chapter 杂环化合物资料

chapter杂环化合物资料第1页/共60页第十六章杂环化合物Chapter16HeterocyclicCompound各类常见杂环化合物的结构和命名呋喃、吡咯、噻吩和吡啶的结构与芳香性。呋喃、噻吩、吡咯、吡啶、吲哚、喹啉等的化学性质核酸组成中的重要碱基——嘧啶、嘌呤叶绿素、血红素等卟啉环化合物生物碱第2页/共60页16―1杂环化合物的分类和命名

一、杂环化合物-----成环原子除碳以外，还有其它如O、N、S、P等杂原子的环状化合物。本章重点介绍那些环为平面型，环内π电子数符合4n+2规则，具有一定芳香性的芳杂环化合物。16-1-1杂环化合物第3页/共60页二、芳香性的杂环化合物的分类第4页/共60页16-1-2杂环化合物的命名:音译法和系统命名法1.音译法：在同音汉字左边+“口”字第5页/共60页2.杂环及环上取代基的编号：

(1)母体杂环的编号：杂原子的编号为“1”。

杂原子邻位的碳原子也可依次用α、β、γ…编号。如杂环上不止一个杂原子时，则从O、S、N(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。

第6页/共60页吡啶3-吡啶甲酸胞嘧啶（烟酸）第7页/共60页16-2结构与芳香性一、杂环化合物的芳香性第8页/共60页五元杂环化合物具有芳香性的另一个标志:环上氢受离域电子环流的影响，其核磁共振信号都出现在低场区。-H由于受杂原子吸电子诱导效应的影响，其化学位移（值）较大，在低场。第9页/共60页二、具有芳香性的杂环与苯环的异同点1.五元杂环化合物噻吩共振式第10页/共60页(2)五元杂环化合物是富电子体系，而苯环为等电子体系，其环电子云密度比苯高，亲电取代反应比苯容易，尤其易发生在α-位。杂原子的存在相当于在环上引入了―NH2、―OH、―SH等活化基团而使环活化，故进行亲电取代反应的活泼顺序是：(1)苯分子中的键长完全平均化，而五元杂环化合物分子中的键长只是有一定程度的平均化。因此，五元杂环化合物的芳香性比苯差。其芳香性次序是：离域能：150.6121.387.866.9(kJ/mol)诱导效应(电负性):O(3.5)>N(3.0)>S(2.6)(吸电子）共轭效应(供电子）：N>O>S

(3p与2p共轭较差）第11页/共60页

2.六元杂环化合物

吡啶环的键长发生了较大程度的平均化，C―C键与苯相似，但C―N键变化很大，因此，其芳香性比苯略差。吡啶和苯属等电子体系，但因氮原子电负性较大，使环上的电子云密度降低，故其亲电取代反应性能比苯差，而且亲电取代反应发生在电子云密度较高的β-位,这一特性很类似于硝基苯。

第12页/共60页16―3五元杂环化合物的物理性质b.p.131oCb.p.84oCb.p.32oC偶极矩1HNMR第13页/共60页16―4五元杂环化合物的化学性质1.五元杂环为Π56共轭体系，电荷密度比苯大，如以苯环上碳原子的电荷密度为标准（作为0），则五元杂环化合物的有效电荷分布为：

亲电取代反应的活性为：吡咯>呋喃>噻吩>苯，主要进入-位

一、亲电取代反应第14页/共60页亲电取代反应的活性为：吡咯>呋喃>噻吩>苯，主要进入-位

吡啶三氧化硫配合物第15页/共60页使用较为温和的试剂或反应条件。五元杂环化合物亲电取代反应发生在α-位共振论解释：进攻2–位所形成的共振杂化体比进攻3–位所形成的共振杂化体稳定。2.五元杂环化合物进行亲电取代反应的特点：第16页/共60页3.五元杂环化合物亲电取代反应的定位规律

以噻吩为例：

(1)α-位上有取代基(2)β-位上有取代基值得注意的是：吡咯和呋喃也遵循上述规律，但当α-位上有m–定位基(如：–CHO、–COOH)时，新引入基团进入的位置与反应试剂有关。第17页/共60页二、加氢反应三、呋喃、吡咯的特性反应呋喃易进行

