课件：杂环化合物.ppt

杂环化合物广泛地存在于自然界，是有机化合物中数目最庞大的一类。邢其毅先生在给花文廷杂环化合物一书的序言中写到：杂环化合物占有机化合物总数的65%，论文占有机化学的13。,生物体内具有重要生理功能的两大色素：血红素和叶绿素具有杂环；,对生物的生长、繁殖、遗传、变异起决定性作用的核酸具有杂环。,第14章 杂环化合物,内容提要:,一、杂环化合物的定义、分类与 命名,二、五元单杂环化合物,三、六元单杂环化合物,四、稠杂环化合物,第14章 杂环化合物,广义来讲，构成环的原子除了碳原子外，还含有一个或多个非碳原子(杂原子)的化合物称为杂环化合物 。 常见的杂原子（hetero-atom）：N、O、S 。,一、杂环化合物的定义、分类与命名,（一）定义,环氧乙烷,氮杂环丙烷,-丁酸内酯,-丁内酰胺,马来酸酐,这些化合物中虽然含有杂原子，但不稳定易开环，性质类似于开链化合物。习惯上认为的杂环化合物是：,定义：含有杂原子，具有芳香性或一定程度稳 定性的环状化合物叫杂环化合物。,一、杂环化合物的定义、分类与命名,（二）杂环化合物的分类和命名,单杂环 五元杂环、六元杂环。 稠杂环 苯环和杂环稠合、杂环和杂环稠合。,一、杂环化合物的定义、分类与命名,五 元 杂 环,五 元 一 杂,五 元 二 杂,1.基本杂环结构,（二）杂环化合物的分类和命名,六元杂环：,其中以吡啶和嘧啶最为重要,1. 基本杂环结构,稠杂环（苯环与杂环稠合）,1.基本杂环结构,杂环与杂环的稠合：,1. 基本杂环结构,几个重要的含氮杂环化合物,吡咯,吡啶,间 氮 咪 唑 和 嘧 啶,咪唑,嘧啶,吲 哚 喹 啉 左 并 苯,吲哚,喹啉,嘌呤,嘧（啶）咪（唑）稠合是嘌呤。,记 忆 口 诀：,氮五吡咯六吡啶； 间氮咪唑和嘧啶； 吲哚喹啉左并苯； 嘧咪相稠是嘌呤。,指出下列杂环化合物中，各含有哪些杂环母核？,（1）含嘌呤环和呋喃环 （2）含嘧啶和噻唑环,2.取代杂环的命名(P.298),编号的原则：对于单杂环，从杂原子开始，用阿拉伯数字（或、）表示；若同一环上有多个杂原子，则按O、S、NH（仲氮）和N（叔氮）的顺序编号。,4-甲基咪唑,4-methylimidazole,5-甲基噻唑,5-methylthiazole,对于稠杂环则有固定的编号顺序，通常是从一端开始，依次编号，公用的碳原子一般不编号，并尽可能使杂原子的编号较小如喹啉、异喹啉和吲哚。值得注意的是嘌呤，不仅公用碳参与编号，而且编号的顺序很特殊。,3. 稠杂环的命名,1,4-二甲基异喹啉,6-氨基嘌呤（腺嘌呤）,有时，为了命名的方便，也将杂环作为取代基，以官能团作为母体来命名。,3-吡啶甲酸,2-呋喃甲醛(糠醛),3-pyridine formic acid,2-furan formaldehyde,2.取代杂环的命名,Z= O、S、N,（一）呋喃、噻吩和吡咯的结构与性质,二、含一个杂原子的五元杂环化合物,1. 呋喃、噻吩和吡咯的结构,Pyrole is an amine and a conjugated diene, however its chemical properties are not consistent with either of structural features,吡咯的结构：,1. 呋喃、噻吩和吡咯的结构,杂原子上的孤对电子，参与闭合的共轭体系。电子数为6，具有一定的芳香性，芳香性比苯差。,芳香性： 苯 噻吩 吡咯 呋喃 共振能： 150.6 121.3 87.8 66.9 （kJmol-1）,结构特点：,亲电取代活性比苯大， 且位比位活泼。