物理杂环化合物Chapter18Heterocycliccompounds课件

第十八章杂环化合物HeterocyclicCompounds§18.1HeterocyclicsystemsAheterocycliccompoundisonethatcontainsaringmadeupofmorethanonekindofatom.Inmanyofthecycliccompoundsthatwehavestudiedsofar-benzene,naphthalene,cyclopentadiene-theringaremadeuponlyofcarbonatom;suchcompoundsarecalledhomocyclicoralicyclic

compounds.Buttherearealsoringcontaining,inadditiontocarbon,otherkindsofatoms,mostcommonlynitrogen,oxygen,orsulur.1.Classificationanddenomination.

（1）.classificationChapter18.Heterocycliccompounds1第十八章杂环化合物Heterocyclic（2）.Denomination命名：音译法（带“口”旁的同音汉字）。编号：（杂环上有取代基时），从杂原子算起依次用1，2，3，4，5…编号。（α，β，γ…则从杂原子相邻的碳原子依次编号如杂环上不止一个杂原子时，则从O、S、N顺序编号。编号时杂原子的位次数字之和应最小。2（2）.Denomination命名：音译法（带“口”旁的33441－苯基－3－甲基－5－吡唑酮（不能命名为：2－苯基－5－甲基－3－吡唑酮）51－苯基－3－甲基－5－吡唑酮（不能命名为：2－苯基－5－§18.2Thefive-memberedheterocycliccompounds

1.Structureofpyrrole,furanandthiophene.呋喃吡咯噻吩Letuslookatorbitalpictureofoneofthesemolecules,Pyrrole:Eachatomofthering,whethercarbonornitrogen,isheldbyaσbondtothreeotheratoms.Informingthesebonds,theatomusesthreesp2

orbitals,whichlieinaplaneandare120˚apart.Aftercontributingoneelectrontoeachσbond,eachcarbonatomoftheringhasleftone

electron6§18.2Thefive-memberedheterandthenitrogenatomhasleft

two

electrons;theseelectronsoccupyPorbitals.OverlapofthePorbitalsrisetoπclouds,oneaboveandonebelowtheplanethering;theπcloudscontainatotalofsixelectrons,Thearomaticsextet:Furanandthiophenehavestructuresthatareanalogoustothestructureofpyrrole.Wherenitrogeninpyrrolecarriesahydrogenatom,theoxygenorsulfurcarriesanunshared

pairofelectronsinansp2orbital.Likenitrogen,Theoxygen7andthenitrogenatomhasleftorsulfuratomprovidestwoelectronstheπcloud;asaresultthesecompounds,too,behavelikebenzenederivatives.8orsulfuratomprovidestwoel芳香性比较：苯>噻吩>吡咯>呋喃判据：一般来说，杂原子与碳原子的电负越接近，其相应的五元芳香杂环的芳香性越强，其共轭能也越大。CSNO电负性：3.5芳香性：苯>噻吩>吡咯>呋喃共轭能：苯>噻吩>吡咯>呋喃KJ/mol-1150121.188.766.1其π电子云密度比苯大，故比苯容易亲电取代。2.Propertiesoffuran,thiopheneandpyrrole.（1）.Furan9芳香性比较：苯>噻吩>吡咯>呋喃判据：一般来说，杂原子与碳呋喃存在于松木焦油中，为无色液体，b.p.32˚C。密度0.9336，具有类似氯仿的气味，难溶于水，易溶于有机溶剂它的蒸汽遇到被盐酸浸透湿润的松木片时，即显示绿色，叫松木片反应，可用来鉴定呋喃的存在。①Preparation②Propertyandreaction呋喃具有芳香性，较苯活泼，容易发生取代反应；另外，它在一定程度上还具有不饱和性，可发生加成反应。（A）Electrophilicsubstitutionα-substitution:10呋喃存在于松木焦油中，为无色液体，b.p.32˚C。密度0.β-substitution:呋喃与溴作用生成2,5－二溴呋喃，呋喃受酸的作用，容易发生环的破裂和树脂化，因此不能使用一般的硝化、磺化试剂而必须采用比较缓和的试剂。11β-substitution:呋喃与溴作用生成2,5－二溴F.C.（B）.Reactionofaddition12F.C.（B）.Reactionofaddition（2）Thiophene

噻吩存在于煤焦油中的粗苯中,约为粗苯含量的0.5%，石油和页岩油中也含有噻吩及其同系物。由于噻吩及其同系物的沸点非常接近，故难以用一般的分馏法将它们分开，如果将煤焦油中提取的粗苯在室温下反复用浓硫酸提取，噻吩被磺化而溶于浓硫酸中，而分离开。①Preparation工业上噻吩可以由丁烷和硫迅速通过600～650˚C的反应器（接触时间仅为1秒），然后迅速冷却制得：13（2）Thiophene噻吩存在于煤焦油中的粗苯中,约另外,用乙炔通过加热至300˚C的黄铁矿或与硫化氢在Al2O3存在下加热至400˚C也可制得。②Propertyandreaction噻吩是无色的液体，沸点84˚C，它是含有一个杂原子的五元环化合物中最稳定的化合物，它不具备二烯烃的性质，不能氧化成亚砜和砜，但是比苯更容易发生亲电取代反应，和呋喃14另外,用乙炔通过加热至300˚C的黄铁矿或与硫化氢在Al类似亲电反应业发生在α位上。噻吩与苯类似，还可以发生加氯、加氢等反应，噻吩经氢化后为四氢噻吩，即显示出一般硫醚的性质，易于氧化成砜－－环丁砜；这充分说明噻吩环系被还原后，共轭体系被破坏，15类似亲电反应业发生在α位上。噻吩与苯类似，还可以发生加失去了芳香性，环丁砜是重要的溶剂。（3）Pyrrole吡咯存在于煤焦油及骨焦油中，吡咯蒸汽遇到盐酸浸泡的松木片显示红色。①Preparation也可以用乙炔与氨通过红热的管道来合成：16失去了芳香性，环丁砜是重要的溶剂。（3）Pyrrole吡②Reaction（A）.弱酸性和弱碱性从结构上看，吡咯是环状的二胺，但因氮原子上的未共用电子对参加了环的共轭体系，使氮原子上的电子云密度降低，减弱了吸引H+的能力，故吡咯的碱性极弱，比苯胺还弱的多，它的电离常数Kb=2.5X10-14（苯胺Kb=3.8X10-10）很小，只能慢慢的溶解在冷的稀酸溶液中，此溶液稍微加热则生成吡咯红；另一方面由于N上未共用电子对参与环共轭体系，吡咯又具有弱酸性，与N相连的H可被碱金属取代成盐。弱酸性：17②Reaction（A）.弱酸性和弱碱性从结构上看或可合成吡咯衍生物（B）.取代反应吡咯具有芳香性，比苯容易发生亲电取代反应，由于吡咯遇到酸易于聚合，故一般不用酸性试剂进行卤化、磺化等反应。18或可合成吡咯衍生物（B）.取代反应吡咯具有芳香性，比苯容易四碘吡咯常用于伤口的消毒剂；吡咯与三氧化硫和吡啶的络合物作用可被磺化成α－吡咯磺酸。（C）.加成反应19四碘吡咯常用于伤口的消毒剂；吡咯与三氧化硫和吡啶的络合物作用亲电取代反应的活性顺序：吡咯>呋喃>噻吩>苯加成反应（催化加氢、狄—阿反应）:共轭二烯性：呋喃>吡咯>噻吩§18.3Furfuralandderivationof2-Furancarboxaldehyde

