大学有机化学之杂环化合物

会计学1大学有机化学之杂环化合物2有机化学第十八章杂环化合物第十三章杂环化合物

在环状有机化合物中，构成环的原子除碳原子外还有其它原子，并具有芳香结构的化合物杂环化合物杂原子O、N、S第一节杂环化合物的分类和命名1、分类杂环化合物环的大小环的数目五元杂环六元杂环单杂环稠杂环第1页/共51页3有机化学第十八章杂环化合物第2页/共51页4有机化学第十八章杂环化合物2、命名（音译法）按杂环的外文名字音译，并以“口”字旁作为杂环的标志。详见课本P552页表18–1。＊补充说明：

1、杂环中各原子的编号，一般从杂原子开始（异喹啉除外），用1，2，3……表示。

2、如果环上有两个以上相同的杂原子，应从连有氢原子或取代基的那个杂原子开始编号，并使另一个杂原子的位次尽可能的小。H4–甲基咪唑5-甲基噻唑1122334455第3页/共51页5有机化学第十八章杂环化合物5-甲基噻唑12345

3、如果杂环上有两个以上不同的杂原子，则按O—S—N的顺序依次编号。

4、稠杂环中共用的碳原子一般不编号，但是嘌呤的编号例外。OH8–羟基喹啉12345678NH26–氨基嘌呤（腺嘌呤）1234567H89第4页/共51页6有机化学第十八章杂环化合物5、杂环的母核有时也可当作取代基来命名。CHOCH2COOH2–呋喃甲醛3–吲哚乙酸【课堂练习】1、命名下列杂环化合物：（1）NO2Br(2)CH32–硝基–4–溴呋喃3–甲基吡啶第5页/共51页7有机化学第十八章杂环化合物（3）SO3H（4）CH3Cl(5)NH2OH(6)CH3CH3(7)COOH2–噻吩磺酸3-甲基–5–氯喹啉6–氨基–8–羟基嘌呤1，4–二甲基异喹啉3–吡啶羧酸第6页/共51页8有机化学第十八章杂环化合物2、写出下列化合物的结构式：（1）2，3–二氢呋喃6–甲基–8–溴喹啉（3）N–乙基--溴--吡咯甲醛（4）-吡啶甲酸甲酯HHHHBrCH3CHOCH3C2H5COOCH3第7页/共51页9有机化学第十八章杂环化合物第二节杂环化合物的结构与芳香性呋喃噻吩吡咯★结构特点1、平面结构：呋喃、噻吩、吡咯都是平面结构，环上所有原子都是SP2杂化，各原子均以SP2

杂化轨道重叠形成键。·······················HH一、五元单杂环第8页/共51页10有机化学第十八章杂环化合物2、闭合共轭体系：碳未杂化的P轨道中有一个电子，杂原子的P轨道中有一对电子，P轨道互相平行重叠，形成闭合的共轭体系。形成五中心六电子的大键，体系中的电子数为6，具有一定芳香性。电负性：ONS＞＞芳香性大小：呋喃噻吩吡咯苯＞＞＞H第9页/共51页11有机化学第十八章杂环化合物二、六元单杂环吡啶吡啶的结构······：·平面闭合的共轭体系（6），具有芳香性；·碱性：Pka=5.2,比脂肪胺弱，但比芳香胺强；·偶极矩：吡啶的偶极矩与吡咯相反；6H2.26D1.18D吡啶吡咯第10页/共51页12有机化学第十八章杂环化合物呋喃、噻吩、吡咯的化学性质1、亲电取代反应实验证明：※亲电取代反应活性顺序为：吡咯＞呋喃＞噻吩＞苯静态时，杂环上各原子的电子云密度位：呋喃噻吩吡咯H+0.32-0.10-0.06+0.10-0.03-0.02+0.20-0.06-0.04※亲电取代反应一般优先进入位第三节重要的五元杂环化合物第11页/共51页13有机化学第十八章杂环化合物呋喃、噻吩、吡咯的亲电取代反应详见课本第378～383页。第12页/共51页14有机化学第十八章杂环化合物呋喃、噻吩、吡咯的亲电取代反应详见课本第378～383页。【课堂练习】1、噻吩+浓H2SO4SO3H噻吩–2–磺酸2、噻吩Br2MgCO2COOH噻吩–2–甲酸HOAc3、NO2Br2NO2Br4–硝基–2–溴噻吩

