芳香杂环化合物

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+ CH3I N + N CH3 碘化N-甲基吡啶 . Cl + N COPh 氯化N-苯甲酰基吡啶 . I-
+ PhCOCl N
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3. 亲电取代反应 氮原子的电负性较大,所以π电子云向氮原子发 生共轭偏移,表现在性质上: 亲电取代困难,与硝基苯相当,主要在β位 亲核取代容易,主要在α位和γ位
0.87 γ 1.01 0.84 N 1.43
+ N O
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吡啶环可优先被还原。
H2,Pt,H2O N 或H2,RaneyNi H2,Pt,HOAc N 或Sn-HCl,或 Na,EtOH N H N H 十氢喹啉 1,2,3,4-四氢喹啉
(三)喹啉及其衍生物的合成(重点)
喹啉及其衍生物的合成方法 有多种,广为人知的方法是 Skraup合成法。该法由捷克化 学家Zdenko Hans Skraup的 名字命名。
N
喹啉 quinoline
第一节 六元杂环化合物
一、吡啶:苯环的一个CH换成氮原子 • 具有特殊臭味的无色液体。 • 其衍生物是许多天然药物、染料、维生素和生 物碱的基本组成部分。 • 从煤焦油和骨焦油中可分离得到吡啶及其衍生 物
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(一)、命名:
母体的命名是外文名称的音译,并加口字旁, 表示为环状化合物,命名时杂环上各原子的 编号自杂原子开始,作为1。也可以将杂原子 旁的碳原子依次编α、β来命名。
+ N PhLi N + Ph LiH

Chichibabin反应
N + NaNH2 NH3 N + H2 H2O + NHNa N NH2
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(4)α-位或γ-位存在好的离去基团(如-Cl, -Br, -NO2等)时,可与较弱的亲核试剂(NH3,OH,MeO- 等)反应。
NH3, ZnCl2 N Br Br N Cl C6H5NH2 N N
5
HO


药物中的杂环化合物
甲氨蝶呤是蝶啶类化合物,抗代谢类抗肿瘤药。它是 叶酸的电子等排体,以竞争方式与二氢叶酸还原酶结 合,使叶酸不能转变为四氢叶酸,从而阻止DNA合 成,亦干扰RNA、蛋白质的合成。
O HO H 2N N N N N N NH2 O N H O OH
O HO H 2N N N N N NH OH O N H O OH
甲氨蝶呤 Methotrexate
叶酸 Folic acid
6
O N N O OH O
喜树碱 Camptothecin (CPT)
喜树碱具抗肿瘤和抗白血病作用, 属于单萜吲哚类生物碱。1966 年美国 的Wall ,M E等人从喜树茎的提取物中分 离得到该物质,喜树碱类药物的工业生 产多以植物提取和半合成为主。
3
辅酶A(Coenzyme A)的化学结构 辅酶A具有腺嘌呤的结构片段,是体内乙酰化反 应的辅酶,对糖、脂肪及蛋白质的代谢起重要作 用。辅酶A在食物中广泛存在,也能由肠道细菌合 成,一般无需补充。
4
维生素B2,又称核黄素
O H3C H3C N N NH N O OH OH OH
维生素B2
(Riboflavin ),具有异咯嗪的母体 结构,它是人体必需的13种维生素之 一,必需由饮食供给 。严重缺乏维生 素B2会引起一些病症,如口角炎、 舌炎、鼻和脸部的脂溢性皮炎。眼睛 角膜发红,充血等。 成人的建议每日摄取量是 1.7mg。食物来源包括奶类及其制 品、动物肝脏与肾脏、蛋黄、鳝鱼、 胡萝卜、酿造酵母、香菇、紫菜、 鱼、芹菜、橘子、柑、橙等。
第十三章
芳香杂环化合物
(Heterocyclic Compounds)
分子中含有杂原子的环状化合物。环中的非碳 原子叫做杂原子,最常见的杂原子是氮、氧和 硫。 本章着重讨论那些环比较稳定、具有一定程度 芳香性的杂环化合物
N
吡啶
O
呋喃
S
噻吩
N H
吡咯
2
一、生物体中的杂环化合物
许多天然杂环化合物在动、植物体内起着重要的生理作 用。 DNA四种碱基 腺嘌呤(adenine,A)、 胞嘧啶(cytosine,C)、 鸟嘌呤(guanine,G)、 胸腺嘧啶(thymine,T) 都属于杂环化合物。
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(三) 化学反应 • 1. 亲电取代反应 • 反应发生在电子云密度较高的苯环上; • 主要取代喹啉环的C-5与C-8位、异喹啉环的 C-5位上的氢。
NO2 浓HNO3 / 浓H2SO4 N 0 ℃ N 50% SO3H N 35%
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+ N NO2 48%