1.Furfural（2-Furancarboxaldehyde）①Preparation工业上除了用米糠外，其它农副产品如：麦杆、玉米芯、棉籽壳、甘蔗渣、花生壳、高粱杆和大麦壳等都可以用来制取糠醛，这些物质中都含有碳水化合物--------多缩戊糖，在稀酸（硫酸或盐酸）作用下多缩戊糖水解成戊糖，戊糖再进一步去水环化则得糠醛。20亲电取代反应的活性顺序：吡咯>呋喃>噻吩>苯加②Reactionandpurpose.纯糠醛为无色液体,b.p.162℃,m.p.-36.5℃,ρ=1.160,可溶于水，并能与醇、醚混溶，在空气中逐渐颜色变深，由黄色→棕色→黑褐色。糠醛可以发生银镜反应，糠醛在醋酸存在下与苯胺作用显示红色，可用来检验糠醛。21②Reactionandpurpose.纯糠醛为糠醛是不含α－氢的醛，其化学性质与苯甲醛或甲醛相似，能发生歧化反应。22糠醛是不含α－氢的醛，其化学性质与苯甲醛或甲醛相似，能发生PerKin.W.23PerKin.W.23§18.4Thiazoleandderivationofthiazole.1.Thiazole

噻唑又称为1,3－硫氮杂茂，它的衍生物存在于自然界中，维生素B1中含有噻唑环，抗菌素青霉素的分子结构中含有氢化噻唑环。24§18.4Thiazoleandderivatio（1）.Properties.噻唑是无色似吡啶气味的液体，b.p.117℃，与水混溶，噻唑环上含有与氢质子结合的未共用电子对，具有弱碱性（Pka=11.5），它的化学性质很稳定，与吡啶的性质相似，发生亲电取代反应较咪唑困难，与热的浓硝酸不发生反应，只有在硫酸汞催化剂存在下，高温才能与发烟硫酸作用而磺化。25（1）.Properties.噻唑是无色似吡啶气味的液（2）.Derivationofimportant.噻唑的衍生物的用途广泛，在医药、橡胶工业及耐高温的合成材料方面都存在。①磺胺噻唑

：简称ST（拉丁文Sulfathiazolum的缩写）它常用于消炎药，主治溶血性链球菌、脑膜炎球菌、肺炎球菌等感染疾病。其结构式如下：磺胺噻唑可以由对乙酰氨基磺酰氯与2－氨基噻唑作用，26（2）.Derivationofimportant再水解制备。2－氨基噻唑是通过下列途径合成的：②橡胶硫化促进剂M及CZ都是噻唑的衍生物。27再水解制备。2－氨基噻唑是通过下列途径合成的：②橡胶硫化促Synthesis:③聚苯并噻唑：28Synthesis:③聚苯并噻唑：28这种高聚物与聚苯并咪唑很相似，是耐高温的高分子材料，可由3,3’－二巯基联苯胺与间苯二甲酸二苯酯作用制成。2.Pyrizole在自然界中尚未发现吡唑合它的衍生物。（1）.Properties.吡唑是无色针状晶体，它可以借氢键形成两分子的缔合体。m.p.70℃,b.p.188℃。能溶于水、乙醇、乙醚及苯中，它的性质与吡咯不同，2位上的氮原子包含有一对未参加形成杂化共轭体的未共用电子，这一对电子可以与氢质子结合，因此吡唑的碱性比吡咯强但吡唑的碱性比咪唑及吡啶弱。29这种高聚物与聚苯并咪唑很相似，是耐高温的高分子材料，可由3,吡唑遇酸不易聚合，对氧化剂也相当稳定，具有芳香性，能发生卤代、硝化、磺化等亲电取代反应。30吡唑遇酸不易聚合，对氧化剂也相当稳定，具有芳香性，能发生卤代（2）.Derivationofimportant.1－苯基－3－甲基吡唑酮，它使白色的结晶。m.p.172℃,b.p.287℃（205mmHg）能溶于水，微溶于乙醇，不溶于乙醚。能发生互变异构：31（2）.Derivationofimportant1－苯基－3－甲基吡唑酮是制备药物安替比林、氨基吡啉（又名匹拉米洞）和安乃近的中间体。321－苯基－3－甲基吡唑酮是制备药物安替比林、氨基吡啉（又名1-苯基-3-甲基吡唑酮并不是从吡唑制备，而是由乙酰乙酸乙酯与苯肼作用而制得。331-苯基-3-甲基吡唑酮并不是从吡唑制备，而是由乙酰乙酸乙3.Imidazole咪唑是吡唑的同分异构体，许多重要的天然物质是咪唑的衍生物。如：蛋白质中的组氨酸就是α-氨基-β-（4-咪唑基）丙酸，它的结构如下：343.Imidazole咪唑是吡唑的同分异构体，许多重要的天组氨酸在细菌作用下，即失去羧基生成组胺，它在人体内促进胃酸的分泌，在医药上用于诊断真性胃酸缺乏症。（1）Properties.咪唑是无色结晶固体，它可以在分子间形成氢键相互缔合因此具有比较高的熔点、沸点，m.p.88~90℃,b.p.255℃可以与水任意比例混溶，它与吡唑的性质相近，具有碱性，且比吡唑的碱性强。性质稳定，遇酸不聚合，咪唑有互变异构现象。35组氨酸在细菌作用下，即失去羧基生成组胺，它在人体内促进胃酸的当N-取代咪唑时，不会发生互变异构。咪唑具有芳香性，易于发生卤代、硝化、磺化，反应活泼性介于五元杂环（单杂环）与吡啶之间。（2）Derivationofimportant.咪唑的衍生物可用作农药，在分子结构中有咪唑环的高分子化合物具有耐高温、耐辐射的优良性。①农药：苯并咪唑氨基甲酸甲酯。36当N-取代咪唑时，不会发生互变异构。咪唑具有芳香性，易于发生是一种内吸杀菌剂，为一种广效性药剂，其特点是毒性较低，不但可以用于果树、大田作物，还可以用于水果收获后贮藏期间的防腐。②高聚物：聚苯并咪唑。可用于层压制品、粘结剂、薄膜、纤维等。4Oxazole.噁唑是无色液体，b.p.69℃，可以与水混溶，化学性质稳定，在1,3-唑系化合物中只有噁唑及其衍生物在生物基础代37是一种内吸杀菌剂，为一种广效性药剂，其特点是毒性较低，不但可谢中未发现有作用，无医疗价值，在分子结构中含有噁唑环的聚苯并噁唑与聚苯并咪唑、聚苯并噻唑相似，是耐高温的材料。§18.5Thesix-memberedheterocycliccompounds

