17-第十七章 杂环化合物

第十七章 杂环化合物 学习要求： 1. 掌握杂环化合物的分类和命名。 2. 掌握杂环化合物的化学性质。 3. 理解杂环化合物的结构与芳香性。 4理解吡咯、吡啶的结构与性质的关系。 5了解嘧啶、喹啉、嘌呤及吲哚。 6了解几种重要生物碱（麻黄素、烟碱、阿托品、咖啡碱和茶碱） 。 计划课时数 4 课时 重点：杂环化合物的化学性质，杂环化合物的结构与芳香性。 难点：杂环化合物的结构与芳香性。 教学方法 采用模型、多媒体课件和板书相结合的课堂讲授方法。 引言 杂环化合物是指组成环的原子中含有除碳以外的原子(杂原子常见的是 N、O、S 等)的环状化合物。 杂环化合物不包括极易开环的含杂原子的环状化合物，例如： 本章我们只讨论芳香族杂环化合物。 杂环化合物是一大类有机物，占已知有机物的三分之一。杂环化合物在自然界分布很 广、功用很多。例如，中草药的有效成分生物碱大多是杂环化合物；动植物体内起重要生 理作用的血红素、叶绿素、核酸的碱基都是含氮杂环；部分维生素，抗菌素；一些植物色 素、植物染料、合成染料都含有杂环。 17.1 杂环化合物的分类和命名 17.1.1 杂环大体可分为：单杂环和稠杂环两类。 NHO , ,O O O OONHNNHO ,- -, , 2 稠杂环是由苯环与单杂环或有两个以上单杂环稠并而成。 17.1.2 命名：杂环的命名常用音译法，是按外文名称的音译，并加口字旁，表示为环状 化合物。如杂环上有取代基时，取代基的位次从杂原子算起用 1，2，3，4，5（或可 将杂原子旁的碳原子依次编为 , , ） 来编号。 如杂环上不止一个杂原子时，则从 O,S,N 顺序依次编号，编号时杂原子的位次数字之 和应最小： 3 五元杂环中含有两个杂原子的体系叫唑（azole）当环上有取代基时，取代基的位次从 杂原子算起依次用 1,2,3, (或 ,) 编号。 如杂环上不止一个杂原子时，则从 O、S 、N 顺序依次编号。编号时杂原子的位次数字 之和应最小。例见 P552 17.2 杂环化合物的结构与芳香性 呋喃、噻吩、吡咯在结构上具有共同点，即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。 吡啶的结构 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。 O S NH S O NH 56 = 64n + 2 N N NH - C_ sp2N_ sp2 66NP sp 2N 4 17.3 五元杂环化合物 含一个杂原子的典型五元杂环化合物是呋喃、噻吩和吡咯。含两个杂原子的有噻唑、 咪唑和吡唑。本节重点讨论呋喃、噻吩和吡咯，简单介绍一下噻唑、咪唑和吡唑。 呋喃、噻吩、吡咯的性质 （1）存在与物理性质 P554 （2）光谱性质 呋喃，噻分，吡咯的电子结构和光谱性质。 电子结构：这三个杂环化合物中，碳原子和杂原子均以 sp2杂化轨道互相连接成 健， 并且在一个平面上，每个碳原子及杂原子上均有一个 p 轨道互相平行，在碳原子的 p 轨道 中有一个 p 电子，在杂原子的 p 轨道中有两个 p 电子，形成一个环形的封闭的 电子的共 轭体系。这与休克尔的 4n+2 规则相符，因此这些杂环或多或少的具有与苯类似的性质，故 称之为芳香杂环化合物。 芳香性大小,试验结果表明: 光谱性质：IR: c-H = 30773003cm -1,N-H = 35003200 cm -1 (在非极性溶剂的稀 溶液中，在 3495 cm-1，有一尖峰。在浓溶液中则于 3400 cm-1,有一尖峰。在浓和淡的中间 浓度时，两种谱带都有),杂环 CC 伸缩振动:16001300 cm -1 （有二至四个谱带）。 NMR：这些杂环化合物形成封闭的芳香封闭体系，与苯环类似，在核磁共振谱上，由于 外磁场的作用而诱导出一个绕环转的环电流，此环电流可产生一个和外界磁场方向相反的 感应磁场，在环外的质子，处在感应磁场回来的磁力线上，和外界磁场方向一致，在去屏 蔽区域，故环上氢吸收峰移向低场。化学位移一般在 7ppm 左右。 呋喃：H =7.42ppm H =6.37ppm 噻吩：H =7.30ppm H =7.10ppm 吡咯：H =6.68ppm H =6.22ppm （3）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： N 1.43 0.841.01 0.87 N 5 五元杂环有芳香性，但其芳香性不如苯环，因环上的 电子云密度比苯环大，且分布 不匀，它们在亲电取代反应中的速率也比要苯快得多。 亲电取代反应的活性为： 吡咯 呋喃 噻吩 苯，主要进入 -位。 五元杂环吡咯、呋喃、噻吩的反应实例见 P555556 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。 卤代反应 不需要催化剂，要在较低温度和进行。 硝化反应 不能用混酸硝化，一般是用乙酰基硝酸酯(CH 3COONO2)作硝化试剂，在 低温下进行。 磺化反应 呋喃、吡咯不能用浓硫酸磺化，要用特殊的磺化试剂吡啶三氧化硫 的络合物，噻吩可直接用浓硫酸磺化。 2加氢反应 3呋喃、吡咯的特性反应 （1） 呋喃易起 D-A 反应 吡咯、噻吩要在特定条件下才能发生 D-A 反应。 （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。 吡咯具有弱酸性， （其酸性介与乙醇和苯酚之间。 O S NH000000 + 0.1- 0.3- 0.2 + 0.20- 0.6- 0.4 + 0.32- 0.10- 0.6 ONH S H2, Ni or PdH2, Ni or Pd H2, Ni ONH S ( THF ) PdPd O OOO+ 30 OO OO+ (90%) NH NHNH2Kb 3.8 10-10 2 10-42.5 10-14 - NH 6 故吡咯能与固体氢氧化钾加热成为钾盐，与格式试剂作用放出 RH 而生成吡咯卤化镁。 吡咯钾盐和吡咯卤化镁都可用来合成吡咯衍生物。 重要的五元杂环衍生物 （1）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、棉子壳用稀酸加热蒸煮制取。 NHOHKa =1.3 10-10 1 10-181 10-15 CH3CH2OH NH+ KOH NK+ H2O NH+ RMgX N+ H2OMgX NH KOH NK RCOClRI NCORNR NHCORNHR NH RMgX NMgX RCOClRI NCORNR NHCORNHR (C5H8O4)n35%H2SO4HOCHCHOHCH2OHCHCHOOH H2SO4 CHO 7 2糠醛的性质 同有 -H 的醛的一般性质。 （1）氧化还原反应 （2）歧化反应 （3）羟醛缩合反应 （4）安息香缩合反应 3糠醛的用途 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。 （2）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（P 564）叶绿素是植物光合作用的能源。 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。 OCHO OCH=CHO+ CH3CHO OCHO KMnO4CuO, Cr2O315010MPa,V2O5 - MoO320,O2, OCH2OHOCOHOOO + CO2 + H2O OCHO OCH2OHOCOH+ OCHO OCHKOH COO O 12 34 5678 NHNHNN 8 绿素与蛋白质结合存在于植物的叶和绿色的茎中。植物光合作用时，叶绿素吸收太阳 能转变为化学能，是植物进行光合作用时必需的催化剂。自然界的叶绿素不是一个单纯的 化合物，而是由两种叶绿素组合而成，即蓝绿色的叶绿素 a（熔点：117120 ）和黄绿 色的叶绿素 b（熔点：120130 ） ，两者的比例为：3a：4b,叶绿素 环中含镁。叶 绿素 a 已经被合成（1960 年） 叶绿素 的结构 维生素 B12,是含钴的类似卟啉环化合物。但其卟啉环在 位少一个碳原子。它具有 强的医治贫血的功能。 4 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。 青霉素是一类抗菌素的总称，已知的青霉素大一百多种，它们的结构很相似，均具有 稠合在一起的四氢噻唑环和 - 内酰胺环。 SNCHCONHCR OHOCCH3CH3 9 青霉素具有强酸性(pKa2.7),在游离状态下不稳定(青霉素 O 例外)，故常将它们变成 钠盐、钾盐或有机碱盐用于临床。 维生素 B1（VB 1） 呋喃，噻吩，吡咯的制备。 1.玉米心，稻糠，花生壳，大麦壳，高粱秆等用稀硫酸处理得戊糖，戊糖失水得糠醛， 再在 400下加热，同时在催化剂 ZnO,Cr2O3存在下，失去一氧化碳而得呋喃。 2.工业上制备噻吩是用丁烷，丁烯或丁二烯与硫磺混合，在 600反应得到： 3.噻吩也可用琥珀酸钠盐与五硫化二磷一起加热反应制得： R =CH2CH2OCHCHCH 2SCH3R =R = GVO NNCH2NSCH3CH2CH2OHNH3ClCH3 Cl 10 4.帕尔克诺尔（C.PaalL.Knorr）合成法： 1，4二羰基化合物常在无水的酸性条件下，得到呋喃及其衍生物。1，4二羰基化 合物与氨或硫化合物反应，可制备噻吩，吡咯及他们的衍生物，这个方法称为帕尔克诺 尔合成法： 11 5.取代吡咯的另一个一般的合成法，称为克诺尔合成法，即用氨基酮与有 亚甲基 的酮进行缩合。例如用氨基酮酸酯与酮酸酯或 1，3二酮缩合，氨基酮酸脂由相应的 羰基酯制得。 氨基酮 亚甲基酮 17.4 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。 吡啶是重要的有机碱试剂，嘧啶是组成核糖核酸的重要生物碱母体。 17.4.1 吡啶 (1) 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（P 565） 。 吡啶为有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。 （2）吡啶的结构 N NN O N N NH - C_ sp2N_ sp2 66NP sp 2N 12 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。 （3）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。 