第十五章 芳杂环化合物

第十五章芳杂环化合物第1页，共50页，2023年，2月20日，星期三2DC.sjtu杂环化合物(HeterocyclicCompouds)

“杂环”就是组成环的原子除C外，还含有其它元素的原子，这些非碳原子统称为杂原子。原则上二价以上的元素都可以成为杂原子，但最常见的是O、S和N。前面学过的内酯、内酰胺、环氧化合物、环状酸酐等:因其性质与相应的脂肪族化合物较相似，因此并入脂肪族化合物中讨论，而不列为杂环化合物。N-H第2页，共50页，2023年，2月20日，星期三3DC.sjtu本章讨论的杂环化合物主要指环系较稳定，包括杂原子在内的环是平面型，环内有4n+2个π电子处于环闭共轭体系中，统称为芳(香)杂环化合物。吡啶 呋喃噻吩 吡咯其它不具芳香性的杂环化合物，统称为非芳香杂环化合物或杂脂环化合物。哌啶 四氢呋喃S第3页，共50页，2023年，2月20日，星期三4DC.sjtu一、分类杂稠杂环：六元杂环：五元杂环：OSN苯稠杂环：第一节分类和命名单杂环稠杂环杂环第4页，共50页，2023年，2月20日，星期三5DC.sjtu4 35124 35124 3512OSSN

呋喃

噻吩

吡咯 噻唑

furan thiophene pirrole thiazoleON

咪唑 吡唑 噁唑Imidazole pyrozole oxazole4 35124 3(b)512(a)

4 3512

3 4215五元杂环二、命名命名原则：译音＋“口”旁第5页，共50页，2023年，2月20日，星期三

61 5

72

4983

5 46 37 281

45 36 1 27

5 46 37 281

5 36 21

5 36 21

5 36 215 36 21

吡啶

嘧啶 哒嗪 吡喃pyridine pyrimidine pyridazine pyran稠杂环喹啉 异喹啉 吲哚 嘌呤

quinoline isoquinoline indolepurine六元杂环第6页，共50页，2023年，2月20日，星期三7DC.sjtu呋喃 吡啶 吡咯

NCH3OCHO呋喃-2-甲醛α-呋喃甲醛3-溴吡啶β-溴吡啶1-甲基吡咯4 3(b)512(a)4 3(b)512(a)5 3(b)612(a)4(g)BrO1.单杂环的编号从杂原子开始。杂环的编号规则：第7页，共50页，2023年，2月20日，星期三8DC.sjtu

4 35124 35124 3512SNON2.有多个杂原子时，按O、S、N-R、NH、N顺序编号.CH3

5 36 21

4 35122-巯基-5-氯咪唑1-甲基吡唑C2H52-乙基嘧啶ClSH噻唑噁唑第8页，共50页，2023年，2月20日，星期三

3.有特定名称的稠杂环母环的编号，大都按照稠芳环规则编号，但个别的另有编号顺序（如嘌呤）。

5 46 37 281

5 46 37 281OH喹啉 异喹啉

5 46 37 281萘

45 36 1 27茚吲哚

61 5

72

4983NH2嘌呤

45 36 1 27CO2HBr8-羟基-3-羧酸6-溴6-氨基第9页，共50页，2023年，2月20日，星期三10DC.sjtu第二节五元杂环化合物一、呋喃、噻吩、吡咯呋喃 噻吩 吡咯 OS1.结构所有成环原子都以sp2杂化轨道重叠形成σ键；碳原子未参加杂化的p轨道有1个电子，杂原子则有2个p电子，p轨道互相平行重叠形成6电子环状共轭大π键。与苯环的6原子共6π电子比，呋喃、噻吩、吡咯为5原子共用6个π电子，故环上π电子密度比苯环大，属于“富π芳杂环”。第10页，共50页，2023年，2月20日，星期三11DC.sjtu呋喃环中的杂原子O(噻吩中为S)的1个sp2杂化轨道上有一对未共用电子对。sp2S环状离域的大π键,5个原子共用6个电子,为富π电子体系。第11页，共50页，2023年，2月20日，星期三12DC.sjtu吡咯环N

的1个sp2杂化轨道上有1个电子与H的1s电子配对形成N—Hσ

键。第12页，共50页，2023年，2月20日，星期三13DC.sjtu芳香性(环的稳定性)：苯>噻吩>吡咯>呋喃

杂环中的π电子云分布不象苯环那样均匀，环的稳定性因而不如苯。O的电负性(3.5)较大，故呋喃环π电子共轭程度较弱，芳香性最小。S的电负性(2.5)在三者中为最小，且S为第三周期元素，原子半径较大，原子核对共轭π电子的吸引力较小，故噻吩环π电子共轭程度较大，芳香性在三者中是最大的。N的电负性(3.0)在O、S之间，故吡咯的芳香性介于呋喃与噻吩之间。第13页，共50页，2023年，2月20日，星期三14DC.sjtu

