jj第十八章杂环化合物

第十八章

杂环化合物

(Heterogeneousringpound)jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第1页!1.掌握杂环化合物的分类及命名。2.掌握重要的五元、六元、稠杂环化合物的结

构和性质。3.掌握斯克奥浦合成喹啉的方法。4.了解生物碱的一般概念。教学目的和要求

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第2页!一．分类节杂环化合物的分类和命名jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第3页!

杂环的命名常用音译法，是按外文名称的音译，并加口字旁，表示为环状化合物。1、如杂环上有取代基时，取代基的位次从杂原子算起用1，2，3，4，5……（或可将杂原子旁的碳原子依次编为α,β,γ,δ…）来编号。

二．命名jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第4页!

常见杂环的结构式和名称：jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第5页!jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第6页!(二)存在及鉴别呋喃存在于松木焦油中，是无色液体。沸点31.36℃，有氯仿的气味。

噻吩存在于煤焦油中是无色而有特殊气味的液体，沸点84.16℃。由煤焦油中取得的苯约含0.5%的噻吩，用蒸馏法分离不行。用噻吩比苯易磺化的性质，用浓硫酸震荡含有噻吩的苯，则噻吩生成为α－磺酸而溶于下层硫酸中,从而和苯分离。α－噻吩磺酸吡咯存在于煤焦油和骨焦油中，无色液体。沸点130～131℃，有弱的苯胺气味。吡咯的衍生物存在于自然界中。如：叶绿素、血红素、VB12等多种生物碱中。jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第7页!呋喃：α－Hδ=7.42ppmβ－Hδ=6.37ppm噻吩：α－Hδ=7.30ppmβ－Hδ=7.10ppm吡咯：α－Hδ=6.68ppmβ－Hδ=6.22ppm

NMR：这些杂环化合物形成封闭的芳香封闭体系，与苯环类似，在核磁共振谱上，由于外磁场的作用而诱导出一个绕环转的环电流，此环电流可产生一个和外界磁场方向相反的感应磁场，在环外的质子，处在感应磁场回来的磁力线上，和外界磁场方向一致，在去屏蔽区域，故环上氢吸收峰移向低场。化学位移一般在7ppm左右。

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第8页!2.工业上制备噻吩是用丁烷，丁烯或丁二烯与硫磺混合，在600℃反应得到：

3.噻吩也可用琥珀酸钠盐与五硫化二磷一起加热反应制得：

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第9页!jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第10页!上周内容回顾一．分类二．亲电取代反应jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第11页!

α位比较活泼的原因是因为在反应中形成的中间体正离子有三个共振式参与共振。如果在β位发生反应，形成的中间体正离子只有两个共振式参与共振，参与共振的共振式愈多，杂化体愈稳定，故在α位发生反应的中间体正离子比较稳定，稳定的中间体正离子的过渡态能量低，反应速度快。因此亲电取代反应容易在α位发生。

α位比较活泼的原因jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第12页!(a)卤化jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第13页!（b）硝化：呋喃、噻吩、吡咯易被氧化因此一般不用硝酸直接氧化。（条件：低温）jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第14页!jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第15页!2.加成反应jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第16页!3.吡咯弱碱性和弱酸性

由结构看，吡咯是环状第二胺，因氮上的共用电子对参与了环的共轭。氮原子上的电子云密度降低，减弱了吸H+能力，使吡咯的碱性极弱，Kb＝2.5×10-14，只能很慢地溶解在冷的稀酸溶液中，稍加热则成吡咯红(吡咯的聚合物)。吡咯氮原子上的氢原子却有极弱的酸性Ka＝10-15，比醇强，较酚弱，它能与固体KOH加热成为钾盐：jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第17页!二、呋喃，吡咯的衍生物

1．糠醛（α—呋喃甲醛）：

糠醛是无色透明液体，糠醛在工业上由农副产物如甘蔗渣，花生壳，高粱秆，棉子壳等用稀酸加热蒸煮制取。

（1）糠醛是良好的溶剂：糠醛常用作精炼石油的溶剂，以溶解含硫物质及环烷等。还可以精制松香，脱除色素，溶解硝酸纤维等。

（2）催化加氢

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第18页!（5）安息香缩合：

（6）合成四氢呋喃

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第19页!

