杂环化合物和生物碱

关于杂环化合物和生物碱第1页，共95页，2023年，2月20日，星期四有机化学杂环化合物和生物碱第2页，共95页，2023年，2月20日，星期四目录§20-1杂环化合物的分类、命名和结构

一、分类二、命名1.环的名称2.成环原子的编号3.命名三、杂环化合物的结构1.结构与芳香性2.结构与性质四、物理性质§20-2五元杂环化合物一、化学反应1.亲电取代反应2.加成反应3.吡咯氮原子上的取代反应4.鉴别第3页，共95页，2023年，2月20日，星期四目录二、五元杂环的合成法1.吡咯环2.呋喃环和噻吩环三、吡咯、呋喃和噻吩的衍生物§20-3六元杂环化合物一、吡啶的化学反应1.碱性和亲核性2.亲电取代反应3.亲核取代反应4.加成反应5.氧化反应二、吡啶环的合成法第4页，共95页，2023年，2月20日，星期四目录3.喹啉和异喹啉的衍生物§20-5重要杂环化合物一、嘧啶衍生物二、嘌啉衍生物三、含氧杂环化合物1.吡喃类2.苯并吡喃类§20-4稠环化合物一、吲哚及衍生物1.吲哚的反应2.吲哚环的合成3.吲哚衍生物二、喹啉和异喹啉1.喹啉和异喹啉的反应2.喹啉和异喹啉的合成第5页，共95页，2023年，2月20日，星期四目录§20-6生物碱一、生物碱的种类二、生物碱的一般性质1.物理性状2.碱性3.溶解性能4.沉淀反应5.显色反应三、生物碱的提取与分离1.H2O/H+2.醇类溶剂3.有机溶剂第6页，共95页，2023年，2月20日，星期四

杂环化合物：在环状化合物成环的原子中，除了碳原子外，还有其它杂原子（O，N，S等）。前几章讨论过的环醚，内酯，交酯，内酐等，成环的原子中也有杂原子，但这些化合物的性质与相应的开链化合物类似，所以一般不将这些化合物归入杂环化合物中讨论。例如：第二十章杂环化合物和生物碱HeterocycliccompoundandAlkaloid第7页，共95页，2023年，2月20日，星期四四氢呋喃四氢吡咯δ-戊内酯

本章主要讨论具有芳香性的杂环化合物，这类化合物属于芳香族。芳香族芳香烃杂环化合物苯系芳烃非苯系芳烃第8页，共95页，2023年，2月20日，星期四§20-1杂环化合物的分类、命名和结构

一、分类单环稠环五元环六元环第9页，共95页，2023年，2月20日，星期四

二、命名

1.环的名称

杂环化合物多采用音译命名法，即将其英文名称译成同音汉字，并用“口”字旁作为杂环的标志。重要的杂环化合物结构和音译名列举如下：

呋喃(furan)

噻吩(thiophene)

吡咯(pyrrole)第10页，共95页，2023年，2月20日，星期四

咪唑(imidazole)

噻唑(thiazole)

吡啶(pyridine)

嘧啶(pyrimidine)-吡喃(-pyran)第11页，共95页，2023年，2月20日，星期四

吲哚(indole)

嘌呤(purine)喹啉(quinoline)异喹啉(isoquinoline)第12页，共95页，2023年，2月20日，星期四

2.成环原子的编号

(1)环上若有一个杂原子，则以杂原子的位次为最小，在此基础上再使带有取代基的碳原子位次尽可能小。

(2)环上若有一个以上相同的杂原子，则从连有取代基或氢原子的杂原子开始编号，并使所有杂原子的位次总和为最小。

(3)环上若有一个以上不相同的杂原子，则按O→S→N的次序编号，并使所有杂原子的编号尽可能小。

第13页，共95页，2023年，2月20日，星期四

3.命名

类似于芳香烃

(1)以杂环为母体

2,5-二甲基呋喃1-甲基吡咯

第14页，共95页，2023年，2月20日，星期四5-甲基咪唑4-甲基-5-(2-羟乙基)噻唑第15页，共95页，2023年，2月20日，星期四

4-氨基-2-羟基嘧啶（胞嘧啶）2,4-二羟基嘧啶（尿嘧啶）5-甲基-2,4-二羟基嘧啶（胸腺嘧啶）第16页，共95页，2023年，2月20日，星期四6-氨基嘌呤（腺嘌呤）2-氨基-6-羟基嘌呤（鸟嘌呤）8-羟基喹啉第17页，共95页，2023年，2月20日，星期四

