第十二章 杂环化合物

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12 杂环化合物《有机化学》

12 杂环化合物《有机化学》

Br
(80%)
O
O Cl2
-40℃ , CH3COOH
Cl
O
(64%)
Br2
CH3COOH
Br
S
(78%)
S Cl2
50℃
Cl
S
(36%)
I2,HgO C6H6, 0℃
I
S
(70%)
吡咯极易卤化生成四卤吡咯。
(2)硝化
呋喃和吡咯很易被氧化,遇无机酸容易发生聚合, 因而不能用硝酸硝化。通常用比较温和的非质子硝化试 剂,如用硝酸乙酰酯
离域能 呋喃、吡咯和噻吩的离域能分别为: 67 kJ·mol-1、 88 kJ·mol-1和117 kJ·mol-1 比苯的离域能(150.5 kJ·mol-1 )低,但比大多数共 轭二烯烃的离域能(约12~28 kJ·mol-1 )要大得多。
芳香性:苯>噻吩>吡咯>呋喃
2、 呋喃、噻吩和吡咯化学性质
有机化学 第12章 杂环化合物
基本要求:
• 1.掌握呋喃、吡咯、噻吩、吡啶、嘧啶、 喹啉、吲哚、嘌呤及其衍生物的命名。
• 2.掌握呋喃、吡咯、噻吩、吡啶的结构 与芳香性的关系,结构与亲电取代反应 活性的关系。
• 3.掌握吡咯和吡啶的酸碱性,呋喃、吡 咯、噻吩、吡啶的亲电取代反应(卤代、 磺化),还原反应,吡啶侧链的氧化反应。
COOH
(烟酸 )
N
HNO3
COOH
COOH
N

COOH △
N
N
吡啶可被催化加氢或用乙醇和钠还原而成为六氢吡啶。
Na + C2H5OH
N
或 H2/Pt ,0.3MPa,25℃
N H
常见吡啶衍生物

第12章杂环化合物和生物碱

第12章杂环化合物和生物碱

嘌呤(purine)
2、系统命名法
① 从杂原子开始 1,2,3,4……(或用希腊字母α、β、 γ…… ) ② 当环上含有两个或两个以上相同的杂原子时,应使杂原子 所在位次的数字最小 ③ 不止一个杂原子,按O,S,N顺序编号
第十二章 杂环化合物和生物碱 5
4
3
H3C 5 O 2 CH3 1
4 COOH 3 5 2 6 N 1
第十二章 杂环化合物和生物碱 25
嘌呤
N H
N N
N
N
NH2 N N N H
N H
O HN H2N N N H N
N H
Purine
腺嘌呤( A) Carbazole
鸟嘌呤(G)
嘌呤有(Ⅰ)和(Ⅱ)两种互变异构体:
N N N H
N
N N N
NH
(I)9H-嘌呤
(II)7H-嘌呤
第十二章 杂环化合物和生物碱 26
2. 亲核取代 由于氮的吸电子作用,使得吡啶环上电子云密度减低, 不易进行亲电取代,但却有利于亲核取代。例如它与氨基 钠作用,生成α-氨基吡啶。
+ NaNH2 N
-H2 H2O
N
NHNa
N
NH2
3.酸碱性 呋喃、噻吩为中性;吡咯具有弱碱性。吡咯属仲胺,似乎应具 有较强的碱性,但由于氮原子的孤对电子参与形成闭合的共轭体 系,氮原子上的电子密度有所降低,吸引质子的能力降低,因此 吡咯的碱性(pKb=13.6)非常微弱,不但比脂肪族仲胺弱得多, 而且比芳香胺还弱,以至它与酸不能生成稳定的盐;另一方面, 氮原子上的氢原子离解为离子的倾向增大,这就使吡咯反而有弱 酸性,其酸性介与乙醇和苯酚之间,可与固体KOH(或与金属 15 第十二章 杂环化合物和生物碱 K,Na)共热,形成不稳定的盐,遇水即分解。

杂环化合物

杂环化合物

CH O P O HO
CH3
OH
CH2OH
一.吡啶的衍生物
(1)维生素PP :参与机体氧化还原,降胆固醇,抗糙皮病.
COOH
CO NH2
N
N
,
β-吡啶甲酸 (烟酸) β-吡啶甲酰胺
(2) 雷米封 (异烟酰肼) 抗结核菌
CO NH NH2
干扰结核菌
利用β-吡啶甲酰胺
N
,
第四节 生物碱
(一)麻黄碱
兴奋交感神经,扩张气管,增高血压 .
与无机酸能形成盐:
+ HCl N
+ Cl N
H
(三)吡啶的亲电取代反应
电子云密度较低,不易进行亲电取代反应 ★ 亲电取代活性:
吡咯 >苯 > 吡啶
稳定性: 苯环 > 吡啶 > 吡咯
KNO3+H2SO4 Fe 350 。C N
NO 2 N
氮相当于间位定位基
(四)吡啶的氧化和还原反应
CH3
KMn O4
第十二章 杂环化合物
heterocyclic compound
目的要求
1、掌握杂环化合物的概念及命名。
2、掌握主要的杂环化合物(呋喃、吡啶、咪 唑、 吡咯、嘧啶、吲哚、嘌呤)。
3、了解杂环化合物的芳香性。
说明:结构特点:
1.分子结构的环中含有一个或多个杂原子. (常见杂原子有:O、S、N)
2.环系较稳定,应是环闭的共轭体系,有芳性. 称为非苯芳香族化合物.
π6 5
呋喃
π6 5
噻吩
大π键 杂原供电子数 环上电子云
2
升高
2
升高
2
升高Biblioteka 说明:形成环状离域大π键:键长平均化,电子云密度平均化,

