有机化学第十七章杂环化合物课件

1第十七章

杂环化合物王鹏概述：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，统称为杂环化合物杂环化合物具有重要的作用，多数药物和功能性大分子均存在杂环，如血红素等本章讨论的是环为平面型，环的π电子符合4n+2规则，即具有芳香性的杂环化合物17.1杂环化合物的分类、命名和结构王鹏17.1杂环化合物的分类、命名和结构杂环化合物的分类：王鹏17.1杂环化合物的分类、命名和结构杂环化合物的编号：按照O、S、N的优先顺序将杂原子命名为1号，杂原子邻位的碳原子也可依次用α、β、γ…编号，若环上连有不同的取代基，其编号按次序规则和最低系列王鹏二、结构与芳香性杂环化合物为什么具有芳香性？以吡咯和呋喃为例：它们均同面，且满足4n+2规则五元杂环化合物具有芳香性的一个标志就是环上氢原子的核磁共振信号都出现在低场区，这主要是受离域电子环流的影响17.1杂环化合物的分类、命名和结构王鹏17.1杂环化合物的分类、命名和结构杂环氢的核磁共振：吡啶是六元杂环的典型代表，结构与苯环相似王鹏17.1杂环化合物的分类、命名和结构具有芳香性的杂环与苯环的异同点：五元杂环化合物：五元杂环化合物的芳香性比苯差。其芳香性次序是：王鹏17.1杂环化合物的分类、命名和结构五元、六元杂环化合物虽然都具有芳香性，但其环上的电子云的密度是不同的，其电子云密度由高到低的顺序是：芳香性体现的是电子云分布的平均性，电子云密度则体现了亲电反应的难易芳杂环电子云密度由杂原子的电负性和其共轭电子数共同决定王鹏17.2五元杂环化合物一、五元杂环化合物的化学性质亲电取代反应：类似于活化的苯环（苯胺），可以发生硝化、磺化、卤化及F-C反应等，反应需要温和条件以防止开环王鹏17.2五元杂环化合物二、常见的五元杂环1.呋喃和糠醛呋喃为无色液体，沸点32℃，难溶于水呋喃在较温和的条件下就可发生亲电取代反应，但其芳香性较弱，呋喃及其衍生物更容易进行Diles-Alder反应和一般的亲电加成反应。如：王鹏呋喃在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。呋喃甲醛又称糠醛，是呋喃的重要衍生物，糠醛的化学性质与苯甲醛类似，可发生Cannizzaro反应、与含α-H的醛或酮的交错缩合反应等，是良好的溶剂和重要的有机合成原料17.2五元杂环化合物王鹏17.2五元杂环化合物2.噻吩煤焦油和石油中硫成分的主要来源之一，无色液体亲电反应比苯容易进行，如室温下与浓硫酸作用即可磺化得到能溶于硫酸的噻吩磺酸，这是除去苯中噻吩的原理:噻吩硫原子参与共轭，因此不体现硫醚的性质，不易被氧化成砜或亚砜四氢噻吩则容易被氧化，属于环硫醚室温可溶于硫酸王鹏常见的吡咯衍生物：N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP），一种优良的溶剂：叶绿素：王鹏血红素：卟啉和酞菁吡咯稳定性较差，遇强酸极易发生开环、聚合等反应，使用中需加以注意卟啉王鹏17.2五元杂环化合物吡咯环不如苯环稳定，易被氧化，吡咯容易发生亲电取代反应，其反应活性与苯胺类似。如：三、含两个杂原子的五元杂环：唑唑的反应性较呋喃、噻吩、吡咯差，这是因为分子中多了一个类吡啶氮，使环的电子云密度降低。常见的两个杂原子的杂环：咪唑、吡唑、噁唑、噻唑王鹏王鹏17.2五元杂环化合物1.咪唑咪唑中两氮原子处于共振平衡中：2.噻唑含一个硫和一个氮原子的五元杂环，无色，有吡啶臭味的液体，是有弱碱性的稳定化合物。一些重要的天然产物几合成药物含有噻唑结构，如青霉素、维生素B1等。5-甲基咪唑4-甲基咪唑青霉素：维生素B1王鹏王鹏1）吡啶的碱性：利用它的碱性，可从混合物中分离吡啶类化合物，在化学反应中还可用作缚酸剂和碱性催化剂与三氧化硫生成三氧化硫-吡啶加合物，是缓和的磺化剂：17.3

六元杂环化合物王鹏17.3

六元杂环化合物2）吡啶环的亲电反应：主要在间位反应反应较苯困难产物间位取代王鹏4）吡啶的氧化和还原反应：氧化反应：吡啶环本身对氧化保持稳定，氧化发生在侧链上：与苯相似，相连的碳上没有氢时不能发生氧化17.3

六元杂环化合物王鹏17.3

六元杂环化合物吡啶环在双氧水氧化下生成N-氧化吡啶：还原反应：还原较苯容易，说明芳香性差吡啶和吡咯性质比较：pH亲电取代亲核取代氧化遇酸吡咯中性易（α）难易不稳定，易成树脂吡啶弱碱难（β）易（α）难稳定，强酸成盐王鹏17.3

六元杂环化合物二、嘧啶①

无色结晶，熔点22℃，易溶于水。②

碱性比吡啶弱得多。③

亲电取代反应比吡啶困难。④

亲核取代反应比吡啶容易。嘧啶性质相当于间二硝基苯，同时芳香性更差。嘧啶的衍生物有：王鹏17.3

六元杂环化合物三、其他含两个氮的六元杂环相对于吡啶，这些化合物的稳定性都较差，易于开环。哒嗪(pyridazine)吡嗪(pyrazine)17.4稠合杂环化合物一、吲哚五元苯并杂环：苯并呋喃苯并噻吩苯并吡咯（吲哚）吲哚是白色结晶，极稀溶液有香味，浓溶液有粪臭味，与吡咯性质相似王鹏王鹏17.4

稠合杂环化合物二、喹啉和异喹啉结构与物理性质：杂环部分：性质类似吡啶（碱性和亲核、亲电性，取代、氧化、还原和支链上的反应）碳环部分：性质类似萘（亲电取代及定位基作用）碱性强弱：喹啉＜吡啶＜异喹啉王鹏17.4稠合杂环化合物喹啉及其衍生物的合成斯克劳普(Skraup,Z.H.)反应：苯胺、甘油、硫酸和氧化剂（硝基苯或五氧化二砷）一起反应生成喹啉，氨基变为喹啉氮原子王鹏17.4稠合杂环化合物喹啉化学性质：亲电取代反应：主要发生在苯环上，与萘相似，α位为主，但高温时可重排得到β位产物王鹏17.4稠合杂环化合物亲核取代反应：主要在吡啶环上发生，喹啉的反应位置在2位和4位(2位为主)，异喹啉在1位例如：王鹏17.4稠合杂环化合物氧化与还原反应：不与绝大多数氧化剂反应，但与高锰酸钾反应：还原反应较苯容易：王鹏17.4稠合杂环化合物三、嘌呤咪唑与嘧啶稠合而成的重要化合物，存在相互转换：下列四种化合物是DNA相互结合的基础：9H-嘌呤7H-嘌呤17.4稠合杂环化合物咖啡碱、茶碱和可可碱均属黄嘌呤的衍生物，有兴奋中枢作用，其中以咖啡碱的作用最强王鹏咖啡碱茶碱可可碱17.5生物碱生物碱是一类存在于生物体内含氮的碱性有机化合物