(2)以杂环为取代基2-呋喃甲醛5-硝基-2-呋喃甲醛4-甲基-2-吡啶甲酸3-吲哚乙酸第18页，共95页，2023年，2月20日，星期四

三、杂环化合物的结构(p598)呋喃O：sp2噻吩S：sp2第19页，共95页，2023年，2月20日，星期四吡咯N：sp2

1.结构与芳香性

(1)五元杂环化合物以上三种五元杂环化合物的结构均符合休克尔规则，都有一定程度的芳香性和较高的热力学稳定性。第20页，共95页，2023年，2月20日，星期四

但由于环上存在电负性较大的杂原子，所以与苯不同，共轭体系中各原子电子密度不是平均分布，键长也不是完全相等，只是趋向于平均化，芳香性比苯小。热力学稳定性也小于苯，其共轭能（kJ/mol)数据如下：苯噻吩吡咯呋喃

150.6117.590.466.9从共轭能的大小可以看出，三种五元杂环化合物的稳定性次序为：苯>噻吩>吡咯>呋喃第21页，共95页，2023年，2月20日，星期四吡啶N：sp2

(2)六元杂环化合物

(p613)

吡啶的结构也符合休克尔规则，和以上三种五元杂环化合物类似，也有一定程度的芳香性和较高的热力学稳定性。但氮原子上电子的排布与吡咯不同，孤电子对处于sp2杂化轨道，没有参与共轭。第22页，共95页，2023年，2月20日，星期四

2.结构与性质

五元和六元杂环化合物偶极矩方向及数值（10-30C·m）如下：5.762.336.331.705.256.033.907.41第23页，共95页，2023年，2月20日，星期四

在五元杂环化合物中，由于杂原子2p轨道上的孤电子对与4个碳原子的2p轨道形成共轭体系，电子离域的结果使环上碳原子周围电子密度增加，大大超过苯环。其中呋喃和噻吩杂原子的+C效应部分抵消了-I效应，从而使偶极矩数值明显下降。而吡咯杂原子的+C效应大于-I效应，所以偶极矩的方向也发生改变。第24页，共95页，2023年，2月20日，星期四

同时，杂原子的+C效应又使共轭体系内部两个位（杂原子的邻位）的电子密度高于两个位（杂原子的间位），因而亲电取代反应优先发生在两个位。第25页，共95页，2023年，2月20日，星期四

在六元杂环化合物中，由于电负性大的氮原子的孤电子对没有参与共轭，因而-C和-I效应的叠加（二者方向一致），使环上碳原子周围电子密度大大减小，低于苯环。共轭体系内部电子密度极性交替的结果，又使氮原子的邻对位电子密度下降的更为明显。所以吡啶比苯难发生亲电取代反应，且一般发生在间位（-位）；易发生亲核取代反应，一般发生在-位。亲电取代反应的活性次序：

吡咯>呋喃>噻吩>苯>吡啶

第26页，共95页，2023年，2月20日，星期四

其次，吡咯和呋喃遇强酸时，杂原子能发生质子化，破坏大键，从而呈现共轭二烯烃的性质：易聚合，易被氧化。而吡啶则比苯更难氧化。正因为如此，吡咯和呋喃不能直接用强酸进行硝化、磺化等反应，要采用较温和的非质子性试剂。另外，吡啶和吡咯虽然都含有氮原子，但前者孤电子对没有参与成键，能接受质子而显碱性，是良好的亲核试剂；后者的孤电子对参与共轭，不但不能接受质子，而且表现出一定的弱酸性。第27页，共95页，2023年，2月20日，星期四

四、物理性质

五元和六元杂环结构上的差异，使它们在物理性质上也有很大的区别。上述四种化合物中，吡啶的极性最大，且氮原子没有参与成键的孤电子对不仅能与水形成氢键，还能与一些金属离子形成配位键。所以，吡啶与水能以任何比例互溶，又能溶解大多数极性和非极性有机物（例如乙醇和乙醚），甚至能溶解某些无机盐类。第28页，共95页，2023年，2月20日，星期四

三个五元杂环化合物在水中的溶解度均小于吡啶，这是因为它们的孤电子对参与了共轭，杂原子的电子密度降低。§20-2

五元杂环化合物

一、化学反应(p599)

1.亲电取代反应

(1)卤化第29页，共95页，2023年，2月20日，星期四乙醇，0℃第30页，共95页，2023年，2月20日，星期四二氧六环,0℃乙酸，室温第31页，共95页，2023年，2月20日，星期四