(2012)有机化学第十二章杂环

(2012)有机化学第十二章杂环

N
2
1
6
5
NH
8
7
N
2

6 5
N
8
7
N
3
4
N
9
N
3
4
H N
9
H 7
嘌呤
9H
嘌呤
• 在杂环母环名称确定后,就可以参照芳香 族化合物的命名方法命名。例如:
3 N 2 4 1
C H C H C O O H 2 N H 2
6 5
N
2 3
N 1 H
5
C O N ( C H ) 2 5 2
4
• α-氨基-β-(4-咪唑基)丙酸
• 二、命名(母核) • 杂环化合物的命很复杂。主要讨论最 常用的译音法,即将杂环母核根据国 际通用英文译音,选同音汉字再加 “口”字旁命名。例如:
O
呋喃 F u r a n
S 噻吩 T h i o p h e n e
吡咯 P y r r o l e
H N
N O 恶 唑
N S 噻 唑 N H N
第十二章 杂环化合物
N H 2 N ON H
O H N ON H
O H 3 N C H ON H
• 胞嘧啶
尿嘧啶
胸腺嘧啶
N H 2 N N N N H
• 腺嘌呤
O H N N H NN N 2 H
鸟嘌呤
• 杂环化合物是指成环的原子除碳以外还有 其它元素的原子(即杂原子)的化合物, 常见的杂原子有O、S、N等。但下述化合 物容易开环,性质与脂肪族的化合物相似, 不属于杂环化合物范畴。
二、化学性质
• 1.酸碱性 吡咯分子中氮要上的未共用电 子对参与了形成环状共轭体系,氮上的电 子云密度降低,故不能接受质子。相反, N-H的极性增强,表现出一定的弱酸性。

有机化学第12章 杂环化合物

有机化学第12章 杂环化合物

生物碱
存在于植物体内的一类碱性含氮有机化合物称为生物碱。
HO O
CH3 N H O-C-CH 952年确定结构。)
H O-C H
C H3O
颠茄碱(阿托品)
CH=C H2
N N CH3
N 金鸡纳碱(奎宁)
烟碱(尼古丁)
有芳香性
有芳香性
12.3 五元杂环化合物
12.3.1 呋喃
存在于松木焦油中,为无色液体,难溶于水,易溶于有机溶剂。其蒸汽遇 有被盐酸浸过的松木时,即呈绿色(叫松木反应,鉴别呋喃的存在)。
工业上用糠醛(-呋喃甲醛)制备:
(1)呋喃的制备
• 实验室采用糠酸加热脱羧制得:
(2)化学性质
呋喃具有芳香性,较苯活泼,容易发生取代反应;还有一定程度的不饱和 化合物的性质(发生加成反应)。
芳香性强弱的次序
苯 > 噻吩 呋喃 112 离域能:152
取代反应活性的次序
>
吡咯
>
88
62 KJ/mol
位电子 云密度 -0.10
• 吡咯 > 呋喃 > 噻吩 > 苯 -0.03 -0.06 0 (不一致)
(2)六元杂环化合物——吡啶
氮原子与碳原子处在同一平面。 吡啶的结构与苯相似,符合休克尔规则,具有芳香性。
第12章 杂环化合物
一般把除碳以外的成环原子叫杂原子,常见的杂原子有氧、硫和氮:
• 环系中可含一个、两个或多个相同或不同的杂原子。
•环可以有三元环、四元环、五元环、六元环或更大,可以 是稠合的环。
• 杂环化合物种类繁多,约占全部已知有机化合物的 三分之一。
• 已经学过的杂环化合物:
• 本章介绍的是具有不同芳香性的杂环化合物(简称芳杂 化合物)。

【有机化学】杂环化合物【课件PPT】

【有机化学】杂环化合物【课件PPT】

NN
O + Br2 0 OC
O Br 80%
S
95% H2SO4
25oC
S
SO3H (69~76%)
21
+ Ac2O
N
乙酸酐
H
N H
CH3 O
吡咯和呋喃遇强酸时, 杂原子能质子化, 使芳香大 键破坏, 所以不能用强酸进行硝化和磺化反应, 需选用较温和的非质子性试剂。例如吡咯硝化需 用硝酸乙酰基酯。
1N 6 5
7
N
2
N
3
4
NH9
8
嘌呤
嘌呤是由咪唑和 嘧啶两个杂环稠 合而成。
23
6
1N 5
7
N
2
8
N
3
4
NH9
9H-嘌呤
N Quinoline
6
1N 5
7
NH
2 N4 N 8
39
7H-嘌呤
N Isoquinoline
CH3O
CH3O
N
罂粟碱
OCH3
OCH3
24
水溶度: ∞ 1:1
1:1
微溶
答: 吡啶能与水形成氢键。羟基或氨基取代的 吡啶因分子间氢键的形成而降低了水溶度。
14
2. 碱性:吡啶环 N 原子的孤电子对处于sp2杂化 轨道上,而一般脂肪胺N上的孤电子对处于sp3杂化 轨道。前者碱性较弱 (pKb=8.8) 。
+ HCl N
+ Cl N H
碱性比较:脂肪胺 >>
N N Pyridazine
哒嗪
N
N Pyrimidine
嘧啶
N
N Pyrazine

