《有机化学》课件-12杂环化合物和生物碱

《有机化学》

第十二章杂环化合物和生物碱本章主要内容第一节杂环化合物的分类、命名和结构一、分类二、命名法三、结构第二节杂环化合物的性质一、溶解性二、酸碱性三、氧化反应四、取代反应五、氢化反应第三节重要的杂环化合物一、五元杂环化合物二、六元杂环化合物三、稠杂环化合物第四节生物碱一、生物碱的分类和命名二、一般性质（一）物理性质（二）化学性质三、重要的生物碱第一节杂环化合物分类、

命名和结构一、分类二、命名法三、结构（一）呋喃、噻吩和吡咯的结构（二）吡啶的结构第一节杂环化合物分类、命名和结构杂环化合物构成环的原子除碳原子外还有其它原子的并具有芳香性的一类环状化合物。杂原子环中的非碳原子。常见的杂原子有：O、S、N。一、杂环化合物的分类根据分子中含有环的数目可分为单杂环和稠杂环两类；单杂环又可分为五员杂环和六员杂环化合物；稠杂环可分为苯稠杂环和杂稠杂环化合物。五员六员苯稠杂环杂环稠杂环NNNNNHNN二、杂环化合物的命名1．杂环母环的命名杂环化合物一般采用音译法命名，根据化合物的英文读音，选用同音汉字，并以“口”字旁表示杂环化合物。OSNH吡咯呋喃噻吩吡啶NprrolefranthiophenepyridineNN喹啉异喹啉二、杂环化合物的命名2．取代杂环化合物的命名（1）环上有取代基的杂环化合物，命名时以杂环为母体，从杂原子开始将环上的原子编号。编号时注意杂原子或取代基的位次之和最小。NNH24-氨基吡啶NHCH33-甲基吲哚NClOH3-羟基-6-氯喹啉二、杂环化合物的命名（2）当环上含有两个或两个以上相同杂原子时，从连有H原子或取代基的开始编号。NHN12345吡唑NN12345CH31-甲基咪唑NNOC2H52-乙氧基嘧啶二、杂环化合物的命名（3）当环上的杂原子不同时，按O、S、N的次序编号。NSNH2H3C512432-氨基-4-甲基噻唑NO24531二、杂环化合物的命名（4）有时也将杂环作取代基，以侧链的官能团做母体来命名。OCHO2-呋喃甲醛SSO3H2-噻吩磺酸NCONH23-吡啶甲酰胺二、杂环化合物的命名NNCOOCH32-嘧啶甲酸甲酯NHCH2COOH3-吲哚乙酸5-羟基-3-喹啉磺酸NSO3HOH二、杂环化合物的命名（5）有些稠杂环有特定的编号。NNNHN123456789N12345678910二、杂环化合物的命名例NNNNHOHH2N2-氨基-6-羟基嘌呤6-氨基嘌呤2,6,8-三羟基嘌呤NNNHNNH2NNNNHOHHOOH三、杂环化合物的结构（一）吡咯、呋喃和噻吩的结构1．组成五员杂环的五个原子的原子轨道都取SP2杂化。2．组成五员环的每个原子各有一个未杂化的P轨道。3．五员杂环中，杂原子上P轨道的未共用电子对参与五员杂环的闭合共用体系。（P-π共轭）O:1s22s22p4

O呋喃SS:1s22s22p63s23p4

噻吩N:1s22s22p3

NH吡咯

↓↑

↑

↑

sp2杂化

2p

末杂化

能量

O

↑

↑

2s

2p

↓↑

↓↑

↓↑

↓↑

↑

↑

sp2杂化

2p

末杂化

能量

S

↑

↑

2s

2p

↓↑

↓↑

↓↑

↑

↑

sp2杂化

2p

末杂化

能量

N

↑

↑

2s

2p

↓↑

↑

↓↑

↑

三、杂环化合物的结构（二）吡啶的结构吡啶分子中的5个碳原子和1个氮原子都是以sp2杂化轨道相互重叠，形成以σ键相连的环平面。环上6个原子都有1个垂直于该平面的未杂化的p轨道，这些p轨道相互平行重叠，形成了一个环状的闭合共轭体系，具有芳香性。吡啶环的氮原子在其sp2杂化轨道中还有1对孤对电子，没有参加环的共轭。三、杂环化合物的结构↑