,1. 吡咯、呋喃和噻吩的结构,亲电取代活性比苯大， 且位比位活泼。,富有电子的大键。电子离域的 结果，使得杂原子上的电子云密 度降低，环上各碳原子的电子云 密度升高（杂原子的活化作用相 当于酚羟基），键长在一定程度 上发生平均化。,1. 吡咯、呋喃和噻吩的结构,为什么吡咯分子的偶极矩与四氢吡咯的方向相反？,1. 吡咯、呋喃和噻吩的结构,亲电取代活性比苯大， 且位比位活泼。,富有电子的大键。电子离域的 结果，使得杂原子上的电子云密 度降低，环上各碳原子的电子云 密度升高（杂原子的活化作用相 当于酚羟基），键长在一定程度 上发生平均化。,2. 吡咯、呋喃和噻吩的化学性质,（1）亲电取代反应,五元杂环化合物的亲电取代反应主要发生在-位,1. 亲电取代反应,亲电取代反应发生在-位时，反应活性中间体的正电荷能够得到更有效地分散，体系能量较低反应易于进行。所以：,（2）呋喃、吡咯、噻吩在酸性条件下能不同程度发生质子化。吡咯在强酸作用下会发生聚 合生成吡咯红；呋喃在稀酸水溶液中质子 化发生在氧上，会导致开环反应发生。相对来说噻吩对于酸比较稳定。,（1）呋喃、吡咯、噻吩对氧化剂都敏感， 遇到氧化剂时环都很容易被破坏。,五元杂环的反应有两点需要注意：,1. 亲电取代反应,（1）磺化反应,吡咯、呋喃不太稳定，磺化时直接使用质子酸会发生聚合或开环，所以使用较温和的磺化剂：吡啶与三氧化硫的加合物。,-呋喃磺酸或 呋喃-2-磺酸,噻吩环较稳定，磺化可在室温下直接使用浓硫酸，生成的-噻吩磺酸溶于浓硫酸。苯在室温下不与浓硫酸反应，据此，常用浓硫酸洗涤来除去苯中的噻吩。,（1）磺化反应,（2）硝化反应,呋喃,吡咯和噻吩易氧化, 一般不用硝酸直接硝化; 通常用比较温和的非质子硝化剂，且在低温下进行。,乙酰硝酸酯,2-硝基噻吩（主）,呋喃的硝化比较特殊,相当于先进行1，4加成, 然后再加热或用吡啶除去乙酸,得到硝化产物。,2-硝基呋喃,（2）硝化反应,（3）卤代反应,反应强烈，易得多卤取代物。为了得一卤代(Cl, Br)产物，要采用低温、溶剂稀释等温和条件。,因吡咯、呋喃、噻吩的环上电子云密度比苯大，故比苯活泼。取代基进入位。,亲电取代反应活性：吡咯呋喃噻吩苯。,吸电子诱导：O(3.5) N(3.0) S(2.6) 给电子共轭：N O S 综合：N贡献电子最多，O其次，S最少,小 结：,1.亲电取代反应,2. 加成反应 （自学）,（1） 吡咯的酸碱性,苯酚 吡咯 乙醇 氨,Ka 1.310-10 10-15 10-18 10-35,吡咯可将格氏试剂分解，说明分子中有酸性氢。,3.吡咯的特殊性质,（2） 吡咯的偶联,呋喃和噻吩不能偶联，说明吡咯环电子密度高。,3.吡咯的特殊性质,卟吩(porphine)是由4个吡咯环的碳原子通过次甲基（-CH=）相连而成的复杂的共轭体系，成环的原子共平面，有26个电子，符合4n+2的规则，有芳香性，其取代物则称为卟啉（porphyrin）。,（三）吡咯的重要衍生物(P.306),卟吩(porphine),与生命有着密切关系的两大色素：叶绿素和血红素，以及维生素B12都含有卟吩环。,1.血红素,血红素与蛋白质结合生成血红蛋白，其功能是在血液中运送氧气和二氧化碳。0、0.1MPa 时，1g血红蛋白 可结合1.35mLO2，血红蛋白与CO的结合能力是与O2结合能力的210倍。血红素1929年由Hans Fischer合成。 （1930获诺奖）,（三）吡咯的重要衍生物 P.306,叶绿素是绿色植物进行光合作用所必须的催化剂。光合作用的实质是绿色植物将太阳的光能转化成化学能的过程。