第十二章 杂环

内容提要
§12-1 杂环化合物的分类、命名和结构 12- 杂环化合物的分类、 一、分类 二、命名 三、杂环化合物的结构 §12-2 杂环化合物的性质 12一、物理性质 二、化学性质 12§12-3 重要杂环化合物
§12-4 生物碱 12一、生物碱的种类及其生理活性 二、生物碱的一般性质 三、生物碱的提取与分离
CH3 N
KM 4 nO H+,
COOH N
COOH COOH
KM 4 nO
N
H+,
N
4.含氮杂环化合物的酸碱性 4.含氮杂环化合物的酸碱性 碱性次序： 碱性次序： 脂肪族胺＞ 吡啶＞芳香族胺＞吡咯。 脂肪族胺＞氨＞吡啶＞芳香族胺＞吡咯。例：
+ C5H5N SO 3 C2H4Cl2 室温
O
O
SO3H
S
室温
H2SO4
S
SO3H
Ʈ℃
N H
SO3H
H2SO4
N
350℃ ℃
SO3H N
(4)酰基化 (4)酰基化
(CH3CO)2O SnCl4
(CH3CO)2O
O O
O N H CCH3
O
CCH3
N H
Br
N H
I2 NaOH
I I N H
I I
O
Br2 二氧六环, ℃ 二氧六环 0℃
Br2 乙酸， 乙酸，室温
O
Br
S
S
Br
Br
Br2
N
300 ℃
N
(2)硝化 五元杂环化合物进行硝化反应时， (2)硝化 五元杂环化合物进行硝化反应时， 常用的硝化试剂是硝酸乙酰基酯： 常用的硝化试剂是硝酸乙酰基酯： CH3COONO2
(2)六元杂环化合物 吡啶的结构也符合休 (2)六元杂环化合物 克尔规则，和以上三种五元杂环化合物类似， 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。 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 但氮原子上电子的排布与吡咯不同， 处于sp 杂化轨道，没有参与共轭。 处于 2杂化轨道，没有参与共轭。
4-氨基-2-羟基嘧啶 -氨基- 胞嘧啶） （胞嘧啶）
2,4-二羟基嘧啶 尿嘧啶） （尿嘧啶）
OH N HO N CH3 5-甲基-2,4-二羟基嘧啶 -甲基- （胸腺嘧啶） 胸腺嘧啶）
(2)以杂环为取代基 (2)以杂环为取代基
O
CHO
O2N
O
CHO
2-呋喃甲醛 呋喃甲醛
5-硝基 呋喃甲醛 硝基-2-呋喃甲醛 硝基
但由于环上存在电负性较大的杂原子， 但由于环上存在电负性较大的杂原子，所 以与苯不同， 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 平均分布，键长也不是完全相等， 平均化，芳香性比苯小。 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： 其共轭能（ 数据如下： 数据如下 苯 噻吩 吡咯 呋喃 150.6 117.5 90.4 66.9 从共轭能的大小可以看出， 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： 物的稳定性次序为： 苯 > 噻吩 > 吡咯 > 呋喃
CH2COOH N
CH3
N
COOH
H
4-甲基 吡啶甲酸 甲基-2-吡啶甲酸 甲基
3-吲哚乙酸 吲哚乙酸
三、杂环化合物的结构
H H H O H
2P2
呋喃 O：sp2
H H H S H
3P2
噻吩 S：sp2
H H H N H H
2P2
吡咯 N：sp2
1.结构与芳香性 1.结构与芳香性 (1)五元杂环化合物 以上三种五元杂环化 (1)五元杂环化合物 合物的结构均符合休克尔规则， 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。 的芳香性和较高的热力学稳定性。
O
呋喃 (furan)
S
噻吩 (thiophene)
N H
N3
1
N H
4 5 6 7
咪唑 (imidazole)
N
1
吡啶 (pyridine)
6
3 1 2
N
3
5
N
7 8
2
N H
N 4 N9
嘌呤 (purine)
H
吲哚(indole) 吲哚
2.成环原子的编号 2.成环原子的编号 (1)环上若有一个杂原子，则以杂原子的 环上若有一个杂原子， 环上若有一个杂原子 位次为最小， 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。 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 环上若有一个以上相同的杂原子， 环上若有一个以上相同的杂原子 连有取代基或氢原子的杂原子开始编号， 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。 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 环上若有一个以上不相同的杂原子， 环上若有一个以上不相同的杂原子 的次序编号， 按O→S→N的次序编号，并使所有杂原子的编 的次序编号 号尽可能小。 号尽可能小。
CH3COONO2 -30 ~ -5℃ ℃
O
O
CH3COONO2 , NaOH (CH3CO)2O, 5℃ ℃
NO2
N H
N H
NO2
S
CH3COONO2 (CH3CO)2O,-10℃ ℃
