第十六章杂环化合物.ppt

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1、第十六章 杂环化合物 第一节 杂环化合物的分类和命名 第二节 五元杂环化合物 第三节 六元杂环化合物 第四节 稠杂环化合物 University Prof Guo Ya-li 1、杂环化合物的概念 (氮杂环丙烷) (-丙内酯)(-丙内酰胺) (顺丁烯二酸酐) (氧杂 )(1H-氮杂 ) (环氧乙烷) 第一节 杂环化合物的分类和命名 一、分类 University Prof Guo Ya-li 2、常见的杂环化合物 University Prof Guo Ya-li 二、命名 杂环的命名常用音译法，是按外文名词音译成带“口”字旁的同音汉字。 University Prof Guo Ya-li 编

2、号从杂原子开始。遇两相同杂原子, 则由带取代基(或H) 的杂原子开始。含多个不同杂原子, 则按 O S N 顺序 编号。 咪唑 噻唑 噁唑 嘧啶 稠杂环的编号 吲哚 嘌呤 喹啉 University Prof Guo Ya-li 5-硝基-2-呋喃甲醛 N,N-二乙基-3-吡 啶甲酰胺 1,3,7-三甲基嘌呤-2,6- 二酮 将取代基名称连同位号置杂环名前或名后。 环上有取代基的杂环 噻吩并吡咯 萘并呋喃 5-苯基咪唑并2,1-b噻唑 噻吩并3,2-b吡咯 萘并1,2-b呋喃 University Prof Guo Ya-li 第二节 五元杂环化合物 呋喃、噻吩、吡咯在 结构上具有共同点，即

3、构成环的五个原子都为 sp2杂化，故成环的五个 原子处在同一平面，杂 原子上的孤对电子参与 共轭形成共轭体系，其 电子数符合休克尔规 则（电子数 = 4n+2） ，所以，它们都具有芳 香性: 离域能: 一、呋喃、噻吩、吡咯杂环的结构 University Prof Guo Ya-li 二、呋喃、噻吩、吡咯的性质 （一）存在与物理性质 都能溶于有机溶剂,水溶解度都小于六元杂环吡啶 溶解度顺序为：吡咯 呋喃 噻吩 吡咯几乎不显碱性, 相反具有弱酸性 偶极矩 University Prof Guo Ya-li （二）化学性质 1亲电取代反应 从结构上分析，五元杂环为56共轭体系，电荷密度比苯大，如以

4、苯 环上碳原子的电荷密度为标准（作为0），则五元杂环化合物的有效电荷 分布为： 亲电取代反应的活性为： 吡咯 呋喃 噻吩 苯，主要进入-位。 说明：吡咯、呋喃、噻吩的亲电取代反应，对试剂及反应条件必须有所 选择和控制。 University Prof Guo Ya-li *1 亲电取代反应的活性顺序为： 吸电子诱导： O(3.5) N(3.0) S(2.6) 给电子共轭：N O S 综合： N贡献电子最多，O其次，S最少 电子密度 -络合物 八隅体结构最稳定 无最稳定结构 University Prof Guo Ya-li *2 取代反应主要发生在-C上； *3 吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感

5、，选择试剂时需要注意； *4 噻吩、吡咯的芳香性较强，所以易取代而不易加成；呋喃的 芳香性较弱，虽然也能与大多数亲电试剂发生亲电取代，但在 强亲核试剂存在下，能发生亲核加成。 取代呋喃、噻吩、吡咯的定位效应 试写出5-甲基-2-甲氧基噻吩和3-硝基吡咯的一硝化产物的结构式并解释之。 University Prof Guo Ya-li （1） 呋喃、噻吩、吡咯的卤化反应 反应强烈，易得多卤取代物。为了得一卤代(Cl, Br)产物，要采用 低温、溶剂稀释等温和条件。 碘不活泼，要用催化剂才能发生一元取代 University Prof Guo Ya-li （2） 呋喃、噻吩、吡咯的硝化反应 呋喃,