1.Pyridine

（1）structure654321吡啶环与苯环类似，原子间以sp2

形成6个σ键，键角120˚，P轨道形成Π66大π键，六个原子在同一个平面上，符合休克尔（4n+2）规则，故也有芳香性，但由于N的电负38谢中未发现有作用，无医疗价值，在分子结构中含有噁唑环的聚苯并性较强，吡啶环上的电子云密度不像苯环那样分布均匀。由于N原子的电负性大，环上电子云密度有所降低，发生亲电取代反应比苯困难，取代主要在β位，相对来说容易发生亲核取代，在α位。由于吡啶环上氮原子的一对未共用电子对并不参加形成大Π键,这一对电子可以与酸结合生成稳定的盐，所以吡啶的碱性较吡咯和苯胺都来的强些。（2）Properties.①存在和制备39性较强，吡啶环上的电子云密度不像苯环那样分布均匀。吡啶存在于煤焦油及页岩油中，和它一起存在的还有甲基吡啶，工业上吡啶多从煤焦油中提取，将煤焦油分馏的轻油部分用硫酸处理，则吡啶生成硫酸盐而溶解，再用碱中和，吡啶即游离出来，然后蒸馏精制。②物理性质和化学性质吡啶是无色而具有特殊臭味的液体,b.p.115℃,m.p.42℃ρ=0.982.可与水、乙醇、乙醚等溶剂混溶，还可溶解大部分有机化合物和许多无机盐类，因此是一个很好的溶剂。（A）.Base

由于孤电子对在sp2杂化轨道中，孤电子对的s成分高，不易给出电子，接受质子的能力弱，为弱碱。N原子的一对电子处于sp2上，pkb=5.2;比苯胺(pkb=4.7)强，但比脂肪族胺及氨弱的多。40吡啶存在于煤焦油及页岩油中，和它一起存在的还有吡啶容易和SO3结合成无水—N-磺酸吡啶，可以作为缓和的磺化剂。吡啶与叔胺相似，可以与卤代烷结合生成相当季铵盐的产物。这种盐受热则发生分子重排而生成吡啶的同系物。41吡啶容易和SO3结合成无水—N-磺酸吡啶，可以作吡啶与酰氯作用能生成盐，产物是良好的酰化剂。（B）.Substitution