第十二章杂环化合物

第十二章杂环化合物

第十二章杂环化合物【学习目标】1、说出杂环化合物的概念;2、能按照IUPAC(1979)原则对杂环化合物进行命名;3、掌握简单杂环化合物的结构特点,了解其性质和应用;4、认识常见的杂环化合物的衍生物,了解它们的应用。

在有机化合物中,除碳、氢以外的其他元素的原子通常被称为杂原子,而在环状化合物中,如果其环中除碳原子外,还含有杂原子,则该环即为杂环,该化合物称为杂环化合物,杂环中所含杂原子一般为氮、氧、硫等。

杂环化合物在自然界中分布广泛,例如,植物中的叶绿素和动物血红蛋白中的血红素同属卟啉类的杂环化合物,由于其结构中心的金属离子不同而显不同颜色,叶绿素为镁卟啉显绿色,血红素为铁卟啉显红色;此外,其他如核酸中含嘌呤、嘧啶等杂环化合物等等。

在现代药物体系中,含杂环结构的药物也占了相当大的比例,例如增强胃动力的多潘立酮(又称吗丁啉)结构中含有两个苯并咪唑杂环,再如人类发现的第一个抗生素——青霉素也含有杂环结构,还有常用于治疗肠道感染的氟哌酸结构中含有喹啉杂环结构,诸如此类含有杂环结构的药物数不胜数。

因此,杂环化合物在有机化合物中占有非常重要的地位,学好本章内容是我们步入药学学科领域的关键一步。

内酯、内酰胺和环醚等化合物都属于杂环化合物,但这些化合物的性质与其同类的开环化合物基本相同,因此,本章不再对其重点介绍,本章着重讨论芳香性杂环化合物,亦称其为芳(香)杂环化合物(aromatic heterocycles)。

第一节分类和命名一、分类杂环化合物有多种分类方法,按含杂原子数目分为含一个、两个或多个杂原子的杂环;按环的形式可分为单杂环和稠杂环;还可以按照环的大小分为五元杂环和六元杂环。

二、命名杂环结构纷繁复杂,其命名亦如是。

按照IUPAC(1979)(国际纯粹应用化学联合会)原则的规定,保留45个杂环化合物的俗名并以此作为命名的基础。

我国则对这45个俗名进行音译,并以此为基础对其他的杂环化合物进行命名。

这些被保留下来的俗名主要有:命名的注意事项有:(1)以上杂环的俗名已表明杂环含有最多数目的非积累双键,结构中的饱和氢原子被称为“指示氢...”或“标氢”。

第十二章 杂环化合物

第十二章 杂环化合物

S
N H
O
C、S、N、O中电负性是O > N >S >C 因此芳香 性的强弱为以上排列。
(2) 五元杂环化合物是富电子体系,而苯环为等电子 体系,故环上的电子云密度比苯高,其亲电取代反应比苯 容易,尤其易发生在α- 位。杂原子的存在相当于在环上 引入了― NH2、―OH、 ―SH 等活化基团而使环活化, 故进行亲电取代反应的活泼顺序是:
1. 五元杂环化合物
4 3 2
Z
C
C2
C3
C3
C4
呋喃 吡咯 噻吩
0 .1 3 6 (0 .1 4 3 ) 0 .1 3 7 0 (0 .1 4 7 ) 0 .1 7 1 4 (0 .1 8 2 )
0 .1 3 6 1 0 .1 3 8 3 0 .1 3 7 0 C =C 0 .1 3 4
0 .1 4 3 0 0 .1 4 1 7 0 .1 4 2 3 C C
发生部分α位。富电子五员杂环与吡咯相似。
O + C H 3C O O N O 2 硝酸乙酰酯
-5 ~ 3 0 ℃ __
O
0℃ 乙酸或乙酐
-1 0 ℃ 乙酐
4
N O 2 + C H 3C O O H
S
+ C H 3C O O N O 2
__
S
__
N O 2 + C H 3C O O H
N H
+ C H 3C O O N O 2
S 四氢噻吩
N H
+ 2H 2
Ni 200℃
N H 四氢吡咯
+ H2 N
Pt C H 3C O O H
N H
碱性强弱:六氢吡啶 > 吡啶 (仲胺) (叔胺)

第十二章杂环化合物

第十二章杂环化合物

第⼗⼆章杂环化合物第⼗⼆章杂环化合物【学习⽬标】1、说出杂环化合物的概念;2、能按照IUPAC(1979)原则对杂环化合物进⾏命名;3、掌握简单杂环化合物的结构特点,了解其性质和应⽤;4、认识常见的杂环化合物的衍⽣物,了解它们的应⽤。

在有机化合物中,除碳、氢以外的其他元素的原⼦通常被称为杂原⼦,⽽在环状化合物中,如果其环中除碳原⼦外,还含有杂原⼦,则该环即为杂环,该化合物称为杂环化合物,杂环中所含杂原⼦⼀般为氮、氧、硫等。

杂环化合物在⾃然界中分布⼴泛,例如,植物中的叶绿素和动物⾎红蛋⽩中的⾎红素同属卟啉类的杂环化合物,由于其结构中⼼的⾦属离⼦不同⽽显不同颜⾊,叶绿素为镁卟啉显绿⾊,⾎红素为铁卟啉显红⾊;此外,其他如核酸中含嘌呤、嘧啶等杂环化合物等等。