发烟H2SO4 N 300 ℃
2. 亲核取代反应 • 反应发生在电子密度较低的吡啶环上; • 喹啉取代主要发生在C-2位或C-4位上,异 喹啉主要在C-1位上。
(三)、物理性质 • 诱导效应与共轭体系中电子转移的方向一致, 偶极矩比哌啶大 。
_ N μ=7.41×10-30C.m N H μ=3.90×10-30C.m _
•是良好的有机溶剂。 •与水分子形成氢键,呈高水溶性。 •与水形成共沸混合物(bp 92.6℃,含水43%)。 •能与一些金属离子形成配位体,故也可作为无机 盐类的溶剂。
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Zdenko Hans Skraup (1850-1910)
喹啉的合成——斯克劳普(Skraup)合成法 原料:苯胺(取代芳胺),甘油、硫酸和硝基苯
NH2 + CH2OH CHOH CH2OH + NO2 H2SO4 FeSO4 N + NH2
FeSO4是缓和剂,因为反应过于剧烈
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Skraup合成法通过四个步骤完成: (1)甘油在浓硫酸作用下脱水生成丙烯醛;
珙桐科早莲属植物 喜树 Camptotheca acuminata Decne
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分类
按环的大小:五元杂环和六元杂环 按杂环中杂原子数目的多少: 含有一个、两个或两个以上杂原子的杂环 按环的形式:单杂环和稠杂环
N N 吡啶 Pyridine N H 咪唑 Imidazole N H 吲哚 indole
NO2 NO2 H2O2 N + N O HNO3 H2SO4 + N O PCl3 CHCl3, △ N NH2 H2/Ni 或Fe / H+ N
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(3)加氢还原:环电子云密度较低,使加氢还原 比苯容易。
H2, Pt N 25℃, 0.3MPa N H
六氢吡啶(哌啶)
95%
26
6. 吡啶α位或γ位甲基和醛起羟醛缩合反应
二、 喹啉和异喹啉
6 7 5 4 N 1 3 2 5 6 7 8 4 3 N 1 2
8
喹啉 quinoline
异喹啉 isoquinoline
•1834年,德国学者Friedrich Ferdinand Runge首次从煤焦油 中分离出喹啉。 •用碱干馏抗疟药物奎宁(quinine) 时也可到喹啉,喹啉因此得名。
(了解)
+ N CH3 CH2CH3 N NaNH2 N CH3 CH2 HCHO ZnCl2 N CH2CH2OH CH2CH3 CH2CH3 N
CH2CH3 CH3I
2, 4, 6位烷基吡啶的侧链α氢具有酸性,其酸性与 甲基酮的α氢相当,在强碱(或催化剂)的作用下能 发生缩合及亲核取代等反应。
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烷基吡啶中,环氮原子的“定位” 起决定作用:
H3C + H2SO4 N △ H3C N SO3H
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氨基、羟基等一些强邻、对位定位基时,则它 们的定位作用占主导地位
OH N + Br2 N NHCOOC2H5 △ + HNO3 N N 61% Br NHCOOC2H5 NO2 OH
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4. 亲核取代反应 (1)环上电子云密度降低,易发生亲核取代。 (2)H是差的离去基团,需用强碱性的亲核试剂 (如NaNH2, RLi等)。 (3)反应主要发生在α-位。
CrO3
. CrO3 ) ( + N N N-铬酸吡啶 CrO3(一种温和的非质子性氧化剂)
+ SO3 N
+ N SO3-
( N
. SO3 ) N-磺酸吡啶
(一种温和的非质子性磺化试剂)
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2、与卤代烷、酰卤和酸酐的反应 (1).吡啶N上的未共用电子对具有亲核性。 (2).与卤代烷、酰卤和酸酐等反应,生成季铵盐。
H HO OH -H
-
OH
H+
HO OH2 +
OH
H - H2O H+ HO + OH
HO H2O +
OH
HO
CHO
CHO - H O 2 H
CHO
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(2)苯胺作为亲核试剂对丙烯醛进行 1,4-麦克尔加成
O H NH2 N H O H H N H O
22
Cl
220℃
N OEt
NH2 90% Br
EtONa 160℃ N
65%
NHC6H5