吡咯、呋喃、噻吩

π56为富电子芳杂环，故比苯容易亲电取代。吡啶π66（N吸电子能力较强），为缺电子芳杂环，故比苯难亲电取代，和硝基苯相似，亲电取代反应主要在3-位（β-位）发生；只有在极强的条件下才能发生硝化、磺化及卤化反应。但不发生F-C烷基化、酰基化反应。42吡啶与酰氯作用能生成盐，产物是良好的酰化剂。（B）.Su吡啶环上有烷氧基，氨基等给电子基时，有助于亲电取代反应的进行，但反应活性仍低于相应的苯系化合物；氧化吡啶的亲电取代比吡啶容易进行，取代基进入4-位，产物可用PCl3脱氧得到4-硝基吡啶。43吡啶环上有烷氧基，氨基等给电子基时，有助于亲电与α-硝基氯苯相似，2-氯吡啶与碱或氨等亲核试剂作用，可以生成相应的羟基吡啶或氨基吡啶。（C）Oxidateandreduction.吡啶环对氧化剂稳定（对氧化作用比苯环更稳定）。44与α-硝基氯苯相似，2-氯吡啶与碱或氨等亲核试剂作用，可以生进一步说明吡啶环电子密度低，为缺电子芳环。吡啶为3º胺，易被过氧化物（如过氧酸或过氧化氢的醋酸溶液）氧化成氧化物.还原反应：吡啶对还原剂比苯环活泼。45进一步说明吡啶环电子密度低，为缺电子芳环。吡啶为3º胺，易被哌啶2.Derivationofpyridine.（1）.Nicotinicacid(Niacin)46哌啶2.Derivationofpyridine.（烟酸和烟酰胺均为B族维生素之一,用于治疗癞皮病，烟酸在肝内含量很多，可以防治癞皮病和狗的黑舌病，烟酸的酰胺也是与生理有关的重要的化合物，它参与机体的氧化还原过程能促进组织的新城代谢。（2）VitaminB6.维生素B6它是一个吡啶的衍生物，缺少这个维生素即可发生皮肤病，它在自然界中分布很广，是维持蛋白质正常代谢的必要维生素。47烟酸和烟酰胺均为B族维生素之一,用于治疗癞皮病，烟酸在肝内Synthesis:48Synthesis:483.Pyrimidineandderivationofpyrimidine.（1）Pyrimidine.嘧啶是两个氮原子处在间位上的六元杂环化合物，由于两个氮原子的吸电子作用，它的碱性比吡啶弱，亲电取代反应也比吡啶困难，而亲核取代则比较容易。嘧啶是无色结晶，m.p.22℃。493.Pyrimidineandderivationo（2）Derivationofpyrimidine.嘧啶本身在自然界中并不存在，但取代的嘧啶在自然界中存在很多，并且有的非常重要，具有特殊的生理活性。①尿嘧啶、胞嘧啶、胸腺嘧啶。它们是核酸的重要组成部分。②VitaminB1维生素B1是由嘧啶环核噻唑环结合而成的化合物，因分50（2）Derivationofpyrimidine.子中含有硫及胺，所以又称为硫胺素。人类缺乏这种维生素时患脚气病，鸟类食物中缺乏这种维生素，即患多发性神经炎。③嘧啶环作为药物安眠药类的鲁米那和佛罗那。51子中含有硫及胺，所以又称为硫胺素。人类缺乏这种维生素时患脚喷妥散(Pentothal)是一个快速麻醉药，是由二取代丙二酸酯与硫脲缩合而得：磺胺嘧啶(SD)对葡萄球菌和链球菌有特殊的效力，因此用它们治疗肺炎、脑炎等。此外尚有氟尿嘧啶，临床用于结肠癌等，但毒性太大，它52喷妥散(Pentothal)是一个快速麻醉药，是由二取代与脱氧核糖缩合成苷，使毒性降低。§18.6稠杂环化合物稠杂环化合物是由苯环与五元杂环或六元杂环稠合而成的杂环化合物。或由两个或多个杂环稠并而成的杂环化合物。1.Indoleandderivationofindole7654321吲哚是由苯环合吡咯环共用两个碳原子稠合而成，因而也叫苯并吡咯(Benzopyrrole)，其同分异构体为异吲哚(Isoindole)。吲哚及其衍生物在自然界种分布很广，在基础代谢中气重要53与脱氧核糖缩合成苷，使毒性降低。§18.6稠杂环作用。例如：色氨酸是许多蛋白质的分解产物，它是动物正常生长所必需的一种氨基酸。β-吲哚乙酸是天然的植物激素。（1）制法：（2）性质：吲哚是结晶固体，b.p.520℃,m.p.235℃，加热至沸点有分解现象，可溶于水，乙醇及乙醚中，纯吲哚在浓度极稀时54作用。例如：色氨酸是许多蛋白质的分解产物，它是动物正常生长所有花的香味，用于香料工业。氮原子上H的弱酸性：可被金属取代（如RMgX）。亲电取代反应在3-位进行，若3-位被占，则进入2-位。55有花的香味，用于香料工业。氮原子上H的弱酸性：可被金属取代（（3）吲哚的重要衍生物。①β－甲基吲哚（又称为：粪臭素）：②β－羟基吲哚。56（3）吲哚的重要衍生物。①β－甲基吲哚（又称为：粪臭β－羟基吲哚以葡萄糖甙的形式存在于木兰属植物茎中，俗称靛素，在水溶液中受到酶的作用即水解成β－羟基吲哚，β－羟基吲哚是黄色结晶固体，m.p.85℃，它能发生互变异构，成为酮式结构而共存。β－羟基吲哚在空气中氧化生成靛兰，氧化时是酮式异构体参加反应。57β－羟基吲哚以葡萄糖甙的形式存在于木兰属植物茎中，俗称靛素，靛兰是最早发现的天然燃料之一，也是我国古代最重要的蓝色染料。它是深蓝色固体，m.p.390~392℃，能升华，靛兰不溶于水、乙醚及乙醇，也不溶于稀酸及稀碱中，但能溶于氯仿、硝基苯及苯胺，靛兰被还原时，分子中引入两个氢原子，生成具有烯醇结构的靛白，后者可以溶于碱中。靛兰是最早发现的天然燃料之一，也是我国古代最重要的蓝色染料。它是深蓝色固体，m.p.390~392℃，能升华，靛兰不溶于水、乙醚及乙醇，也不溶于稀酸及稀碱中，但能溶于氯58靛兰是最早发现的天然燃料之一，也是我国古代最重要的蓝色染料。仿、硝基苯及苯胺，靛兰被还原时，分子中引入两个氢原子，生成具有烯醇结构的靛白，后者可以溶于碱中。染色时，用还原剂保险粉（Na2S2O4）在碱液内将靛兰还原溶解，而后浸染棉布，取出轧干后，经空气氧化即成靛兰，固着在纤维上。人工合成靛兰成功后，很快地取代了天然的产品，采用苯胺为原料，与氯乙酸缩合，再碱溶环化成β－羟基吲哚，碱溶时若用KOH或NaOH，反应温度须在250℃以上，并且靛兰的产率不高。通过试验发现用NaNH2代替可降低反应温度，而且产率高。59仿、硝基苯及苯胺，靛兰被还原时，分子中引入两个氢原子，生成具③β－吲哚乙酸60③β－吲哚乙酸602.Quinolineandderivationofquinoline.（1）Quinoline:存在于煤焦油和骨焦油中。①制法：Skraup:612.Quinolineandderivationof②Reaction(A)Electrophilicsubstitution亲电体进入5,8-位。62②Reaction(A)Electrophilics6363(B)Nucleophilicsubstitution.(C)Oxidize(D)Reduction64(B)Nucleophilicsubstitution（2）Derivationofquinoline①抗疟疾药：奎宁（又名金鸡纳碱）：65（2）Derivationofquinoline①扑疟喹啉：戊喹啉：66扑疟喹啉：戊喹啉：66中草药常山碱：②抗癌药：喜树碱67中草药常山碱：②抗癌药：喜树碱67③抗风湿病药－－阿托方3.Isoquinoline异喹啉是一个具有香味的低熔点（24℃）结晶，b.p.240℃从煤焦油中得到的粗喹啉中约占1％，两者可以利用碱性的不同68③抗风湿病药－－阿托方3.Isoquinoline异喹啉是来分离。异喹啉的碱性比喹啉的强，喹啉Pka=4.9，异喹啉Pka=5.4，这是因为异喹啉相当于苄胺的衍生物，而喹啉认为是苯胺的衍生物，化学性质与喹啉大致相似。亲电体进入5,8-位。4.Purineandderivationofpurine.（1）Purine嘌呤是一个由嘧啶环与一个咪唑环稠并而成的稠杂环化合物其衍生物广泛的存在于动植物中。69来分离。异喹啉的碱性比喹啉的强，喹啉Pka=4.9，（2）Derivationofpurine①尿酸：尿酸是嘌呤最重要的衍生物，人的血液内含有少量的尿酸，每日排出的尿内业含有少量的尿酸，尿酸是核蛋白的一种代谢产物，在鸟类和爬行类的体内，蛋白质的代谢产物是尿酸，而人类合其他高级动物则是尿素。70（2）Derivationofpurine①尿酸：②黄嘌呤：茶叶里含有少量的黄嘌呤，动物的血液、肝脏和尿里都有黄嘌呤可由2,6,8－三氯嘌呤制备。71②黄嘌呤：茶叶里含有少量的黄嘌呤，动物的血液、肝脏和尿里都也可以用4,5－二氨基－2,6－二羟基嘧啶与甲酸共热而得：③茶碱、咖啡碱和可可碱是黄嘌呤氮原子的氢被甲基取代后，得到的三个甲基衍生物。72也可以用4,5－二氨基－2,6－二羟基嘧啶与甲酸共热而得：③④腺嘌呤和鸟嘌呤它们是决定生命的遗传及合成蛋白质起重要作用的物质，核酸种存在的嘌呤环系是腺嘌呤与鸟嘌呤。§18.7生物碱生物碱是一类存在于植物体内的对人体和动物有强烈生理作用的含氮碱性有机物。1.生物碱的一般性质73④腺嘌呤和鸟嘌呤它们是决定生命的遗传及合成蛋白质起重要作用游离的生物碱一般是无色固体结晶，有色的很少（黄连素黄色），液体的也很少（烟碱为液体）有苦味。分子内含有手性碳原子，具有旋光性，能溶于有机溶剂，多半不溶于水,或难溶于水，与无机酸和有机酸易行成盐，这种盐一般易溶于水。生物间的沉淀反应－－－生物碱的中性或酸性水溶液遇到一些试剂能发生沉淀，利用这种沉淀反应可检查生物碱在中草药中的存在。沉淀试剂：①Mayer试剂：碘化汞钾(K2HgI4、KHgI3)生成淡黄色或白色沉淀。②Dragendorff试剂：碘化鉍钾（KBiI4）生成黄色或红棕色沉淀。74游离的生物碱一般是无色固体结晶，有色的很少（黄连素黄色），液③I2-KI生成棕色或暗棕色沉淀。④酸：10％苦味酸，鞣酸，磷钼酸，磷钨酸，硅钨酸，丹宁酸等。⑤盐：AuCl3/盐酸，PtCl4/盐酸。2.生物碱的提取方法（1）有机溶剂提取法（2）烯酸提取法75③I2-KI生成棕色或暗棕色沉淀。④酸：17676第十八章杂环化合物HeterocyclicCompounds§18.1HeterocyclicsystemsAheterocycliccompoundisonethatcontainsaringmadeupofmorethanonekindofatom.Inmanyofthecycliccompoundsthatwehavestudiedsofar-benzene,naphthalene,cyclopentadiene-theringaremadeuponlyofcarbonatom;suchcompoundsarecalledhomocyclicoralicyclic