卟吩环碳上氢原子被取代及部分或全部取代后形成的化合物，叫做卟啉。卟啉化合物广泛分布于自然界，例如血红素和叶绿素。血红素存在于哺乳动物的红血球中，它与蛋白质合成为血红蛋白质。血红蛋白质的功能是运载氧气及二氧化碳。

叶绿素与蛋白质结合存在于植物的叶和绿色的茎中。植物光合作用时，叶绿素吸收太阳能转变为化学能，是植物进行光合作用时必需的催化剂。自然界的叶绿素不是一个单纯的化合物，而是由两种叶绿素组合而成，即蓝绿色的叶绿素a（熔点：117～120℃）和黄绿色的叶绿素b（熔点：120～130℃），两者的比例为：3a：4b,叶绿素环中含镁。叶绿素a已经被合成（1960年）

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第20页!三．含有一个杂原子的五元杂环苯并体系

苯与呋喃，噻吩，吡咯共用两个碳原子而成的苯并体系，成为苯并呋喃，苯并噻吩，吲哚：

这三类化合物中，以吲哚环系比较重要，因此主要对吲哚环系进行一些介绍。吲哚本身为线状结晶，具有极臭的气味，但在其稀薄时则有香味，可以当作香料用。含吲哚环的生物碱广泛存在于植物中，如麦角碱，马钱子碱，利血平等。植物生长调节剂β－吲哚乙酸，哺乳动物及人脑中思维活动的重要物质5—羟基色胺，植物染料靛蓝以及蛋白质组分的色氨酸都会有吲哚环。

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第21页!2．反应：五元杂环与苯并合后，仍具芳香性，但亲电取代反应的活泼性比未并合的五元杂环低，比苯高，故亲电取代反应在杂环上进行。这些环系遇浓硫酸易树脂化，需避免在浓硫酸存在下进行反应：

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第22页!

从上面反应可以看到，这些杂环化合物的亲电取代反应主要发生在3位。这与反应中间体正离子的稳定性有关。亲电试剂在C2位进攻，带有完整苯环的稳定共振式只有一个；而在C3位进攻，带有完整苯环的稳定共振式有两个：

在C2位进攻：

在C3位进攻：

（八电子的带正电荷的氮）

参与的稳定的共振式愈多，中间体正离子愈稳定。

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第23页!噻唑结构一些重要的天然产物集合成药物含有噻唑结构，如：

咪唑结构

它的碱性较噻唑强，3位上的氮原子能与氢离子结合，故与强酸生成稳定的盐。

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第24页!

含咪环的物质广泛存在于自然界中，具有生理活性。由于含咪唑环的化合物具有突出的生理活性，有的已被用作杀菌剂。jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第25页!（２）吡啶环系的合成：

最重要的吡啶同系物的合成方法是韩奇（A.Hantzsch）合成法，是用两分子的β—羰基酸酯（如乙酰乙酸乙酯），一分子的醛和一分子的氨发生缩合反应，先生成１，４-二氢吡啶衍生物，再氧化而成吡啶环。

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第26页!电子出现的几率密度：3.

吡啶碱性

弱碱,环上如有给电子基团，则可使碱性增强.jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第27页!3.吡啶环系的反应：

（1）

与亲电试剂的反应

吡啶环系与亲电试剂可以在氮原子上发生反应，也可以在碳原子上发生反应。

A．在氮上发生反应：吡啶是一个三级胺，很像三级脂肪胺，具有碱性，能与亲电试剂发生反应。由于氮原子用sｐ2杂化轨道进行反应，ｓ成分较多（与sｐ3杂化轨道比较），靠近核，是较弱的碱，环上如有给电子基团，则可使碱性增强：

pKa5.175.97酸性弱，其共轭碱的碱性强

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第28页!

