化工17杂环化合物

1、 第十七章第十七章 杂环化合物杂环化合物 构成环的原子除碳原子外还有构成环的原子除碳原子外还有O、S、N、P等杂等杂 原子的一类环状化合物称为原子的一类环状化合物称为杂环化合物杂环化合物。 环状化合物可分为两大类：环状化合物可分为两大类： 碳环化合物和杂环化合物碳环化合物和杂环化合物 构构成环的原子只有碳原子的环状化合物为成环的原子只有碳原子的环状化合物为 碳环化合物。碳环化合物。 杂环化合物杂环化合物(heterocyclic compounds)： 构成环的原子除碳原子外还有其它原子构成环的原子除碳原子外还有其它原子 的一类环状化合物的一类环状化合物 ， 常见的杂原子是常见的杂原子是O,N

2、,S。 四氢呋喃四氢呋喃 哌啶哌啶 吡啶吡啶 O N N H O NH 2 NH N H H O S COOH CH 3 H 2O 头孢氨苄头孢氨苄(先锋霉素先锋霉素IV) NN NN Fe CHCH2 H3C CH3 CHCH2 H3C HOOCCH2CH2CH2CH2COOH CH3 血红素血红素(heme) 17.1 杂环化合物的分类、命名和结构杂环化合物的分类、命名和结构 （1）分类）分类 常见的分类有两种：常见的分类有两种： 1. 按骨架分类按骨架分类 单杂环（五元、六元、一杂、二杂等）单杂环（五元、六元、一杂、二杂等） 稠杂环（环数、杂原子数等）稠杂环（环数、杂原子数等） 2.按芳

3、香性分类按芳香性分类 非芳香性杂环非芳香性杂环 芳香性杂环芳香性杂环 五元多五元多芳杂环芳杂环 六元缺六元缺芳杂环芳杂环 O N O O 非芳香性杂环非芳香性杂环: OO O 四氢呋喃四氢呋喃 1,41,4二氧六环二氧六环 四氢吡咯四氢吡咯 六氢吡啶六氢吡啶 奎宁环奎宁环 N N N H H (1(1氮杂二环氮杂二环2.2.22.2.2辛烷辛烷) ) 芳杂环化合物芳杂环化合物 : 五元杂环：五元杂环： 呋喃呋喃 噻吩噻吩 吡咯吡咯 furan thiophene pyrrole OSN H 吡唑吡唑 咪唑咪唑 唑唑 噻唑噻唑 pyrazole imidazole oxazole thiazol

4、e N N N N O N S N HH 六元杂环：六元杂环： 吡啶吡啶 哒嗪哒嗪 嘧啶嘧啶 吡嗪吡嗪 Pyridine pyridazine pyrimidine pyrazine N N NN N N N O SN H 苯并呋喃苯并呋喃 苯并噻吩苯并噻吩 吲哚吲哚( (苯并吡咯苯并吡咯) ) benzofuran thionaphthene indole 稠杂环：稠杂环： 苯并咪唑苯并咪唑 苯并苯并 唑唑 苯并噻唑苯并噻唑 嘌呤嘌呤 benzomidazole benzoxazole benzothiazole purine N N H O N S N N NN N H N N N 喹啉喹

5、啉 异喹啉异喹啉 吖啶吖啶 quinoline isoquinoline acridine 杂环的编号一般从杂原子开始，含多个杂环的编号一般从杂原子开始，含多个 杂原子时按杂原子时按O、S、N的次序编号。的次序编号。 O1 2 34 5 S N CH3 1 2 3 4 5 O N 1 2 3 4 5 6 7 CH3CO 5 5甲基噻唑甲基噻唑 6 6甲氧基苯并甲氧基苯并 唑唑 对于含一个杂原子的杂环也可把靠近杂对于含一个杂原子的杂环也可把靠近杂 原子的位置叫做原子的位置叫做位，其次为位，其次为和和位。位。 N （2）命名）命名 17.1.2 结构和芳香性结构和芳香性 呋喃、噻吩和吡咯：呋喃、噻

6、吩和吡咯： C、N原子均为原子均为sp2杂化；杂化； 环上的环上的5个原子处于同一平面；个原子处于同一平面； 5个个p轨道都垂直于环所在的平面且相互平行；轨道都垂直于环所在的平面且相互平行； p轨道的相互交盖形成闭合的共轭体系；轨道的相互交盖形成闭合的共轭体系； 体系中有体系中有6个个电子。电子。 呋喃、吡咯和噻吩的芳香性：呋喃、吡咯和噻吩的芳香性： 共振能分别为共振能分别为67、88 和和 117 kJ/mol。 容易发生亲电取代反应容易发生亲电取代反应 键长趋于平均化键长趋于平均化 表表17.1 呋喃、噻吩、吡咯及环戊二烯的键长呋喃、噻吩、吡咯及环戊二烯的键长/nm XC1(单键单键) C