在现代药物体系中,含杂环结构的药物也占了相当⼤的⽐例,例如增强胃动⼒的多潘⽴酮(⼜称吗丁啉)结构中含有两个苯并咪唑杂环,再如⼈类发现的第⼀个抗⽣素——青霉素也含有杂环结构,还有常⽤于治疗肠道感染的氟哌酸结构中含有喹啉杂环结构,诸如此类含有杂环结构的药物数不胜数。

因此,杂环化合物在有机化合物中占有⾮常重要的地位,学好本章内容是我们步⼊药学学科领域的关键⼀步。

内酯、内酰胺和环醚等化合物都属于杂环化合物,但这些化合物的性质与其同类的开环化合物基本相同,因此,本章不再对其重点介绍,本章着重讨论芳⾹性杂环化合物,亦称其为芳(⾹)杂环化合物(aromatic heterocycles)。

第⼀节分类和命名⼀、分类杂环化合物有多种分类⽅法,按含杂原⼦数⽬分为含⼀个、两个或多个杂原⼦的杂环;按环的形式可分为单杂环和稠杂环;还可以按照环的⼤⼩分为五元杂环和六元杂环。

⼆、命名杂环结构纷繁复杂,其命名亦如是。

按照IUPAC(1979)(国际纯粹应⽤化学联合会)原则的规定,保留45个杂环化合物的俗名并以此作为命名的基础。

我国则对这45个俗名进⾏⾳译,并以此为基础对其他的杂环化合物进⾏命名。

杂环化合物

杂环化合物
§12-1 杂环化合物的简介
在环上含有杂原子(非碳原子 的有机物称为杂环化合物 在环上含有杂原子 非碳原子)的有机物称为杂环化合物。 非碳原子 的有机物称为杂环化合物。 没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂环。 一、 脂杂环 没有芳香特征的杂环化合物称为脂杂环。
三元杂环 四元杂环 五元杂环
O
O
O
O O
(环氧乙烷 环氧乙烷) 环氧乙烷 (β-丙内酯 丙内酯) 丙内酯
AcO-
O
AcONO2 -5~-30℃ ℃
O
H NO2
H AcO
H O NO2
Pyridine
NO2 O 35%
HNO3/(CH3CO)2O
混酸
N H
N H
NO2
S
S
NO2
13
第十二章 杂环化合物
(3)磺化 (3)磺化
呋喃、噻吩和吡咯常用较温和的磺化试剂-吡 呋喃、噻吩和吡咯常用较温和的磺化试剂- 啶与三氧化硫加合物进行反应
呋喃、噻吩和吡咯通常用较温和的硝化试剂- 呋喃、噻吩和吡咯通常用较温和的硝化试剂-硝酸乙酰 酯在低温下进行反应; 酯在低温下进行反应;
O O CH3COCCH3 + HNO3 O CH3CONO2 O + CH3COH
呋喃在此反应中先生成稳定或不稳定的2,5-加成产物, 呋喃在此反应中先生成稳定或不稳定的2,5-加成产物, 2,5 然后加热或用吡啶除去乙酸,得硝化产物。 然后加热或用吡啶除去乙酸,得硝化产物。
N H
N
N H
N H
噁唑
噻唑
咪唑
第十二章 杂环化合物
吡唑
2
六元杂环
N N N O
吡啶
苯并杂环

第十二章 杂环化合物

第十二章 杂环化合物
1.90D
0.1431 0.1361
0.1362 O 0.70D
0.1423 0.1370
0.1714 S 0.51D
芳香性:苯 > 噻吩 > 吡咯 > 呋喃
N H
1.58D
键长
0.1429
0.1371
0.1383 N H
1.81D
8
2、吡咯、呋喃、噻吩的化学性质 (1) 亲电取代反应(Electrophilic Substitution)
N S
浓H2SO4,SO3
N S
1,2-唑取代 在4-位
Br
N
Br2
N AcOH-H2O
H
N N H
N
O2N N
HNO3,H2SO4
N

N
H
H
O2N NH 咪唑环取代在4-位
N
N 发烟H2SO4
S
HgSO4, 250℃ HO3S
N
噻唑环取代以5-位为主
S
25
唑的烷基化或酰基化通常发生在氮原子上。
N CH3I S
碱性:
NH O pKa -2.03
H N O 1.3
H N S 2.4
NH N H 2.5
1,2-唑与1,3-唑的亲电取代反应的活性顺序有:
H N N H 7.0
1,2-唑 1,3-唑
N>
N H
N >
N H
N>
N
S
O
N
> S
N O
24
亲电取代反应
N HNO3,H2SO4 O
O2N N
O
HO3S
H2S
O
NH
3
H2O
H 2S

大学无机化学 第十二章 杂环化合物

大学无机化学 第十二章 杂环化合物

γ-吡喃酮 (γ-pyrone)
α-吡喃酮 (α-pyrone)
2-氯-5-甲基吡啶
2-甲氧基-4-硝基吡喃
(2)六元杂环苯并环系
5 6 7 8
喹啉
4 3 N 1 2
异喹啉
(quinoline)
5 6 7 8 O 1 4 3 2
(isoquinoline)
O
O
苯并--吡喃酮 (benzo--pyrone)
O Pyran
吡啶
吡喃
六元环
N N N
Pyrazine
含两个杂原子:
N
N
N
Pyrimidine
Pyridazine
哒嗪
嘧啶
吡嗪
N N
Quinoline Isoquinoline
N N N N
N
喹啉
异喹啉
蝶啶
丫啶
稠杂环
N N H
Indole
N N N H
N H
Purine
Carbazole
吲哚
嘌啉
咔唑
单环 含一个杂原子
O
N H
Pyrrole
S
Thiophene
Furan
五元环
呋喃
N O
Oxazole
吡咯
N N H
lmidazole
噻吩
N S
Thiazole
噁唑
咪唑
噻唑
含两个杂原子
O N N H N S N
Isoxazole
Pyrazole
Isothiazole
异 噁唑
吡唑
异噻唑
含一个杂原子:
N Pyridine
催化加氢 -CHO + H2