↑

↑

↑

Sp2杂化

2p末杂化能量C↑

↑

2s2p↓↑↑

Sp2杂化

2p末杂化能量N↑

↑

↑

2s2p↓↑↑

↑

↑

NN吡啶第二节杂环化合物的性质一、溶解性二、酸碱性三、氧化反应四、取代反应（一）卤代反应（二）硝化反应（三）磺化反应（四）付克反应五、氢化反应一、溶解性在五员杂环化合物中由于共轭效应的存在，杂原子上的电子云密度降低，较难与水形成氢键，所以在水中的溶解度不大，而易溶于有机溶剂。吡啶分子中氮原子上的未共用电子对，不参与形成闭合的共轭体系，可与水形成氢键，所以能与水混溶。OSNH12341：351：171：700N混溶一、溶解性1.分子的极性越大，越易与水形成氢键的化合物，水溶性越大。2.凡能增大与水形成氢键可能性的因素，就有可能增大杂环化合物的水溶性。OS1:351:201:7001:16>>OOHH3CSOH一、溶解性当吡啶环上有氨基或羟基时，很容易形成分子间氢键，从而减弱与水形成氢键的能力，使溶解度减小。水溶性：NNOHNOHOH混溶1:30>>1:106NNH2NNH2H2N>1:11:10二、酸碱性（含氮杂环）1．吡咯从结构上看，吡咯似环状仲胺，但因其氮原子上的共用电子对参与了环的共轭体系，使氮原子的电子云密度降低，减弱了对氢离子的结合能力。故吡咯的碱性极弱。NHNHpKb13.62.7<二、酸碱性（含氮杂环）1．吡咯又由于这种共轭作用，使氮上的氢容易离解成氢离子，故吡咯呈弱酸性。酸性比较：苯酚＞吡咯＞乙醇Ka 3×10-1010-1510-18NH+KOH△N-K++H2O+H2ONH二、酸碱性（含氮杂环）2．吡啶吡啶环上的氮原子的一对未共用电子对处于sp2杂化轨道上，它并不参与环上的共轭体系，因此能与质子结合，具有弱碱性。NCH3NH2NH3NH2NHpKb9.3>>>>3.44.88.813.6二、酸碱性（含氮杂环）2．吡啶吡啶环上的取代基对其碱性的影响，如同取代基对苯胺的碱性的影响。pKa 6.02 5.97 5.68pKa 3.53 2.84 0.8>>>>NCH3NCH3NCH3NClNClNNO2二、酸碱性（含氮杂环）吡啶与无机酸反应生成盐，但产物遇水即分解：N+HClN.HCl三、氧化反应吡啶比苯稳定，不易被氧化，一般都是侧链被氧化，而杂环不被破坏，结果生成吡啶甲酸。NCH3KMnO4NCOOHOH-

NNCOOHCOOHHNO3△四、取代反应1．卤代反应呋喃、噻吩和吡咯环中的杂原子上的未共用电子对参与了环的共轭体系，使环上的电子云密度增加，故它们都比苯容易发生亲电取代反应，取代通常发生在α位上。亲电取代反应的活性：吡咯＞呋喃＞噻吩＞苯四、取代反应吡咯、呋喃和噻吩在室温下与氯激烈反应，生成多卤代产物；在低温下反应得到一氯代产物。O+Br20℃OBr＋HBr二氧六环S+Br2SBr乙醚0℃＋HBr四、取代反应2.硝化呋喃、噻吩和吡咯必须在特殊的条件下硝化，即用酸酐与硝酸反应生成的硝酸乙酰酯，在低温下进行硝化，生成相应的α-硝基化合物。NH乙酸酐NHNO2+CH3COOH+CH3COONO25℃OONO2+CH3COONO2乙酸酐-5~30℃+CH3COOHSSNO2+CH3COONO2乙酸酐-10℃+CH3COOH四、取代反应3.磺化呋喃、吡咯必须用吡啶的三氧化硫加成物作为磺化剂S250C95%

