[理学]杂环化合物.ppt

1、第十三章第十三章 杂环化合物杂环化合物 ( (一一) ) 杂环化合物的分类和命名杂环化合物的分类和命名（ ） （1 1）非芳香性杂环）非芳香性杂环（）（） （2 2）芳香性杂环）芳香性杂环（）（） （二）五元杂环化合物（二）五元杂环化合物（）（） （1 1）呋喃、吡咯和噻吩的结构）呋喃、吡咯和噻吩的结构（）（） （2 2）五元杂芳化合物的化学性质）五元杂芳化合物的化学性质（）（） （3 3）一些具有生理活性五元杂环化合物）一些具有生理活性五元杂环化合物（）（） ( (三）六元杂环化合物三）六元杂环化合物（）（） （1 1）吡啶）吡啶（）（） （2 2）喹啉）喹啉（）（） 构成环的原子除碳原子外

2、还有构成环的原子除碳原子外还有O O、S S、N N、P P等杂原等杂原 子的一类环状化合物称为杂环化合物。子的一类环状化合物称为杂环化合物。 90%90%以上药物和以上药物和60%60%以上的有机化合物为杂环化合物；以上的有机化合物为杂环化合物； 杂环化合物在现实生活中的地位极其重要：杂环化合物在现实生活中的地位极其重要： 正是由于其存在，自然万物才有了勃勃生机。正是由于其存在，自然万物才有了勃勃生机。 碳水化合物碳水化合物（它为生命提供能量）；（它为生命提供能量）； 叶绿素叶绿素（它为植物提供绿色）；（它为植物提供绿色）； 血红素血红素( (它赋予血液以鲜红的颜色它赋予血液以鲜红的颜色)

3、)都是杂环化合物。都是杂环化合物。 核酸核酸中的杂环（嘧啶和嘌呤）部分对中的杂环（嘧啶和嘌呤）部分对DNADNA的复制起的复制起 着至关重要的作用并使生命得以代代相传。着至关重要的作用并使生命得以代代相传。 杂环化合物通常是杂环化合物通常是酶和辅酶酶和辅酶中催化生化反应的活中催化生化反应的活 性部位。性部位。 H3C H3C OOCCH2CH2 O OCH3 C H H O NN N N CH=CH2 C2H5 H CH3 Mg R R 叶绿素叶绿素a (R=CH3) 叶绿素叶绿素b (R=CHO) R=(CH3)2CHCH2CH2(CH2CHCH2CH2)CH2C=C CH2 CH3 CH3

4、 H3C N S H CH3 H3CCH3 OH CH3 H3C O O O O OH R 19931993年被发现的一种高效抗癌物质年被发现的一种高效抗癌物质 Epothilone A(R=H) B(R=CH3)； ( (一一) ) 杂环化合物的分类和命名杂环化合物的分类和命名 （1）非芳香性杂环）非芳香性杂环 OO O N H N H 四氢呋喃四氢呋喃1,4-1,4-二氧六环二氧六环四氢吡咯四氢吡咯 六氢吡啶六氢吡啶 1-1-氧氧-4-4-氮杂环己烷氮杂环己烷 ( (吗啡啉吗啡啉) ) 奎宁环奎宁环 N O N H 杂环可简单地分为非芳香杂环和芳香杂环两杂环可简单地分为非芳香杂环和芳香杂环

5、两 大类。大类。 （2）芳香性杂环）芳香性杂环 最常见和最稳定的芳杂环分为五元杂环和六最常见和最稳定的芳杂环分为五元杂环和六 元杂环两大类。每一类又依杂原子种类、数目、元杂环两大类。每一类又依杂原子种类、数目、 单环或稠环等再分类。单环或稠环等再分类。 （A）分类）分类 （B）命名）命名 （a）母体化合物）母体化合物 采用英文名称的音译，一般在同音汉字的左采用英文名称的音译，一般在同音汉字的左 边加一边加一“口口”旁。旁。 OSN H N N H N N H N O N S 单环芳香性五元杂环化合物：单环芳香性五元杂环化合物： 呋喃呋喃 Furan 噻吩噻吩 Thiophene 吡咯吡咯 Py

6、rrole 吡唑吡唑 Pyrazole 咪唑咪唑 Idmiazole 噁唑噁唑 Oxazole 噻唑噻唑 Thiazole 稠环芳香性五元杂环化合物：稠环芳香性五元杂环化合物： O SN H 苯并呋喃苯并呋喃 Benzofuran 苯并噻吩苯并噻吩 Thionaphene 吲哚（苯并吡咯吲哚（苯并吡咯） Indole S N O N N N H 苯并噁唑苯并噁唑 Benzoxazole 苯并噻唑苯并噻唑 Benzothiazole 苯并咪唑苯并咪唑 Benzoimidazole 吡啶吡啶 Pyridine N N 喹啉喹啉 Quinoline 异喹啉异喹啉 Isoquinoline N N N