2.化学性质

为富电子芳杂环，亲电取代比苯容易。吡咯的活泼度与苯胺或苯酚相当，噻吩是三者中活性最差的，然而噻吩的亲电取代反应活性仍比苯大得多。如在室温及乙酸溶液中，噻吩与Br2发生取代反应的速度为苯的109倍。亲电取代活性：呋喃、吡咯>噻吩>苯这些杂环进行亲电取代反应时，须用缓和的试剂在温和的条件下进行。

亲电取代反应主要在2-位发生；若2、5两个位置已有基团存在，则亲电取代在β位发生。

-0.06-0.10+0.32第14页，共50页，2023年，2月20日，星期三15DC.sjtuO呋喃溴代：Br2二噁烷(稀释)/0℃OBr(80%)氯代：Cl2-40℃OClClClO产率变迁不定硝化：CH3CO2NO2(硝基乙酰酯)-5~-30℃ONO2(35%)2-硝基呋喃磺化：吡啶.SO3ClCH2CH2Cl/室温OSO3H(41%)呋喃-2-磺酸(1)亲电取代第15页，共50页，2023年，2月20日，星期三16DC.sjtu氯代：Cl250℃SClClClS30% 14%+13%加成产物磺化:95%H2SO425℃(69%~76%)SSO3H噻吩-2-磺酸(78%)溴代：Br2乙酸/室温BrSNO2硝化：CH3CO2NO2乙酸酐/-10℃SNO2S70% 5%S噻吩第16页，共50页，2023年，2月20日，星期三溴代:Br2(或I2)乙醇(稀释)/0℃Br

BrBr

Br产物均为四卤吡咯(90%)吡咯-2-磺酸磺化：吡啶.SO3100℃SO3H51% 13%吡咯硝化:CH3CO2NO2乙酸酐/5℃NO2NO2第17页，共50页，2023年，2月20日，星期三18DC.sjtu(2)加成:O

呋喃H2/Ni125℃,100atmO四氢呋喃S噻吩H2/Pd-C,CH3OH,H2SO4,3atmS四氢噻吩吡咯H2/Ni高温高压四氢吡咯第18页，共50页，2023年，2月20日，星期三19DC.sjtu(3)吡咯的弱碱性和弱酸性吡咯N上孤对电子因环的共轭，故碱性极弱，比苯胺(kb=3.6×10-10)还弱得多。另一方面，吡咯N上的H却有微弱的酸性(ka=10-15),比醇强，而比酚弱。NH2碱性：>> >Kb:2×10-4 3.6×10-10 2.5×10-14酸性:OH> >R—OHKa:1.3×10-10 ~10-15 ~10-18第19页，共50页，2023年，2月20日，星期三20DC.sjtu－K++KOH(s)+H2O吡咯能与固体KOH加热生成盐：Question1：吡咯加氢变成四氢吡咯 后，碱性为什么大大加强？催化加氢Kb：2.5×10-14

2×10-4第20页，共50页，2023年，2月20日，星期三

二、咪唑、吡唑咪唑 吡唑表示处于sp2轨道上的电子对.表示处于p轨道上的电子对，它参与环状大p键的形成.处于N的sp2杂化轨道上的孤电子对可作为质子受体，能形成氢键，可增加化合物的碱性及水溶性。第21页，共50页，2023年，2月20日，星期三22DC.sjtu杂环的互变异构现象

4 3512

5 14324位和5位等同

4 3512

5 1432CH3CH34-甲基咪唑等于5-甲基咪唑第22页，共50页，2023年，2月20日，星期三23DC.sjtu重要的衍生物安替匹林:R=－H氨基比林:R=－N(CH3)2安乃近:R=－N(CH3)CH2SO3Na吡唑酮这些都是常见的解热镇痛药物第23页，共50页，2023年，2月20日，星期三24DC.sjtu吡咯衍生物卟吩血红素吡咯衍生物在自然界中分布很广，植物中的叶绿素和动物中的血红素都是吡咯衍生物。它们具有重要的生理活性。血红素的基本骨架成为卟吩，它是有四个吡咯环通过α－位相连而成的大环。卟吩中的配位原子与Fe2+形成配合物，血红素与蛋白结合形成血红蛋白，存在人和动物的血红细胞中，它的功能是运输氧气。第24页，共50页，2023年，2月20日，星期三25DC.sjtu第三节六元杂环化合物