H2SO4SSO3H2-噻吩磺酸NHN+SO3-NHSO3H1000C2-吡咯磺酸四、取代反应4.吡啶的取代反应氮原子的电负性比碳原子大，所以氮原子附近电子密度较高，环上碳原子的电子密度有所降低。因此，吡啶与硝基苯相似，亲电取代比苯困难，并且主要发生在β位上，反应条件要求较高。N3000C,1hHNO3+H2SO4NNO2N2300C浓H2SO4NSO3HN300℃Br2NBr五、还原反应呋喃、噻吩和吡咯都可被催化加氢生成相应的四氢化物。NH高温高压H2/PdNH四氢吡咯S高温高压H2/PdS四氢噻吩O高温高压H2/PdO四氢呋喃（二）吡啶的性质吡啶比苯容易还原，生成六氢吡啶。六氢吡啶又称哌啶，能与水混溶，其碱性（pKb＝2.7）比吡啶增强106倍。NH2/Pt或NHNa+C2H5OH吡啶和吡咯性质比较：pH亲电取代亲核取代氧化遇酸吡咯中性易(α)难易不稳定易聚合成树脂吡啶弱碱难(β)易(α)难六、吡咯、呋喃、噻吩的鉴别（1）呋喃蒸气使盐酸浸过的松木片显绿色。（2）噻吩和靛红（吲哚满二酮）在硫酸作用下呈蓝色；噻吩在浓硫酸的作用下使松木片呈现兰色。（3）吡咯蒸气遇盐酸浸过的松木片显红色。第三节重要的杂环化合物一、五元杂环化合物（一）呋喃及其衍生物（二）吡咯及其衍生物二、六元杂环化合物（一）烟酸和烟酰胺（二）维生素B6（三）嘧啶及其衍生物三、稠杂环化合物（一）吲哚及其衍生物（二）嘌呤及其衍生物一、五元杂环化合物1．呋喃及其衍生物呋喃是无色易挥发的液体，具有与氯仿相似的气味，不溶于水，易溶于乙醇、乙醚等有机溶剂。遇盐酸浸过的松木片显绿色。一、五元杂环化合物1．呋喃及其衍生物呋喃甲醛又叫糠醛。化学性质与苯甲醛相似，能发生银镜反应；遇苯胺醋酸溶液呈深红色，此反应用以鉴定糠醛；糠醛遇盐酸浸过的松木片显绿色。OCHO＋H2NOCH＝N＋H2O希夫碱一、五元杂环化合物2．吡咯及其衍生物吡咯存在于煤焦油和骨焦油中，为无色液体，不溶于水而易溶于有机溶剂。吡咯的衍生物广泛存在于自然界中，如血红素、叶绿素、维生素B12等。吡咯的蒸气能使盐酸浸过的松木片显红色。一、五元杂环化合物2．吡咯及其衍生物卟吩由四个吡咯和四个次甲基(=CH)交替相连组成的共轭体系。卟吩呈平面结构，环中间的空隙里四个氮原子可分别以共价键、配价键与不同的金属离子结合。（1）叶绿素 中心离子为Mg2+