7、 N N N 哒嗪哒嗪 Pyridazine 嘧啶嘧啶 Pyrimidine 吡嗪吡嗪 Pyrazine 芳香性六元杂环化合物：芳香性六元杂环化合物： N 1 2 3 45 6 7 8 （b）定编号）定编号 一般从杂原子编起，含多个杂原子时按一般从杂原子编起，含多个杂原子时按O O， S S，N N的次序编号。的次序编号。 4-4-甲基甲基-2-2，3 3，- -二溴呋喃二溴呋喃5-5-甲基噻唑甲基噻唑 只含一个杂原子的杂环，可把靠近杂原子的只含一个杂原子的杂环，可把靠近杂原子的 位置叫做位置叫做为，其次为为，其次为位。位。 O 1 2 34 5 N 1 2 3 4 5 6 O CH3Br B

8、r 1 2 34 5 N S 1 2 3 4 5 CH3 （二）五元杂环化合物（二）五元杂环化合物 （1）呋喃、吡咯和噻吩的结构）呋喃、吡咯和噻吩的结构 （A）符合）符合Huckel规则具有芳香性规则具有芳香性 每个碳原子的每个碳原子的p p轨道有一个电子，杂原子的轨道有一个电子，杂原子的p p轨道有轨道有 二个电子。这五个二个电子。这五个p p轨道都垂直于分子所在平面，侧面轨道都垂直于分子所在平面，侧面 相互交盖，形成（相互交盖，形成（4n+24n+2）电子共轭体系。电子共轭体系。 构成环的原子都是构成环的原子都是spsp2 2杂化，五个原子在同一平面内。杂化，五个原子在同一平面内。 OSN

9、 H 符合符合Huckel规则：规则： 键长：有平均化的倾向（见教材键长：有平均化的倾向（见教材p469p469表表18-318-3）。）。 环上质子受离域电子环流去屏蔽效应影响出现在环上质子受离域电子环流去屏蔽效应影响出现在 低场。低场。 具有芳香性具有芳香性 易发生亲电取代反应。易发生亲电取代反应。 有较高的离域能，具特殊的稳定性。有较高的离域能，具特殊的稳定性。 OSN H 6.24 7.29 6.99 7.18 6.22 6.68 （B）芳香性的比较）芳香性的比较 离域能离域能（kJ/mol） 呋喃、吡咯和噻吩都是典型的芳香体系，呋喃、吡咯和噻吩都是典型的芳香体系，电子电子 离域，具有

10、离域能。但由于杂原子不同，离域能不同。离域，具有离域能。但由于杂原子不同，离域能不同。 ON H 67 88 117 S 芳香性：芳香性： 150.5 原因原因 ？ 氧原子电负性大，其未公用电子对参加体系离域氧原子电负性大，其未公用电子对参加体系离域 程度小。程度小。 电负性：电负性：O N S 3.5 3.0 2.5 ON H S （2）五元杂芳化合物的化学性质）五元杂芳化合物的化学性质 结构与性质结构与性质 呋喃、吡咯和噻吩具有芳香性呋喃、吡咯和噻吩具有芳香性, ,容易进行亲容易进行亲 电取代反应电取代反应. . 特点特点: 它们的亲电取代反应都比苯活泼它们的亲电取代反应都比苯活泼( (吡

11、咯吡咯 呋呋 喃喃 噻吩噻吩 苯苯) )，其活泼性同苯酚、苯胺相似。，其活泼性同苯酚、苯胺相似。 由于它们的高度活泼性以及呋喃和吡咯对由于它们的高度活泼性以及呋喃和吡咯对 于无机强酸的敏感性，其亲电取代反应需要比于无机强酸的敏感性，其亲电取代反应需要比 较温和的条件。较温和的条件。 亲电取代在亲电取代在位位 2 2 进进攻攻位位 3 3 进进攻攻位位 X=O,S,NH X E X H E E X H 中间体稳定中间体稳定 （A）呋喃）呋喃 O 亲电取代反应：亲电取代反应： Br2 二氧六环 O Br CH3COONO2 低低温温 O NO2 N SO 3 O SO3H (CH3CO)2O BF

12、3 O CCH3 O O HCl 140, 0.4MPa Cl(CH2)4Cl NaCN NC(CH2)4CN H2O HOOC(CH2)4COOH H2，Ni H2NC(CH2)4NH2 制造尼龙制造尼龙6666的原料的原料 催化加氢：催化加氢： O H2，Ni 催催化化加加氢氢 O O 加成反应：加成反应： Diels-Alder反反应应 30 C C O O O ， O OO O O O H H O O 呋喃的芳香性比较弱呋喃的芳香性比较弱, , 除进行亲电取代反除进行亲电取代反 应外应外; ;还容易还容易DielsDiels-Alder-Alder反应进行和亲电加成。反应进行和亲电加成