compounds.Buttherearealsoringcontaining,inadditiontocarbon,otherkindsofatoms,mostcommonlynitrogen,oxygen,orsulur.1.Classificationanddenomination.

（1）.classificationChapter18.Heterocycliccompounds77第十八章杂环化合物Heterocyclic（2）.Denomination命名：音译法（带“口”旁的同音汉字）。编号：（杂环上有取代基时），从杂原子算起依次用1，2，3，4，5…编号。（α，β，γ…则从杂原子相邻的碳原子依次编号如杂环上不止一个杂原子时，则从O、S、N顺序编号。编号时杂原子的位次数字之和应最小。78（2）.Denomination命名：音译法（带“口”旁的7938041－苯基－3－甲基－5－吡唑酮（不能命名为：2－苯基－5－甲基－3－吡唑酮）811－苯基－3－甲基－5－吡唑酮（不能命名为：2－苯基－5－§18.2Thefive-memberedheterocycliccompounds

1.Structureofpyrrole,furanandthiophene.呋喃吡咯噻吩Letuslookatorbitalpictureofoneofthesemolecules,Pyrrole:Eachatomofthering,whethercarbonornitrogen,isheldbyaσbondtothreeotheratoms.Informingthesebonds,theatomusesthreesp2

orbitals,whichlieinaplaneandare120˚apart.Aftercontributingoneelectrontoeachσbond,eachcarbonatomoftheringhasleftone

electron82§18.2Thefive-memberedheterandthenitrogenatomhasleft

two

electrons;theseelectronsoccupyPorbitals.OverlapofthePorbitalsrisetoπclouds,oneaboveandonebelowtheplanethering;theπcloudscontainatotalofsixelectrons,Thearomaticsextet:Furanandthiophenehavestructuresthatareanalogoustothestructureofpyrrole.Wherenitrogeninpyrrolecarriesahydrogenatom,theoxygenorsulfurcarriesanunshared