(2)硝化五元杂环化合物硝化反应常用的硝化试剂是硝酸乙酰基酯：CH3COONO2-30~-5℃5℃-10℃第32页，共95页，2023年，2月20日，星期四

(3)磺化五元杂环化合物中的吡咯和呋喃的磺化反应常用C6H5N+—-SO3为试剂。遇浓硫酸不发生质子化反应的噻吩，可在室温下直接与浓硫酸进行磺化反应。利用该性质能分离苯和噻吩，分离出的2-噻吩磺酸水解后又可得到噻吩。100℃第33页，共95页，2023年，2月20日，星期四室温室温

(4)酰基化第34页，共95页，2023年，2月20日，星期四

由于五元杂环发生亲电取代反应的活性很强，很难得到一烷基取代产物，所以傅克烷基化反应没有实际应用价值。第35页，共95页，2023年，2月20日，星期四

(5)Vilsmeier反应(6)吡咯的偶联反应第36页，共95页，2023年，2月20日，星期四

2.加成反应

(1)催化加氢四氢吡咯四氢噻吩四氢呋喃第37页，共95页，2023年，2月20日，星期四兰尼镍

噻吩中的硫对钯有毒化作用，需使用不被毒化的催化剂。

环稳定性最小的呋喃表现出共轭二烯烃的性质。例如：在低温下能与溴或硝酸等亲电试剂发生1,4-加成反应，能与顺丁烯二酸酐发生D-A反应。第38页，共95页，2023年，2月20日，星期四外向型(热力学控制)内向型(动力学控制)3,6-内型氧桥-4-四氢化邻苯二甲酸酐25℃主要产物(2)D-A反应

(p603)第39页，共95页，2023年，2月20日，星期四100℃P主要产物第40页，共95页，2023年，2月20日，星期四吡咯第41页，共95页，2023年，2月20日，星期四3.吡咯氮原子上的取代反应(p600)或K+NH2-/NH3干醚第42页，共95页，2023年，2月20日，星期四RX(1)CO2(2)H3O+RCOCl第43页，共95页，2023年，2月20日，星期四

4.鉴别

(1)呋喃呋喃蒸气+盐酸浸渍的松木片→绿色

(2)吡咯吡咯蒸气+盐酸浸渍的松木片→红色

(3)噻吩噻吩+浓硫酸+靛红→蓝色第44页，共95页，2023年，2月20日，星期四

二、五元杂环的合成法(p604)

1.吡咯环

(1)Knorr合成法第45页，共95页，2023年，2月20日，星期四16第46页，共95页，2023年，2月20日，星期四(2)Paal-Knorr合成法第47页，共95页，2023年，2月20日，星期四(3)Hantzsch合成法第48页，共95页，2023年，2月20日，星期四产物经水解和脱羧反应可得2,5-二甲基吡咯第49页，共95页，2023年，2月20日，星期四P2O5,C6H6P2S5,2.呋喃环和噻吩环(p605)

Paal-Knorr合成法第50页，共95页，2023年，2月20日，星期四

三、吡咯、呋喃和噻吩衍生物(p605)

1.卟啉环

2.可啉环

3.糠醛§20-3六元杂环化合物一、吡啶的化学反应

1.吡啶的碱性和亲核性(p615)

(1)含氮杂环化合物的酸碱性第51页，共95页，2023年，2月20日，星期四

碱性次序：脂肪族胺＞氨＞吡啶＞芳香族胺＞吡咯例：第52页，共95页，2023年，2月20日，星期四(2)吡啶的亲核性+→SO3-碘化N-甲基吡啶第53页，共95页，2023年，2月20日，星期四300℃350℃2.吡啶环上的亲电取代反应(p616)

300℃,1天6%第54页，共95页，2023年，2月20日，星期四

取代吡啶的取代基对吡啶环亲电取代反应的影响：第55页，共95页，2023年，2月20日，星期四3.吡啶环上的亲核取代反应(p617)

(1)—H被取代

最常见的是烷基化、芳基化和氨化反应(Chichibabin反应）。第56页，共95页，2023年，2月20日，星期四

(2)卤代吡啶—X被取代反应历程与硝基氯苯的亲核取代反应类似：先加成后消除，吡啶环上的氮原子对反应活性的影响如下：第57页，共95页，2023年，2月20日，星期四反应活性：>>>>>>>第58页，共95页，2023年，2月20日，星期四六氢吡啶

4.加成反应催化加氢

5.氧化反应

五元杂环尤其是呋喃和吡咯对氧化剂十分敏感，例如吡咯在空气中放置，颜色很快变深。

第59页，共95页，2023年，2月20日，星期四

二、吡啶环的合成法(p618)