13、。 Br2 O CH3COOK CH3OH O H Br H Br CH3OH O HH OCH3 O CH 3 1 1，4 4加成加成 （B）噻吩）噻吩 S 亲电加成亲电加成 Cl2 H2SO4 S SO3H (CH3CO)2O H3PO4 S CCH3 O H2，Ni 催催化化加加氢氢 S SS Cl ClCl 极弱极弱 （C）吡咯）吡咯 N H 碱性碱性 因为氮原子上未公用电子对参与了共轭体系。因为氮原子上未公用电子对参与了共轭体系。 H NH2 NH3 N 呈弱酸性 KOH N K 亲电取代亲电取代 乙乙醇醇，0 0 Br2 N H Br Br Br Br CH3COONO2 N H

14、NO2 N SO 3 N H SO3H H2/Ni 催催化化加加氢氢 ，200 H N 四氢吡咯，吡咯烷，具脂肪四氢吡咯，吡咯烷，具脂肪 族仲胺的性质族仲胺的性质 氧化还原氧化还原 （D D）糠醛（）糠醛（-呋喃甲醛）呋喃甲醛） 制备：制备： (C5H8O4) n H,H2O 戊聚糖戊聚糖 CHCHHOOH CCH H HO OH H CHO 性质：性质： O CHO 浓NaOH Cannizarro反应 O COOH O CH2OH KMnO4 H O COOH 400 ZnO Cr2O3 MnO2 O H， 3H2O O CHO 戊醛糖戊醛糖 糠醛糠醛 （3 3）一些具有生理活性五元杂环化

15、合物）一些具有生理活性五元杂环化合物 O CH= O2N N N O O O2N O CH=CHCNHCH(CH3)2 O 呋喃唑酮呋喃唑酮（痢特灵）（痢特灵） 呋喃丙胺呋喃丙胺（抗血吸虫药抗血吸虫药） 卟吩胆色素原卟吩胆色素原: :通过生物体内特定酶的作用可转变成通过生物体内特定酶的作用可转变成 卟啉、叶绿素和维生素卟啉、叶绿素和维生素B B12 12等重要生物活性物质 等重要生物活性物质. . 3-3-吲哚乙酸吲哚乙酸( (植物生长促进剂植物生长促进剂) ) H HOOCCH2CH2 N CH2COOH CH2NH2 N CH2COOH H 长春碱长春碱( (R=CH3) ); ;长春新碱

16、长春新碱( (R=CHO) ); ; 抗癌药抗癌药 N H3COOC N OH C2H5 H OCOCH3 COOCH3 N C2H5 H H3CON R HO H3CNH2 N N CH2 S N CH3 CH2CH2OH +Cl - 维生素维生素B1 1 PhCH2CONH N S O H CH3 COOH CH3 HH 青霉素青霉素G ( (三）六元杂环化合物三）六元杂环化合物 （1 1）吡啶）吡啶 吡啶是一种典型芳香性杂环化合物，具有和苯吡啶是一种典型芳香性杂环化合物，具有和苯 非常相似的骨架结构和非常相似的骨架结构和电子结构。电子结构。 （A A）结构）结构 N 0.134nm 0.

17、139nm 0.140nm 吡啶电子结构与吡咯不同：吡啶电子结构与吡咯不同： N H N 成环的六个电子成环的六个电子 在同一平面内，在同一平面内， 键角键角120120，键长，键长 趋于平均化。趋于平均化。 具有偶极具有偶极 矩，说明矩，说明 电子分布电子分布 不均匀。不均匀。 N 2.22D SO3 NSO3 CH3NH2 NH2 N NH3 N H （B B）化学性质）化学性质 吡啶氮原子上的未共用电子对不参与吡啶氮原子上的未共用电子对不参与- 体系，这对电子可与质子结合，因此吡啶的体系，这对电子可与质子结合，因此吡啶的 碱性较吡咯强，也比苯胺略强。碱性较吡咯强，也比苯胺略强。 （a a

18、）碱性）碱性 碱性比较：碱性比较： pKb 3.36 4.76 8.8 9.3 13.6 N RX N X R HClHCl N Cl H 反应：反应： （b b）亲电取代反应）亲电取代反应 由于氮原子的吸电子诱导效应，吡啶环上的由于氮原子的吸电子诱导效应，吡啶环上的 电子云密度较低，其亲电取代反应与硝基苯类电子云密度较低，其亲电取代反应与硝基苯类 似，一般需要强烈条件。似，一般需要强烈条件。 主要发生在主要发生在-位位. . 活性：活性： 位置：位置： 进攻位 进攻位 E N E HN E H N N有较大电负性，有较大电负性， 6 6电子电子N不稳定。不稳定。 N KNO3,H2SO4 Fe , 330 H