第13页/共51页15有机化学第十八章杂环化合物CH34、HNO3H2SO45、CH3O2NHNO3H2SO46、COOHBr2100℃7、H+HO3SN2ClCH3NO2CH3O2NNO2COOHBrHN=NSO3H第14页/共51页16有机化学第十八章杂环化合物2、加成反应1）呋喃、噻吩、吡咯在一定条件下都可以加氢生成相应的四氢化合物2）呋喃由于芳香性最小，具有环状共轭二烯的性质，能发生双烯合成。3）而噻吩、吡咯则较难发生双烯合成反应。通常要用更强的亲二烯试剂如苯炔、碳烯等才能反应。第15页/共51页17有机化学第十八章杂环化合物3、吡咯的弱碱性、弱酸性1）碱性很弱（比苯胺弱），它只能慢慢地溶解在冷的稀酸溶液中。2）吡咯还具有弱的酸性（比醇的强，比酚的弱），它可与强碱或金属作用成盐。与格氏试剂作用放出烃（RH）而生成吡咯卤化镁。H+KOH（固体）K-++H2OH+KK-++H2第16页/共51页18有机化学第十八章杂环化合物H+CH3MgIMgI+CH4吡咯钾盐及吡咯卤化镁都可以用来合成吡咯衍生物。K-+CH3COClCOCH3＞150℃HCOCH3N-乙酰基吡咯-乙酰基吡咯CH3I△CH3＞150℃HCH3第17页/共51页19有机化学第十八章杂环化合物K-+1）CO22）H2OHCOOH-吡咯甲酸CHCl3KOHHCHO-吡咯甲醛4、呋喃、噻吩、吡咯的鉴定呋喃盐酸松木片显绿色吡咯盐酸松木片显红色噻吩靛红/浓硫酸显蓝色第18页/共51页20有机化学第十八章杂环化合物三、糠醛（-呋喃甲醛）四、呋喃、噻吩、吡咯的制法【课堂练习】※帕尔-诺尔合成法：从1，4-二酮出发制备呋喃、噻吩、吡咯的取代衍生物1、试用“三乙”为原料合成2，5-己二酮。CH3COCH2COOC2H5C2H5ONaBrCH2COCH3CH3COCHCOOC2H5CH2COCH3NaOHH2OH△CH3COCH2CH2COCH3第19页/共51页21有机化学第十八章杂环化合物2、完成下列反应1）CHO+CH3COCH3NaOHCHO+CH3COOC2H5NaOH2)CHO+Cl2浓HaOHCH=CHCOCH3CH=CHCOOC2H5CHOClCH2OHClCOOHCl+3）第20页/共51页22有机化学第十八章杂环化合物4）CHOHNO3H2SO4CH3COOC2H54、完成下列合成：O2NCOOH+Ac2OBF3COCH3HNO3O2NCOCH3NaOClH+O2NCOOHCHOO2NCH=CHCOOC2H5O2N第21页/共51页23有机化学第十八章杂环化合物五、噻唑和咪唑唑(azole)可以看成呋喃、噻吩、吡咯环上2位或是3位上的CH换成N原子。H噻唑咪唑COCHNHCOCH2C6H5HOOC青霉素G第22页/共51页24有机化学第十八章杂环化合物六、吲哚H吲哚由吡咯与苯环稠合而成，可以看成是吡咯的烃基衍生物，化学性质与吡咯相似：1）具有弱碱性；2）松木片反应呈红色；3）N原子上的H能被活泼金属取代；4）吲哚环也能起亲电取代反应，所不同的是取代基进入-位，而吡咯则优先进入-位。第23页/共51页25有机化学第十八章杂环化合物七、口口口口族化合物四个吡咯环和四个次甲基（—CH=）交替相联组成的大环叫环，含环的化合物称为族化合物。口口口口口口口口口口口口在人体或动植物体内起重要作用的血红素、叶绿素、维生素B12都属于族化合物。口口口口第24页/共51页26有机化学第十八章杂环化合物七、口口口口族化合物四个吡咯环和四个次甲基（—CH=）交替相联组成的大环叫环，含环的化合物称为族化合物。口口口口口口口口口口口口在人体或动植物体内起重要作用的血红素、叶绿素、维生素B12都属于族化合物。口口口口【课堂练习】1、为什么咪唑比吡咯稳定？亲电取代活性却不如吡咯？