D-A反应第18页/共60页2.吡咯的弱酸性和弱碱性(1)弱碱性:吡咯虽然是一个仲胺，但碱性很弱。

N上的未共用电子对参与了环的共轭体系，减弱了与H+

的结合力。(2)弱酸性:其酸性介于乙醇和苯酚之间。吡咯能与固体氢氧化钾加热成为钾盐，与格式试剂作用放出RH而生成吡咯卤化镁。第19页/共60页第20页/共60页16-5重要的五元杂环衍生物（一）呋喃

呋喃为无色液体，难溶于水而易溶于有机溶剂，b.p为32℃。尽管呋喃在较温和的条件下就可发生亲电取代反应，但因其芳香性较弱，呋喃及其衍生物容易进行Diels-Alder反应和一般的亲电加成反应。如：呋喃在Ni催化下，易于加氢生成四氢呋喃——良好的溶剂和重要的有机合成原料。第21页/共60页1．制备2．糠醛的性质（二）糠醛（α-呋喃甲醛）由农副产品如甘蔗渣、花生壳、高粱杆、棉子壳等,稀酸加热蒸煮制取。（1）氧化还原反应第22页/共60页（2）歧化反应（3）羟醛缩合和Pekin反应（4）安息香缩合反应第23页/共60页3．糠醛的用途糠醛是良好的溶剂，常用作精练石油的溶剂，以溶解含硫物质及环烷烃等。可用于精制松香，脱出色素，溶解硝酸纤维素等。糠醛广泛用于油漆及树脂工业。(5)颜色反应第24页/共60页最重要的吡咯衍生物是由四个吡咯环和四个次甲基(-CH=)交替相连组成的大环(卟吩)化合物。其取代物称为卟啉族化合物。1964年，R.B.Woodward（1917—1979）

用55步合成了叶绿素。1965年接着开始合成VB12，用11年时间完成了全合成。Woodward一生人工合成了20多种结构复杂的有机化合物，是当之无愧的有机合成大师。(Woodward20岁获博士学位，30岁当教授，48岁时(1965年)获诺贝尔化学奖)（三）吡咯的重要衍生物卟啉族化合物广泛分布与自然界:

血红素，叶绿素都是含卟吩环的卟啉族化合物。在血红素中,与卟吩环配位的是Fe,血红素的功能是运载输送氧气叶绿素与卟吩环配位的是Mg,叶绿素是植物光合作用的能源。卟吩环(Porphine)第25页/共60页伍德沃德1917年4月10日生于美国马萨路塞州波士顿。从小喜读书，善思考，学习成绩优异。1933年夏，16岁的伍德沃德就以优异成绩，进入麻省理工学院。在全班学生中，他年龄最小，素有“神童”之称，学校为了培养他，为他一人单独安排了许多课程。他聪颖过人，只用3年时间完成本科全部课程，并以出色的成绩获得了学士学位。然后直接攻取博士学位，只用1年时间，学完博士学位课程，并通过论文答辩获博士学位。随后，伍德沃德在哈佛大学执教，1950年被聘为教授。他教学极为严谨，且有极强吸引力，特别重视化学演示实验，着重训练学生实验技巧，他培养的学生，许多人成了化学界的知名人士。伍德沃德在化学上的出色成就，使他名扬全球。1963年，瑞士人集资，办了一所化学研究所，此研究所以伍德沃德的名字命名，并聘请他担任了第一任所长。伍德沃德是上世纪在有机合成化学实验和理论上取得划时代成果的罕见有机化学家，他以极其精湛而巧妙的技术，合成了胆固醇、皮质酮、马钱子碱、利血平、叶绿素等多种复杂有机物。据不完全统计，他合成的各种极难合成的复杂有机化合物达24种以上，所以他被称为“现代有机合成之父”。

伍德沃德探明了金霉素、土霉素、河豚素等复杂有机物的结构与功能，探索了核酸与蛋自质的合成问题、发现了以他的名字命名的伍德沃德有机反应和伍德沃德有机试剂。他在有机化学合成、结构分析、理论说明等多个领域都有独到见解和杰出贡献，他还独立地提出二茂铁的夹心结构，这一结构与英国化学家威尔金森（G.Wilkinscn）、菲舍尔（E.O.Fischer）的研究结果完全一致。

在有机合成过程中，伍德沃德以惊人的毅力夜以继日地工作。例如在合成番木鳖碱、喹宁碱等复杂物质时，需要长时间的守护和观察、记录，那时，伍德沃德每天只睡4个小时，其他时间均在实验室工作。

