第十三章杂环化合物精品PPT课件
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第13章 杂环化合物PPT课件
ZX
CH3CO。 ON2 O
-5 ~ -30 C
Z
NO2
Z
= Z ( NH、O、S)
N+SO3ClC2HCH2Cl
H+ N
HCl
Z SO3
Z SO3H
( Z=NH、O) 噻吩可直接用H2SO4 磺化。
(CH3CO2O ) SnC4l
Z COC3H
五元杂环化合物进行亲电取代反应的特点是：使用较
为温和的试剂或反应条件。
等杂原子的环状化合物，统称为杂环化合物。
非 芳 香 性 杂 环 化 合 物 , 如 ：O、 N、 内 酯 、 环 状 酸 酐 等 。
杂 环 化 合 物
H
芳 香 性 杂 环 化 合 物
本章讨论的就是那些环为平面型，环内π电子数符合
4n+2规则，具有一定芳香性的芳杂环化合物。
杂环化合物的分类：
五元杂环, 如 O
五元杂环化合物亲电取代反应发生在α-位可用共1振3
论解释：
+ E+ Z
= Z (NH、O、S)
+
E ZH
E +Z H
正电荷可在三个原子上离域
E ZH
+
E
E
H
H
+
Z
Z
+
正电荷只能在两个原子上离域
由此可见，进攻2 – 位所形成的共振杂化体比进攻3 –
N H
O
S
2. 六元杂环化合物
0.140
4
吡啶环的键长也发生了较大程度
3
0.139
N2
0.147 单
0.134 0.128 双
的平均化，C ―C键虽与苯相似，但 C ―N键变化很大，因此，其芳香11 性
第十三章 杂环化合物和生物碱ppt课件
OH N HO N CH 3
5-甲基-2,4-二羟基嘧啶 （胸腺嘧啶）
NH 2 N N
6-氨基嘌呤 （腺嘌呤）
OH
N N H
HO
N N N H
N OH
2,6,8-三羟基嘌呤 （尿酸）
N OH
8-羟基喹啉
(2)以杂环为取代基
O
CHO
O 2N
O
CHO
2-呋喃甲醛
5-硝基-2-呋喃甲醛
CH2COOH N
七、嘧啶衍生物
尿嘧啶互变异构
H N O H
O
O HN
N
O
N H
酰胺式
亚胺醇式
NH 2 N HO N
HO N N H O CH 3
NH 2 N O N H
O N H O N H CH 3
胞嘧啶 互变异构
胸腺嘧啶互变异构
八、嘌呤衍生物
腺嘌呤
NH 2 N N N H
O N N H
13
N
HO N H N N 2 N N H
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 150.6 117.5 90.4 66.9 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
O
呋喃 (furan)
S
噻吩 (thiophene)
N H
N N H
1
3
N
咪唑 (imidazole)
3
S
1
有机化学精品课件——杂环化合物
理学、毒理学和临床研究等方面的内容。
05
有机化学与绿色化学
有机化学的发展趋势
1 2 3
新的合成方法
例如，定向合成、组合合成和高选择性催化等 新技术的开发和应用，极大地推动了有机化学 的发展。
新的反应性和反应机制
例如，电化学和光化学反应以及超分子和纳米 反应器等新技术的应用，为有机化学提供了新 的反应性和反应机制。
总结词
杂环化合物在分子生物学领域具有广泛的应用，涉及多种生物学实验技术。
详细描述
杂环化合物可以作为药物分子、基因治疗剂、分子探针等应用于分子生物学研究中。生物学实验技术包括细胞 培养、基因克隆和表达、蛋白质分离和分析等。这些技术可以用来研究杂环化合物在生物体内的吸收、分布、 代谢和排泄等特性。
杂环化合物的应用研究实验
合成方法
通过取代反应
杂环化合物可以通过取代反应合成，如卤代烃、醇、羧酸等 中的杂原子被其他原子取代。
通过成环反应
某些杂环化合物可以通过成环反应合成，如氨基酸、腺苷等 。
02
杂环化合物的种类与性质
含氮杂环化合物
吡啶
弱碱，碱性来自于氮原子上的孤对电子，可参与多种有机反应。
咪唑
碱性较弱，作为配体参与有机反应。
抗疟活性
青蒿素及其衍生物是具有抗疟活性的重要杂环化合物，通过干扰疟原虫的细胞膜 结构和功能，导致疟原虫死亡。
04
有机化学实验技术
杂环化合物的合成实验
总结词
有机化学实验技术中，杂环化合物的合成 实验是掌握杂环化合物性质的重要环节。
VS
详细描述
杂环化合物的合成实验涉及到多种反应类 型，如缩合反应、取代反应、加成反应等 。在实验过程中需要用到各种不同的试剂 和溶剂，如酸、碱、氧化剂、还原剂等。 实验操作也有一定难度，需要掌握一定的 实验技能和操作技巧。