第十二章 杂环化合物(08)

第十二章  杂环化合物(08)
COOH
以上反应说明吡啶比苯稳定(惰性),难以氧化.
11-12
3. 还原:
O
N H
N
N
S
Na+C2H5OH 催化氢化
S
噻吩对催化剂有 毒性,需用化学法 还原成四氢噻吩
O
N H
四氢呋喃 (THF)
四氢吡咯 (吡咯烷)
N H 六氢吡啶 (哌啶)
N H
四氢喹啉,说明杂 环比苯环易还原
11-13
4. 吡咯与吡啶的酸碱性 ⑴ 吡咯:弱酸性 原因: N 未共用电子对参与共轭 , 失去 了与H+结合的能力,同时减弱了N-H键, 使得H解离,显弱酸性.表现为可与NaOH ,KOH成盐,而不与HCl及弱酸成盐。 ⑵ 吡啶:显碱性 原因: N 未共用电子对不参 与共轭, N的吸电子诱导作用 增强了电子密度,显碱性.可与 酸成盐(相当于叔胺)
N N
N N
卟啉环内可结合金属离子.
叶绿素是含Mg2+的衍生物 血红素是含Fe2+的衍生物
维生素B12是Co2+的衍生物
卟吩(porphine)骨架 也称卟啉环
11-16
3.吡啶 叔胺,弱碱性,好的溶剂,可与水混溶,可溶于乙醇 、乙醚、苯等有机溶剂中。 维生素PP, B12和雷米封(抗结核药物)都是吡啶的衍生物
O C N NH2
COOH
N
β-吡啶甲酸 烟酸
β-吡啶甲酰胺 烟酸胺
11-17
4. 吲哚 吲哚是吡咯环与苯环稠和而成,为白色晶体,熔点52.25℃ ,沸点 254℃ . 可溶于热水、易溶于醇醚等有机溶剂。弱酸 性,有松木片反应。是臭气的成分,但纯吲哚在极稀浓度时 有香气,用于配制香料.
4 5 6 7 吲哚 吲哚

《有机化学(第二版)》第12章:杂环化合物与生物碱

《有机化学(第二版)》第12章:杂环化合物与生物碱
Br2/ CH3COOH N
OH Br2 / CCl4 HO HO
Br N
OH Br
NH2
20℃
NH2
OH
N
室室
+
N
Br HO
N
19:46
③亲核取代反应
发生在α位 发生在 位
19:46
④氧化与还原反应
氧化难、 氧化难、还原易
19:46
(哌啶)
19:46
4、重要的衍生物 、 ①维生素pp 维生素
维生素pp促进组织新陈代谢,降低血中胆固醇。 维生素 促进组织新陈代谢,降低血中胆固醇。体内缺 促进组织新陈代谢 乏维生素pp时 乏维生素 时,可引起糙皮病
19:46
②异烟肼(雷米封) 异烟肼(雷米封)
治疗结核病的良好药物
19:46
③维生素B6 维生素
维生素B 维生素 6是蛋白质代谢过程中的必需物质
N
H O
H
19:46
3、化学性质 、 ①碱性
19:46
碱性大小:脂肪族胺> 碱性大小:脂肪族胺>氨>吡啶>苯胺 吡啶>
(CH3)3N > NH3
> N
> N
NH2
19:46
②亲电取代反应
发生在β位 发生在 位
19:46
若吡啶环上有第一类定位基时, 若吡啶环上有第一类定位基时 , 能使吡啶环 活化, 能使亲电取代反应较容易进行, 并且取代 活化 , 能使亲电取代反应较容易进行 , 位置由第一类定位基决定。 位置由第一类定位基决定。
19:46
N H
吲哚
N H
咔唑
19:46
Br2
0℃ N H
Br
+