7、2C3 C3C4 呋喃呋喃 0.1362(0.143) 0.1361 0.1430 噻吩噻吩 0.1714(0.182) 0.1370 0.1423 吡咯吡咯 0.1370(0.147) 0.1382 0.1417 环戊二烯环戊二烯 0.1502 0.1341 0.1455 X X=O,S, NH,CH2 CC CC 键长键长/nm 0.154 0.134 核磁共振信号大都出现在较低场核磁共振信号大都出现在较低场 O 6.24 7.29 S 7.18 6.99 N H 6.68 6.22 6.28 6.43 17.2 五元杂环化合物五元杂环化合物 17.2.1 五元杂环化合物的化学性质五元杂环

8、化合物的化学性质 X X = NH,O,S 杂原子的杂原子的C 效应，增加了杂环的亲电效应，增加了杂环的亲电 取代反应的活性。亲电取代反应活性顺序：取代反应的活性。亲电取代反应活性顺序： NOS H 硝化硝化 一般采用硝酸乙酰脂一般采用硝酸乙酰脂 CH3COONO2作硝化剂作硝化剂 S + CH3COONO2 Ac2OC AcOH 0 S NO2+ S NO2 2C 硝硝基基噻噻吩吩( (6 66 6% %) )3C 硝硝基基噻噻吩吩( (1 10 0% %) ) 它们在亲电取代反应中，使用温和的试剂：它们在亲电取代反应中，使用温和的试剂： 亲电取代亲电取代 S + H 2SO4(浓 浓) )

9、 室室温温 S SO3H 噻噻吩吩2磺磺酸酸 (75%) 煤焦油中提取的苯含煤焦油中提取的苯含0.5% 0.5% 噻吩。可用噻吩。可用 这种方法除去苯中的这种方法除去苯中的噻吩噻吩 (2) 磺化磺化 吡咯、呋喃通常采用吡啶与吡咯、呋喃通常采用吡啶与SO3的加合物：的加合物： N+ SO3NSO3 N + N SO3 100 N SO3 N HCl N SO3 H 吡吡咯咯2磺磺酸酸吡吡啶啶盐盐 (90) H H H 进行磺化进行磺化 (3) 卤化卤化 采用溶剂稀释、低温采用溶剂稀释、低温 O + Br2 O O 0O Br C溴溴代代呋喃 (90%) S + Br2 室室温温S Br C溴溴代

10、代噻噻吩吩 AcOH (4) FriedelCrafts酰基化酰基化 催化剂：催化剂： SnCl4, BF3等等 O + (CH3CO)2O O 2C乙乙酰酰基基呋喃 (75%92%) BF3 C O CH3 + (CH3CO)2O 2C乙乙酰酰基基吡吡咯咯(60%) 150200 C O CH3 N H N H 吡咯、呋喃、噻吩亲电取代反应的吡咯、呋喃、噻吩亲电取代反应的 区域选择性：区域选择性：反应主要发生在反应主要发生在 2 2 位上位上 五元杂环上有两种不同位置的取代：五元杂环上有两种不同位置的取代： 亲电试剂进攻亲电试剂进攻 2 位的中间体稳定位的中间体稳定 X 进进攻攻3位位 进进

11、攻攻2位位 E+X E HX E HX E H X E H X E H X=O,S,NH 结论：五元多结论：五元多芳杂环的亲电取代芳杂环的亲电取代 1.反应活性比苯大；反应活性比苯大； 2.使用温和的反应条件；使用温和的反应条件； 3.反应部位主要为反应部位主要为-位。位。 呋喃的芳香性比较弱呋喃的芳香性比较弱, 除进行亲电取代反应外除进行亲电取代反应外;还还 容易进行亲电加成和容易进行亲电加成和Diels-Alder环加成反应。环加成反应。 + C o OO O O 30 O H H O O O %90 O O O S o C + 100 1500MPa S H H O O O %47 +

12、O Br2 CH3COOK CH3OH CH3OH O H Br H Br O H H OCH3CH3O 加成反应加成反应 (C5H8O4)n H +,H2O ( -H2O3 CHO CHOH) CH2OH 3 CHO O 400 o C ZnO Cr2O3-MnO2， O H2, Ni O 戊聚糖戊聚糖 戊醛糖戊醛糖 糠醛糠醛 糠醛糠醛 （ -呋喃甲醛）呋喃甲醛） 性质：性质：1.不饱和呋喃杂环；不饱和呋喃杂环；2.无无-氢的醛。氢的醛。 制备：制备： 脱羰脱羰还原还原 CHO O O CHO NaOH O CH2OHO COONa + H + O CH2 O CH2 O CH2OH n 糠

13、醇树脂糠醇树脂 歧化反应：歧化反应： 聚合聚合 呋喃、噻吩、吡咯的制备呋喃、噻吩、吡咯的制备 PaalKnorr合成法合成法 二羰基化合物在酸催化下脱水二羰基化合物在酸催化下脱水 或与氨或硫化物作用或与氨或硫化物作用 O O CH3H3C TsOH 甲甲苯苯, , O H3CCH3 P2S5 170 NH3 甲甲苯苯, , S H3CCH3 N H3CCH3 H 17.3 六元杂环化合物六元杂环化合物 N N H 烟烟碱碱(尼尼古古丁丁) 颠颠茄茄碱碱(阿阿托托品品) 麻麻黄黄碱碱 咖咖啡啡碱碱 N CH3 CH3 NHCH3H OHH C6H5 N N O H3C O N N CH3 CH3

