有机化学 第13章- 杂环化合物

第13章杂环化合物

碳原子和其它非碳原子组成的环状有机化合物称为杂环化合物。非碳原子叫做杂原子，常见的有氮、氧、硫。环醚、内酯、交酯、环状酸酐、内酰胺等与相应的开链化合物性质相似，又容易开环，所以不属于杂环化合物。已知的天然产物中，杂环化合物超过半数，分布极广。如：叶绿素、血红素、核酸和许多药物，均含有杂环结构。本章主要讨论那些环系比较稳定，并且有不同程度芳香性的杂环化合物，即芳杂环化合物。杂环化合物分类和命名单杂环化合物的结构与芳香性杂环化合物的化学性质酸碱性亲电取代反应亲核取代加成反应氧化重要的芳杂环及其衍生物分类和命名按杂环的骨架分为单杂环和稠杂环。单杂环又按环的大小分为五元杂环和六元杂环。五元单杂环六元单杂环（一）分类苯环与单杂环单杂环与单杂环稠杂环通常由苯环与单杂环稠合而成或单杂环互相稠合而成。主要采用外文音译法，把杂环化合物的英文名称的汉字译音加“口”字旁表示。呋喃（furan）、吡啶（pyridine）根据国际通用名称音译，使用方便，缺点是名称和结构之间没有任何联系。（二）命名furan呋喃pyrrole吡咯thiophene噻吩imidazole咪唑thiazole噻唑pyran吡喃pyridine吡啶pyrimidine嘧啶五元单杂环六元单杂环indole吲哚purine嘌呤

稠杂环quinoline喹啉1、从杂原子开始编号。2、环上只有一个杂原子时，杂原子的编号为1。3、也可以希腊字母α、β及γ编号，靠近杂原子的碳原子为α位，其次为β位，再次为γ位。杂环化合物的编号原则：2,5-二甲基呋喃(α,α’-二甲基呋喃)2-甲基吡咯(α-甲基吡咯)α3-硝基吡啶(β-硝基吡啶)4、环上有两个或两个以上相同杂原子时，连接有氢或取代基的杂原子编号为1，并使这些杂原子所在位次的数字之和为最小。4-甲基咪唑4-氨基嘧啶5、环上有不同杂原子时，则按氧、硫、氮的顺序编号，并使杂原子的编号尽可能小。5-甲基噻唑6、特殊编号，如异喹啉、嘌呤等。嘌呤7.标氢――母环被部分还原某些母环与特定的母环仅杂原子位置不同-----“异”

异喹啉2,4-二甲基呋喃3-乙基吡咯2-甲基-5-硝基噻吩3-甲基吡啶4-甲基嘧啶3-甲基吲哚123455-甲基噻唑练习：单杂环化合物的结构与芳香性••••‥‥吡咯分子中的

键吡咯分子中的p轨道吡咯分子中的共轭体系凡具有共轭体系的五元环和六元环，都具有芳香性。五元环:如吡咯

N：2s22p3Hsp2杂化furan呋喃thiophene噻吩问：呋喃、噻吩和吡咯与苯相比（1）芳香性？（2）亲电取代反应活性？（3）稳定性？答：（1）苯的芳香性最大。呋喃、噻吩和吡咯都具有一定的芳香性，即：不易氧化，不易进行加成反应，而易起亲电取代反应。但芳香性较苯环差，有某种程度的不饱和化合物的性质和环的不稳定性。（2）呋喃、噻吩和吡咯的亲电取代反应活性均大于苯。（注意：吡咯﹥呋喃﹥噻吩﹥苯）>>（3）苯﹥sp2杂化六元环如：吡啶N：2s22p3吡啶键长平均化程度较高，有芳香性。问：吡啶的亲电取代反应活性比苯相比？由于吡啶环中氮原子的电负性大于碳原子，所以环上的电子云密度因向氮原子转移而降低，亲电取代比苯难。问：碱性大小a、吡啶b、苯胺c、脂肪胺d、氨N原子上的一对电子没有参与成键，因此可以接受质子而呈现弱碱性（pKb=8.8）其碱性比苯胺强，但比脂肪胺和氨弱。杂环化合物的化学性质吡咯的弱酸性：（一）酸碱性+KOH+H2O吡啶的弱碱性卤代吡咯：电子云密度比苯大，更易发生亲电取代反应。卤代反应在室温或更低的温度下即可发生，反应优先发生在

位，并且可生成四元取代产物。+I2四碘吡咯NaOH（二）亲电取代反应+SO3100℃-吡咯磺酸吡啶磺化：吡咯,呋喃对强酸敏感，需要较缓和的磺化剂，SO3-吡啶

硝化+SO3100℃-吡咯磺酸吡啶吡啶比苯难发生亲电取代反应。在强烈条件下才能进行，取代基主要进入β

位。+Br2浮石催化300℃+Br2FeBr350℃+HNO3+HNO3H2SO4300℃50-60℃H2SO4+H2SO4+H2SO4-吡啶磺酸>350℃70-80℃与苯比较，杂环化合物发生取代反应的难易次序为：吡咯>呋喃>噻吩>苯>吡啶付克酰基化：（烷基化产率较低，选择性差）OOCOCH3(CH3CO)2OBF3(