《有机化学》第十二章 杂环化合物

《有机化学》第十二章 杂环化合物

第十二章杂环化合物杂环化合物指分子结构中含有除碳原子外,其他原子共同组成的环状化合物。

杂环中除碳原子外的其他原子称为杂原子,常见的杂原子有N、O、S等。

杂环化合物广泛存在于自然界中,数量庞大,大多具有一定的生理活性,是许多生物体的重要组成部分。

如植物体中的叶绿素、动物体中的血红素、核苷酸中的碱基等都含有杂环化合物。

杂环化合物对生物体的生长、发育、繁殖和衰亡等过程都起着非常重要的作用。

杂环化合物的应用范围非常广泛,在生物材料、分子器件、医药、染料及农药等领域均十分常见。

杂环一般包括脂环和芳环,其中,脂环易开环,其性质与开链化合物类似,因此,一般不把它们放在杂环化合物中讨论,本章主要讨论的是性质稳定也具有一定芳香性的杂环化合物。

一、杂环化合物的分类根据杂环母环的结构中所含环的数目,可将杂环化合物分为单杂环和稠杂环化合物两大类。

最常见的单杂环化合物中,根据原子的数目不同,可分为五元环和六元环。

根据杂原子的种类和数目,可分为1个、2个或以上杂原子的杂环化合物。

另外,稠杂环按稠合环的形式分为苯杂环化合物和杂环稠环杂环化合物。

常见杂环化合物的结构和名称见表12-1。

表12-1 一些常见杂环化合物的母环和分类二、杂环化合物的命名杂环化合物的命名比较复杂,目前在我国主要有两种方法:一种是音译法;另一种是系统命名法。

在命名时,杂环化合物的名称包括杂环母核及环上的取代基,其中,对杂环母核的命名一般采用音译法,对取代基的命名与前述章节基本一致。

音译法是按照1979年规定的IUPAC 命名原则所推荐的通用名,按外文发音来汉化命名,名称带“口”字旁。

例如:吡啶(pyridine )吲哚 (indole )N N HO S 呋喃(furan )噻吩(thiophene )当杂环上有取代基时,以杂环为母体,需先将杂环母环编号,以注明取代基的位次。

编号一般从杂原子开始,若含有2个或2个以上相同杂原子构成单杂环进行编号时,从连接有氢原子的杂原子开始编号,例如:4-甲基嘧啶2345O N N 16 25 341H 3C H 3C 4,5-二甲基呋喃CH 3当只有1个杂原子时,从杂原子开始用阿拉伯数字编号,也可用希腊字母编号,以靠近杂原子的第一个的碳原子为α-位,其次用β、γ等编号。

n-第十二章-杂环化合物改

n-第十二章-杂环化合物改

(3)、吡咯旳酸碱性
.. N
H
PKa=16.5
从构造上看,吡咯是环状仲胺,但因为N上旳未用电子对 参加了茂环共轭,N上电子云密度 , 所以具弱酸性 (PKa=16.5),相当于低档醇,N上旳H轻易被金属取代。
ex:
+-
液氨
KNH2
N H
+ NH3 N
K 吡咯钾
干醚 C2H5MgBr N H
CH3CH3 N MgBr
音译法命名:
O
furan 呋喃
N H pyrrole
吡咯
S
thiophene 噻吩
N
pyridine 吡啶
N
quinoline 喹啉
如环上有取代基,以杂环为母体,环上原子进行编号,杂原子 编号最小。
' 4
3
2.5-二甲基呋喃
' H3C 5 O 2 CH3 (orα,α’一二甲基呋喃)
1
杂原子相同:杂原子编号和最小
进行水蒸气蒸馏得到,为无色液体,b.p 162℃,在空气中变 色,性质和苯甲醛相同。
(C5H8O4)n
H3O
Δ
聚戊糖
CHO (CHOH)3
H3O Δ
CH2OH
戊糖
氧化
中性 or碱性KMnO4
CHO + 3H2O O
糠醛
COOH (糠酸)
O
CHO O
还原
H2/Cu, CrO3, 100-200℃
O
CH2OH (糠醇)
部分:尿嘧啶、胸腺嘧啶、胞嘧啶。5-氟尿嘧啶能够干扰核酸
旳功能和合成,用作抗癌药,V-B1含嘧啶环。
O
OH
O
NH2
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第十二章 杂环化合物一、定义和分类分子中含有由碳原子和其它原子共同组成的环的化合物称为杂环化合物。

杂环中的非碳原子称为杂原子,最常见的杂原子有N 、O 、S 等。

象环醚、内酯、环酐及内酰胺等似乎也应属于杂环化合物。

但是,由于这些环状化合物容易开环形成脂肪族化合物,其性质又与相应的脂肪族化合物类似,因此,一般不放在杂环化合物中讨论。

本章讨论的是环系比较稳定,并且在性质上具有一定芳香性的杂环化合物。

根据环数的多少分为单杂环和多杂环;单杂环又可根据成环原子数的多少分为五元杂环及六元杂环等;多杂环稠杂环、桥杂环及螺杂环,其中以稠杂环较为常见。

二、命名杂环化合物的名称包括杂环母体及环上取代基两部分。

杂环母环的命名有音译法和系统命名法2种。

音译法:是用外文谐音汉字加“口”偏旁表示杂环母环的名称。

如呋喃等。

系统命名法:是把杂环看作杂原子转换了相应碳环中的碳原子,命名时以相应的碳环为母体,在碳环名称前加上杂原子的名称,称为“某(杂)某”。

如吡啶称为氮(杂)苯,喹啉称为1-氮(杂)萘。

杂环母环的编号规则(1)含1个杂原子的杂环,从杂原子开始用阿拉伯数字或从靠近杂原子的碳原子开始用希腊字母编号。

(2)如有几个不同的杂原子时,则按O 、S 、-NH-、-N=的先后顺序编号,并使杂原子的编号尽可能小。

(3)有些稠杂环母环有特定的名称和编号原则。

杂环的命名如下:2-硝基吡咯 4-甲基吡啶 2-甲基-5-苯基噻唑 α-硝基吡咯 γ-甲基吡啶3-甲基-8-羟基喹啉 1-甲基-7-氯异喹啉 1-甲基-2-巯基咪唑 2-呋喃甲醛(糠醛) 2-噻吩磺酸 3-吡啶甲酰胺α-呋喃甲醛 α-噻吩磺酸 β-吡啶甲酰胺N H NO 2N CH 3N S C 6H 5CH 3N CH 3CH 3N Cl N CH 3N SH O CHO S SO 3H N CONH 2三、五元杂环化合物(一)吡咯、呋喃和噻吩1、结构与芳香性吡咯环的4个碳原子和1个氮原子都以SP 2杂化轨道成键。