05
有机化学与绿色化学
有机化学的发展趋势
1 2 3
新的合成方法
例如，定向合成、组合合成和高选择性催化等 新技术的开发和应用，极大地推动了有机化学 的发展。
新的反应性和反应机制
例如，电化学和光化学反应以及超分子和纳米 反应器等新技术的应用，为有机化学提供了新 的反应性和反应机制。
总结词
杂环化合物在分子生物学领域具有广泛的应用，涉及多种生物学实验技术。
详细描述
杂环化合物可以作为药物分子、基因治疗剂、分子探针等应用于分子生物学研究中。生物学实验技术包括细胞 培养、基因克隆和表达、蛋白质分离和分析等。这些技术可以用来研究杂环化合物在生物体内的吸收、分布、 代谢和排泄等特性。
杂环化合物的应用研究实验
合成方法
通过取代反应
杂环化合物可以通过取代反应合成，如卤代烃、醇、羧酸等 中的杂原子被其他原子取代。
通过成环反应
某些杂环化合物可以通过成环反应合成，如氨基酸、腺苷等 。
02
杂环化合物的种类与性质
含氮杂环化合物
吡啶
弱碱，碱性来自于氮原子上的孤对电子，可参与多种有机反应。
咪唑
碱性较弱，作为配体参与有机反应。
抗疟活性
青蒿素及其衍生物是具有抗疟活性的重要杂环化合物，通过干扰疟原虫的细胞膜 结构和功能，导致疟原虫死亡。
04
有机化学实验技术
杂环化合物的合成实验
总结词
有机化学实验技术中，杂环化合物的合成 实验是掌握杂环化合物性质的重要环节。
VS
详细描述
杂环化合物的合成实验涉及到多种反应类 型，如缩合反应、取代反应、加成反应等 。在实验过程中需要用到各种不同的试剂 和溶剂，如酸、碱、氧化剂、还原剂等。 实验操作也有一定难度，需要掌握一定的 实验技能和操作技巧。
《有机化学》第13章 杂环化合物和生物碱
4-甲基嘧啶
4-甲基噻唑
⑶ 连有取代基的杂环化合物命名时，也可将杂环作为取代基，以侧链为母体来命名。
4-嘧啶磺酸
β-吲哚乙酸（3-吲哚乙酸）
2-苯并咪唑甲酸乙酯
⑷ 为区别杂环化合物的互变异构体，需标明杂环上与杂原子相连的氢原子所在的位 置，并在名称前面加上标位的阿拉伯数字和大写H的斜体字。
2023/6/13
⑴ 卤代反应
在室温条件下，吡咯、呋喃和噻吩能与氯或溴发生激烈反应，得到多卤代物。将反应 物用溶剂稀释并在低温下进行反应时，可以得到一氯代物或一溴代物。碘化反应需要 在催化剂存在下进行。例如：
2023/6/13
6
（2）硝化反应
在低温条件下，吡咯、呋喃和噻吩能与比较缓和的硝化剂硝酸乙酰酯（CH3COONO2） 发生硝化反应，主要生成α-硝基化合物。例如：
3. 颜色反应
生物碱能与一些试剂发生颜色反应，比如钒酸铵的浓硫酸溶液、浓硝酸、浓硫酸、 甲醛、氨水等，利用此性质可鉴别生物碱。比如莨菪碱遇1％钒酸铵的浓硫酸溶液显 红色，可待因遇甲醛-浓硫酸试剂显紫红色等。
二、重要的生物碱 1. 烟碱 又叫尼古丁，主要以苹果酸盐及柠檬酸盐的形式存在于烟草中。其结构式
2023/6/13
13
血红素是卟啉环与Fe2+形成的配合物；叶绿素是卟啉环与Mg2+形成的配合物，它们的 结构式如下：
血红素在体内与蛋白质结合形成血红蛋白，存在于红细胞中，是人和其他哺乳动物 体内运输氧气的物质。叶绿素是植物进行光合作用不可缺少的物质。
2023/6/13
14
二、呋喃衍生物
呋喃甲醛是最常见的呋喃衍生物，又称为糠醛，它是一种无色液体，沸点为161.7℃， 在空气中易氧化变黑，是一种良好的溶剂。 糠醛是合成药物的重要原料，通过硝化可制得一系列呋喃类抗菌药物，如治疗泌尿 系统感染的药物呋喃坦丁、治疗血吸虫病的药物呋喃丙胺等。
第十三章 杂环化合物
18
三种杂环具有一定程度的芳香性， 原子电负性大小： 三种杂环具有一定程度的芳香性，杂原子电负性大小： 芳香性 电负性大小
O (3.5) ＞ N (3.0) ＞ S (2.5)
对外层电子吸引力 电负性 , 对外层电子吸引力 , 孤电子离域 所以：芳香性与稳定性 所以：芳香性与稳定性: ＞ S π电子密度： 电子密度： 电子密度 稳 定 性： 芳 香 性： 反 应 活 性： ＞ N 杂环 ＞ 苯环 杂环 ＜ 苯环 杂环 ＜ 苯环 杂环 ＞ 苯环 ＞ O , 故芳香性 。
O Furan
N H Pyrrole
S Thiophene
呋喃
N O Oxazole
吡咯
N N H Imidazole
噻吩
N S Thiazole
含多个杂原子
噁唑
O N
咪唑
N H Pyrazole N
噻唑
S N
Isoxazole
Isothiazole
异噁唑
吡唑
异噻唑
8
4.按杂原子的不同分 按杂原子的不同分
··
吡啶的偶极矩与吡咯方向相反： 吡啶的偶极矩与吡咯方向相反： 方向相反
N