伍德沃德谦虚和善，不计名利，善于与人合作，一旦出了成果，发表论文时，总喜欢把合作者的名字署在前边，他自己有时干脆不署名，对他的这一高尚品质，学术界和他共过事的人都众口称赞。伍德沃德对化学教育尽心竭力，他一生共培养研究生、进修生500多人，他的学生已布满世界各地。伍德沃德在总结他的工作时说：“之所以能取得一些成绩，是因为有幸和世界上众多能干又热心的化学家合作。”

1979年6月8日，Woodward与世长辞，终年62岁。他逝世以后，人们经常以各种方式悼念这位有机化学巨星。第26页/共60页维生素B12第27页/共60页1965年，伍德沃德荣获诺贝尔化学奖。获奖后，他组织了14个国家的110位化学家，协同攻关，探索维生素B12的人工合成问题。在他以前，这种极为重要的药物，只能从动物的内脏中经人工提炼，所以价格极为昂贵，且供不应求。

维生素B12结构极为复杂，伍德沃德经研究发现，它有181个原子，在空间呈魔毡状分布，性质极为脆弱，受强酸、强碱、高温的作用都会分解，这给人工合成造成极大困难。伍德沃德设计了一个拼接式合成方案，即先合成维生素B12的各个局部，然后再把它们对接起。这种方法后来成为合成所有有机大分子普遍采用的方法。

合成维生素B12过程中，不仅存在一个创立新的合成技术的问题，还遇到一个传统化学理论不能解释的有机理论问题。为此，和他的学生兼助手霍夫曼一起，提出了分子轨道对称守恒原理，这一理论用对称性简单直观地解释了许多有机化学过程，如电环合反应过程、环加成反应过程、σ键迁移过程等。该原理指出，反应物分子外层轨道对称一致时，反应就易进行，这叫“对称性允许”反应物分子外层轨道对称性不一致时，反应就不易进行，这叫“对称性禁阻”。分子轨道理论的创立，使霍夫曼和福井谦一共同获得了1981年诺贝尔化学奖。因为当时，伍德沃德已去世2年，而诺贝尔奖又不授予已辞世的科学家，所以学术界认为，如果伍德沃德健在，他必是获奖人之一，那样，他将成为少数两次获得诺贝尔奖金的科学家之一。

伍德沃德合成维生素B12时，共做了近千个复杂的有机合成实验，历时11年，终于在他谢世前几年实现了，完成了复杂的维生素B12的合成工作。参加维生素凡之合成的化学家，除了霍夫曼以外，还有瑞士著名化学家埃申莫塞（A.Escheni11oser）等。第28页/共60页血红素胆红素IXa生物素,维生素H第29页/共60页

噻唑是含一个硫原子和一个氮原子的五元杂环，无色，有吡啶臭味的液体，沸点117℃，与水互溶，有弱碱性。是稳定的化合物。一些重要天然产物及合成药物含有噻唑结构，如青霉素、维生素B1等。青霉素是一类抗菌素的总称，已知的青霉素一百多种，它们的结构很相似。青霉素具有强酸性(pKa≈2.7),在游离状态下不稳定(青霉素O例外)，故常将它们变成钠盐、钾盐或有机碱盐用于临床。(四)、噻唑和咪唑1．噻唑由四氢噻唑环和β-内酰胺环稠合而成第30页/共60页维生素B1（VB1）第31页/共60页16-6六元杂环化合物

六元杂环化合物中最重要的有吡啶、嘧啶和吡喃等。吡啶是重要的有机碱试剂，嘧啶是组成核糖核酸的重要生物碱母体。

吡啶存在于煤焦油页岩油和骨焦油中，吡啶衍生物广泛存在于自然界，例如，植物所含的生物碱不少都具有吡啶环结构，维生素PP、维生素B6、辅酶Ⅰ及辅酶Ⅱ也含有吡啶环。吡啶是重要的有机合成原料（如合成药物）、良好的有机溶剂和有机合成催化剂。吡啶的工业制法可由糠醇与氨共热（500℃）制得。吡啶为有特殊臭味的无色液体，沸点115.5℃，相对密度0.982，可与水、乙醇、乙醚等任意混和。一、吡啶