pairofelectronsinansp2orbital.Likenitrogen,Theoxygen83andthenitrogenatomhasleftorsulfuratomprovidestwoelectronstheπcloud;asaresultthesecompounds,too,behavelikebenzenederivatives.84orsulfuratomprovidestwoel芳香性比较：苯>噻吩>吡咯>呋喃判据：一般来说，杂原子与碳原子的电负越接近，其相应的五元芳香杂环的芳香性越强，其共轭能也越大。CSNO电负性：3.5芳香性：苯>噻吩>吡咯>呋喃共轭能：苯>噻吩>吡咯>呋喃KJ/mol-1150121.188.766.1其π电子云密度比苯大，故比苯容易亲电取代。2.Propertiesoffuran,thiopheneandpyrrole.（1）.Furan85芳香性比较：苯>噻吩>吡咯>呋喃判据：一般来说，杂原子与碳呋喃存在于松木焦油中，为无色液体，b.p.32˚C。密度0.9336，具有类似氯仿的气味，难溶于水，易溶于有机溶剂它的蒸汽遇到被盐酸浸透湿润的松木片时，即显示绿色，叫松木片反应，可用来鉴定呋喃的存在。①Preparation②Propertyandreaction呋喃具有芳香性，较苯活泼，容易发生取代反应；另外，它在一定程度上还具有不饱和性，可发生加成反应。（A）Electrophilicsubstitutionα-substitution:86呋喃存在于松木焦油中，为无色液体，b.p.32˚C。密度0.β-substitution:呋喃与溴作用生成2,5－二溴呋喃，呋喃受酸的作用，容易发生环的破裂和树脂化，因此不能使用一般的硝化、磺化试剂而必须采用比较缓和的试剂。87β-substitution:呋喃与溴作用生成2,5－二溴F.C.（B）.Reactionofaddition88F.C.（B）.Reactionofaddition（2）Thiophene

噻吩存在于煤焦油中的粗苯中,约为粗苯含量的0.5%，石油和页岩油中也含有噻吩及其同系物。由于噻吩及其同系物的沸点非常接近，故难以用一般的分馏法将它们分开，如果将煤焦油中提取的粗苯在室温下反复用浓硫酸提取，噻吩被磺化而溶于浓硫酸中，而分离开。①Preparation工业上噻吩可以由丁烷和硫迅速通过600～650˚C的反应器（接触时间仅为1秒），然后迅速冷却制得：89（2）Thiophene噻吩存在于煤焦油中的粗苯中,约另外,用乙炔通过加热至300˚C的黄铁矿或与硫化氢在Al2O3存在下加热至400˚C也可制得。②Propertyandreaction噻吩是无色的液体，沸点84˚C，它是含有一个杂原子的五元环化合物中最稳定的化合物，它不具备二烯烃的性质，不能氧化成亚砜和砜，但是比苯更容易发生亲电取代反应，和呋喃90另外,用乙炔通过加热至300˚C的黄铁矿或与硫化氢在Al类似亲电反应业发生在α位上。噻吩与苯类似，还可以发生加氯、加氢等反应，噻吩经氢化后为四氢噻吩，即显示出一般硫醚的性质，易于氧化成砜－－环丁砜；这充分说明噻吩环系被还原后，共轭体系被破坏，91类似亲电反应业发生在α位上。噻吩与苯类似，还可以发生加失去了芳香性，环丁砜是重要的溶剂。（3）Pyrrole吡咯存在于煤焦油及骨焦油中，吡咯蒸汽遇到盐酸浸泡的松木片显示红色。①Preparation也可以用乙炔与氨通过红热的管道来合成：92失去了芳香性，环丁砜是重要的溶剂。（3）Pyrrole吡②Reaction（A）.弱酸性和弱碱性从结构上看，吡咯是环状的二胺，但因氮原子上的未共用电子对参加了环的共轭体系，使氮原子上的电子云密度降低，减弱了吸引H+的能力，故吡咯的碱性极弱，比苯胺还弱的多，它的电离常数Kb=2.5X10-14（苯胺Kb=3.8X10-10）很小，只能慢慢的溶解在冷的稀酸溶液中，此溶液稍微加热则生成吡咯红；另一方面由于N上未共用电子对参与环共轭体系，吡咯又具有弱酸性，与N相连的H可被碱金属取代成盐。弱酸性：93②Reaction（A）.弱酸性和弱碱性从结构上看或可合成吡咯衍生物（B）.取代反应吡咯具有芳香性，比苯容易发生亲电取代反应，由于吡咯遇到酸易于聚合，故一般不用酸性试剂进行卤化、磺化等反应。94或可合成吡咯衍生物（B）.取代反应吡咯具有芳香性，比苯容易四碘吡咯常用于伤口的消毒剂；吡咯与三氧化硫和吡啶的络合物作用可被磺化成α－吡咯磺酸。（C）.加成反应95四碘吡咯常用于伤口的消毒剂；吡咯与三氧化硫和吡啶的络合物作用亲电取代反应的活性顺序：吡咯>呋喃>噻吩>苯加成反应（催化加氢、狄—阿反应）:共轭二烯性：呋喃>吡咯>噻吩§18.3Furfuralandderivationof2-Furancarboxaldehyde

1.Furfural（2-Furancarboxaldehyde）①Preparation工业上除了用米糠外，其它农副产品如：麦杆、玉米芯、棉籽壳、甘蔗渣、花生壳、高粱杆和大麦壳等都可以用来制取糠醛，这些物质中都含有碳水化合物--------多缩戊糖，在稀酸（硫酸或盐酸）作用下多缩戊糖水解成戊糖，戊糖再进一步去水环化则得糠醛。96亲电取代反应的活性顺序：吡咯>呋喃>噻吩>苯加②Reactionandpurpose.纯糠醛为无色液体,b.p.162℃,m.p.-36.5℃,ρ=1.160,可溶于水，并能与醇、醚混溶，在空气中逐渐颜色变深，由黄色→棕色→黑褐色。糠醛可以发生银镜反应，糠醛在醋酸存在下与苯胺作用显示红色，可用来检验糠醛。97②Reactionandpurpose.纯糠醛为糠醛是不含α－氢的醛，其化学性质与苯甲醛或甲醛相似，能发生歧化反应。98糠醛是不含α－氢的醛，其化学性质与苯甲醛或甲醛相似，能发生PerKin.W.99PerKin.W.23§18.4Thiazoleandderivationofthiazole.1.Thiazole

噻唑又称为1,3－硫氮杂茂，它的衍生物存在于自然界中，维生素B1中含有噻唑环，抗菌素青霉素的分子结构中含有氢化噻唑环。100§18.4Thiazoleandderivatio（1）.Properties.噻唑是无色似吡啶气味的液体，b.p.117℃，与水混溶，噻唑环上含有与氢质子结合的未共用电子对，具有弱碱性（Pka=11.5），它的化学性质很稳定，与吡啶的性质相似，发生亲电取代反应较咪唑困难，与热的浓硝酸不发生反应，只有在硫酸汞催化剂存在下，高温才能与发烟硫酸作用而磺化。101（1）.Properties.噻唑是无色似吡啶气味的液（2）.Derivationofimportant.噻唑的衍生物的用途广泛，在医药、橡胶工业及耐高温的合成材料方面都存在。①磺胺噻唑