N µ= 0 D µ= 2.26 D
N H µ= 1.81 D
这是由于杂环上氮原子作用不同，吡啶环上的N 是吸 这是由于杂环上氮原子作用不同，吡啶环上的 电子作用。（电负性 作用。（ ），在发生亲电取代反应时比苯 电子作用。（电负性 N > C ），在发生亲电取代反应时比苯 。（相当于环上有一个吸电子基 相当于环上有一个吸电子基） 难。（相当于环上有一个吸电子基） 吡咯环上的N 把电子转移给环， 吡咯环上的 把电子转移给环，亲电取代反应时比苯容 相当于环上有一个供电子基） 易（相当于环上有一个供电子基） 21
三种杂环具有一定程度的芳香性， 原子电负性大小： 三种杂环具有一定程度的芳香性，杂原子电负性大小： 芳香性 电负性大小
O (3.5) ＞ N (3.0) ＞ S (2.5)
对外层电子吸引力 电负性 , 对外层电子吸引力 , 孤电子离域 所以：芳香性与稳定性 所以：芳香性与稳定性: ＞ S π电子密度： 电子密度： 电子密度 稳 定 性： 芳 香 性： 反 应 活 性： ＞ N 杂环 ＞ 苯环 杂环 ＜ 苯环 杂环 ＜ 苯环 杂环 ＞ 苯环 ＞ O , 故芳香性 。
O Furan
N H Pyrrole
S Thiophene
呋喃
N O Oxazole
吡咯
N N H Imidazole
噻吩
N S Thiazole
含多个杂原子
噁唑
O N
咪唑
N H Pyrazole N
噻唑
S N
Isoxazole
Isothiazole
异噁唑
吡唑
异噻唑
8
4.按杂原子的不同分 按杂原子的不同分
··
吡啶的偶极矩与吡咯方向相反： 吡啶的偶极矩与吡咯方向相反： 方向相反
N
N µ= 0 D µ= 2.26 D
N H µ= 1.81 D
这是由于杂环上氮原子作用不同，吡啶环上的N 是吸 这是由于杂环上氮原子作用不同，吡啶环上的 电子作用。（电负性 作用。（ ），在发生亲电取代反应时比苯 电子作用。（电负性 N > C ），在发生亲电取代反应时比苯 。（相当于环上有一个吸电子基 相当于环上有一个吸电子基） 难。（相当于环上有一个吸电子基） 吡咯环上的N 把电子转移给环， 吡咯环上的 把电子转移给环，亲电取代反应时比苯容 相当于环上有一个供电子基） 易（相当于环上有一个供电子基） 21
第十三章 杂环化合物 49页PPT文档
Organic Chemistry
第十三章 杂环化合物
Fuzhou University
Organic Chemistry
第十三章 杂环化合物
(Heterocyclic ompounds)
一. 分类和命名 二. 五元杂环化合物 三. 吡 啶 四. 喹啉、异喹啉
Fuzhou University
Organic Chemistry
N H
C H 2C H 2C O 2C H 3 N H
吡咯不能双烯合成
Organic Chemistry
3. 吡咯的其它性质 吡咯的弱酸性，它的pKa=16.5，比酚弱，比醇强， 可与强碱（NaNH2， KNH2、RMgX）或金属作用。
Fuzhou University
Na , K
N H
或浓NaOH
Organic Chemistry
Br2
300℃ N
Br N 39%
Br2 Br
20℃ N NH2
N NH2 90%
Fuzhou University
亲电取代可以进行，但比较难。 芳环上有给电子取代基时，有利于亲电取代。
Organic Chemistry
3.亲核取代反应，主要生成α位取代产物
Organic Chemistry
一、分类和命名 杂环化合物
单杂环 稠杂环 巨杂环 螺杂环 桥杂环 杂环多面体
Fuzhou University
Organic Chemistry
单杂环
三元杂环 O S
四元杂环
NN S
五元杂环 O
O
六元杂环 NN H
七元杂环
N H
Fuzhou University
第十三章 杂环化合物
Fuzhou University
Organic Chemistry
第十三章 杂环化合物
(Heterocyclic ompounds)
一. 分类和命名 二. 五元杂环化合物 三. 吡 啶 四. 喹啉、异喹啉
Fuzhou University
Organic Chemistry
N H
C H 2C H 2C O 2C H 3 N H
吡咯不能双烯合成
Organic Chemistry
3. 吡咯的其它性质 吡咯的弱酸性，它的pKa=16.5，比酚弱，比醇强， 可与强碱（NaNH2， KNH2、RMgX）或金属作用。
Fuzhou University
Na , K
N H
或浓NaOH
Organic Chemistry
Br2
300℃ N
Br N 39%
