有化-5杂环化合物

第十五章

杂环化合物(Heterocyclic

compounds)1杂环化学丰富多彩本章主要内容3芳香杂环化合物分类、命名五员芳杂环（呋喃、噻吩、吡咯）的结构、性质六员芳杂环（吡啶）的结构、性质稠杂环简介(喹啉、异喹啉、吲哚、嘌呤)生物碱简介（略）杂环所涉及的领域药物工程高分子材料生物模拟材料有机导体和超导材料贮能材料4杂环化合物的类型芳香杂环普通杂环重点内容环醚，内酯，内酰胺，环状酸酐OSNHNNHNNNNNNHNNOOONHOOONHOO

O5杂环分类:杂原子的类型和数目环的大小（五员环、六员环等）环的个数（单环、稠环）单环§15.1杂环化合物的分类、命名6NHNNHNNHONHNS稠环ONNN一、五员芳杂环五员芳杂环衍生物（1）含有一个杂原子的五元杂环ONH吡咯烷pyrrolidine四氢呋喃(THF)tetrahydrofuranNH2,3-二氢吡咯23O吡咯

呋喃pyrrole

furan噻酚thiophene5

4

31

2NHNH3-氯吡咯SClNCH31-甲基-3-乙基吡咯C2H57（2）含两个以上杂原子的五员环噁唑oxazolepyrazoleimidazole异噁唑isoxazole[1,2,4]三(氮)唑s三唑噻唑thiazole1NH吡唑34N

251NH咪唑N34521ON34521O34N

251SN34521NH834

NN

25二、六员芳杂环（1）含有一个杂原子的六元杂环46352pyridineN1吡啶N

CH

CH2

32-乙基吡啶-乙基吡啶NH六氢吡啶（哌啶）piperidineNN11,3,5-三嗪(1,3,5-triazine)N

35

NN

N

21N

39N

N1

1嘧啶

吡嗪pyrimidine

pyrazine（2）含两个及以上杂原子的六员环4哒嗪pyridazine三、稠杂环45N1326783N

24561784532617NH吲哚indole1N9N

4

N3265N

78H喹啉quinoline异喹啉isoquinoline9H-嘌呤purineNH13N24567苯并咪唑benzimidazole10一些杂环化合物命名的实例11四、杂环命名的标氢饱和原子为最低H

作字首部分双键饱和，按二氢、四氢等方法标注，并著名加氢的位置2,3-二氢噻吩NH1,2,3,4-四氢喹啉SN

NH

H2,5-二氢吡咯 四氢吡咯12§15.2五元芳香杂环化合物的结构与性质一、结构吡咯..NH..O.....S.13呋喃噻吩14吡咯、呋喃和噻吩键长(pm)芳香性：苯>噻吩>吡咯>呋喃NH

143

137138O

144

137135S符合Hückel规则环状的平面结构垂直于平面的p轨道4n+2

个电子易发生芳香族化合物的典型反应------亲电取代3）1H

NMR特征吸收在

=

6~

9ppm五元芳杂环的结构与性质特点16二、含一个杂原子的五员芳杂化合物的性质芳香性不饱和共轭双烯性质杂原子本身的性质杂原子对环的影响NHOSA1718吡咯的弱酸性吡咯N-H:弱酸性NHbNH2.89pK

13.6pKa

17.5由于共轭

N-H键极性增加，使吡咯表现出弱酸性NHNK吡咯钾盐的生成dry

KOH19+

H2OCH3I60

°CN-甲基吡咯-甲基吡咯(2)

H3O(1)

CO2+NHCO2H-吡咯甲酸CHCl3KOHNHCHO-吡咯CH3COClNO

CCH3N-乙酰基吡咯>

150

°CNHCOCH3-乙酰基吡咯NCHNHCH33>

150

°CNK+20五员芳杂环的亲电取代反应取代位置A-取代A-取代E+A主要产物反应相对活性E+EO

S3NH101861011215

1091>>>取代位置选择性的解释主要有三个式较稳定-取代AE+AEAEAE贡献最大（满足八隅体）HAEH+22-位取代主要共振式仅有二个较不稳定AEAEAE+AEH-H+

贡献最大（满足八隅体）23亲电取代反应相对活性的解释i.根据五员杂环结构分析杂原子起给电子基的作用，环上的电荷密度比苯环大例:吡咯AAAAA24满足八隅体（较稳定）比较：苯的亲电取代ii.根据稳定性分析-取代E+EEHetc.H+不满足八隅体（较不稳定）AHE