6、 噻吩和吡咯易氧化, 一般不用硝酸直接硝化; 通常用比 较温和的非质子硝化试剂，如：硝酸乙酰酯。反应在低温下进行。 University Prof Guo Ya-li 呋喃比较特殊,先生成稳定的或不稳定的2,5加成产物,然后加热 或用吡啶除去乙酸,得到硝化产物。 University Prof Guo Ya-li （3） 呋喃、噻吩、吡咯的磺化反应 吡咯、呋喃不太稳定，所以须用温和的磺化试剂磺化。常用 的温和的非质子的磺化试剂有：吡啶与三氧化硫的加合化合物。 噻吩比较稳定，既可以直接磺化（产率稍低），也可以用 温和的磺化试剂磺化。 (固体，含量90 %) University Prof Guo

7、 Ya-li S + N SO3 ClCH2CH2Cl r. t. SSO3- Ba(OH)2 2Ba 2+ University Prof Guo Ya-li （4） 呋喃、噻吩、吡咯的傅氏酰基化反应 Eg 1 Eg 4 Eg 3 Eg 2 University Prof Guo Ya-li sp2杂化 sp3杂化 碳上酰化，正电荷处在 离域范围内，较稳定。 氮上酰化，正电荷不处 在离域范围内。 呋喃、噻吩的酰化反应在-C上发生，而吡咯的酰化反应（不用催 化剂）既能在 -C上发生，又能在N上发生。在 -C上发生比在N上发 生容易。 University Prof Guo Ya-li 2加氢反

8、应 University Prof Guo Ya-li 3呋喃、吡咯的特性反应 (1) Diels-Alder反应 呋喃最易发生Diels-Alder反应 AlCl3 NHCCH3 H3CCOOCH3 COOCH3 O CH3 University Prof Guo Ya-li （2）吡咯的弱酸性和弱碱性 吡咯虽然是一个仲胺，但碱性很弱。 University Prof Guo Ya-li 吡咯具有弱酸性，其酸性介与乙醇和苯酚之间。 University Prof Guo Ya-li 三、重要的五元杂环衍生物 （一）糠醛（- 呋喃甲醛） 1制备 由农副产品如甘蔗杂渣、花生壳、高粱杆、棉子壳用稀

9、酸加热 蒸煮制取。 糠醛是良好的溶剂，常用作精练石油的溶剂，以溶解含硫物质及 环烷烃等。可用于精制松香，脱出色素，溶解硝酸纤维素等。糠醛 广泛用于油漆及树脂工业。 University Prof Guo Ya-li 2糠醛的性质 同有-H的醛的一般性质。 （1）氧化还原反应 University Prof Guo Ya-li （2）歧化反应 （3）羟醛缩合反应 （4）安息香缩合反应 University Prof Guo Ya-li 给出下列反应的产物结构、名称及反应类型。 University Prof Guo Ya-li （二）吡咯的重要衍生物 最重要的吡咯衍生物是含有四个吡咯环和四个次甲

10、基(-CH= )交替 相连组成的大环化合物。其取代物称为卟啉族化合物。 卟啉族化合物广泛分布 与自然界。血红素，叶 绿素都是含 环的卟啉族 化合物。在血红素中 环 络合的是Fe，叶绿素 环 络合的是Mg。 University Prof Guo Ya-li 灵菌红素 卟吩胆色素原 (2) 叶绿素、血红素和维生素B12 电致发光材料 University Prof Guo Ya-li 四、噻唑和咪唑 1噻唑 噻唑是含一个硫原子和一个氮原子的五元杂环，无色，有吡啶臭味 的液体，沸点117，与水互溶，有弱碱性，是稳定的化合物。 一些重要的天然产物几合成药物含有噻唑结构，如青霉素、维生素 B1等。 青

11、霉素 University Prof Guo Ya-li 维生素B1（VB1） University Prof Guo Ya-li 第三节 六元杂环化合物 六元杂环化合物中最重要的有吡啶、嘧啶和吡喃等。 University Prof Guo Ya-li 一、吡啶 (一) 来源、制法和应用 吡啶存在于煤焦油页岩油和骨焦油中，吡啶衍生物广泛存在于自 然界，例如，植物所含的生物碱不少都具有吡啶环结构，维生素PP、 维生素B6、辅酶及辅酶也含有吡啶环。吡啶是重要的有机合成原料 （如合成药物）、良好的有机溶剂和有机合成催化剂。 吡啶的工业制法可由糠醇与氨共热（500）制得，也可从乙炔制 备。 吡啶为有