Br2 Br
20℃ N NH2
N NH2 90%
Fuzhou University
亲电取代可以进行，但比较难。 芳环上有给电子取代基时，有利于亲电取代。
Organic Chemistry
3.亲核取代反应，主要生成α位取代产物
Organic Chemistry
一、分类和命名 杂环化合物
单杂环 稠杂环 巨杂环 螺杂环 桥杂环 杂环多面体
Fuzhou University
Organic Chemistry
单杂环
三元杂环 O S
四元杂环
NN S
五元杂环 O
O
六元杂环 NN H
七元杂环
N H
Fuzhou University
有机化学精品课件——杂环化合物
11
▪ 取代位置
E+ A
+
A
E
α-取代
▪反应中间体的相对稳定性 主要产物
E
A
β-取代
E+
A
取代
E+
A
β-取代
AE
E A
AE
H
A E 三个主要共振式稳定
贡献最大 （满足八隅体）
E H
二个主要共振式不稳定
A
贡献最大
（满足八隅体） 12
▪ 亲电取代反应举例 注意：五员杂环较活泼，遇酸不稳定
A
（吡咯，呋喃，噻吩）
ONa
CO2 加压
OH
CO2
H+
OH
CO2H
Kolbe-Schmitt反应
OH CHCl3
OH
OH
CHO +
O OC R
AlCl3
O OH RC
OH
Reimer-Tiemann反应
CHO OH
+ C
OR
Fries重排
39
5. 呋喃、吡咯和噻吩环的制法
呋喃、吡咯和噻吩环的制备方法，常采用1,4-二羰 基化合物为原料。
起作用
• 三个共振式 • 推电子基使
稳定
22
(ii) 位有吸电子基
43
5
A
W
E+
进入5位
E+ 进入3位
E AW
E+ 进入4位
E
不稳定
A
W
最稳定
E
A
W
E
A
W
• 二个共振式 • 吸电子基使
不稳定
• 二个共振式 • 吸电子基未
▪ 取代位置
E+ A
+
A
E
α-取代
▪反应中间体的相对稳定性 主要产物
E
A
β-取代
E+
A
取代
E+
A
β-取代
AE
E A
AE
H
A E 三个主要共振式稳定
贡献最大 （满足八隅体）
E H
二个主要共振式不稳定
A
贡献最大
（满足八隅体） 12
▪ 亲电取代反应举例 注意：五员杂环较活泼，遇酸不稳定
A
（吡咯，呋喃，噻吩）
ONa
CO2 加压
OH
CO2
H+
OH
CO2H
Kolbe-Schmitt反应
OH CHCl3
OH
OH
CHO +
O OC R
AlCl3
O OH RC
OH
Reimer-Tiemann反应
CHO OH
+ C
OR
Fries重排
39
5. 呋喃、吡咯和噻吩环的制法
呋喃、吡咯和噻吩环的制备方法，常采用1,4-二羰 基化合物为原料。
起作用
• 三个共振式 • 推电子基使
稳定
22
(ii) 位有吸电子基
43
5
A
W
E+
进入5位
E+ 进入3位
E AW
E+ 进入4位
E
不稳定
A
W
最稳定
E
A
W
E
A
W
• 二个共振式 • 吸电子基使
不稳定
• 二个共振式 • 吸电子基未
有机化学精品课件——杂环化合物
杂环化合物在材料科学中具有广泛的应用，因为它们可以提供优良的物理和化学性能。例如，聚酰亚胺、聚醚醚酮等杂环高分子材料在航空航天、电子和汽车等领域广泛应用。
杂环化合物作为材料合成的关键组分，能够提高材料的耐热性、耐腐蚀性和机械性能等，同时降低生产成本和提高生产效率。
杂环化合物的研究进展与展望
05
在亲电反应机理中，试剂的性质和杂环化合物上的取代基的性质都会影响反应的进程和产物的生成。因此，在选择合适的试剂和反应条件时，需要考虑这些因素。
亲核反应机理是指反应过程中，试剂首先进攻杂环化合物上的电子云密度较高的部位，从而形成负碳离子中间体。然后，负碳离子中间体再与试剂发生反应，形成新的键，最终生成产物。
杂环化合物的应用
04
杂环化合物在药物合成中具有广泛的应用，因为它们具有独特的化学结构和生物活性。例如，嘧啶衍生物在抗肿瘤药物中发挥重要作用，喹啉衍生物具有抗菌和抗癌活性。
杂环化合物作为药物合成中的关键中间体，可用于合成多种类型的药物，如抗高血压药物、抗病毒药物和抗癌药物等。
VS
杂环化合物在农药合成中具有不可替代的地位，因为它们可以提供高效、低毒、低残留的农药。例如，吡啶衍生物可用于合成除草剂和杀虫剂，嘧啶衍生物可用于合成杀菌剂和杀虫剂。
杂环化合物作为农药合成的关键组分，能够提高农药的生物活性、选择性和稳定性，从而降低对环境和人体的危害。
杂环化合物在染料合成中具有重要作用，因为它们可以提供鲜艳的色彩和优良的染色性能。例如，偶氮染料和酞菁染料等杂环染料在纺织品、皮革和纸张等领域广泛应用。