叶绿素由“现代有机合成之父”Woodward历时4年经30多步反应，于1960年合成。(1965或诺奖),2.叶绿素,（三）吡咯的重要衍生物,3.维生素B12,1926年发现肝脏提取液可治疗恶性贫血，1948年得到纯品暗红色的结晶物。1954年测得其结构。,合成工作在Woodward的组织下前后有19个国家的一百多位化学家参加，经95步反应，历时11年，于1972年宣告完成。VB12的合成被成为有机化学界的“阿波罗登月”。,（三）吡咯的重要衍生物,(四)、含两个杂原子的五元杂环化合物,（一）唑的结构和物理性质,S和仲N原子上的孤对电子处于P轨道，参与共轭; 叔N原子的孤电子对处于SP2杂化轨道，未参与共轭。,水溶性比相应单杂环高。,结构特点：有一个氮原子的孤电子对未参与杂化， 既能与水形成氢键，又能与质子结合。,互变异构,（二）咪唑,1. 咪唑的酸碱性,P.314,2019/8/30,38,可编辑,2.含咪唑环的氨基酸组氨酸,组氨酸(histamine acid),它是构成酶的活性中心的重要基团，具有独特的 化学性质。在生理环境中，它既能接受质子， 又能解离质子。尤其是它还具有在环的一端接 受质子，而在环的另一端给出质子的功能， 起到一种质子传递的作用。,将组胺分子中三个N原子的碱性由强至弱排列成序，并说明理由。,碱性：。 N属于脂肪胺； N上的孤对电子未参与大键； N上的孤对电子参与大键。,思考：,（三）噻唑及其衍生物,青霉素是噻唑的衍生物。 青霉素G疗效最好。,1928年由英国微生物学家Fleming发现，后经一千多人的努力分离出纯品。1957年完成全合成工作。青霉素对化脓性球菌、链球菌、肺炎菌、葡萄球菌有显著的抑制和杀灭作用，拯救了千百万人的生命。,R ： 名称,CH2C6H5 青霉素G CH2C6H4NHOH 羟氨苄青霉素（阿莫西林） CH（NH2）C6H5 氨苄青霉素（氨比先）,三、六元杂环化合物,（一）吡啶的结构和性质,吡啶环上碳原子和氮原子都以sp2杂化轨道 重叠形成键，各有一个p轨道相互重叠， 形成一个闭合的共轭体系。,注意：氮原子上的孤电子对未参与共轭体系。,孤电子对在sp2 杂化轨道上。,=1.17D,=2.26D,=1.58D,=1.81,吡啶N是sp2杂化，孤对电子伸在环外不参与共轭，碱性较强。,在吡啶环中：诱导效应和共轭效应都是吸电子 在吡咯环中：诱导效应是吸电子，共轭效应是给电子,吡啶与吡咯的结构比较：,吡啶存在于煤焦油与骨胶油之中。是无色 具有怪臭味的液体，沸点115.5。与水无限互溶，与乙醇、乙醚、苯等有机溶剂无限互溶，它是良好的溶剂。,（一）吡啶的结构和性质,（二）吡啶的化学性质,吡啶环是“缺电子芳环”，不易发生亲电取代反 应，但易发生亲核取代反应。亲电取代反应类似于硝基苯，比苯难，发生在 -位，亲核取代反应发生在-位。,根据量子化学计算，吡啶环上有效电荷分布,1.吡啶的碱性,Kb：2.510-14,3.810-10,2.310-9,10-5,吡啶可与质子酸或Lewis酸成盐。常在一些反应中加入吡啶来接受反应放出的HX以促进反应的进行。,将下列化合物按碱性强弱排序，并说明理由： （1） a： 吡啶 b： 六氢吡啶 c ：嘧啶 d： 吡咯,(2) dacb,思考：,（2） a： 乙胺 b： 苯胺 c： 氨 d： 四氢吡咯,（1） bacd,2.吡啶的亲电取代反应,6%,3-硝基吡啶,71%,-吡啶磺酸,39%,3-溴吡啶,NO！,吡啶环电子密度较低，亲电取代反应活性小；N相当于间位定位基(-NO2)。,若E+进攻位：,若E+进攻位：,若E+进攻位：,2.吡啶的亲电取代反应,2.