第二十章 杂环化合物 (Heterocyclic com... - 西北大学

1、第二十章 杂环化合物 (Heterocyclic compounds)概述：杂环化合物：含有杂环的化合物，称为杂环化合物。杂环：由碳原子和至少一个其它原子，如氧、硫、氮等组成的环。杂环化合物来源、用途：有机化合物中约一半为杂环化合物。许多杂环化合物存在于自然界中，并在生命体系中起着重要作用。目前应用的药物中有很大一部分是杂环化合物。此外，杂环化合物还用作杀虫剂、染料等。 杂环化合物分类： 第一类：无芳香性的杂环化合物： 第二类：具有一定程度的芳香性的杂环化合物： 一 分类和命名芳杂环的数目很多，可根据环大小、杂原子的多少以及单环和稠环来分类。常见的杂环为五元、六元的单杂环及稠杂环。稠杂环是由苯

2、环及一个或多个单杂环绸合而成。命名：采用外文名的音译，用带“口”字旁的同音汉字表示。1 五元杂环 五元环中含两个或两个（至少有一个氮原子）以上的杂原子的体系称唑。2 六元杂环3 稠杂环二 吡咯、呋喃和噻吩1 结构特点平面结构 环上的原子均为sp2杂化 闭环共轭体系 电子数符合4m+2 具有芳香性亲电取代反应活性：吡咯、呋喃、噻吩大于苯。 五元环亲电取代反应的主要产物：-取代：芳香性：苯噻吩吡咯呋喃2 性质1). 吡咯a. 吡咯的弱酸性它的pKa=16.5，比酚弱，比醇强，可与强碱（NaNH2，KNH2、RMgX）或金属作用。 b. 亲电取代反应 主要产物为-取代产物。 吡咯环的稳定性较差，遇酸

3、容易聚合，因此进行亲电取代反应要用较温和的试剂。c. 加成反应2). 呋喃a. 亲电取代反应 呋喃的稳定性较吡咯小，与亲电试剂往往得到加成产物，即使得到取代产物，也是由加成产物转化来的。 b. 加成反应 呋喃与亲双烯体迅速发生狄尔斯-阿德尔反应。呋喃遇浓酸聚合，遇稀酸呋喃水解为二醛：（H+先与双键发生亲电加成，形成碳正离子，水进攻碳正离子形成质子化的半缩醛，进一步反应形成丁二醛。）3). 噻吩a. a. 亲电取代反应b. 加成反应3 合成a. 呋喃的工业制备b. 取代吡咯、呋喃、噻吩的合成 吡咯环的合成：. . Knorr（克诺耳）合成法：. Paal-Knorr（帕尔-克诺耳）合成法：. H

4、antzsch（汉栖）合成法：呋喃环和噻吩环的合成：4 吡咯、呋喃和噻吩的重要衍生物1). 糠醛是一种无色液体，沸点162，在空气中易变黑。是一种良好的溶剂。它不含-H，性质类似于苯甲醛。 2). 吲哚吲哚为白色结晶，熔点52.5。具有极臭的气味，但纯粹的吲哚在极稀时有香味，可作香料。可发生亲电取代反应，活性位置在第3位。 含吲哚的生物碱广泛存在于植物中，如麦角碱、马钱子碱、利血平等。 吲哚环的合成：Fischer（费歇尔）吲哚合成法：将醛、酮、酮酸、酮酸酯或二酮的芳基取代腙在氯化锌、聚磷酸、三氟化硼等路易斯酸存在下加热。机理：相当于联苯胺重排。3). 卟啉环系化合物卟啉环系是由四个吡咯和四个

5、次甲基交替相联组成的共轭体系。卟啉环呈平面结构，环的中间空隙以共价键、配位键和不同的金属结合。三 含两个以上杂原子的五元杂环1 结构和性质1). 弱碱性吡咯系杂环中除咪唑是中等强度的碱外，其它为弱碱，因为：咪唑分子间可形成氢键：吡唑通过氢键可缔合成二聚体： 2). 亲电取代反应 吡咯系杂环的亲电取代反应活性小于吡咯、呋喃和噻吩。 3). 环的生成（自学）四 吡啶1 结构和物理性质氮上有一对电子未参与共轭，易接受质子，具有碱性。碱性：脂肪胺吡啶芳香胺吡啶是一个无色有恶臭的液体，与水及许多有机溶剂，如乙醇、乙醚等混溶，是良好的溶剂。2 化学性质1). 吡啶环上氮的碱性及亲核性应用：2). 吡啶环上

6、亲电取代反应与苯环比较吡啶环是缺电子的芳香杂环，性质类似于硝基苯，它不能进行傅氏烷基化和酰基化反应。亲电取代位置在3-或5-位进行，为什么？3). 吡啶环上亲核取代反应吡啶环 2, 4, 6 位上的卤素容易被亲核试剂取代。除吡啶环 2, 4, 6 位上的卤素容易被亲核试剂取代外，吡啶环2位上的负氢离子也能被取代。吡啶环上2位的负氢离子被亲核性极强的氨基负离子取代，同时有氢气放出，称齐齐巴宾（Chichibabin）反应。4). 侧链-H的反应吡啶环2, 4, 6位烷基的-H具有一定的酸性，其酸性与甲基酮的-H相同。吡啶成盐后，使吡啶环2, 4, 6位烷基的-H酸性进一步增强，可以发生羟醛缩合和

7、迈克尔反应：5). 吡啶的氧化和还原a. 氧化吡啶环电子云密度小，不容易被氧化。b. 还原电子云密度大的环容易被氧化，电子云密度小的环容易被还原。3 吡啶环合成Hantzsch（汉栖）合成法：原料：-酮酸酯、醛和氨缩合。第一步： -酮酸酯和醛发生羟醛缩合第二步：发生迈克加成第三步：关环，生成二氢吡啶环第四步：二氢吡啶环脱氢，生成吡啶衍生物五 喹啉、异喹啉喹啉、异喹啉的性质与吡啶相似，具有弱碱性。1 喹啉及其衍生物的合成Skraup（斯克洛浦）合成法：将芳香族伯胺与甘油同硫酸和一种氧化剂（如：硝基苯、五氧化二砷、氧化铁等）一起加热，即可得喹啉及其衍生物。反应过程：.甘油在浓硫酸（或磷酸）作用下脱

8、水生成丙烯醛，也可直接用，-不饱和醛或酮.苯胺与丙烯醛发生迈克加成.质子化的醛对苯环进行亲电取代反应.1, 2-二氢喹啉氧化2 反应1). 亲电取代反应亲电取代反应主要发生在碳环的5位和8位。 2). 亲核取代反应 亲核取代反应主要发生在吡啶环上。 喹啉环上2位和4位，异喹啉环上1位的氯原子容易被亲核试剂取代。3). 侧链-H的反应喹啉和异喹啉类似于吡啶，在喹啉2与4位侧链及异喹啉1位侧链上有活泼的-H，可进行缩合和亲核取代反应。与吡啶类似，它们形成季铵盐后，侧链-H活性提高。4). 氧化及还原5). 含氧的六元杂环及含两个以上氮杂原子的六元杂环 (自学)基本要求：熟悉杂环化合物的分类和命名，掌握呋喃