环上各原子以σ键相连成平面环状结构。

氮原子的P 轨道(有2个电子)与各碳原子的4个P 轨道相互侧面重叠,并垂直于σ键所在的平面,形成了具有6个π电子的闭合共轭体系。

呋喃、噻吩的结构与吡咯相似,不同的是呋喃中的氧原子和噻吩中的硫原子都有两对末共用电子对。

其中一对参与共轭体系,另一对处于SP 2杂化轨道内。

以上3种五元杂环,成环原子均参加共轭,π电子数又符合休克尔规则,因此都具有芳香性。

但由于环中杂原子的电负性大小不同,电子云密度平均化程度也不同,所以芳香性强弱有所差异。

其中氧原子的电负性较大,不易提供电子参与共轭体系,因此呋喃环上电子云密度平均化程度较小,芳香性也较弱。

硫原子电负性在三者中最小,参与共轭的双是一对3P 电子,电子受核约束力较小容易供出,因此噻吩环上电子云密度平均程度较大,芳香性较强。

但它们的芳香性都小于电子云密度高度平均化的苯环。

它们的亲电取代反应比苯容易进行。

2、物理性质吡咯为无色液体,其蒸气遇盐酸浸过的松木片显红色,可检验吡咯及其低级同系物。

呋喃为无色液体,它遇盐酸浸过的松木片显绿色。

噻吩为无色而有特殊气味的液体,在浓硫酸的存在下,与靛红作用显蓝色。

3、化学性质(1)酸碱性 吡咯的碱性很弱(pK a =0.4),不能与稀酸或弱酸成盐。

反而能与干燥的氢氧化钾加热生成盐,表现出弱酸性。

+ KOH由于氮原子上的末共用电子对参与环的共轭体系,使其电子云密度降低,减弱了它接受质子的能力。

所以吡咯的碱性很弱。

+ H +(2)亲电取代反应 多π芳杂环的杂原子提供了2个电子参与环的共轭,使环碳原子电子云密度有所增大,因而亲电取代反应比苯容易进行,而其中又以α位较大,所以亲电取代反应主要发生在α位上。

上述几个杂环的亲电取代反应活性为:吡咯 > 呋喃 > 噻吩 > 苯①卤代反应 吡咯、呋喃和噻吩在室温与氯或溴反应很激烈,得到多卤代产物。

若要得到一氯代和一溴代产物,需用溶剂稀释并在低温下进行反应。

N H Δ N K N H N H 2+ Br 2+ Br 2②硝化反应 吡咯和呋喃在强酸性条件下会由于质子化,而破坏环和芳香性,进而聚合成树脂状物质。

噻吩用混酸作硝化剂时,共轭体系也会被破坏。

因此它们的硝化反应需用较缓和的硝酸乙酰酯作硝化剂并在低温下进行。

+ CH 3COONO 2 + CH 3COONO 2+ CH 3COONO 2 ③磺化反应 吡咯和呋喃的磺化反应也需在较缓和的条件下进行,常用吡啶与三氧化硫的混合物作磺化剂。

+ 吡啶三氧化硫+ 吡啶三氧化硫 噻吩比较稳定,可直接用浓硫酸进行磺化反应。

尽管噻吩的活性在三者中最差,但反应仍比苯快得多。

噻吩在室温下即能与浓硫酸作用,生成可溶于水的α-噻吩磺酸。

苯在同样的条件下不反应。

利用这种区别可从粗苯中除去少量的噻吩。

(3)还原反应 吡咯、呋喃和噻吩均可进行催化加氢反应,被还原为饱和的杂环化合物,并失去芳香性。

+ H 2 四氢吡咯 + H 2 四氢呋喃 + H 2 四氢噻吩4、重要的衍生物(1)血红素:血红素是吡咯的重要衍生物,它的基本骨架是卟吩环。

(2)叶绿素:是绿色植物叶的和绿色基中特有的色素,与蛋白质等结合构成叶绿体,直接参与植物的光合作用,使太阳能转变为化学能,将二氧化碳和水合成为N H 乙醚 0℃ N H Br Br Br Br O 二氧六0℃ Br O N H 醋酐 N H NO 2OO NO 2S 醋酐 NO 2S N H 100℃ N H SO 3H O SO 3H O 100℃ Δ S 浓硫酸S SO 3H S O N H Pd N H PdO PdS糖类。

(3)呋喃坦啶:又名呋喃妥英,为杀菌剂,主要用于泌尿系统感染。

(4)呋喃丙胺(F-30066):有抗日本血吸虫病的作用,对急性日本血吸虫病的退热作用明显。

(5)速尿:为强利尿药,主要用于心脏性浮肿,肝硬化引起的腹水,肾性浮肿等,与降压药合用,可增强降压作用。

(二)吡唑、咪唑和噻唑1、结构与芳香性吡唑、咪唑和噻唑的电子结构与含1个杂原子的五元杂环相似,因此都具有一定程度的芳香性。

环上的另一个杂原子所具有的末共用电子对没有参与共轭体系。

如咪唑的第3位氮原子保留了末共用电子对,能结合H+而显示碱性。

2、化学性质吡唑与咪唑有互变异构现象。

以甲基衍生物为例,氮原子可以在2个氮原子间互变。

因此吡唑中的3-位与5-位相同,咪唑中的4-位与5-位相同。

常表示为3(5)-甲基吡唑和4(5)-甲基咪唑。

由于吡唑、咪唑和噻唑比吡咯或噻吩增加了1个吸电性的氮原子,所以它们的亲电取代反应活性明显降低,对氧化剂也不敏感,有酸存在时不致破坏共轭体系,只有成盐后亲电取代反应更难进行。