六元杂环化合物包括环中有1个杂原子的六元杂环(如吡啶等)；环中有多个杂原子的六元杂环(如嘧啶等)；以及稠杂环(如喹啉、嘌呤等)。吡啶存在于煤焦油、骨焦油中，其衍生物广泛存在于自然界。工业上主要从煤焦油的轻油部分提取吡啶。吡啶是具有特殊臭味的无色液体，bp115.5℃，可与水、乙醇、乙醚等混溶。一、吡啶(C5H5N)第25页，共50页，2023年，2月20日，星期三26DC.sjtu结构似苯，也是平面六边形分子(但不是正六边形)。分子中C—C键长139pm(与苯的相等)，C—N键长137pm，介于一般的C—N单键(147pm)与C=N双键(128pm)之间。139pm137pm139pm1.吡啶的结构Pyridine Benzene第26页，共50页，2023年，2月20日，星期三环中的N和C都以sp2杂化轨道相互以σ

键相连。每个原子余下的p轨道相互平行重叠，形成环闭共轭体系，π电子数为6，具有芳香性.HHHHH

N原子的处于sp2杂化轨道上的一对未共用电子，与环共平面，未参与环的共轭体系.第27页，共50页，2023年，2月20日，星期三

p电子云向电负性较大的N原子转移，使N带部分负电荷，C带部分正电荷，p电子云出现的几率密度如下：1.000.841.431.010.87吡啶环中C上p电子云比苯低(间位与苯近似)，这类芳杂环亦称为“缺p芳杂环”。表现在性质上，亲电取代变难，亲核取代变易，氧化变难，还原变易；另外N能给出其未共用电子对，具有一定程度的碱性，可成盐。第28页，共50页，2023年，2月20日，星期三29DC.sjtu

+HCl——> Cl-H碱性比较：脂肪胺>> >≈苯胺Kb：~10-5 2.3×10-93.6×10-10

(1)碱性：吡啶环N原子的一对孤电子对处于sp2杂化轨道上，而一般脂肪胺N上的孤电子对处于sp3杂化轨道。前者s成分较大，受N的束缚力较强，与H+

的结合力较弱。2.吡啶的化学性质第29页，共50页，2023年，2月20日，星期三比苯难得多。与硝基苯相似,吡啶不发生付-克反应。

亲电取代主要发生在β-位上。卤代：Br2300℃Br3-溴吡啶(33%)浓HNO3+浓H2SO4300℃，1dNO2(20%)浓或发烟H2SO4HgSO4，220℃SO3H吡啶-3-磺酸(71%)(2)亲电取代第30页，共50页，2023年，2月20日，星期三31DC.sjtu吡啶环对氧化作用较苯环稳定，而对还原剂比苯活泼。CH3HNO3或KMnO4，DCO2Hb-吡啶甲酸(烟酸)KMnO4，DCO2H

(3)氧化与还原第31页，共50页，2023年，2月20日，星期三32DC.sjtuNa+C2H5OHH六氢吡啶(哌啶)(95%)H2/Pt,乙酸H第32页，共50页，2023年，2月20日，星期三33DC.sjtu二、嘧啶(pyrimidineC4H4N2)及其取代衍生物嘧啶为无色结晶，mp22℃，bp123~124℃，能与水混溶.543612环闭大p键由于两个N的强吸电子作用，使嘧啶的碱性比吡啶弱得多，也比吡啶难于发生亲电取代反应，而亲核取代反应则比吡啶容易；嘧啶难以被氧化。第33页，共50页，2023年，2月20日，星期三NH2HOHNH2O胞嘧啶HOOHOHHO尿嘧啶HOHHOCH3OOHCH3胸腺嘧啶第34页，共50页，2023年，2月20日，星期三35DC.sjtu三、稠杂环吲哚嘌呤1258喹啉第35页，共50页，2023年，2月20日，星期三36DC.sjtu1、喹啉和异喹啉

喹啉（bp：2380C）异喹啉（bp：2430C）(1)亲电取代：在苯环（α位）（2）亲核取代：在吡啶环上第36页，共50页，2023年，2月20日，星期三37DC.sjtu（3）氧化还原：第37页，共50页，2023年，2月20日，星期三2、嘌呤可看成是由一个嘧啶环和一个咪唑环共用2个碳原子稠合而成。易溶于酸，其水溶液呈中性，但却能与强酸或强碱生成盐。嘌呤在水溶液中可发生酮式-烯醇式互变异构。在晶态时以7H-嘌呤存在。