N—氨基吡啶季铵盐与碱作用时生成吡啶叶立德。由于N—烷基吡啶季铵盐的氮原子是正性，N—烷基中与N结合的亚甲基，特别活泼，它与碱作用生成的碳负离子称为吡啶叶立德。吡啶叶立德主要用在合成上，是个亲核试剂。对于许多在硫酸或硝酸中不稳定的化合物就用这个方法磺化，硝化。

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第29页!ｂ．磺化

吡啶如用浓硫酸或发烟硫酸磺化，在320℃长时间反应，产率很低，必须在催化剂硫酸汞存在下，产率才较好。

c．卤化

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第30页!在Ｃ4位进攻：

如亲电试剂在C2,C4位进攻，有特别不稳定的共振式，因有一个共振式正电荷位于氮原子上；如在C3（或C5）位进攻，没有特别不稳定的共振式，比较稳定，因此反应容易在C3（或C5）上发生。

（2）与亲核试剂的反应：

吡啶环由于电子出现的几率密度低，易进行亲核取代：

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第31页!在C4位进攻：

由于氮电负性很强，如亲核试剂在α位或γ位进攻，有负电荷在氮上的共振式参与共振，比较稳定，在β位进攻，共振式的负电荷均在碳上，比较不稳定，因此反应容易在α位或γ位发生，这可能是氮在α位诱导效应较强的缘故。

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第32页!

吡啶环之所以稳定，是因为氮原子电负性大，环上的π电子云向氮偏移，使环上的五个碳原子的π电子出现的几率密度降低，而在酸性溶液中，杂氮原子与氢离子结合成为氮正离子，环的碳原子上的电子出现的几率密度降得更低，整个体系与苯相比为缺电子体系,不易给出电子（不易被氧化），故对氧化作用较苯环稳定。吡啶与过氧酸或过氧化氢的醋酸溶液氧化成氧化物：

N—氧化物是有机合成的重要中间体。可以改变吡啶亲电取代反应的位置，容易发生在4位取代。

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第33页!（5）侧链α－H的反应

在吡啶环α，γ位的甲基与甲基酮的甲基类似，在碱存在下氢易失去，与卤代烃，醛，酮发生亲核反应。如：

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第34页!jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第35页!3．还原

反应条件不同，产物也不同。

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第36页!小结：必须特别注意的问题杂环化合物发生亲电取代、亲核取代、氧化反应、还原反应时，一定要先弄清楚哪个位置电子密度大，哪个位置电子密度小；与苯相比，哪个环为缺电子体系；哪个环为多电子体系。jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第37页!其反应过程是

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第38页!三.嘧啶

含有两个氮原子的六元杂环，嘧啶的衍生物广泛的存在于自然界。如核酸中含尿嘧啶、胸腺嘧啶、胞嘧啶。

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第39页!嘌呤是两个互变异构体形成的平衡体系。嘌呤的衍生物广泛存在于动植物体中。

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第40页!2．黄嘌呤：存在于茶叶及动植物组织和人尿中。

3．咖啡碱

茶碱和可可碱：都是黄嘌呤的甲基衍生物。存在于茶叶，咖啡，和可可中，它们有兴奋中枢作用。

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第41页!第四节

生物碱

生物碱是一类存在于生物体内，对任何动物有强烈生理作用的含氮碱性有机化合物，如烟叶中的主要生物碱组分是

）。生物碱在植物体内常于

有机酸（果酸，柠檬酸，草酸，琥珀酸，醋酸，丙酸等）结合成盐而存在，也有和无机酸（磷酸，硫酸，盐酸）结合的。中草药治病有效成分有生物碱，苷等。生物碱的研究促进有机合成药物的发展，为合成新药提供线索，如古柯碱化学的研究导致局部麻醉剂普鲁卡因的合成。尼古丁（jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第42页!同时归纳出局部麻醉药具有下式的基本结构：

—.生物碱的一般性质

1.游离生物碱物理性质：

一般是无色固体结晶，有色的很少（黄连素黄色），液体也很少（烟碱为液体），有苦味。分子中含有手征碳原子，具有旋光作用，如天然烟碱（尼古丁）是左旋的。能溶于氯仿，乙醇，醚等有机溶剂，多半不溶或难溶于水。能与无机酸或有机酸结合成盐。这种盐一般易溶于水。

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第43页!