杂环化合物作为染料合成的关键组分，能够提高染料的色牢度和稳定性，同时降低生产成本和对环境的污染。
杂环化合物的物理性质与其结构密切相关，如熔点、沸点、溶解度等。
第13章杂环化合物PPT课件
O
pyran 吡喃
N
pyridine 吡啶
N
N
pyrimidine 嘧啶
第5页/共21页
稠杂环
N
quinoline 喹啉
N
H
indole 吲哚
N
N
NN
H
purine 嘌呤
注：红色字体的杂环结构必须记住
第6页/共21页
杂环化合物的编号原则
1、环上只有一个杂原子时，杂原子的编号为1。
有时用希腊字母编号，靠近杂原子的碳原子为α 位，其次为β位，再次为γ位。
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。
第4页/共21页
五元单杂环
O
furan 呋喃
N
H
pyrrole 吡咯
S
thiophene 噻吩
N
S
thiazole 噻唑
N
N H
imidazole 咪唑
六元单杂环
等电子的共轭体系。 （ ）×
4、下列不具有芳香性的是（ C）
A、吡啶 B、吡咯
C、环已烯
D、苯
5、①吡啶 ②苯 ③吡咯发生亲电取代反应的活性顺序为（ C）
A、①＞②＞③
B、②＞①＞③
C、③＞②＞①
D、①＞③＞②
第19页/共21页
6、下列化合物中属于杂环化合物的是（ C）
O
N
O
S
H
A、
B、
C、
、
O
C O
第2页/共21页
13.1 杂环化合物的分类和命名
1.分类
有机化学-第十三章
3.命名
取代基位号及名称加上母环的名称即为杂环化合物的 名称，例如：
课堂练习
1、命名下列杂环化合物： （1）
Br
(2)
CH3
N
O
NO2
2 – 硝基 – 4 –溴呋喃
3 – 甲基吡啶
杂环化合物的结构与芳香性
一、五元单杂环化合物的结构和芳香性
五元单杂环如呋喃、噻吩、吡咯，在结构上，都符 合 Huckel 的关于芳香性的规则，即环上原子共平面，彼 此以 σ 键相连接，四个碳原子各有一个电子在 p 轨道 上，杂原子有两个电子在 p 轨道上，这些 p 轨道都垂直 于σ 键所在的平面，相互重叠形成大 π 键——闭和的 共轭体系，π 电子数目为4n+2。结构如图所示：
亲电取代反应主要发生在 α 位上
二、定位规律
对五元杂环的亲电取代反应环上取代基有一定的定位 作用，以噻吩为例，说明如下： （1）当 α 位上有邻对位定位基(x)时，亲电试剂(E)主 要进入 5 位，3 位次之：
（2）当 α 位上有间定位基（Y）时，则 E 主要进入 4 位，少量进入 5 位：
近年发现不少天然存在的呋喃或氢化呋喃衍生物，具 有明显的生物活性或药用价值。例如，从重斑病感染的薯 类植物块根中分离的苦味成为含多种呋喃衍生物，如3-呋 喃甲酸，巴他酸（bacatic acid）,番薯酮等
二、α-呋喃甲醛
1.来源与制备 呋喃甲醛最初是从米糠中得来，故俗称糠醛，因为这 些农副产品中都含有戊聚糖，在稀酸作用下水解成戊醛糖 ，再进一步脱水环化，得到糠醛:
4）综上所述，它们的芳香性由强到弱的顺序为：
二、六元单杂环化合物的结构和芳香性
吡啶具有六元单杂环的典型结构和苯的结构很相似， 是苯中的一个碳原子被氮原子代替，氮原子以 sp2 杂化 轨道和两个相邻碳原子的 sp2 杂化轨道形成两个 σ 键 。环上每个原子均有一个 p 轨道垂直于环的平面，组成 闭合的6电子大 π 轨道，因此，吡啶环也有芳香性。吡 啶的结构如图所示：
201213新版有机化学杂环化合物
2
α NH N N HN γ
3 4
1
δ
8
β
5
7
6
1964年，Woodward用55步合成了叶绿素。1965年接着合成VB12，
用11年时间完成了全合成。 Woodward一生人工合成了20多种结构 复杂的有机化合物，是当之无愧的有机合成大师。Woodward 20岁 获博士学位，30岁当教授，48岁时（1965年）获诺贝尔化学奖。
2、其他常见化合物
痢特灵
NO2
Me
O
CH=N O
N
Me
血 红 素
=
N Fe N
N N Me CO2H
O
Me HO2C
武汉大学医学有机化学2012
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。 血红素的功能是运载输送氧气，叶绿 素是植物光合作用的能源。
吡咯钾盐和吡咯卤化镁都可用来合成吡咯衍生物
RCOCl N H
KOH（固体） 热
N K
N COR RI N R
N COR RI N R
N H N H
N H N H
COR
R
RCOCl COR
RMgX
N H
干乙醚
N MgX
R
武汉大学医学有机化学2012