：简称ST（拉丁文Sulfathiazolum的缩写）它常用于消炎药，主治溶血性链球菌、脑膜炎球菌、肺炎球菌等感染疾病。其结构式如下：磺胺噻唑可以由对乙酰氨基磺酰氯与2－氨基噻唑作用，102（2）.Derivationofimportant再水解制备。2－氨基噻唑是通过下列途径合成的：②橡胶硫化促进剂M及CZ都是噻唑的衍生物。103再水解制备。2－氨基噻唑是通过下列途径合成的：②橡胶硫化促Synthesis:③聚苯并噻唑：104Synthesis:③聚苯并噻唑：28这种高聚物与聚苯并咪唑很相似，是耐高温的高分子材料，可由3,3’－二巯基联苯胺与间苯二甲酸二苯酯作用制成。2.Pyrizole在自然界中尚未发现吡唑合它的衍生物。（1）.Properties.吡唑是无色针状晶体，它可以借氢键形成两分子的缔合体。m.p.70℃,b.p.188℃。能溶于水、乙醇、乙醚及苯中，它的性质与吡咯不同，2位上的氮原子包含有一对未参加形成杂化共轭体的未共用电子，这一对电子可以与氢质子结合，因此吡唑的碱性比吡咯强但吡唑的碱性比咪唑及吡啶弱。105这种高聚物与聚苯并咪唑很相似，是耐高温的高分子材料，可由3,吡唑遇酸不易聚合，对氧化剂也相当稳定，具有芳香性，能发生卤代、硝化、磺化等亲电取代反应。106吡唑遇酸不易聚合，对氧化剂也相当稳定，具有芳香性，能发生卤代（2）.Derivationofimportant.1－苯基－3－甲基吡唑酮，它使白色的结晶。m.p.172℃,b.p.287℃（205mmHg）能溶于水，微溶于乙醇，不溶于乙醚。能发生互变异构：107（2）.Derivationofimportant1－苯基－3－甲基吡唑酮是制备药物安替比林、氨基吡啉（又名匹拉米洞）和安乃近的中间体。1081－苯基－3－甲基吡唑酮是制备药物安替比林、氨基吡啉（又名1-苯基-3-甲基吡唑酮并不是从吡唑制备，而是由乙酰乙酸乙酯与苯肼作用而制得。1091-苯基-3-甲基吡唑酮并不是从吡唑制备，而是由乙酰乙酸乙3.Imidazole咪唑是吡唑的同分异构体，许多重要的天然物质是咪唑的衍生物。如：蛋白质中的组氨酸就是α-氨基-β-（4-咪唑基）丙酸，它的结构如下：1103.Imidazole咪唑是吡唑的同分异构体，许多重要的天组氨酸在细菌作用下，即失去羧基生成组胺，它在人体内促进胃酸的分泌，在医药上用于诊断真性胃酸缺乏症。（1）Properties.咪唑是无色结晶固体，它可以在分子间形成氢键相互缔合因此具有比较高的熔点、沸点，m.p.88~90℃,b.p.255℃可以与水任意比例混溶，它与吡唑的性质相近，具有碱性，且比吡唑的碱性强。性质稳定，遇酸不聚合，咪唑有互变异构现象。111组氨酸在细菌作用下，即失去羧基生成组胺，它在人体内促进胃酸的当N-取代咪唑时，不会发生互变异构。咪唑具有芳香性，易于发生卤代、硝化、磺化，反应活泼性介于五元杂环（单杂环）与吡啶之间。（2）Derivationofimportant.咪唑的衍生物可用作农药，在分子结构中有咪唑环的高分子化合物具有耐高温、耐辐射的优良性。①农药：苯并咪唑氨基甲酸甲酯。112当N-取代咪唑时，不会发生互变异构。咪唑具有芳香性，易于发生是一种内吸杀菌剂，为一种广效性药剂，其特点是毒性较低，不但可以用于果树、大田作物，还可以用于水果收获后贮藏期间的防腐。②高聚物：聚苯并咪唑。可用于层压制品、粘结剂、薄膜、纤维等。4Oxazole.噁唑是无色液体，b.p.69℃，可以与水混溶，化学性质稳定，在1,3-唑系化合物中只有噁唑及其衍生物在生物基础代113是一种内吸杀菌剂，为一种广效性药剂，其特点是毒性较低，不但可谢中未发现有作用，无医疗价值，在分子结构中含有噁唑环的聚苯并噁唑与聚苯并咪唑、聚苯并噻唑相似，是耐高温的材料。§18.5Thesix-memberedheterocycliccompounds

1.Pyridine

（1）structure654321吡啶环与苯环类似，原子间以sp2

形成6个σ键，键角120˚，P轨道形成Π66大π键，六个原子在同一个平面上，符合休克尔（4n+2）规则，故也有芳香性，但由于N的电负114谢中未发现有作用，无医疗价值，在分子结构中含有噁唑环的聚苯并性较强，吡啶环上的电子云密度不像苯环那样分布均匀。由于N原子的电负性大，环上电子云密度有所降低，发生亲电取代反应比苯困难，取代主要在β位，相对来说容易发生亲核取代，在α位。由于吡啶环上氮原子的一对未共用电子对并不参加形成大Π键,这一对电子可以与酸结合生成稳定的盐，所以吡啶的碱性较吡咯和苯胺都来的强些。（2）Properties.①存在和制备115性较强，吡啶环上的电子云密度不像苯环那样分布均匀。吡啶存在于煤焦油及页岩油中，和它一起存在的还有甲基吡啶，工业上吡啶多从煤焦油中提取，将煤焦油分馏的轻油部分用硫酸处理，则吡啶生成硫酸盐而溶解，再用碱中和，吡啶即游离出来，然后蒸馏精制。②物理性质和化学性质吡啶是无色而具有特殊臭味的液体,b.p.115℃,m.p.42℃ρ=0.982.可与水、乙醇、乙醚等溶剂混溶，还可溶解大部分有机化合物和许多无机盐类，因此是一个很好的溶剂。（A）.Base

