第十六章杂环化合物ppt课件

1、第十六章第十六章 杂环化合物杂环化合物 16.1 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16.1.1 分类和命名分类和命名16.1.2 结构和芳香性结构和芳香性16.2 五元杂环化合物五元杂环化合物16.2.1 五元杂环化合物的化学性质五元杂环化合物的化学性质(1) 硝化硝化(2) 磺化磺化(3) 卤化卤化(4) friedel-crafts 酰基化酰基化16.2.2 常见的五元杂环化合物常见的五元杂环化合物16.3 六元杂环化合物六元杂环化合物16.3.1 吡啶和嘧啶吡啶和嘧啶(1) 硝化硝化(2) 磺化磺化(3) 卤化卤化 16.3.2 喹啉和异喹啉喹啉和异喹啉 16.3

2、.3 嘌呤嘌呤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,s。 onh2nhnh hoscoohch3h2o头孢氨苄头孢氨苄(先锋霉素先锋霉素iv)nnnnfechch2h3cch3chch2h3choocch2ch2ch2ch2coohch3血红素血红素(heme)四氢呋喃四氢呋喃 哌啶哌啶 吡啶吡啶onnh16.1 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16.1.1 分类和命名分类和命名 杂环杂环非芳香性杂

3、环非芳香性杂环 芳香性杂环芳香性杂环 非芳香性杂环非芳香性杂环:四氢吡咯四氢吡咯 六氢吡啶六氢吡啶 奎宁环奎宁环 ooo四氢呋喃四氢呋喃 1,4二氧六环二氧六环nnnhh(1氮杂二环氮杂二环2.2.2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 osnh吡唑吡唑 咪唑咪唑 唑唑 噻唑噻唑pyrazole imidazole oxazole thiazole nnnnonsnhh六元杂环：六元杂环： 吡啶吡啶pyridine 哒嗪哒嗪 嘧啶嘧啶 吡嗪吡嗪pyridazine pyrimidine pyra

4、zine nnnnnnnosnh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 nnhonsnnnnnhnnn 喹啉喹啉 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。 o12345snc

5、h312345on1234567ch3co5甲基噻唑甲基噻唑 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。 n16.1.2 结构和芳香性结构和芳香性 呋喃、噻吩和吡咯：呋喃、噻吩和吡咯：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轨道都轨道都垂直于环所在的平面且相互平行；垂直于环所在的平面且相互平行；p轨道的轨道的相互交盖形成闭合的共轭体系，体系中有相互交盖形成闭合的共轭体系，体系中有6个个电子。电子。nhhhhhsp2

6、杂化杂化参与大参与大键生成键生成的的p轨道中的电子轨道中的电子图图16.1 吡咯的轨道结构吡咯的轨道结构 nh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66、88 和和 116 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16.1 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/nmxc1(单键单键) c2c3 c3c4 呋喃呋喃 0.1362(0.143) 0.1361 0.1430噻吩噻吩 0.1614(0.182) 0.1360 0.1423吡咯吡咯 0.1360(0.146) 0.13

7、82 0.1416 环戊二烯环戊二烯 0.1502 0.1341 0.1455 xx=o,s,nh,ch2cccc键长键长/nm0.1540.134nhhhhhn图图16.2 吡啶的轨道结构吡啶的轨道结构 nnnnnn0.134 nm0.139 nm0.140 nmcn: 0.146 nmc=n: 0.128 nm 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 6.29s 6.18 6.99 nh 6.68 6.22 6.28 6.43吡啶是典型的芳香杂环化合物吡啶是典型的芳香杂环化合物 芳香性：苯芳香性：苯 噻吩噻吩 吡咯吡咯 呋喃呋喃 nnh偶极矩偶极矩/cm:

8、6.5 1030 6.1 1030 16.2 五元杂环化合物五元杂环化合物16.2.1 五元杂环化合物的化学性质五元杂环化合物的化学性质 呋喃、吡咯的遇酸或氧化剂容易开环呋喃、吡咯的遇酸或氧化剂容易开环或聚合。或聚合。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：(1)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+ ch3coono2ac2oc acoh 0sno2+sno2 2c 硝硝基基噻噻吩吩( (6 66 6% %) )3c 硝硝基基噻噻吩吩( (1 10 0% %) )xx = nh,o,s 杂原子的杂原子的c