H+AEAE+25亲电取代反应实例Caution：遇强酸时杂原子被质子化，导致芳环π键的破坏硝化：HNO3/H2SO4磺化：H2SO4用温和试剂代替AcONO2AcONO2+26（1）五员杂环的硝化反应吡咯和噻酚发生正常亲电取代反应呋喃发生加成反应（共轭烯烃性质）27NHNH83%NO2+NH17%NO260%10%SSNO2+SNO2AcONO2Ac2O-AcOH0

CAcONO2Ac2O5

COONO2AcO碱或ONO2AcONO25

~

30

oC加成

HOAc消除（2）五员杂环的磺化反应磺化试剂：N

SO3（吡啶SO3加合物）NH100oCSO3HNH90%SH+r.

t.SO3S86%Ba2+2OH+SO3HO41%+3SO

HHO3SO15%Ba(OH)2N

SO3N

SO3N

SO3r.

t.28应用：从煤焦油中得到的苯含噻吩，利用该反应将其除去噻吩活性大，较稳定：可直接用硫酸磺化H2SO4r.

t.SSSO3HH2SO4r.

t.SSO3H溶解于硫酸中（少量）反应快S+29（3）五员芳杂环的Friedel-Crafts反应2-乙酰基吡咯(CH3CO)2O2-乙酰基呋喃(CH3CO)2O2-乙酰基噻吩(CH3CO)2OBF3NHNHCOCH3OOCOCH3SnCl4SSCOCH330五员芳杂环的加成反应（1）催化加氢使用特殊催化剂（噻吩能使常用氢化催化剂

）THF（常用的有机溶剂）吡咯烷：一个仲胺(2)Diels-Alder反应OSNHH2

/NiH2

/NiOSNHH2

/MoS2Ni/H2脱SOOHHOOOHHOOO31吡咯衍生物吡咯衍生物广泛存在于动植物体内,如叶绿素,血红素,维生素B12

,胆红素,它们都具有重要的生理活性卟吩血红素阿托伐他汀钙:Statin类降低胆固醇药物Atorvastatin

Calcium;marketed

by

Pfizer

as

acalcium

salt

under

the

trade

name

Lipitor32叶绿素(Chlorophylla)叶绿素a、b和细菌叶绿素都是原初叶绿素，可

的光能33维生素B12(钴胺素)唯一含金属元素的维生素主要作用：甲基转移酶的辅因子、保护叶酸在细胞内的转移和34三、含两个及多个杂原子的五元杂环35NO噁唑NO异噁唑OO

HNNOOH3C噁唑菌酮NOH3CCH3NaN

OSONH2磺胺甲基异噁唑NS噻唑SNNH23H

C

N2CH

N32

2CH

CH

OHCl

CHNOSCH3CH32CO

Na维生素B1青霉素HNORH咪唑54

3N245N

3N

1

2N1H吡唑NNH2CH

CH

COOHNH2组氨酸NHN多菌灵H

ON

C

OCH3咪唑的结构与功能咪唑环互变异构现象aNNHNNHH3CHNNH3C咪唑

4-甲基咪唑

5-甲基咪唑..

_B36HNNHA在生物体内,组氨酸含有一个咪唑基,具有独特的化学性质，它既是一个弱酸，又是一个弱碱。是pK值接近生理pH值(7.35)的唯一氨基酸，在生理环境中，它既能接受质子，又能解离质子:

起质子传递作用R§15.3

含一个杂原子六员芳杂环(吡啶）符合Hückel规则吡啶环电子云分布不如苯均匀,吡啶环上的C原子电子云密度较苯低,N

原子附近电子云密度较大诱导效应和共轭效应一致可以质子化,具有碱性,易溶于水37.N.

=

1.57

D一、吡啶的碱性和亲核性1.吡啶氮原子上的反应（1）碱性(basicity)有机

中常用的一个有机碱NbK =

1.4

109NHpKb8.8~4~14R3N哌啶3请比较

..NHKb

=

1.6

10pKb

=

2.838（2）亲核性吡啶的烷基化N++NC16H33溴化十六烷基吡啶盐C15H31CH2

Br

BrN+SO3SO3吡啶与SO3加合物+N392.