14、 生物碱一般是指从动植物中得来的、生物碱一般是指从动植物中得来的、 具有碱性的、有强烈生理作用的一类有机具有碱性的、有强烈生理作用的一类有机 含氮化合物，其中大部分带有杂环：含氮化合物，其中大部分带有杂环： 吡啶也是一种典型芳香性杂环化合物，吡啶也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具有和苯非常相似的骨架结构和电子结构。电子结构。 因因N的电负性大于的电负性大于C，吡啶为缺，吡啶为缺芳杂环，芳杂环， 亲电取代活性小于苯。亲电取代活性小于苯。 （1）吡啶）吡啶 N . . . . . . 17.3.1 吡啶和嘧啶吡啶和嘧啶 N 0.134nm 0.139nm 0.140nm

15、 7. N 7. 8. 55 16 52 N N 1.17D2.22D H 不稳定的不稳定的 极限结构极限结构 亲电取代反应亲电取代反应： 类似硝基苯，一般需在强烈条件下类似硝基苯，一般需在强烈条件下 才能发生亲电取代反应。才能发生亲电取代反应。 N N E+ 进进攻攻位位 进进攻攻位位 N E HN E H N E H N E H N E H N E H 亲电试剂主要进入亲电试剂主要进入位位 (1) 硝化硝化 N HNO3,KNO3 H2SO4,Fe,300 N NO2 3C 硝硝基基吡吡啶啶(22%) (2) 磺化磺化 230 N H2SO4,HgSO4 N 3C 吡吡啶啶磺磺酸酸(70%

16、) SO3H (3) 卤化卤化 300 N Br2 / 浮浮石石 N Br 3C 溴溴吡吡啶啶(39%) + N BrBr 3,5C 二二溴溴吡吡啶啶 亲电试剂主要进入亲电试剂主要进入位位 芳环上的亲核取代反应：芳环上的亲核取代反应： 吡啶更容易发生亲核取代反应，反应吡啶更容易发生亲核取代反应，反应 的部位是在环上的的部位是在环上的位和位和 4 位位： CH3OH / N N 2C 甲氧基吡吡啶啶(95%) Cl NaOCH3 OCH3 NN NaNH2 NHNa NH3 H2O N 氨基吡吡啶啶 NH2 N C6H5Li N C6H5 苯基吡吡啶啶 + LiH 环上氮原子的性质：环上氮原子的

17、性质： 亲核性：亲核性： 吡啶能与卤代烷作用生成相当于季铵盐吡啶能与卤代烷作用生成相当于季铵盐 的产物吡啶的产物吡啶 盐：盐： N CH3I N CH3 I 300 NCH3 + N CH3 C 甲甲基吡吡啶啶C 甲甲基吡吡啶啶 吡啶的碱性：吡啶的碱性： N NH2 N H N + HCl N H Cl N + SO3 N SO3 还原：还原： N + H2 N H Ni 180 六六氢氢吡吡啶啶 (哌哌啶啶) 有机碱催化剂、环氧树脂的固化剂有机碱催化剂、环氧树脂的固化剂 氧化：氧化： 吡啶与过氧化氢作用生成吡啶吡啶与过氧化氢作用生成吡啶N氧化物：氧化物： N H2O2,AcOH 65 N O

18、 HNO3,H2SO4 90 N O NO2 PCl3,CHCl3 N NO2 吡吡啶啶C NC 氧氧化化物物 (95) 4 4C 硝硝基基吡吡啶啶C NC 氧氧化化物物 (90) 4C 硝硝基基吡吡啶啶 (80) 含有吡啶环的药物分子：含有吡啶环的药物分子： N COOH N C O NH2 烟烟酸酸烟烟酰酰胺胺(维生素pp) N C O N(C2H5) 烟酰二乙胺(可拉明) N CONHNH2 N CH2OH HO H3C CH2OH 异烟酰肼(雷米封)维生素B6 17.3.2 喹啉和异喹啉喹啉和异喹啉 与吡啶类似与吡啶类似, 喹啉和异喹啉都有弱碱性（喹喹啉和异喹啉都有弱碱性（喹 啉：啉：pKb=9.15；异喹啉；异喹啉pKb=8.86）。）。 喹啉和异喹啉的喹啉和异喹啉的亲电取代反应亲电取代反应（如硝化、磺化、（如硝化、磺化、 溴化等）溴化等）比吡啶容易比吡啶容易，亲电试剂主要进攻苯环，亲电试剂主要进攻苯环 部分。部分。 N N 亲核取代反应亲核取代反应则发生在则发生在吡啶环吡啶环上，其中喹啉主要上，其中喹啉主要 在在2-位取代，而异喹啉主要在位取代，而异喹啉主要在1-位。位。 N 亲电取代反应亲电取代反应 电子密度大电子密度大 亲核取代反应亲核取代反应 电子密度小电子密度小