吡啶的亲电取代反应,当吡啶环上连接强烈活化基团，如-NH2和-OH时，强活化基团决定第二取代的活性和位置。,当吡啶环上连接其它活化基团时，定位作用具有竞争性，如：,3.吡啶的亲核取代反应,加成-消除历程：,当2或4位连有好的离去基团，可发生亲核取代。,吡啶环由于电子云密度低，对氧化剂比苯环还稳定；而对还原剂则比苯活泼。 吡啶环上的烷基侧链，像烷基苯一样，在强氧化剂如KMnO4作用下，位的氢容易被氧化，生成吡啶甲酸。 位的氢的活性似羰基的位的氢。,4.吡啶的氧化-还原反应,（1）吡啶侧链的氧化,尼古丁 （烟碱）,烟酰胺,尼古丁酸 （烟酸）,（2）吡啶环的还原,室温下在铂催化下，即可与氢反应生成六氢吡啶， 后者具有仲胺的结构，碱性远比吡啶强。,六氢吡啶 （哌啶）,？,4.吡啶的氧化-还原反应,若HI过量，反应情况如何？,（三）吡啶的重要衍生物,烟碱又称尼古丁（nicotin），存在于烟草中。纯粹的烟碱是无色的油状液体，沸点246，有苦辣味，易溶于水和乙醇。自然界的烟碱是左旋体，在空气中容易氧化而变色。烟碱的毒性很大，少量对中枢神经有兴奋作用，能增高血压；大量时能抑制中枢神经系统，使呼吸停止和心脏麻痹，以致死亡。在农业上烟碱可用作杀虫剂。,1.烟碱,2.异烟肼 又称为雷米封（remifon），是一种白色固体，熔点170173，易溶于水和乙醇。是抗结核的良药，对维生素PP有拮抗作用，若长期服用，应补充维生素PP。它可由4-吡啶甲酸（异烟酸）与肼缩合得到：,（三）吡啶重要的衍生物,3.维生素PP 包括3-吡啶甲酸（烟酸）和3-吡啶甲酰胺（烟酰胺）。,维生素PP是B族维生素之一，能促进人体细胞的新陈代谢，它存在于肉类、谷物、花生及酵母中。它们都是白色结晶，能溶于热水和乙醇中，对酸、碱和热稳定。体内缺乏维生素PP时，能引起皮炎、消化道炎以至神经紊乱等症状，称作癞皮病。,4. 辅酶NAD(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)和辅酶NADP（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸酯）参与机体内氧化还原过程。,如醇到醛的生物氧化过程中，醇的氢负离子从-C 转移至NAD的4号位。,（四）嘧啶及其衍生物,嘧啶衍生物中最重要的是核酸的组成部分：胞嘧啶（C）、尿嘧啶（U）和胸腺嘧啶（T），这三个化合物统称为嘧啶碱。,（四）嘧啶及其衍生物,都存在酮式和烯醇式互变异构,碱基间形成氢键有一定规律，即腺嘌呤(A)与胸腺嘧啶(T)结合，而鸟嘌呤(G)与胞嘧啶(C)相结合，这就是所谓“碱基互补”规律。T与A之间形成两个氢键，C与G之间形成三个氢键。,（四）嘧啶及其衍生物,尿嘧啶的5位上的氢原子被氟取代后生成5-氟尿嘧啶（5-fluorouracil），具有干扰核酸的功能和合成的作用，可用作抗癌药物。,（四）嘧啶及其衍生物,适用于乳腺癌，结肠癌，直肠癌， 胃癌，肝癌，卵巢癌，宫颈癌， 膀胱癌，前列腺癌和头颈部肿瘤， 也可作为放射治疗的增敏剂。,（一）苯稠杂环：喹啉与异喹啉：,喹啉 (quinoline)沸点：238 熔点:-15.6 ,异喹啉(isoquinoline) 沸点：243 熔点：26.5 ,喹啉是无色有恶臭味的油状液体，可与大多数有机溶剂混溶，但在水中的溶解度很小。是一种高沸点溶剂。,四、稠杂环化合物,（二）嘌呤环系：由嘧啶和咪唑稠合而成。在水溶液中发生互变异构，平衡偏向于9H 形式。,9H-嘌呤（生物体内） 7H-嘌呤(药物内),1.腺嘌呤和鸟嘌呤 核酸的碱基。,腺嘌呤（A） 鸟嘌