9、效应，增加了效应，增加了杂环的亲电取代反应的活性。杂环的亲电取代反应的活性。亲电取代反应活性顺序：亲电取代反应活性顺序：noshs+ h2so4(浓浓) )室室温温sso3h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% 噻吩。这是噻吩。这是制取无噻吩苯的一种方法制取无噻吩苯的一种方法(3) 卤化卤化 采用溶剂稀释、低温采用溶剂稀释、低温(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+ so3nso3n+n so3100nso3 nhclnso3 h吡吡咯咯2磺磺酸酸吡吡啶啶盐盐(90)hhho+ br2oo0obr

10、c溴溴代代呋喃(90%)s+ br2室室温温sbr c溴溴代代噻噻吩吩acoh(4) friedelcrafts酰基化酰基化 催化剂：催化剂： sncl4, bf3等等 o+ (ch3co)2oo 2c乙乙酰酰基基呋喃(75%92%)bf3coch3+ (ch3co)2o 2c乙乙酰酰基基吡吡咯咯(60%)150200coch3nhnh 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 二羰基化合物二羰基化合物 酸催化下脱水酸催化下脱水或与氨或硫化物作用或与氨或硫化物作用 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

11、在反应主要发生在 2 位上位上 杂环上有两种不同位置的取代：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位位进进攻攻2位位e+xehxehxehxehxehx=o,s,nhznoc cr2o3c mno2o(c5h8o4)nh+,h2ocho(choh)3ch2oh3h2oochohcl /聚戊糖聚戊糖 戊糖戊糖 糠醛糠醛 ooch3h3ctsoh甲甲苯苯, ,oh3cch3p2s5170 nh3甲甲苯苯, ,sh3cch3nh3cch3h16.2.2 常见的五元杂环化合物常见的五元杂环化合物c. diels-alder反应反应oooo+o

12、ooo90%呋喃的芳香性最差，故共轭双烯的反应最高hhhn+nh吡咯遇活泼亲双烯体也能反应sooo+sooo100高压噻吩激烈条件下也能反应hhd. 加氢还原加氢还原h2/ni, rth2/mos3na/c2h5ohch3ch2ch2ch3 + h2s+ssssh2/pdzn/acoh/h2ohnhnhnooni/h2, 125oc100atmh2pt/acohch3ch2ch2ohe. 吡咯的酸碱性吡咯的酸碱性p- 共轭，碱性极弱，共轭，碱性极弱，pkb13.6n上的上的h有酸性，有酸性，pka15nh+ kohnknrorclonhro+ rmgxnmgxrxnrnhrnh+n2clnhn

13、=n+ ch2=chcorobf3nhch2ch2coor瑞穆尔蒂曼反应nhnaoh + chcl3nhcho吡咯特有的反应吡咯特有的反应与重氮盐的反应与重氮盐的反应16.3 六元杂环化合物六元杂环化合物16.3.1 吡啶和嘧啶吡啶和嘧啶 nnh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nch3ch3nhch3hohhc6h5nnoh3connch3ch3 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：含氮化合物： 吡啶的碱性：吡啶的碱性：nnh2nh不

14、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，一般需在类似硝基苯，一般需在强烈条件下才能发生亲电取代反应。强烈条件下才能发生亲电取代反应。 nne+进进攻攻位位进进攻攻位位nehnehnehnehnehneh亲电试剂主要进入亲电试剂主要进入位位 (1) 硝化硝化 nhno3,kno3h2so4,fe,300nno23c 硝硝基基吡吡啶啶(22%)(2) 磺化磺化 230nh2so4,hgso4n3c 吡吡啶啶磺磺酸酸(70%)so3h(3) 卤化卤化 300nbr2 / 浮浮石石nbr3c 溴溴吡吡啶啶(39%)+nbrbr3,5c 二二溴溴吡吡啶啶芳环上的亲核取代反应

15、：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 /nn2c 甲氧基吡吡啶啶(95%)clnaoch3och3nnnanh2nhnanh3h2on氨基吡吡啶啶nh2nc6h5linc6h5苯基吡吡啶啶+ lih环上氮原子的性质：环上氮原子的性质：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： nch3inch3i300nch3+nch3c 甲甲基吡吡啶啶c 甲甲基吡吡啶啶碱性：碱性： n+ hclnhcln+ so3n

