N:不等性SP2杂化6个p轨道上各有一个电子N的一个SP2轨道上有一对孤对电子第37页/共64页第三十七页，共65页。38

由于N原子的吸电子性，使环上C原子上的电子云密度降低，且分布不均。C上的π电子云密度比苯低(间位较接近),这类芳杂环称为“缺π”芳香环,吡啶环不易发生亲电取代反应。第38页/共64页第三十八页，共65页。39（二）物理性质（Physicalproperties）具有特殊臭味的无色液体，可以任意比例溶于水，能溶解大多数极性或非极性有机物，为一良好的溶剂。第39页/共64页第三十九页，共65页。40（三）化学性质（ChemicalProperties）

1、碱性及亲核性：N上的孤对电子可以与质子结合，吡啶具有碱性。

吡啶碱性小于胺和氨，但比芳胺强。这是由于N的SP2杂化，孤对电子所处的轨道S成分较多，靠近原子核较近，不易给出。

第40页/共64页第四十页，共65页。41

吡啶环上有取代基时，取代基对碱性的影响规律同苯胺，供电子基团使碱性增强，吸电子基团使碱性减弱。

N的亲核性：

吡啶具有碱性，是良好的亲核试剂，可以与卤代烷、酰卤等成盐。

类似于季铵盐第41页/共64页第四十一页，共65页。42第42页/共64页第四十二页，共65页。432、环上亲电取代比苯难进行，主要进入3位不能用AlCl3等路易斯酸催化第43页/共64页第四十三页，共65页。443、环上亲核取代

吡啶环中的N相当于-NO2，是强吸电子基团，当2位或4位有易离去基团时（-Cl），可以发生亲核取代反应。第44页/共64页第四十四页，共65页。45第45页/共64页第四十五页，共65页。46

亲核试剂的亲核能力很强时（强碱），取代基可以取代氢原子。

第46页/共64页第四十六页，共65页。474、氧化还原反应

氧化—吡啶环不易被氧化，但侧链可以被氧化，也可以被过酸或过氧化氢氧化为N-氧化物。第47页/共64页第四十七页，共65页。48还原

—吡啶加氢还原成哌啶，比苯容易仲胺，碱性增强第48页/共64页第四十八页，共65页。49二、喹啉和异喹啉

（QuinolineandIsoquinoline）

喹啉和异喹啉的结构和性质类似于吡啶，N同样为SP2杂化，其中一个SP2轨道中有一对孤对电子，具有碱性。喹啉和异喹啉都是萘的含氮类似物，其芳环发生钝化。喹啉异喹啉第49页/共64页第四十九页，共65页。501、亲电、亲核取代喹啉同样易发生亲电、亲核取代反应，都比吡啶容易，亲电取代主要在5位或8位，而亲核反应主要发生在2位。第50页/共64页第五十页，共65页。51亲核取代：

异喹啉类似于喹啉，也是亲电，主要发生在5，8位，而亲核发生在1或4位。

第51页/共64页第五十一页，共65页。522、氧化、还原反应（比苯容易）

氧化易发生在苯环上，还原则先还原含氮环。第52页/共64页第五十二页，共65页。531，2，3，4-四氢喹啉（碱性降低，同苯胺）十氢喹啉第53页/共64页第五十三页，共65页。543、喹啉合成（斯克劳普，Z.H.SKraup）

原料为芳胺，甘油，和硝基苯，硫酸催化。

反应过程如下：（1）第54页/共64页第五十四页，共65页。55（3）环合、脱水（2）（Michael加成）共轭加成。

第55页/共64页第五十五页，共65页。56（再作为原料）

苯胺用其它取代芳胺代替，甘油用其它（α，β）不饱和醛、酮代替，可以得到相应的喹啉衍生物。如：

（4）第56页/共64页第五十六页，共65页。57第57页/共64页第五十七页，共65页。58四、含两个杂原子的六元杂环嘧啶（Pyrimidine）(一)结构和物性三、含氧六元杂环（吡喃）（自学）第58页/共64页第五十八页，共65页。59

二嗪类环上二个氮原子的构型与吡啶中的氮原子相同，各有一对未共用电子在SP2轨道上。但一个氮原子与酸作用质子