Hantzsch合成法第60页，共95页，2023年，2月20日，星期四Michael反应第61页，共95页，2023年，2月20日，星期四第62页，共95页，2023年，2月20日，星期四§20-4稠环化合物一、吲哚及衍生物(p606)

1.吲哚的反应亲电取代反应类似于吡咯，反应活性高于苯低于吡咯，主要发生在杂环上，但被取代的位置各有所异。例如，3-位取代：第63页，共95页，2023年，2月20日，星期四重排2-位取代：第64页，共95页，2023年，2月20日，星期四5-位取代：第65页，共95页，2023年，2月20日，星期四

2.吲哚环的合成

Fischer吲哚合成法第66页，共95页，2023年，2月20日，星期四180℃第67页，共95页，2023年，2月20日，星期四180℃第68页，共95页，2023年，2月20日，星期四

3.吲哚衍生物

p609

二、喹啉和异喹啉(p620)

1.性质和反应

(1)碱性

(2)亲电取代反应碳环上的取代

强酸性条件下，生成5-位和8-位取代物。例如：硝化反应。第69页，共95页，2023年，2月20日，星期四吡啶环上的取代喹啉生成3-位取代物，异喹啉生成4-位取代物。硝基苯硝基苯反应历程：1,2-加成－取代第70页，共95页，2023年，2月20日，星期四第71页，共95页，2023年，2月20日，星期四(3)亲核取代反应Chichibabin反应卤代喹啉和卤代异喹啉—X被取代第72页，共95页，2023年，2月20日，星期四(4)氧化第73页，共95页，2023年，2月20日，星期四2.喹啉和异喹啉的合成

(1)喹啉的Skraup合成法第74页，共95页，2023年，2月20日，星期四(2)喹啉的Doebner-Miller合成法第75页，共95页，2023年，2月20日，星期四(3)异喹啉Bisvhler-Napieralski合成法205℃190℃3.喹啉和异喹啉衍生物

p623第76页，共95页，2023年，2月20日，星期四

§20-5重要个别化合物

一、嘧啶衍生物(p628)尿嘧啶互变异构亚胺醇式酰胺式第77页，共95页，2023年，2月20日，星期四胞嘧啶互变异构胸腺嘧啶互变异构第78页，共95页，2023年，2月20日，星期四腺嘌呤鸟嘌呤互变异构

二、嘌呤衍生物(p628)22第79页，共95页，2023年，2月20日，星期四

在生物体内的DNA和RNA分子链中，上述三种嘧啶类杂环化合物和鸟嘌呤是以酰胺式存在。

三、含氧杂环化合物(p624)

1.吡喃类

吡喃盐翁钅-吡喃酮-吡喃酮第80页，共95页，2023年，2月20日，星期四2.苯并吡喃类苯并吡喃离子翁钅香豆素(苯并--吡喃酮)色酮(苯并--吡喃酮)第81页，共95页，2023年，2月20日，星期四羊钅黄离子黄酮第82页，共95页，2023年，2月20日，星期四§20-6生物碱(alkaloids,p710)

生物碱是具有强烈生理作用的含氮碱性化合物，广泛存在于多种植物中，属次生代谢产物。除少数结构比较简单的生物碱，分子中的氮原子不再环内，绝大多数是结构复杂的杂多环化合物。在植物体内，生物碱常与酸结合成盐。许多中草药如：当归，麻黄，黄连等的有效成分都属于生物碱类。到目前为止，已发现的生物碱超过6000种。第83页，共95页，2023年，2月20日，星期四

一、生物碱的种类

二、生物碱的一般性质

1.物理形状一般情况下，生物碱的分子是不对称分子，且多为左旋体。

2.碱性大多数生物碱显碱性，结构不同，碱性强弱不同。第84页，共95页，2023年，2月20日，星期四

3.溶解性多数游离的仲、叔胺型生物碱为脂溶性。碱性生物碱可溶于酸性水溶液。

4.沉淀反应大部分生物碱都能与某些酸类、重金属盐及相对分子质量大的配合物盐反应，生成单盐、配合物盐或不溶性复合物沉淀。这类反应可用于预示植物体内生物碱的存在。第85页，共95页，2023年，2月20日，星期四

能与生物碱反应生成沉淀的试剂称为生物碱沉淀试剂。常见的生物碱试剂有：碘—碘化钾，碘化铋钾，磷钼酸和苦味酸等。

5.显色反应能与生物碱发生显色反应的试剂称为生物碱显色试剂，常用于鉴别某些生物碱。例如：吗啡+1%钒酸铵/浓硫酸→棕色

第86页，共95页，2023年，2月20日，星期四