青海大学 有机化学 113杂环化合物a

第十一章杂环化合物授课：3学时具有一定芳香性的、成环原子除碳原子以外，还有其它原子的环状化合物。常见的杂原子有O、S、N，也可出现B、P、Si。二元酸酐、内酰胺、内酯虽具有环状结构和成环的杂原子，但它们在水中易水解开环。因此,不属于杂环化合物。OOOCH2

-CCH2

-C丁二酸酐OOCH2

-CCH2

-C-丁内酯NHOCH2

-CCH2

-C-丁酰胺天然化合物中有很大部分含有杂环结构，叶绿素、血红素、DNA、RNA、部分维生素、中草药中的有效成分(生物碱)、抗生素、植物色素等。第一节杂环化合物的分类和命名一、杂环化合物的分类由于组成杂环化合物的杂原子的种类、数目不同，环的大小及稠合的形式不同。因此其种类繁多数目可观，约占全部有机物的1/3,一般以环骨架为基础。1.杂环化合物分为五元杂环化合物和六元杂环化合物。2.杂环化合物分为单杂原子杂环化合物和多杂原子杂环化合物。3.杂环化合物分为单杂环化合物和稠杂环化合物。二、杂环化合物的命名一般有“译音名”和环母体加杂原子两种方式。碳环母体如下：环戊二烯茂苯茚Indene1,4-环己二烯芑萘芴Fluorene杂环的编号以杂原字为最小号，存在两个以上杂原子的以O、S、NH、N顺序进行。即不含双键的取1号位次。呋喃furan噻吩thiophene吡咯pyrrole氧(杂)茂氮(杂)茂硫(杂)茂异噁唑isoxazole异噻唑isothiazole噁唑oxazole噻唑thiazole吡唑pyrazole咪唑imidazole1,3-氧氮(杂)茂1,3-二氮(杂)茂1,3-硫氮(杂)茂1,2-硫氮(杂)茂1,2-二氮(杂)茂1,2-氧氮(杂)茂茚Indene苯并呋喃benzofuran氧茚嘌呤purine1,3,7,9-四氮茚吲哚indole氮茚5-甲基噻唑5-methylthiazole4-甲基咪唑4-methylimidazole2-呋喃甲醛α-呋喃甲醛糠醛3-吲哚乙酸β-吲哚乙酸腺嘌呤A鸟嘌呤G咖啡因1,3,7-三甲基-2,6-二氧嘌呤吡喃pyran氧芑吡啶pyridine氮苯哒嗪pyridazine1,2-二氮苯嘧啶pyrimidine1,3-二氮苯吡嗪pyrazine1,4-二氮苯喹啉quinoline氮萘吖啶acridine氮蒽异喹啉isoquinoline2-氮萘喋啶pteridine1,3,5,8-四氮萘13-吡啶甲酸β-吡啶甲酸4-甲基吡啶γ-甲基吡啶3-甲基-1-苯基-5-吡唑酮胞嘧啶C尿嘧啶U胸腺嘧啶T此外，还有一类带有杂原子的饱和环状化合物,例：NHON-HOOSOOOH-NN-HN-HOS氮丙啶;吖丙啶氮杂环丙烷环氧乙烷氧化乙烯吖丁啶氮杂环丁烷1,3-环氧丙烷氧杂环丁烷噁噻烷四氢呋喃二噁烷四氢噻吩哌嗪吗啉1.富电子体系典型的物质：呋喃、噻吩、吡咯。环原子为sp2杂化，平面结构杂原子提供一对p电子，参与大Π键的组成。符合4n+2的休克尔规则。因此，具有芳香性。环的电子密度大于苯环。尤其在杂原子的邻位。Π56三、杂环化合物的结构此外，根据环上各键的键长并不相等，说明杂环中的电子密度没有完全平均化芳香性弱于苯环。苯>吡咯>呋喃>噻吩。其电子密度的变化情况类似于苯胺。2.缺电子体系吡啶是典型的六元杂环化合物，环原子以sp2方式杂化。并且，每个原子的未参加杂化p轨道上均只有一个单电子，组成大Π键符合4n+2休克尔规则，六元杂环化合物同样具有芳香性电子密度变化情况如左图Π66NH‥δ-δ-1.101.050.640.84N‥δ-δ+δ+0.871.02芳香性具有闭合环结构，具有环多烯结构，具有共平面或近似平面结构，π电子数符合4n+2规则。符合休克尔规则，因此具有芳香性。易发生亲电取代反应。富电子体系亲电取代反应发生在-位为主；缺电子体系亲电取代反应发生在-位为主。芳香性强弱亲电反应强弱(反应活性)环稳定性大小＞＞＞＞＞＞相互转化佑尔业夫(Yupev)：利用Al2O3为催化剂，实现噻吩、吡咯、呋喃环之间的转化。第二节杂环化合物的性质一、五元杂环化合物的性质（一）亲电取代反应1.硝化反应硝乙酐2.磺化反应3.卤代反应4.傅克反应：主要是酰基化反应，烷基化反应得到混合物。（二）加成反应1.亲双烯加成反应