（2）血红素 中心离子为Fe2+（3）维生素B12中心原子子为Co二、六元杂环化合物（一）烟酸和烟酰胺烟酸是β-吡啶甲酸的俗称，它是维生素B族中的一种。烟酰胺是辅酶的组成成分。β-吡啶甲酸(烟酸)NCOOHNCONH2β-吡啶甲酰胺(烟酰胺)二、六元杂环化合物（二）维生素B6维生素B6包括吡哆醇、吡哆醛和吡哆胺三种化合物。是具有辅酶作用的维生素。吡哆醇吡哆醛NCH2OHHOH3CCH2OHNCH2OHHOH3CCHONCH2OHCH2NH2HOH3C吡哆胺二、六元杂环化合物（三）嘧啶及其衍生物嘧啶是无色晶体，易溶于水，具有弱碱性，碱性比吡啶弱，可与强酸成盐。嘧啶很少存在于自然界中，其衍生物在自然界中普遍存在。重要的衍生物：胞嘧啶、尿嘧啶、胸腺嘧啶是核酸的重要碱基。胞嘧啶胸腺嘧啶尿嘧啶NNNH2HONNOHNNOHHONNOHHOCH3二、六元杂环化合物嘧啶碱都有互变异构现象，例：NNOHHOHNNHOO烯醇式酮式三、稠杂环化合物（一）吲哚及其衍生物吲哚是无色片状结晶，不溶于水，可溶于热水，有粪臭味。性质与吡咯相似，有弱酸性，能发生亲电取代反应，取代基主要进入β－位，遇浸过盐酸的松木片显红色。吲哚的衍生物中较常见的有吲哚乙酸和吲哚辛。吲哚乙酸，是一种植物生长激素，能促进植物生长发育；吲哚辛可用于治疗风湿性关节炎、痛风性关节炎和红斑狼疮。NH三、稠杂环化合物（二）嘌呤及其衍生物。嘌呤是由嘧啶环和咪唑环稠合而成的，分子中存在着互变异构。NNHNN1234567899-氢嘌呤NHNNN1234567897-氢嘌呤三、稠杂环化合物嘌呤本身在自然界不存在，但它的衍生物广泛存在于生物体内。重要的有腺嘌呤和鸟嘌呤，他们是核酸的组成成分。第四节生物碱一、生物碱的分类和命名二、生物碱的一般性质（一）物理性质（二）化学性质1.生物碱的碱性2.生物碱的沉淀反应3.生物碱的显色反应三、重要的生物碱（一）麻黄碱（二）烟碱（三）莨菪碱（四）吗啡、可待因、海咯因（五）咖啡碱（六）小檗碱第四节生物碱生物碱——存在于生物体内的一类具有碱性和明显生理活性的含氮有机化合物，又称为植物碱。一、生物碱的分类和命名分类根据结构分类有机胺类、吡咯衍生物类、喹啉类；根据来源分类石蒜生物碱、长春花生物碱。命名根据其来源命名。二、生物碱的一般性质（一）物理性质生物碱多为无色或白色结晶性固体，有苦、辛辣味，难溶于水易溶于乙醇、乙醚等有机溶剂，大多数具有旋光性。且多为左旋体。（二）化学性质1.碱性碱性强弱次序：季铵>仲胺>伯胺>叔胺能与无机酸或有机酸结合成盐。

生物碱盐游离生物碱OH－HCl生物碱－N∶[生物碱－→H]Cl-N+（二）化学性质2.沉淀反应大多数生物碱能与一些试剂生成难溶于水的盐而沉淀。这些能使生物碱发生沉淀反应的试剂称为生物碱沉淀剂。常用的生物碱沉淀剂：酸、重金属盐、碘化钾的复盐等，如磷钨酸、磷钼酸、苦味酸、碘化铋钾。（二）化学性质3.显色反应生物碱能与一些试剂发生颜色反应，显示不同的颜色；这种能使生物碱发生颜色反应的试剂称为生物碱显色剂。常用的生物碱显色剂：浓硝酸、浓硫酸、甲醛－浓硫酸等。îíì®þýü蓝色紫色＋甲醛－浓H2SO4可待因吗啡三、重要的生物碱（一）麻黄碱（麻黄素）麻黄碱是我国特产的一种中药。有兴奋交感神经、升高血压、扩张支气管、收缩粘膜血