四、重要化合物
1. 糠醛(－呋喃甲醛)
由农副产品如甘蔗杂渣、花生壳、高粱杆、棉子壳……用稀酸加热蒸煮制取。
O furan 呋喃
有机化学杂环化合物
活性部位
02
由于杂原子的存在，亲核取代反应也可能发生在杂原子位置，
形成新的杂环化合物。
反应机理
03
亲核试剂首先与杂环化合物形成σ络合物，然后进行质子转移，
生成取代产物。
加成反应
01
电性影响
杂环化合物的电性受其杂原子的电负性和电子云密度影响，使得加成反
应在杂环化合物中具有特定的选择性。
02
加成位置
加成反应一般发生在杂环的电子云密度较高区域，通常是杂原子的邻位
配位化学：杂环化合物 中的非碳原子可提供孤 对电子，与金属离子形 成配位键，因此可作为 配体应用于配位化学和 金属有机化学中。
总之，杂环化合物是一 类具有丰富多样性结构 和性质的有机化合物， 其研究不仅有助于深化 对有机化学基本规律的 认识，还能为相关领域 提供广泛的应用前景。
02
五元杂环化合物
呋喃（furan）
嘧啶（pyrimidine）
结构特征
嘧啶是一个含有两个氮原子的六元杂环化合物，其分子内具有共轭 双键体系。
合成与应用
嘧啶类化合物可通过多种合成方法获得，如Pinner反应等。嘧啶及 其衍生物在生物医药领域具有广泛应用，如抗病毒药物、抗癌药物 等。
生物活性
许多嘧啶类化合物具有显著的生物活性，可作为核酸碱基的类似物 ，干扰核酸的合成与代谢，从而发挥治疗作用。
芳香性
呋喃具有芳香性，由于其分子中 含有一个氧原子，使得其电子云 密度分布较为均匀，呈现出特殊
的稳定性。
合成与应用
呋喃可以通过多种合成方法得到， 并在有机合成中作为重要的中间体 。它可以发生诸多反应，如亲电取 代反应、加成反应等。
物理性质
呋喃为无色液体，具有特殊的气味 ，微溶于水，易溶于有机溶剂。
有机化学 第13章 杂环化合物
-5-30℃
O 2—硝基呋喃（35 ％)Fra bibliotekNO2
3.磺化
O
SO3—吡啶 CH2Cl—CH2Cl
O SO3H
2—呋喃磺酸 （41％)
4.傅瑞德尔—克拉夫茨酰基化
+ (CH3CO)2O
O
BF3 CH3COOH
O
C O
CH3
2—乙酰基呋喃 （75—92％)
（二）加成反应 1.催化加氢
2.1, 4-加成反应（狄尔斯—阿尔德反应：D-A反应）
H N N H3C O N
O
CH3 N
N CH3
咖啡碱
N
核酸分子中有腺嘌呤和鸟嘌呤。
习题1
(1)
习题2
O CHO (2) O CH2OH
（1）2—甲基呋喃； （2）5—甲基—2—呋喃甲酸； （3）2—噻吩磺酸； （4）N—甲基吡咯 （或1—甲基吡咯）； （5）3—硝基吡啶； （6）2，3—吡啶二甲酸； （7）2—甲基喹啉； （8）8—羟基喹啉。
（二）化学性质 1.弱碱性 与强酸可成盐。 2.亲电取代反应 发生在苯环上。
NO2
HNO3,H2SO4
N
0℃
+
N NO2 N
3.亲核取代反应
发生在吡啶环上。
NaNH2 液NH3
NH2
N
N
4.氧化反应
苯环先被氧化。
KMnO4 100℃
COOH COOH
N
2，3-吡啶二甲酸
N
△ _ CO 2
COOH N
（四）几种常见稠杂环。
第十三章 杂环化合物
OH N N OH N N OH H
尿酸
尿酸是嘌呤最重要的衍生物，人的血液内含少量尿酸， 是核蛋白的一种代谢产物。鸟类、爬虫类的生物，蛋白 质的代谢产和尿酸，而人和其他高级动物则是尿素，当 然尿内也含有少量尿酸。
OH N OH N i N N OH H O
尿酸
O N N ii N NH O
核酸的生命活动很重要，它决定生命的遗传及蛋白质的 合成作用的物质，核酸中存在的嘌呤环系是腺嘌呤和鸟 嘌呤。
S
+ I2
0℃ S I
S
+
CH3COOH Br2 室温
S
+ HBr Br
I I N H I I
+ 4I2 +4NaOH
N H
+ 4NaI + 4H2O
吡咯反应活性更高，常卤化得四卤化物，即使与 碘反应也不例外：
2. 加成反应 呋喃、噻吩、吡咯均可进行催化加氢反应，失 去芳香性而得饱和杂环化合物。呋喃、吡咯可用 一般催化剂，噻吩能催化剂中毒，需用特殊催化 剂：
+ CH3C
OH
+
O
O CH3C ONO2
50C ~ 300C O
+ CH COOH
3
NO2
+
S
O 00C CH3CONO2 S
100C N H
NO2 （主）
+
NO2 S
（次）
+
N H
CH3COONO2
NO2
（主）
+
N H
NO2
（次）
（2）磺化 呋喃、噻吩、吡咯也需避免直接用硫 + 酸磺化，常用温和的非质子磺化试剂（H 与杂原 子结合，就会破坏环的共轭体系），常用吡啶与 SO3加成物作为磺化剂进行反应：