吡啶环上的亲电取代反应取代位置：位置选择性？反应活性：与苯比快或慢?？-取代NENN-取代N-取代EEE++40若干实验事实钝化芳环、-取代为主相当于强吸电子基41i）由吡啶

式分析结论:1.环上带正电核,不利于亲电取代

位的正电荷密度相对较低、较易受亲电试剂进攻对反应位置选择性及钝化现象的解释NNNNNNEE42根据

的稳定性分析

位取代主要有两个式不稳定正电荷在电负性大的原子上NENENENEHHH-

H+NE

位对反应位置选择性及钝化现象的解释43

位取代有三个主要式，较稳定ENNEHNattackEHNEH-

H+NE44

位取代：（与位取代类似）有两个主要式不稳定正电荷在电负性大的N原子上ENNEHNEHNEH-

H+NE45小结46吡啶只在的条件下发生亲电取代反应473.吡啶环上的亲核取代反应---相对容易NuNNHNuNNuNu亲核加成-负氢消除Nu

=

NH2,

Ph通过氧化去氢或与负氢接受体结合-

H48N

（1）

NaNH2与吡啶的亲核取代---Chichibabin

反应Chichibabin

可能反应机理:NNH2NHNH2H

NH2NNH2+

H

HNH

NH或+

HN

NH2H

+HNNNH2N+

NH3NHNH2HH3O+NNNH2NaNH249H2NH3

或PhNMe2+（2）或位有离去基团时发生亲核取代机理：NaOH异构化NClNOHN

OH-吡啶酮NHOOHNClNOHClClNOH50实例NClPhNH2NNHPhNBrNH3NNH2BrBrNOCH3NClNaOCH351HOCH3吡啶环上的亲核取代：/位为主52NNClN+BrNBrBrNNO2NSO3HHClNHClNaNH2H2ON

NH253（1）吡啶侧链的氧化反应4.氧化还原反应54NCH3Na2Cr2O7H2SO4NCOOHKMnO4N尼古丁(

)N烟酸-吡啶甲酸N

CH3N

COOHHNO3COOHNCH3（2）吡啶的还原反应吡啶环比苯环易被还原六氢吡啶又称哌啶(pK=2.8),为仲胺化合物,碱性为吡啶强的106倍NH2,

Pt0.3

MPNHNNH1,2,3,4-四氢喹啉NH十氢喹啉Sn

/

HClor Na

/EtOHH2,

Ni55喹啉§15.4稠杂环化合物NH吲哚indoleNNNNH嘌呤purine喹啉quinolineN12345678异喹啉isoquinolineN

2561345678嘧啶及其衍生物具弱碱性，亲电取代反应磺胺类抗菌药NNH2NHOHNOO

NH胞嘧啶(C)

尿嘧啶(U)核酸的碱基OHNO

NHCH3胸腺嘧啶(T)3H

COCH3OH3COCH2NN2H

NNH2OH

NOFNH甲氧苄氨嘧啶TMP(磺胺增效剂)5-氟尿嘧啶5-FU(抗癌药物)57嘌呤及其衍生物NNNHN9H-purineNNHNNH2NNHNHNON

NH2guanine2-amino-1H-purin-6(9H)-oneNNNH2NNHHNNH2N

NHNOAdenine9H-purin-6-amine腺嘌呤鸟嘌呤DNA/RNANOH3C

NONCH33CHNNH3C

NO

NCH3茶碱咖啡碱（O）HN58§15.5

生物碱、精神依赖性药物与5960毒品分类（1）根据国际公约的规定（2）根据来源和生产方法（

3

）根据对的作用（4）根据对人的危害程度品天然麻醉剂抑制剂剂致幻剂软性硬性影响最大数量最大三大俗称4号61《刑法》357条规定：“本法所称的，是指、、甲基苯丙胺(

)、

、

、人形成瘾癖的

品和以及国家规定的其他能够使上常见的，大量泛滥的。”这里列举的六种

仅是国际，但

却不仅限于这六种。发布的《

品品种的能使人形成瘾癖的》和《品种》共列出被品和共计237种，其中

品118种，119种。62addiction.(An

opium

alkaloid.Although

it

is

an

excellentgesic,

its

use

isrestricted

becauseof

the

potential

foristhe

diacetate

ester

ofmorphine.):由

提纯而得。胺、生物碱、63（,

Chi