答：这是因为唑上的二个N，只有一个N上的P电子参与共轭，而N的电负性比碳大，另一个N不仅不给电子，还要吸电子，使环变稳定，与吡咯相比，吡咯上N的P电子参与共轭，起了给电子作用，因此咪唑比吡咯稳定，亲电取代反应活性低。第25页/共51页27有机化学第十八章杂环化合物(一)弱碱性吡啶及其同系物是弱碱。（CH3）N＞NH3＞＞NH2PKb4.24.88.89.4+HClHCl-+第四节重要的六元杂环化合物第26页/共51页28有机化学第十八章杂环化合物吡啶与卤代烷和某些活泼的卤代物反应生成季铵盐。+CH3ICH3ICH3+CH3HH-I-高温I-（二）亲电取代反应：比苯困难，取代基主要进入-位。（三）氧化与还原：比苯难氧化。CH3KMnO4H2SO4COOHHNO3,△COOHCOOH第27页/共51页29有机化学第十八章杂环化合物★还原反应：比苯易还原。*而苯在同样条件下不被还原Na+C2H5OHH六氢吡啶（哌啶）胡椒啶★亲核取代：吡啶环由于电子出现的几率密度低，易进行亲核取代反应。主要生成-取代物。NaNH2△,回流NH2C6H5LiC6H5-氨基吡啶-苯基吡啶第28页/共51页30有机化学第十八章杂环化合物二、嘧啶

嘧啶中的氮是SP杂化的，都以一个P电子参与共轭，性质与吡啶类似。由于两个N原子的吸电子作用它的碱性比吡啶弱得多，其亲电取代反应比吡啶的困难，亲核取代则比较容易。反应主要发生在2，4，6位。Cln-C4H9NH2室温NH-C4H9-n第29页/共51页31有机化学第十八章杂环化合物OHHOOHHOCH3NH2HOUracilThymineCytosine尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶OHHOOOHH这三种化合物都存在酮式和烯醇式的互变异构现象。第30页/共51页32有机化学第十八章杂环化合物【课堂练习】1、为什么吡啶的溴化不能用FeBr3来催化，加FeBr3会使反应变慢。答：吡啶环上的N是吸电子的，具有碱性，与路易斯酸FeBr3结合后，N的吸电子作用更为加强，反应变慢。2、为什么吡啶的碱性比六氢吡啶的小？3、为什么邻溴吡啶的亲核反应比吡啶的快？答：-溴代吡啶亲核取代离去基团为碱性小的负离子（Br),而吡啶离去基团为碱性大的负离子（H）。--答：吡啶环上的N为SP杂化，六氢吡啶环上的N为SP杂化。相比之下吡啶环上的N对未共用电子束缚紧，因此碱性小。23第31页/共51页33有机化学第十八章杂环化合物三、喹啉

喹啉是由吡啶与苯环并合而成，它的化学性质与吡啶相似，由于吡啶环的电子云密度低于苯环，因此亲电取代反应发生在苯环上，取代基主要进入8-位和5-位。而亲核取代则发生在吡啶环（2或4位）H2SO4200℃NaOH熔融OHONaH+8-羟基喹啉＊亲电反应第32页/共51页34有机化学第十八章杂环化合物＊喹啉环合成法——斯克劳普法（Skraup)KNH2二甲苯，100℃NH2HOOCHOOCKMnO4,H+2,3-吡啶二甲酸＊氧化反应＊亲核取代NH2+CH2-CH-CH2OHOHOH浓H2SO4硝基苯，△第33页/共51页35有机化学第十八章杂环化合物