一般认为：呋喃较易发生亲双烯加成反应，吡咯也能和活性较大的亲双烯体发生反应，噻吩不易发生反应。2.催化加氢反应：呋喃、吡咯较易发生反应，噻吩能催化剂中毒，在特殊催化下发生反应。（三）五元杂环化合物的鉴别蒸气遇到盐酸浸渍过的松木片显绿色。蒸气遇到盐酸浸渍过的松木片显红色。浓硫酸存在下，与靛红一起加热，显示蓝色。糠醛（呋喃甲醛）无色液体，Tb=161.7℃，易被空气氧化，在水中的溶解度9%。可通过戊糖脱水制得。HO-CH-CH-OHH-CHC-HOHHOCHO稀H2SO4呋喃甲醛CHO康尼查罗反应（四）五元杂环化合物的重要衍生物鉴别：1.托伦斯试剂：生成银镜。2.斐林试剂：生成红色沉淀。3.醋酸存在下加入苯胺，显红色。CHO+2O2V2O5,-MoO3520℃CH-CCH-COOO+CO2+H2O浓卟吩环卟啉化合物在自然界分布极为广泛：叶绿素、血红素、维生素B12细胞色素等都含有基本结构—卟吩环。具有重要的生理作用。卟啉化合物血红素X=CH3;叶绿素a=CHO;叶绿素bMgHHCH3CH2CH2COORXOCOOCH3R=-C20H39=-CH2CH=C-(CH2)3-CH-(CH2)3-CH-(CH2)3-CH(CH3)2CH3CH3CH3青霉素青霉素F：

R=CH2CH=CHCH2CH3青霉素G：

R=CH2C6H5青霉素X：

R=CH2C6H4OH-p青霉素F：

R=CH2(CH2)5CH3青霉素V：

R=CH2OC6H5头孢霉素可口服青霉素的R为：二、六元杂环化合物的性质（一）吡啶环系的化学性质1.吡啶环系的碱性

pKb=8.1(强于苯胺)2.吡啶环系氮上发生的反应3.吡啶环系的亲电取代反应4.吡啶环系的亲核取代反应5.吡啶环系的氧化和还原哌啶烟酸异烟酸吡啶衍生物尼古丁雷米封：治疗结核病（二）喹啉和异喹啉的化学性质HOHONNOHOHNN具有弱碱性，嘧啶环本身不存在于自然界。但其衍生物广泛分布于动植物体内。是组成核酸的重要部分，嘧啶的羟基、氨基衍生物在核酸内称为——碱基。有三种形式：嘧啶pyrimidine1,3-二氮苯HNHHONNCH3CH3NH2OHNN胞嘧啶(C)尿嘧啶(U)水溶液呈中性，但可与碱或酸反应成盐。其羟基和氨基衍生物是组成核酸的碱基。嘌呤purine1,3,7,9-四氮茚CH3OHOHNNHOHONNCH3胸腺嘧啶(T)NHNNNNH2NHHNNNN腺嘌呤(A)H2NHNNNOHNOHHNNNOHNH2NOHHNHNNNN鸟嘌呤(G)HOHNNNOHN尿酸黄嘌呤第十一章杂环化合物习题1.用适当的方法将下列混合物的少量杂质除去。(1)甲苯中混有少量的吡咯加入适量的浓碱，吡咯荣誉无机相。(2)苯中混有少量的噻吩加入浓硫酸，生成噻吩-2-磺酸溶于无机相3.完成下列反应：NHNaNa+N-(1)+H2↑(2)SCH3COONO2NO2SS发烟H2SO4HgSO4,25℃SO3HS(3)-磺酸噻吩-硝基噻吩O2NNO2(4)+CH3ICCl4(5)+浓HNO3+浓H2SO4300℃,24hNH(6)(CH3CO)2O150~200℃NHC-CH3O-乙酰吡咯-硝基吡啶碘化-N-甲基吡啶(7)NHNO3ΔNO2NRHNO3ΔR(8)5.写出下列化合物的分子结构式：(1)-吲哚丁酸；(2)烟酸；(3)6-苄胺基嘌呤3-吲哚乙酸β-吲哚乙酸烟酸β-吡啶甲酸NHCH2NHNNN6-苄胺基嘌呤6.吡咯和呋喃为什么不能用混酸进行硝化？吡咯和呋喃是否比苯更具有芳香性？解：吡咯和呋喃对氧化剂极为敏感，易被氧化。因此，不可使用混酸。由此，可以得出结论，吡咯和呋喃的芳香性弱于苯。7.喹啉发生硝化反应时，硝基取代在苯环上还是取代在吡啶环上？为什么？解：由于N原子取代萘环上的C原子使得两个环的电子密度出现了较大的变化。N原子的sp2杂化轨道上填有一对孤电子对，且N原子的电负性大