2、如杂环上不止一个杂原子时，则从O,S,N顺序依次编号，编号时杂原子的位次数字之和应最小：

五元杂环中含有两个杂原子的体系叫唑（azole）jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第44页!第二节五元杂环化合物

这三个杂环化合物中，碳原子和杂原子均以sp2杂化轨道互相连接成σ健，并且在一个平面上，每个碳原子及杂原子上均有一个p轨道互相平行，在碳原子的p轨道中有一个p电子，在杂原子的p轨道中有两个p电子，形成一个环形的封闭的π电子的共轭体系。这与休克尔的4n+2规则相符，因此这些杂环或多或少的具有与苯类似的性质，故称之为芳香杂环化合物。

（一）呋喃，噻吩，吡咯的电子结构一.含有一个杂原子的五元杂环单环体系:呋喃，噻吩，吡咯。jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第45页!(五)化学性质(三)光谱性质(四)呋喃，噻吩，吡咯的制备(二)存在及鉴别jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第46页!(三)光谱性质

IR:νC-H=3077~3003cm-1,νN-H=3500~3200cm-1(在非极性溶剂的稀溶液中，在3495cm-1，有一尖峰。在浓溶液中则于3400cm-1,有一尖峰。在浓和淡的中间浓度时，两种谱带都有),杂环C＝C伸缩振动:1600~1300cm-1（有二至四个谱带）。

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第47页!(四)呋喃，噻吩，吡咯的制备。

1.玉米芯，稻糠，花生壳，大麦壳，高粱秆等用稀硫酸处理得戊糖，戊糖失水得糠醛，再在400℃下加热，同时在催化剂ZnO,Cr2O3存在下，失去一氧化碳而得呋喃。

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第48页!4.帕尔-克诺尔（C.Paal-L.Knorr）合成法：

1，4-二羰基化合物常在无水的酸性条件下，得到呋喃及其衍生物。1，4-二羰基化合物与氨或硫化合物反应，可制备噻吩，吡咯及它们的衍生物，这个方法称为帕尔—克诺尔合成法：

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第49页!

5.取代吡咯的另一个一般的合成法，称为克诺尔合成法，即用氨基酮与有α－亚甲基的酮进行缩合。例如用氨基酮酸酯与酮酸酯或1，3—二酮缩合，氨基酮酸酯由相应的β－羰基酯制得。

α—氨基酮α—亚甲基酮

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第50页!1．亲电取代反应由于五元环六π电子体系，π电子出现的几率密度比苯环大，故亲电取代速度比苯快。

N电负性3.0,O电负性3.5,S电负性2.4,N、O与碳在同一周期，S在第三周期，其p轨道与碳的p轨道重叠较小。

亲电基团容易进入杂环的2，5位（即α,α′位），若杂环的2，5位已有基团存在，则进入3位。

(五)化学性质αα′12345jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第51页!稳定

呋喃，噻吩，吡咯，遇强酸及氧化剂很容易使环破坏，因此进行取代反应须在较温和的条件下进行。

..

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第52页!

由卤代反应看，亲电基团主要进入这些杂环的2位（α－位），如果2、5两个位置已有基团存在，则进入3位（即β位）。jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第53页!(c)磺化：

磺化时也需避免用H2SO4，用吡啶与SO3加成物作为磺化试剂进行反应。jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第54页!（d）付氏酰基化：

用路易斯酸作催化剂jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第55页!jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第56页!4．吡咯的其它反应：吡咯的性质与酚很类似，可发生下列反应：

2—吡咯甲醛（瑞穆尔—梯曼反应）

2—吡咯甲酸铵盐（柯尔柏反应）

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第57页!（3）氧化反应：

（4）歧化反应：（无α－H的醛）

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第58页!2．卟啉化合物：

四个吡咯环和四个次甲基交替相连组成的大环，叫卟吩环。含卟吩环的化合物称卟啉化合物。

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第59页!叶绿素a的结构

维生素B12,是含钴的类似卟啉环化合物。但其卟啉环在δ－位少一个碳原子。它具有强的医治贫血的功能。

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第60页!1.合成：

费歇尔吲哚合成法是吲哚环系一个重要的广泛应用的合成方法，它是用苯腙在酸催化下加热重排消除一分子氨得到2—取代或3—取代吲哚衍生物。

现举例子如下：

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第61页!1234576jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第62页!四.含有两个杂原子的五元杂环单环体系：

五元杂环中含有两个杂原子的体系叫唑（azole），根据杂原子在环中的位置不同，又可分为1，2—唑与1，3—唑两类。

命名：环中有不同杂原子，按氧，硫，氮顺序编号。使杂原子编号最小：

1，2唑：

1，3唑：

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第63页!