12、特殊臭味的无色液体，沸点115.5，相对密度0.982，可 与水、乙醇、乙醚等任意混和。 University Prof Guo Ya-li （二）吡啶的结构 University Prof Guo Ya-li 由于吡啶环的N上在环外有一孤对电子，故吡啶环上的电荷分布不均。 University Prof Guo Ya-li （三）吡啶的性质 1碱性与成盐 吡啶的环外有一对未作用的孤对电子，具有碱性，易接受亲电试 剂而成盐。 吡啶的碱性小于氨大于苯胺。 University Prof Guo Ya-li 吡啶易与酸和活泼的卤代物成盐。 University Prof Guo Ya-li Uni

13、versity Prof Guo Ya-li 2亲电取代反应 吡啶环容易发生亲核取代反应。 、位，以位为主。 University Prof Guo Ya-li 实验事实：钝化和 b取代 University Prof Guo Ya-li 其它反应现象 University Prof Guo Ya-li 环上有给电子基时反应相对较易进行 University Prof Guo Ya-li 3氧化还原反应 （1）氧化反应 University Prof Guo Ya-li University Prof Guo Ya-li （2）还原反应 吡啶比苯易还原，用钠加乙醇、催化加氢均使吡啶还原为六氢

14、吡啶（即胡椒啶）。 University Prof Guo Ya-li 4亲核取代 取代主要发生在 a 位 University Prof Guo Ya-li 二、嘧啶及其衍生物 嘧啶本身不存在于自然界，其衍生物在自然界分布很广，脲嘧啶、 胞嘧啶、胸腺嘧啶是遗传物质核酸的重要组成部分，微生素B1也含 有嘧啶环。合成药物的磺胺嘧啶也含这种结构。 University Prof Guo Ya-li 第四节 稠杂环化合物 稠杂环化合物是指苯环与杂环稠合或杂环与杂环稠合在一起的化 合物。常见的有喹啉、吲哚和嘌呤。 University Prof Guo Ya-li 一、吲哚 吲哚是白色结晶，熔点52.

15、5。极稀溶液有香味，可用作香料，浓的 吲哚溶液有粪臭味。 University Prof Guo Ya-li 吲哚的性质与吡咯相似，也可发生亲电取代反应，取代基进入-位。 色氨酸 利血平 University Prof Guo Ya-li 二、喹啉 1喹啉的性质 （1）取代反应 University Prof Guo Ya-li （2）氧化还原反应 University Prof Guo Ya-li 2喹啉环的合成法斯克劳普（Skraup）法： 喹啉的合成方法有多种，常用的是斯克劳普法。是用苯胺与甘油、 浓硫酸及一种氧化剂如硝基苯共热而生成。 University Prof Guo Ya-li

16、 2喹啉环的合成法斯克劳普（Skraup）法： University Prof Guo Ya-li 3喹啉的衍生物 喹啉的衍生物在自然界存在很多，如奎宁、氯喹、罂粟碱、吗啡等。 University Prof Guo Ya-li University Prof Guo Ya-li 三、嘌呤 嘌呤为无色晶体，m.p216217，易溶于水，其水溶液呈中性， 但能与酸或碱成盐。 纯嘌呤环在自然界不存在，嘌呤的衍生物广泛存在于动植物体内。 University Prof Guo Ya-li 1尿酸 存在于鸟类及爬虫类的排泄物中，含量很多，人尿中也含少量。 University Prof Guo Ya-li 2黄嘌呤 存在于茶叶及动植物组织和人尿中。 University Prof Guo Ya-li 3咖啡碱、茶碱和可可碱 三者都是黄嘌呤的甲基衍生物，存在于茶叶、咖啡和可可中，它们 有兴奋中枢作用，其中以咖啡碱的作用最强。 University Prof Guo Ya-li 4腺嘌呤和鸟嘌呤 它是核蛋白中的两种重要碱基。 腺嘌呤（A） 鸟嘌呤（G ） University Prof Guo Ya-li University Prof Guo Ya-li