3、重要的衍生物(1)安乃近:又名罗瓦尔精,有解热镇病和抗风湿等作用。

用于发热、头痛、神经痛和风湿性关节炎等。

(2)嘧啶唑:具有消炎、解热和镇痛作用,并有很好的镇静、肌肉松弛作用。

(3)甲硝基乙唑:又名灭滴灵,为口服杀滴虫药。

(4)西咪替丁:又名甲氰咪胍,用于胃溃疡,十二指肠溃疡等。

四、六元杂环化合物(一)吡啶1、结构与芳香性吡啶环上的5个碳原子和1个氮原子也都以SP2杂化轨道相互重叠,形成以σ键相连的环平面。

环上每个原子的P轨道相互侧面重叠,且垂直于环平面,构成具有6个电子的闭合共轭体系。

与吡咯不同的是,吡啶环上氮原子的末共用电子对占据着SP2杂化轨道,没有参与环的共轭。

吡啶的结构也符合休克尔规则,因此具有芳香性。

由于环中氮原子的电负性比碳原子大,所以环上碳原子电子云密度降低,形成缺π芳杂环,它的亲电取代反应比苯难进行。

2、物理性质吡啶是具有特臭的无色液体。

能以任何比例与水互溶,同时又能溶解大多数极性和非极性有机化合物。

3、化学性质(1)碱性吡啶分子的氮原子上有1对末参与共轭的电子,能结合H+而显碱性,吡啶的碱性比脂肪胺和氨弱,而近似于芳胺。

三甲胺 氨 吡啶 苯胺pK a 9.8 9.3 5.23 4.6吡啶能与无机酸成盐。

+ HCl ·HCl (2)亲电取代反应 由于吡啶分子中氮原子的电负性比碳原子大,环上碳原子电子云密度有所降低;同时,在亲电取代反应中试剂通常是酸性,使氮原子先与酸结合成吸电性的铵离子,因而环上碳原子电子云密度更加降低。

所以,吡啶比苯难进行亲电取代反应,其反应条件要求较高。

吡啶环上碳原子的电子云密度普遍降低,而其中以β位降低的较少,所以亲电取代反应主要发生在β-位。

+ Br 2 + 混酸+ 浓H 2SO 4 + HgSO 4若吡啶环上有第一类定位基时,能使吡啶环活化。

它们的亲电取代反应就可以在较温和的条件下进行,取代位置由第一类定位基决定。

+ Br 2+ 浓H 2SO 4 + KNO 3 (3)氧化还原反应 吡啶环上的电子云密度因氮原子的存在而降低,因此环对氧化剂比较稳定。

当环上有烃基时,烃基容易被氧化。

+ KMnO 4+ KMnO 4吡啶比苯容易还原,在常压下就可以被还原为六氢吡啶。

六氢吡啶又名哌啶,为无色液体,能与水混溶。

它的碱性(pK a =11.2)比吡啶强,性质与脂肪仲胺相似,在有机反应中用作碱性试剂。

4、重要吡啶衍生物N NN N N 300℃ 300℃ 220℃ N Br N NO 2NSO 3H N NH 2乙酸 N Br NH 2N CH 3CH 3100℃ N NO 2CH 3CH 3N CH 3H 2O Δ N COOH N H + Δ N COOH N H 2 Ni N H烟酸和烟酰胺:烟酸是维生素B 族中的一种,能促进细胞的新陈代谢,并有血管扩张作用。

烟酰胺是辅酶I 的组成成分,作用与烟酸相似。

烟酸 烟酰胺β-吡啶甲酸 β-吡啶甲酰胺尼可刹米和异烟肼:尼可米刹又名可拉明,为呼吸中枢兴奋药,用于中枢性呼吸和循环衰竭。

异烟肼又名雷米封,为抗结核病药。

尼可米刹 异烟肼N ,N-二乙基-3-吡啶甲酰胺 4-吡啶甲酰肼(二)嘧啶嘧啶为无色晶体,易溶于水。

嘧啶的结构与吡啶相似,2个氮原子均以SP 2杂化轨道成键,并都在1个SP 2杂化轨道上保留了末共用电子对,因此其性质也与吡啶相似,但由于2个氮原子的相互影向,明显地降低了环上的电子云密度,使嘧啶的碱性(pK a =1.30)比吡啶弱得多,亲电取代反应比吡啶困难,而亲核取代反应则比吡啶容易。

五、稠杂环化合物(一)吲哚吲哚为白色结晶,可溶于热水、乙醇及乙醚,有极臭的气味,但纯吲哚在浓度极稀时,有花的香味,可作香料用。

吲哚使浸有盐酸的松木片显红色。

吲哚具有芳香性,性质与吡咯相似。

酸性(pK a =17.0)与吡咯相当。

其亲电取代反应在杂环上进行,取代基主要进入β位。

(二)喹啉和异喹啉喹啉为无色油状液体,有特殊气味。

异喹啉为无色油状液体。

它们微溶于水,易溶于有机溶剂。

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