1

7 939H-嘌呤

1

7

397H-嘌呤

61 5

724 839第38页，共50页，2023年，2月20日，星期三39DC.sjtu嘌呤的取代衍生物:6-氨基嘌呤(腺嘌呤)2-氨基-6-羟基嘌呤(鸟嘌呤)2,6-二羟基嘌呤(黄嘌呤)NH2OHNH2OHHO第39页，共50页，2023年，2月20日，星期三40大自然并非都是绿色的天然杀虫剂

许多人认为，所有合成的东西都是可疑和“坏”的，而所有的天然的化学物质都是无害的。这是一个错误的观念！！

每人每天以蔬菜的形式消费1.5g天然杀虫剂——超过他们摄入的合成杀虫剂残留的10000倍。那为什么我们没有被这些毒药消灭呢？我们所接触每一种含量都非常低；人类已经进化到面对这一化学炮弹的攻击足够保卫自己。我们的DNA有许多修复损伤的方法；我们闻出或尝出令人厌恶的物质的能力提供了预警信号。任何东西不要过量，要保持膳食的多样性。第40页，共50页，2023年，2月20日，星期三咖啡酸（致癌）烯丙基异硫氰酸酯（致癌）苧烯（致癌）补骨脂素（致癌）天然植物杀虫剂植物性食品（μg/g）苹果、胡萝卜、芹菜、葡萄、生菜、土豆（50～200）：卷心菜（35～500）；花菜（12～66）；棕色芥菜（16000～72000）；辣根（4500）橙汁（31）；黑胡椒（8000）荷兰芹，芹菜鼠尾草、百里香和其他草药（＞1000）：咖啡（焙烤咖啡豆）（18000）：第41页，共50页，2023年，2月20日，星期三42DC.sjtu

生物碱是生物体内一类具有一定生理活性的含氮有机化合物。多数属于仲胺、叔胺和季铵类，少数为伯胺，常含氮杂环结构，且多具有碱性。由于生物碱主要存在于植物中，所以也常叫植物碱。一种植物中可以含有多种生物碱，同一科植物所含生物碱的结构往往是相似的。一、生物碱的概念第四节生物碱

(Alkaloid)第42页，共50页，2023年，2月20日，星期三43DC.sjtu1：烟碱，尼古丁(nicotine)CH3存在于烟叶中，有剧毒。少量对中枢神经有兴奋作用，大量则抑制中枢神经，出现恶心、呕吐,使心脏麻痹以至死亡。1978年美国报告，1支烟含烟碱0.05~2.5mg.含吡啶环及四氢吡咯环二、几种常见的生物碱例2：可卡因(cocain)存在于大麻、鸦片中，为中枢神经兴奋剂，可致欣快症。为成瘾毒物。仲胺HN

CO2CH3HHO-C-C6H5

O第43页，共50页，2023年，2月20日，星期三例3：吗啡(morphine)、可待因(codein)和海洛因(heroin)R=R1=H morphineR=CH3,R1=HcodeinR=R1=—CO-CH3

heroinNCH3R

OR1O

吗啡

味苦，对中枢神经有麻痹作用，有极快的镇痛效力，但易成瘾。临床上一般使用吗啡的盐酸盐及其制剂。

可待因与吗啡有相同的生理作用，临床一般使用其磷酸盐，主要作为镇咳剂。其镇痛作用较小，强度为吗啡的1/4，亦不象吗啡那样易成瘾。

海洛因即二乙酰吗啡，不存在于自然界，其成瘾性为吗啡的3~5倍，它从不作为药用，是对人类危害最大的毒品之一。叔胺第44页，共50页，2023年，2月20日，星期三例4：苯丙胺类药物

CH3H———NH-CH3H———OH C6H5麻黄素为中药麻黄中的主要有效成分。具有类似肾上腺素作用。有兴奋交感神经、增高血压、扩张气管的作用，用于支气管哮喘症，疗效持久.—CH2-CH-CH3NH2—CH2-CH-CH3NH-CH3苯异丙胺(1-苯基-2-丙胺)N-甲基苯异丙胺(去氧麻黄素)于1887年首次人工合成的兴奋剂，其作用类似于麻黄素.

为无色透明晶体，俗称冰毒，对人体的损害甚于海洛因.第45页，共50页，2023年，2月20日，星期三46DC.sjtu例5酰胺类喜树碱，抗癌、治疗肠癌，胃癌、白血病。秋水仙碱，抗肿瘤药，抗痛风药第46页，共50页，2023年，2月20日，星期三47DC.sjtu

2.生物碱的沉淀反应：生物碱可与生物碱试剂（如苦味酸、碘化汞钾等）发生沉淀反应。1.一般性状：多为无色或白色固体，少数