它也有微弱的酸性，像吡咯一样〉NH上的氢原子可被碱金属原子置换而成盐。

咪唑有互变异构现象，即〉NH上的氢原子可以移至3位N原子上。

4—甲基咪唑5—甲基咪唑

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第64页!第三节六元杂环化合物

六元杂环里最重要的是吡啶和嘧啶，它们的衍生物广泛存在于自然界，许多药物中也含有这两种杂环。—.吡啶

１.吡啶的来源和制法：

（１）来源：

苯环的一个CH换成一个氮原子就是吡啶。吡啶环广泛存在于生物碱中，在煤焦油和岩页油中也能分离得到吡啶和许多简单的烷基吡啶：

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第65页!利用不同的醛及β—羧酸酯即产生各种不同取代的吡啶。

2.

吡啶结构

与苯相似。六元环状结构，由五个C一个N原子组成的。

环中5个C原子1个N原子是以SP2杂化状态成链，每个原子上有一个P轨道。P轨道中有一个P电子。6个P电子形成闭环共轭体系，具有芳香性。N原子上还有一对电子在另一个SP2杂化轨道上，未参与成键,可以与质子结合，具有碱性。

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第66页!上周内容回顾一、由于五元环六π电子体系，π电子出现的几率密度比苯环大，故亲电取代速度比苯快。二、的电子结构比较几率密度比苯大几率密度比苯小jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第67页!

如用非质子的硝化试剂，磺化试剂，卤代烷，酰氯与吡啶环进行反应，形成相应的吡啶盐。如：

这些四级铵盐是很好的固体，是温和的硝化，磺化，烷基化，酰基化试剂。在硝酸，硫酸中不稳定的化合物，可用此磺化，硝化等。

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第68页!B.碳上发生取代反应

吡啶环可以发生亲电取代反应，与苯比较，亲电取代反应性不如苯环，反应不顺利。磺化，硝化等反应只能在极强的条件下进行，而且产率很低，环上如有给电子基团，能增进吡啶环的反应性。吡啶环不能发生傅氏反应：

ａ．硝化

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第69页!d．吡啶环不能发生傅氏反应

吡啶的亲电取代反应都发生在β位。α，γ位不发生反应。这也可用中间体正离子的稳定性来加以说明：

在Ｃ2位进攻：

在Ｃ3位进攻：

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第70页!

如两个α位都有取代基，则发生在γ位。吡啶环的亲核取代反应在α，γ位进行，这也与形成负离子的稳定性有关。

在C2位进攻：

在C3位进攻：

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第71页!（3）与氧化剂反应

吡啶环一般来说对氧化剂是稳定的。在酸性氧化剂中吡啶较苯环稳定。烷基吡啶可氧化成吡啶羧酸：

烟酸

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第72页!氧原子可由PCl3除去，这就成为合成4—取代吡啶的方法：

（4）

还原反应

吡啶环由于电子出现的几率密度低，容易得电子，对还原剂则比苯环活泼。jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第73页!

喹啉存在于煤焦油中。有些生物碱（如金鸡钠生物碱类）具有喹啉杂环的结构。喹啉为无色油状液体，放置时逐渐变橙黄色，能与大多数有机溶剂混合，对水溶解度很小。是一个高沸点（238℃）溶剂。它的碱性较吡啶稍弱。

1.亲电取代

由于吡啶较难进行亲电取代，故喹啉环亲电取代主要发生在苯环（5或8位）；

二、喹啉(一)化学性质jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第74页!2.亲核取代

亲核取代则主要发生在吡啶环C－2位，C－4位较少。比吡啶容易进行。

同样可以从中间体负离子的稳定性来解释，亲核试剂在喹啉的C2及C4位进攻，破坏了吡啶环的芳香体系，但保留着完整的苯环，这些共振式较稳定。

jj第十八章杂环化合物共83页，您现在浏览的是第75页!4．氧化jj第十八章杂环化合物共83页，您现