S
NO2
N
HNO2/H2SO4 300℃ ℃
NO2 N
(3)磺化 五元杂环化合物中的吡咯和呋喃 (3)磺化 的磺化反应常用C 为试剂。 的磺化反应常用 6H5N+—SO3为试剂。遇浓硫 酸不发生质子化反应的噻吩， 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。 与浓硫酸进行磺化反应。利用该性质能分离苯 中所含的少量噻吩。 中所含的少量噻吩。
第12章 12章
杂环化合物和生物碱
Heterocyclic compound and Alkaloid
杂环化合物：在环状化合物成环的原子中， 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（ ， ， 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 环醚， 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 成环的原子中也有杂原子， 性质与相应的开链化合物类似， 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： 这些化合物归入杂环化合物中讨论。例如：
H2/Pd
四氢呋喃
O
O
H2/Pd
四氢吡咯
N H
H2/M 2 oS
N H
四氢噻吩
S
H2/Pt
S
六氢吡啶
N
N H
3.氧化反应 3.氧化反应 五元杂环＞ 五元杂环＞苯＞吡啶 五元杂环尤其是呋喃和吡咯对氧化剂十分敏 例如吡咯在空气中放置，颜色很快变深。 感 ， 例如吡咯在空气中放置 ， 颜色很快变深 。 而吡啶只能发生侧链的氧化反应，例如： 而吡啶只能发生侧链的氧化反应，例如：
(CH3CO)2O SnCl4
O S CCH3
S
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， 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。 烷基化反应没有实际应用价值。吡啶则不能 发生傅—克烷酰化反应。 发生傅 克烷酰化反应。 克烷酰化反应 2.加成反应 2.加成反应
2.命名 类似于芳香烃 2.命名 (1)以杂环为母体 (1)以杂环为母体
N3
1
CH3
N H
H3C
O
CH3
N CH3
1-甲基吡咯 -
5-甲基咪唑 -
2,5-二甲基呋喃 -
CH3 HOCH2CH2 S
1
N3
4-甲基-5-(2-羟乙基 噻唑 -甲基- - -羟乙基)噻唑
NH2 N HO N
OH N HO N
O
O
四氢呋喃
N H 四氢吡咯
O
δ-戊内酯
本章主要讨论具有芳香性的杂环化合物， 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杂环化合物。 这类化合物属于芳香族杂环化合物。 芳香烃 芳香族化合物 苯系芳烃 非苯系芳烃
杂环化合物
§12-1 杂环化合物的分类、命名和结构 12- 杂环化合物的分类、
一、分类 按照芳香类杂环化合物分子中环的数目不同分为： 按照芳香类杂环化合物分子中环的数目不同分为： 五元环 单 环 六元环
N
N N N H
O
最常见的 单杂环
稠 由苯环与单杂环或者 N 环 两个以上的单杂环稠和而 成的杂环化合物。 成的杂环化合物。
N
二、命名 1.环的名称及成环原子的编号 1.环的名称及成环原子的编号 杂环化合物多采用音译命名法， 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“ 英文名称译成同音汉字，并用“口”字旁作为 杂环的标志。 杂环的标志。重要的杂环化合物结构和音译名 列举如下： 列举如下： 吡咯 (pyrrole)
H H H
H N H
2P1
吡啶 N：sp2
2.结构与性质 2.结构与性质 五元和六元杂环化合物偶极矩方向及数 值（×10-30 C · m）如下： ）如下：
O
5.76
S
6.33
N H
5.25
N H 3.90
O
2.33
S
1.70
N
6.03
H
N 7.41
在五元杂环化合物中，由于杂原子 轨道 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 个碳原子的2p轨道形成共轭 上的孤电子对与 个碳原子的 轨道形成共轭 体系，电子离域的结果使环上碳原子周围π 体系，电子离域的结果使环上碳原子周围π电 子密度增加，大大超过苯环。 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 效应 效应部分抵消了- 效应， 杂原子的 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 极矩数值明显下降。而吡咯杂原子的 效应大 效应， 于-I效应，所以偶极矩的方向也发生改变。 效应 所以偶极矩的方向也发生改变。 同时， 杂原子的+C效应又使共轭体系内 同时， 杂原子的 效应又使共轭体系内 部两个α 杂原子的邻位） 部两个α位（杂原子的邻位）的电子密度高于 两个β 杂原子的间位）， ），因而亲电取代反 两个β位（杂原子的间位），因而亲电取代反 应优先发生在两个α 应优先发生在两个α位。