5. 氧化和还原反应 (1)吡啶环电子云密度降低,不易被氧化,总 是侧链先被氧化
KMnO4,H+
N
SeO2
N
COOH
2-吡啶甲酸
N
(2) 吡啶用过氧酸或过氧化氢H2O2氧化时,生 成N-氧化吡啶
H2O2/AcOH, 65 ℃ N 或CH3CO3H + N O
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1.01 β 0.84 α
亲电取代困难,反应条件剧烈,主要进入β -位
浓HNO3,浓H2SO4 300℃,24h N NO2 20% SO3H N 70% Br N 39%
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发烟H2SO4,HgSO4 N 220℃ Br2,沸石 300℃
不能发生傅克反应
进攻α-位:
+ E+ N + N H E H N + H E + N H E N + E H
γ 4 N 1 (Pyridine) 5 6 3 β 2α N CH3 N 3-吡啶磺酸
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SO3H
2-甲基吡啶 α-甲基吡啶
(二)、结构 环上的原子均以sp2杂化轨道成键,原子的p-轨道 垂直于环面,相互侧面重叠形成封闭的大π键。
N上有一个sp2杂化轨道被一对未共用电子对占 据,呈碱性,可与质子结合,并可与强酸作用 生成稳定的盐,类似三级胺 。 11
CH3
N
CHO 2-吡啶甲醛
95%
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N-氧化吡啶既易发生亲电取代反应,又易发生 亲核取代反应,反应主要发生在4位或2位
NO2 + N O HNO3,H2SO4 90 ℃ + N O OCH3 + N O CH3ONa CH3OH + N O 90% 亲电取代
亲核取代
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取代的吡啶N-氧化物经处理,可得到取代的吡 啶。N-氧化物常用来活化吡啶以利于取代反应。
n BuLi N 甲苯
KNH2,液氮 N -10 ℃ 25 ℃ 加压 N NH2
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N
Bu-n
>83%
CH3ONa N Cl CH3OH N OMe + N CH2C6H5
C6H5CH2MgCl N N CH2C6H5
3. 氧化和还原反应 苯环或吡啶N 原子在一定条件下都会发生氧化
KMnO4水溶液 N 100 ℃ H2O2/HOAc N N COOH COOH N COOH
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(四)化学反应 1. 碱性和成盐反应
+ HCl N + N H Cl 或 N . HCl
可作碱性溶剂和除酸剂
几种物质的碱性顺序: p Ka 苯胺 < 吡啶 < 氨 < 三乙胺 < 哌啶 4.70 5.19 9.24 10.6 11.2
13
• 与某些Lewis酸成盐,制备有用的反应试剂。
+ N
29
(一)命名--有其固定的编号顺序
6 7 5 4 N 1 3 2 5 6 7 N 8 1 4 3 2 6 7 Br 5 4 3
8
喹啉
异喹啉
8 Br
N 2 1
6 I 7
SO3H 5 4 8 OH N 1
5,8-二溴喹啉
3 2
7-碘-8-羟基喹啉-5-磺酸
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(二)结构与物理性质
所有π 电子形成一个相互重叠的含有10个电子的芳香 大π 体系,为平面型分子。 喹啉和异喹啉的pKa 分别为4.9 和5.4,呈弱碱性,与 吡啶接近,二者都能和强酸反应形成盐。
(五)、吡啶的衍生物
•尼古丁(Nicotine)又称烟碱, 占烟草烟雾中生物碱含量的95%以 上,会使人产生依赖,使吸烟者无 法戒掉烟瘾,目前认为是一种间接 的致癌物 。
N
Tobacco flower and buds
N
Nicotine
除此之外,烟草燃烧时还会释放出 1000多种化合物,有 不少于44种的致癌物质。如烟焦油、一氧化碳、醛类(如苯 28 甲醛)、胺类(如联苯胺)等。
进攻β-位:
E + E+ N + N H H + E+ N + N H E H + E H N H N E + N H + N + 特别不稳定 E E H
特别不稳定 E H N + H + N E
进攻γ-位:
吡啶亲电取代反应中间体的相对稳定性(了解) 18
吡啶环上有给电子基团,能增强环的反应活性
CH3 浓H2SO4/KNO3 H3C N CH3 100℃, 5h H3C CH3 NO2 CH3 N 93%
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