喹啉的衍生物一般不是通过喹啉的取代反应制取，二是用取代的芳胺为原料合成。NH2Cl甘油，浓H2SO4硝基苯，△间氯苯胺+ClCl7-氯喹啉5-氯喹啉【课堂练习】写出下列化合物与甘油、浓硝酸、硝基苯的反应产物：1）NH2第34页/共51页36有机化学第十八章杂环化合物2）NH2NH23）NH2CH34）NH2CH3NH2NaNO2HClH3PO2NN+CH3+CH3CH3CH3NH2第35页/共51页37有机化学第十八章杂环化合物2、CH3BrFe/HClCH3HNO3H2SO4CH3COClCH3NHCOCH3Br2/FeH+H2O甘油，浓硫酸C6H5NO2CH3H2NBrCH3Br第36页/共51页38有机化学第十八章杂环化合物2、以苯、甲苯及必要化合物为原料合成下列化合物1）NO2HOOCCH3HNO3H2SO4CH3NO2CH3COClFe/HClCH3NHCOCH3混酸H+H2OCH3NH2NO2甘油，浓硫酸As2O5NO2CH3KMnO4NO2HOOC第37页/共51页39有机化学第十八章杂环化合物四、嘌呤NNNNH7H-嘌呤9H-嘌呤123456789

嘌呤由嘧啶环与咪唑环并联而成的稠杂环化合物，它存在两种互变异构体。NNNNHNNNNHNH2NNNNHH2NOH腺嘌呤（6-氨基嘌呤）鸟嘌呤（2-氨基-6-羟基嘌呤）第38页/共51页40有机化学第十八章杂环化合物第四节生物碱

生物碱是指一类从生物体内取得，对人和动物有强烈生理作用的碱性含氮有机物。*生物碱的分类，多以所含的杂环为依据，如吡啶类、吲朵类、喹晽类、嘌呤类等。*生物碱的命名常根据来源的植物命名。如麻黄碱是由中药麻黄提取的。*也有采用国际通用名称的译音命名的。如烟碱叫尼古丁。

生物碱的结构一般比较复杂，具有环状或开链胺的结构。第39页/共51页41有机化学第十八章杂环化合物一、生物碱的一般性质*生物碱多为固体，难溶于水，而易溶于乙醇等有机溶剂。*生物碱能与无机酸或有机酸结合成盐，这种盐一般易溶于水。*生物碱大多有旋光性，自然界存在的多是左旋体。左旋体和右旋体的生理作用往往差别很大，一般具有疗效的是左旋体。*生物碱在植物体内是由氨基转化来的。一种植物可以含有多种生物碱，同一科的植物所含生物碱的结构通常是相似的。第40页/共51页42有机化学第十八章杂环化合物*生物碱的沉淀反应*生物碱的颜色反应二、生物碱的提取方法1、有机溶剂提取法

用有机溶剂提取，得到的生物碱与酸成盐溶于水中，用碱中和，析出产物。生物碱有机溶剂酸碱成盐中和析出产物第41页/共51页43有机化学第十八章杂环化合物2、稀酸提取—离子交换法

用稀酸浸泡或加热提取，所得溶液经过阳离子交换树脂层，生物碱留于交换树脂上，用碱性氢氧化钠溶液洗脱，再用有机溶剂提取。生物碱稀酸浸泡阳离子交换树脂层NaOH洗脱有机溶剂提取产物*提纯生物碱的一般方法：是把初步得到的生物碱粗制品与合适的试剂作用，生成不易溶解的盐，再用分步结晶、色谱分离、离子交换或其它吸附方法进行提纯。第42页/共51页44有机化学第十八章杂环化合物三、几种重要的生物碱

生物碱的数量很多，到目前为止，以知结构的就超过了两千种，而且结构复杂多样，生理作用千差万别，不能详细讨论。这里只能选择几种有代表性的作简单介绍。1）麻黄碱CH—CH—NHCH3OHCH3**﹡分子中有两个手性碳，左旋的麻黄硷具有生理作用。*麻黄碱为仲胺，是一个不含杂环的生物碱，所以不能和生物碱试剂发生沉淀反应。*结构与肾上腺素相似，有兴奋交感神经、收缩血管、扩张支起管的作用。第43页/共51页45有机化学第十八章杂环化合物2）烟碱**烟碱又名尼古丁，以柠檬酸或苹果酸盐的形式存在于烟草中。国产烟叶约含烟碱1—4%。*烟碱为无色油状液体，碱性，能溶于水，有挥发性，烟叶的气味便来自烟碱。*烟碱有旋光性，天然存在的为左旋体，在空气中易被氧化成烟酸。NNCH3*NCOOHO第44页/共51页46有机化学第十八章杂环化合物**烟碱有剧毒，少量有兴奋中枢神经、增高血压的作用，大量则抑制中枢神经系统，使心脏