由于孤电子对在sp2杂化轨道中，孤电子对的s成分高，不易给出电子，接受质子的能力弱，为弱碱。N原子的一对电子处于sp2上，pkb=5.2;比苯胺(pkb=4.7)强，但比脂肪族胺及氨弱的多。116吡啶存在于煤焦油及页岩油中，和它一起存在的还有吡啶容易和SO3结合成无水—N-磺酸吡啶，可以作为缓和的磺化剂。吡啶与叔胺相似，可以与卤代烷结合生成相当季铵盐的产物。这种盐受热则发生分子重排而生成吡啶的同系物。117吡啶容易和SO3结合成无水—N-磺酸吡啶，可以作吡啶与酰氯作用能生成盐，产物是良好的酰化剂。（B）.Substitution

吡咯、呋喃、噻吩

π56为富电子芳杂环，故比苯容易亲电取代。吡啶π66（N吸电子能力较强），为缺电子芳杂环，故比苯难亲电取代，和硝基苯相似，亲电取代反应主要在3-位（β-位）发生；只有在极强的条件下才能发生硝化、磺化及卤化反应。但不发生F-C烷基化、酰基化反应。118吡啶与酰氯作用能生成盐，产物是良好的酰化剂。（B）.Su吡啶环上有烷氧基，氨基等给电子基时，有助于亲电取代反应的进行，但反应活性仍低于相应的苯系化合物；氧化吡啶的亲电取代比吡啶容易进行，取代基进入4-位，产物可用PCl3脱氧得到4-硝基吡啶。119吡啶环上有烷氧基，氨基等给电子基时，有助于亲电与α-硝基氯苯相似，2-氯吡啶与碱或氨等亲核试剂作用，可以生成相应的羟基吡啶或氨基吡啶。（C）Oxidateandreduction.吡啶环对氧化剂稳定（对氧化作用比苯环更稳定）。120与α-硝基氯苯相似，2-氯吡啶与碱或氨等亲核试剂作用，可以生进一步说明吡啶环电子密度低，为缺电子芳环。吡啶为3º胺，易被过氧化物（如过氧酸或过氧化氢的醋酸溶液）氧化成氧化物.还原反应：吡啶对还原剂比苯环活泼。121进一步说明吡啶环电子密度低，为缺电子芳环。吡啶为3º胺，易被哌啶2.Derivationofpyridine.（1）.Nicotinicacid(Niacin)122哌啶2.Derivationofpyridine.（烟酸和烟酰胺均为B族维生素之一,用于治疗癞皮病，烟酸在肝内含量很多，可以防治癞皮病和狗的黑舌病，烟酸的酰胺也是与生理有关的重要的化合物，它参与机体的氧化还原过程能促进组织的新城代谢。（2）VitaminB6.维生素B6它是一个吡啶的衍生物，缺少这个维生素即可发生皮肤病，它在自然界中分布很广，是维持蛋白质正常代谢的必要维生素。123烟酸和烟酰胺均为B族维生素之一,用于治疗癞皮病，烟酸在肝内Synthesis:124Synthesis:483.Pyrimidineandderivationofpyrimidine.（1）Pyrimidine.嘧啶是两个氮原子处在间位上的六元杂环化合物，由于两个氮原子的吸电子作用，它的碱性比吡啶弱，亲电取代反应也比吡啶困难，而亲核取代则比较容易。嘧啶是无色结晶，m.p.22℃。1253.Pyrimidineandderivationo（2）Derivationofpyrimidine.嘧啶本身在自然界中并不存在，但取代的嘧啶在自然界中存在很多，并且有的非常重要，具有特殊的生理活性。①尿嘧啶、胞嘧啶、胸腺嘧啶。它们是核酸的重要组成部分。②VitaminB1维生素B1是由嘧啶环核噻唑环结合而成的化合物，因分126（2）Derivationofpyrimidine.子中含有硫及胺，所以又称为硫胺素。人类缺乏这种维生素时患脚气病，鸟类食物中缺乏这种维生素，即患多发性神经炎。③嘧啶环作为药物安眠药类的鲁米那和佛罗那。127子中含有硫及胺，所以又称为硫胺素。人类缺乏这种维生素时患脚喷妥散(Pentothal)是一个快速麻醉药，是由二取代丙二酸酯与硫脲缩合而得：磺胺嘧啶(SD)对葡萄球菌和链球菌有特殊的效力，因此用它们治疗肺炎、脑炎等。此外尚有氟尿嘧啶，临床用于结肠癌等，但毒性太大，它128喷妥散(Pentothal)是一个快速麻醉药，是由二取代与脱氧核糖缩合成苷，使毒性降低。§18.6稠杂环化合物稠杂环化合物是由苯环与五元杂环或六元杂环稠合而成的杂环化合物。或由两个或多个杂环稠并而成的杂环化合物。1.Indoleandderivationofindole7654321吲哚是由苯环合吡咯环共用两个碳原子稠合而成，因而也叫苯并吡咯(Benzopyrrole)，其同分异构体为异吲哚(Isoindole)。吲哚及其衍生物在自然界种分布很广，在基础代谢中气重要129与脱氧核糖缩合成苷，使毒性降低。§18.6稠杂环作用。例如：色氨酸是许多蛋白质的分解产物，它是动物正常生长所必需的一种氨基酸。β-吲哚乙酸是天然的植物激素。（1）制法：（2）性质：吲哚是结晶固体，b.p.520℃,m.p.235℃，加热至沸点有分解现象，可溶于水，乙醇及乙醚中，纯吲哚在浓度极稀时130作用。例如：色氨酸是许多蛋白质的分解产物，它是动物正常生长所有花的香味，用于香料工业。氮原子上H的弱酸性：可被金属取代（如RMgX）。亲电取代反应在3-位进行，若3-位被占，则进入2-位。131有花的香味，用于香料工业。氮原子上H的弱酸性：可被金属取代（（3）吲哚的重要衍生物。①β－甲基吲哚（又称为：粪臭素）：②β－羟基吲哚。132（3）吲哚的重要衍生物。①β－甲基吲哚（又称为：粪臭β－羟基吲哚以葡萄糖甙的