1.来源、制法和应用第32页/共60页2.吡啶的结构由于吡啶环的N上在环外有一孤对电子，故吡啶环上的电荷分布不均。吡啶和苯虽然都属等电子体系，但因氮原子的电负性较大，从而使环上的电子云密度降低，故其亲电取代反应性能不但比苯差，且亲电取代反应发生在电子云密度较高的β-位。这一特性很类似于硝基苯。第33页/共60页3.吡啶的性质碱性与成盐:吡啶的环外有一对未作用的孤对电子，具有碱性，易接受亲电试剂而成盐。吡啶的碱性:小于氨大于苯胺。第34页/共60页吡啶三氧化硫配合物---常用的缓和磺化剂吡啶易与酸和活泼的卤代物成盐第35页/共60页吡啶环上氮原子为吸电子基，是缺电子芳杂环，和硝基苯相似。亲电取代反应不活泼，反应条件要求高，不起傅-克反应。亲电取代反应主要在β-位(2)亲电取代反应第36页/共60页亲电取代共振论解释第37页/共60页吡啶环对氧化剂稳定，一般不被酸性高锰酸钾、酸性重铬酸钾氧化，通常是侧链烃基被氧化成羧酸。(3)氧化还原反应氧化反应第38页/共60页吡啶易还原，用钠加乙醇、催化加氢均使吡啶还原为六氢吡啶(哌啶)。还原反应氧化吡啶在有机合成中用于合成4-取代吡啶化合物。吡啶易被过氧化物（过氧乙酸、过氧化氢等）氧化生成氧化吡啶。第39页/共60页由于吡啶环上的电荷密度降低，且分布不均，故可发生亲核取代反应。例如：(4)亲核取代第40页/共60页常见的六元杂环化合物甲基吡啶甲基吡啶的侧链甲基的活泼性与硝基甲苯中的甲基相似，具有一定的酸性。因此，在强碱的催化下可进行缩合反应，且主要发生在α-位和γ-位。如：第41页/共60页α-位、γ-位的侧链氢酸性强第42页/共60页β-甲基吡啶第43页/共60页二、嘧啶及其衍生物嘧啶本身不存在于自然界，其衍生物在自然界分布很广.脲嘧啶、胞嘧啶、胸腺嘧啶是遗传物质核酸的重要组成部分微生素B1也含有嘧啶环。合成药物的磺胺嘧啶也含这种结构。uracilthyminecytosine第44页/共60页16-7稠杂环化合物

稠杂环化合物是指苯环与杂环稠合或杂环与杂环稠合在一起的化合物。常见的有喹啉、吲哚和嘌呤。

第45页/共60页吲哚是白色结晶，熔点52.5℃。极稀溶液有香味，可用作香料;浓的吲哚溶液有粪臭味。素馨花、柑桔花中含有吲哚。吲哚环的衍生物广泛存在于动植物体内，与人类的生命、生活有密切的关系。

一、吲哚第46页/共60页

第47页/共60页吲哚的性质与吡咯相似，也可发生亲电取代反应，取代基进入β-位

第48页/共60页

喹啉存在于煤焦油中，为无色油状液体，放置时逐渐变成黄色，沸点238.1℃，有恶臭味，难溶于水。能与大多数有机溶剂混溶，是一种高沸点溶剂。

喹啉是由吡啶稠合而成的，由于吡啶环的电子云密度低于与之并联的苯环，所以喹啉的亲电取代反应发生在电子云密度较大的苯环上，取代基主要进入5或8位。而亲核取代则主要发生在吡啶环的2或4位。二、喹啉1．喹啉的结构第49页/共60页2．喹啉的性质（1）取代反应a.亲电取代第50页/共60页b.亲核取代喹啉用高锰酸钾氧化时，苯环发生破裂，用钠和乙醇还原是其吡啶环被还原，这说明在喹啉分子中吡啶环比苯环难氧化，易还原。(2)氧化还原反应第51页/共60页喹啉的合成方法有多种，常用的是斯克劳普法。是用苯胺与甘油、浓硫酸及一种氧化剂如硝基苯共热而生成。

2．喹啉环的合成法——斯克劳普（Skraup）法：反应历程:第52页/共60页喹啉的衍生物在自然界存在很多，如奎宁、氯喹、罂粟碱、吗啡等。3．喹啉的衍生物第53页/共60页

吗啡含一个被还原了的异喹啉环，