吡啶易与酸和活泼的卤代物成盐。 2亲电取代反应 吡啶环上氮原子为吸电子基，故吡啶环属于缺电子的芳杂环，和硝基苯相似。其亲电 取代反应很不活泼，反应条件要求很高，不起傅-克烷基化和酰基化反应。亲电取代 反应 主要在 - 位上。 CH3NH2NH3 N NH2pKb3.8 4.76 8.0 9.42 N+ HCl NHCl NNH3N+ SO3CH2Cl2 NSO3(90%) N NNRI R I30I NI+RROHN NR ROH N 1.43 0.841.01 0.87 N N NClNBr NNO2NSO3H Cl2, AlCl3Br2, H2SO4HgSO4 1030 20 30 3 33 3 13 3氧化还原反应 （1）氧化反应 吡啶环对氧化剂稳定，一般不被酸性高锰酸钾、酸性重铬酸钾氧化，通常是侧链烃基 被氧化成羧酸。 吡啶易被过氧化物（过氧乙酸、过氧化氢等）氧化生成氧化吡啶。 氧化吡啶在有机合成中用于合成 4-取代吡啶化合物。 （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吡啶（即胡椒啶） 。 4亲核取代 由于吡啶环上的电荷密度降低，且分布不均，故可发生亲核取代反应。例如： 17.4.2 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。 N N NN CH3KMnO4 / H HNO3 COH COH N NCH3C-OHO NHNO3O NONO2H2SO490 PCl3 NNO2+ POCl3 NNaH2 N H2ONHa NNH2 N NH NNNHN2345678 911 12 23 34 45 56 67 78- ( Quioline ) ( indole ) ( Purine ) 14 1 吲哚 吲哚是白色结晶，熔点 52.5。极稀溶液有香味，可用作香料，浓的吲哚溶液有粪臭味。 素馨花、柑桔花中含有吲哚。吲哚环的衍生物广泛存在于动植物体内，与人类的生命、生 活有密切的关系。 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。见 P563。 NHCH2CHCOHN2N HCH3 NHCH2CH2NH2HO 5- NHCH2COH CH2 NH Br2,OO0C 6H5CONO2CH3CN,0N . SO 3 33NH NHNH BrNO 2SO 3H 70%35% NHCH2CH2NHAcCH3O Melatonie 15 2.喹啉 喹啉存在于煤焦油中，为无色油状液体，放置时逐渐变成黄色，沸点 238.05，有恶 臭味，难溶于水。能与大多数有机溶剂混溶，是一种高沸点溶剂。 1喹啉的性质 （1）取代反应 喹啉是有吡啶稠合而成的，由于吡啶环的电子云密度 低于与之并联的苯环，所以喹啉的亲电取代反应发生在电 子云密度较大的苯环上，取代基主要进入 5 或 8 位。而亲 核取代则主要发生在吡啶环的 2 或 4 位。 （2）氧化还原反应 喹啉用高锰酸钾氧化时，苯环发生破裂，用钠和乙醇还原是其吡啶环被还原，这说明 在喹啉分子中吡啶环比苯环难氧化，易还原。 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。 其反应过程见 P571。 N1.630.790.930.71.00.950.960.98 N N NN N N NO2 NO2Br BrNSO 3HNHa NNH2 + H2O HNO3 H2SO4 +H 2SO4+Br2Ag2SO4H 2SO4,20KNH 2.10 0 N NNH10KMnO4CH3CH2OH, Na COHCOH NNH2 CH2-CH-CH2OHOHOH+ H2SO48491% 16 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。 17.4.2 嘌呤嘧啶、嘌呤及其衍生物 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。 uracil thymine cytosine NCH3O CHHO NCHCH2 N NCl NH CHHO(CH2)3-NC2H5C2H5 CH 2 OCH3OCH3 CH3OCH3O - HO O OH NCH31 23 45678 -6 NN NN NNNNOHHO OHHO HOCH3 NH2 ( U ) ( T ) ( C ) 17 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。 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。 2黄嘌呤 存在于茶叶及动植物组织和人尿中。 3 生物碱 生物碱是一类存在于生物体内，对任何动物有强烈生理作用的含氮碱性有机化合物， 如烟叶中的主要生物碱组分是 尼古丁（ ）。生物碱在植物体内常于有机酸（果酸 ， 柠檬酸，草 酸，琥珀酸，醋酸，丙酸等）结合成盐而存在，也有和无机酸（磷酸，硫酸，盐酸）结合 的。中草药治病有效成分有生物碱，苷等。生物碱的研究促进有机合成药物的发展，为合 成新药提供线索，如古柯碱化学的研究导致局部麻醉剂普鲁卡因的合成。 古柯碱 NNNH