16、so3还原：还原：n+ h2nhni180六六氢氢吡吡啶啶(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： nh2o2,acoh65nohno3,h2so490nono2pcl3,chcl3nno2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： ncoohnconh2烟烟酸酸烟烟酰酰胺胺(维生素pp)ncon(c2h5)烟酰二乙胺(可拉明)nconhnh2nch2oh

17、hoh3cch2oh异烟酰肼(雷米封)维生素b6含两个杂原子的杂环化合物含两个杂原子的杂环化合物 五元双杂环化合物五元双杂环化合物a. 物理性质物理性质nonsnonsnnhb.p. 95 113 188 (m.p.70)b.p. 70 117 263 (m.p.90)nnnnhhnnhnnnnhh分子间形成氢键，分子间形成氢键，b.p.(m.p.)高高b. 结构与反应性结构与反应性xnxnx电负性较大，吸电子，环上电子电负性较大，吸电子，环上电子 云密度降低，亲电取代变难，主要云密度降低，亲电取代变难，主要 发生在该发生在该n的间位的间位 引入的引入的n，电子结构与吡啶中相，电子结构与吡啶中

18、相 同未共用电子对在同未共用电子对在sp2杂化轨道上不杂化轨道上不 参与环的共轭，也有碱性参与环的共轭，也有碱性 环上电子云密度降低，对酸、环上电子云密度降低，对酸、 氧化剂的稳定性增大氧化剂的稳定性增大以咪唑为例以咪唑为例：nn引引入入一一个个ni. 碱性碱性跟引入的跟引入的n原子与另一杂原子的相对位置和性质有关原子与另一杂原子的相对位置和性质有关：1,3-唑：另一杂原子在间位，诱导吸电子弱，碱性较强唑：另一杂原子在间位，诱导吸电子弱，碱性较强。nnhnsnopkb 6.8 11.51,2-唑：另一杂原子在邻位，诱导吸电子大得多，唑：另一杂原子在邻位，诱导吸电子大得多，碱性较碱性较1,3-唑

19、弱，但比吡咯强唑弱，但比吡咯强。nnhnhpkb 13.6 11.5ii. 亲电取代反应亲电取代反应活性比相应的但杂化合物差。反应条件要求比较剧烈活性比相应的但杂化合物差。反应条件要求比较剧烈。1,3唑唑5位，位，1,2唑唑4位位，唑的间位定位效应唑的间位定位效应。1,2唑唑：nsso3浓h2so4nsho3s90%noh3cnoh3co2n混酸701,3唑唑：ns发烟h2so4hgso4，250nsho3s65iii. 侧链的氧化（环的稳定性）侧链的氧化（环的稳定性）nnhh3ckmno4ohnnhhoociv. 互变异构的现象互变异构的现象含两个含两个n原子的杂环化合物，这两个杂原子的电子

20、结构原子的杂环化合物，这两个杂原子的电子结构不同，在一定的条件下可以互变不同，在一定的条件下可以互变：nnhnnhbrnhnbrbr2chcl35-溴4-溴nnhh3cnhnh3c5甲基3甲基双杂六元杂环化合物双杂六元杂环化合物nnnnnnpyridazine pyrimidine pyrazine 哒嗪 嘧啶 吡嗪hnnhoohnnhooch3nnhnh2ouracil thymine cytosine尿嘧啶 胸腺嘧啶 胞嘧啶nnch3nnnnnnch3ch3h3ccch3sch3ch3o（o）食用香精食用香精20多种多种结构与反应性结构与反应性环上引入第二个环上引入第二个n原子，原子，相当

21、于一个相当于一个no2的吸电子效应的吸电子效应。使使另一个另一个n上的电子云密度降低上的电子云密度降低碱性变弱碱性变弱 环上电子云密度降低环上电子云密度降低亲电取代变难亲电取代变难（不能发生硝化、磺化，只发生卤代（不能发生硝化、磺化，只发生卤代）nnbr2160nnbr（5-位取代）pkb12.7亲核取代变易亲核取代变易：nnh3cnanh2nnh3cnh2nnh3cnh2+稳定性增加稳定性增加:（嘧啶空气中不氧化，而吡啶则变色嘧啶空气中不氧化，而吡啶则变色）稠杂环化合物和生物碱稠杂环化合物和生物碱nh1234567性质与nh相似主要发生亲电取代，位nhbr2oo，0nhbr701. 吲哚吲哚吲哚的制备吲哚的制备ficher合成法合成法nhnh2ror(h)+hoa