杂环化合物PPT课件
R3 C O
CH
R2
X
COOC2H5
pyridine
+
CH2
O C R5
R3
COOC2H5
R2 O R5 Feist-Benery Reaction
H2N-R1
R3
COOC2H5
R2 N R5 Hantzesch Reaction R1
杂环化合物的合成
1、五元杂环化合物的合成
• 吡咯和呋喃的一般合成方法
OH
R
NNO
HO OH
NH N
O
N R = -CH2OH, -CHO, -CH2NH2
维生素B2
维生素B6
OS
H N
O N HO
OH
维生素H
食品中的杂环化合物
食品中的杂环化合物
食品中的杂环化合物
二、杂环化合物的合成
杂环化合物的合成
• 杂环化合物的重要不仅仅在于药物中的应用 • 据统计，在现今已知的有机化合物中，杂环
杂环化合物
一、药物与杂环化合物
药物中的杂环化合物
药物中的杂环化合物
天然存在的青霉素
药物中的杂环化合物
•常用喹诺酮类抗菌药
OO
N
OH
HN
N NN
吡哌酸
F
HN N
OO OH
N
环丙沙星
药物中的杂环化合物
C6H5 C6H5 N N
Cl
克霉唑
• 唑类抗真菌药
Cl Cl
N N
O N
Cl
Cl
昔康唑
药物中的杂环化合物
杂环化合物的合成
1、五元杂环化合物的合成
• 吡咯和呋喃的一般合成方法 • A、[2+3]型环合反应 • 可以有三种方式，但共同之处在于：采用含
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5 6
7 8
COOH
4 3
N2
1
4-异喹啉甲酸
NH2
65
1N
N7
2 N 4 N9 8 3H
6-氨基嘌呤（不叫6-嘌呤胺）
当N上连有取代基时，往往用“N”表示取代基
的位置。
N__CH3 （N-甲基吡啶）
第二节 五元杂环化合物
一、呋喃、噻吩、吡咯的结构
O
N
S
H
呋喃
噻吩
吡咯
. .
.
. ..
.
. .
.
. ..
第一节 杂环化合物的分类和命名 一、杂环化合物的分类
单杂环
根据环的形式分类
杂
稠杂环
环
根据环中杂原子的数目分类
五元杂环
六元杂环。
芳环并杂环 杂环并杂环。
含一个杂原子杂环 含两个杂原子杂环
二、杂环化合物的命名
1.译音法
根据杂环化合物的英文名称，选择带“口”字偏 旁的同音汉字来命名。
O
S
N
H
呋喃
噻吩
吡咯
②若含有多个相同的杂原子，则从连有氢或取代
基的杂原子开始编号，并使其他杂原子的位次尽可能
最小。
C H 3 _ _4
5
1
N
N3
2
H
（4-甲基咪唑）
③若含有不相同的杂原子，按O、S、N的顺序编号。
C l_ _4 N 3 5S 2
1
（4-氯噻唑）
某些特殊的稠杂环，不符合以上编号规则，有其 特定的编号。
第十三章 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 糠醛 第四节 六员杂环化合物
*第五节 生物碱
第十三章 杂环化合物
概述
杂环化合物是指由碳原子和氧、硫、氮等杂原子 共同组成的，具有环状结构的化合物。
本章所要讨论的杂环化合物是环系比较稳定，具有 一定芳香性的化合物。
环醚、内酯、内酐和内酰胺等，不属杂环化合物。
(furan) (thiophene) (pyrrole)
N
N
N
S
H
咪唑
噻唑
(imidazole) (thiazole)
N
吡啶 (pyridine)
O
N N
N N
吡喃
嘧啶
吡嗪
(pyran) (pyrimidine) (pyrazine)
N H 吲哚
(indole)
N 喹啉
(quinoline)
N 异喹啉
(2)杂环编号 杂环上连有取代基时，需要给杂环 编号，编号规则如下。
①从杂原子开始编号，杂原子位次为1。当环上只 有一个杂原子时，也可把与杂原子直接相连的碳原子 称为α位，其后依次为β位和γ位。
4
3
5 O_2 _CHO
1
2-呋喃甲醛（糠醛） (α-呋喃甲醛)
5 4
6
3
7 8 N2 1 OH
8-羟基喹啉 （不叫8-喹啉酚）
S+H 2 浓 S O 4
S__S O 3H +H 2O α-噻吩磺酸
α-噻吩磺酸能溶于浓硫酸，而且易发生水解反应。
S _ _ S O 3 H + H 2 O 1 0 0 ~ 1 5 0 ℃ S+ H 2 S O 4 （ 稀 ）
利用此性质可分离或除去粗苯中的噻吩。
2.加成反应
O +2H2100℃ Ni,5M Pa O 四 氢 呋 喃
Pd
S +2H2 0.2~0.4MPa S 四氢噻吩
N
+ 2H2
Ni 200℃
N
H
H
四氢吡咯
第四节 六元杂环化合物
一、吡啶的结构
N
...