C2H5)2O2-乙酰基吡咯先在N上酰化,然后重排吡啶比苯易发生在α位(三).亲核取代加氢反应高温高压四氢呋喃六氢吡啶（哌啶）(三).加成反应吡咯呋喃噻吩在强酸等氧化剂中容易被氧化而开环成复杂化合物吡啶环本身不易被氧化，但它的侧链很容易被氧化成醛或羧酸。(四).氧化(吡啶氧化物)重要的芳杂环及其衍生物呋喃是无色易挥发液体，有特殊气味。沸点32℃，不溶于水，易溶于有机溶剂。呋喃遇盐酸浸过的松木片呈绿色，称为松木片反应。可以定性鉴定呋喃。呋喃是药物及其它有机合成品的原料。糠醛（

-呋喃甲醛），是呋喃的重要衍生物，可由米糠、玉米芯等制取得到。它用途广泛、重要的有机合成原料。（一）呋喃及其衍生物（二）吡咯及其衍生物吡咯为无色液体，沸点131℃，有类似于苯胺的刺激性气味。松木片反应产生红色。吡咯的衍生物广泛分布于自然界，如叶绿素、血红素、维生素B12等。血红素的基本结构骨架是卟吩，卟吩环是由四个吡咯环的α碳原子通过四个次甲基（-CH=）交替连接构成的大环。或卟吩血红素的分子结构血红素与一氧化碳的结合血红素与氧的结合（三）噻唑、吡唑和咪唑衍生物噻唑衍生物主要有维生素B1和抗生素青霉素类。维生素B1苄青霉素咪唑和吡唑存在互变异构，不能分离。123451234512345123455-甲基咪唑4-甲基咪唑5-溴吡唑3-溴吡唑吡唑衍生物中的吡唑酮类衍生物是一大类解热镇痛药，即吡唑酮类药物。常用镇痛药异丙基安替比林、水杨比林及烟酰氨基安替比林等都具有吡唑酮的基本结构。R羟苄西林羟胺苄西林羟唑西林咪唑衍生物：广泛存在。如组氨酸酶组氨酸组胺吡啶为无色具有臭味的液体，与水、乙醇、乙醚、石油醚等可混溶。吡啶及其衍生物广泛存在，许多生物碱都含有吡啶环或氢化吡啶环，如烟碱和古柯碱。维生素B6是吡啶衍生物，包括吡哆醛、吡哆醇和吡哆胺三个组分，转氨酶的辅酶。蛋白质代谢必要物质。（四）吡啶及其衍生物吡哆醇吡哆醛吡哆胺-吡啶甲酸维生素PP是

-吡啶甲酸和

-吡啶甲酰胺的混合物，主要用于治疗糙皮病。

-吡啶甲酸又称为烟酸，具有扩张血管及降低血胆固醇的作用。-吡啶甲酰胺（烟酰胺）异烟肼（雷米封）γ-甲基吡啶的氧化产物γ-吡啶甲酸，又称异烟酸，与水合肼缩合，生成异烟肼，药名雷米封。异烟肼具有较强的抗结核作用，是常用治疗结核病的口服药。嘧啶为无色液体或晶体，有刺激性气味，熔点22℃。可溶于水、乙醇、乙醚，主要用于合成药物。重要的嘧啶衍生物胞嘧啶、尿嘧啶和胸腺嘧啶是核酸的组成部分（五）嘧啶及其衍生物胞嘧啶（C）尿嘧啶（U）胸腺嘧啶（T）胞嘧啶、尿嘧啶和胸腺嘧啶都存在酮式和烯醇式互变异构。

吲哚是由苯环和吡咯环稠合而成，为无色片状结晶，熔点52℃。有浓烈臭味，但其纯品在极稀的浓度时却具有花香味，故可作为化妆品用的香料。吲哚不溶于水、溶于有机溶剂。吲哚环存在于很多天然产物中，许多有重要生理活性。

-吲哚乙酸是一种植物生长调节剂。色氨酸是人体必需氨基酸色胺和5-羟基色胺与中枢神经系统的功能有关。（一六）吲哚及其衍生物

-吲哚乙酸色氨酸色胺5-羟色胺喹啉及异喹啉是由苯环和吡啶环在不同位置上稠合而成。喹啉的衍生物：抗疟药奎宁（又名金鸡纳碱）、氯喹、抗癌药喜树碱。异喹啉的衍生物比较重要的有罂粟碱等。

（七）喹啉和异喹啉衍生物嘌呤由咪唑和嘧啶两个杂环稠合而成，是无色晶体。嘌呤有9-H嘌呤和7-H嘌呤两种异构体（互变异构）。（9-H嘌呤）（7-H嘌呤）（八）嘌呤及其衍生物129875634123456789药物分子中一般多为其衍生物生物体中更为常见嘌呤的衍生物分布广，而且重要，如腺嘌呤、鸟嘌呤等都是核酸的组成成分。次黄嘌呤、黄嘌呤和尿酸是腺嘌呤和鸟嘌呤在体内的代谢产物，存在于哺乳动物的尿和血中。腺嘌呤（A）鸟嘌呤(G)尿酸的酮式和烯醇式互变如代谢紊乱而致尿酸含量过高时，可能沉积形成尿结石。当血中的尿酸含量过高时，可能沉积在关节等处，形成痛风石。阿昔洛韦更昔洛韦2,4-二甲基呋喃3-乙基吡咯3-甲基吡啶4