. .
.
..
N原子为sp2杂化
吡啶π电子数符合休克尔规则，具有芳香性。吡 啶的芳香性比苯弱。
吡啶
二、吡啶的性质 1.碱性
吡啶存在于煤焦油及页岩油中。是一种弱碱，能使湿润的 石蕊试纸变蓝，可用此性质鉴定吡啶。吡啶能与无水氯化钙生 成配合物，所以不能使用氯化钙干燥吡啶。
.
. .
.
. ..
呋喃、噻吩、吡咯π电子数符合休克尔规则（4n+2），因
此具有芳香性。
在呋喃、噻吩、吡咯分子中，是由5个原子，6个π电子组
成的共轭体系，使环上碳原子的电子云密度增加，所以称为富 电子芳杂环或多π电子芳杂环。
另外，吡咯分子中的氮原子上连有一个氢原子，由于氮原 子的p电子参与了环上共轭，降低了对这个氢原子的吸引力， 使得氢原子变得比较活泼，具有弱酸性。
S + C H 3 C O O N O 2 乙 酸 0 或 ℃ 乙 酐 S _ _ N O 2 + C H 3 C O O H N H+ C H 3 C O O N O 2-乙 1 0 酐 ℃N H _ _ N O 2+C H 3 C O O H
呋喃、噻吩、吡咯的硝化，常使用比较缓和的硝 化剂（硝酸乙酰酯）在低温下进行硝化。硝酸乙酰酯 由硝酸和乙酸酐反应制得。
S +Br2CH3COOH S__Br+HBr
2-溴 噻 吩
N+4I2+4N aO H H
II_ _ _ _N_ _ _ _II+4N aI+4H 2O
四 碘 吡 咯
(2)硝化
O + C 硝 H 酸 3 C 乙 O 酰 O N 酯 O 2-5 ~ 3 0 ℃O _ _ N O 2+ C H 3 C O O H
呋喃、噻吩、吡咯分子中各原子间的键长并不完全相等， 因此芳香性比苯差。
电负性强弱顺序是：氧>氮>硫，
芳香性强弱顺序是：苯＞噻吩＞吡咯＞呋喃。
呋喃
噻吩
吡咯
二、呋喃、噻吩、吡咯的性质
呋喃存在于松木焦油中，其蒸气遇到浸过盐酸的 松木片时呈绿色，叫做松木片反应。此现象可用来鉴 定呋喃。
噻吩存在于煤焦油的粗苯及石油中，在浓硫酸存 在下，与靛红一同加热显示蓝色，反应灵敏。可用来 检验噻吩。
(3)磺化
呋喃和吡咯遇酸容易发生环的破裂，磺化时常使用 比较缓和的磺化剂（吡啶三氧化硫）。
O+ N S O 3C lC H 2 C H 2 C l O _ _S O 3 H + N
吡 啶 三 氧 化 硫
α-呋喃磺酸
N+ NSO 3 H
N__SO 3H+ N H α-吡咯磺酸
噻吩在室温下可溶于浓硫酸，并发生磺化反应。
吡咯存在于煤焦油和骨焦油中，其蒸气或其醇溶 液能使浸过盐酸的松木片呈红色，此反应可用来鉴定 吡咯。
1. 亲电取代反应
呋喃、噻吩、吡咯都比苯容易发生亲电取代反
应，取代主要发生在α位。它们反应的活性顺序为：
吡咯＞呋喃＞噻吩＞苯。
(1)卤化
O+Br2二 2氧 5℃ 六 环 O__Br+HBr
2-溴 呋 喃 （ 75% ）
(isoquinoline)
NN
N
NN
S
嘌呤H 苯并噻唑
(purine)
(benzothiazole)
2.系统命名法
适用于杂环衍生物的命名
(1)选母体 与芳香族化合物命名原则类似，当杂 环上连有－R、－X、－OH、－NH2等取代基时，以 杂环为母体；如果连有－CHO、－COOH、－SO3H 等时，把杂环作为取代基 。