Transcript 第十八章杂环化合物
曾昭琼《有机化学》第三版CAI教学配套课件 有机化学 主讲：谢启明 教授 第十八章 杂环化合物 §18~1 杂环化合物的分 类 和命名 §18~2 五元杂环化合物 §18~3 六元杂环化合物 §18~4 稠杂环化合物 §18~5 生 物 碱 引 言 杂环化合物是指组成环的原子中含有除碳以外的原 子(杂原子——常见的是N、O、S等)的环状化合物。 ·Ç·¼Ïã ÔÓ»· Èç ÔÓ»· »¯ºÏ Îï O , O O , NH ¡- ¡- ·¼ÔÓ»· £¨ ·û ºÏ Ðݿ˶û¹æÔòµÄÔÓ»· £©Èç N H , ¡- ¡- N 杂环化合物不包括极易开环的含杂原子的环状化 合物，例如： O , O O , O O O , NH O 引 言 杂环化合物占已知有机物的三分之一。杂 环化合物在自然界分布很广、功用很多。 例如，中草药的有效成分生物碱大多是杂 环化合物；动植物体内起重要生理作用的血红 素、叶绿素、核酸的碱基都是含氮杂环；部分 维生素，抗菌素；一些植物色素、植物染料、 合成染料都含有杂环。 引 言 引 言 引 言 第一节 杂环化合物的分类和命名 一、杂环化合物的分类 二、杂环化合物的命名 第一节 杂环化合物的分类和命名>一、分类 第一节 杂环化合物的分类和命名 >二、命名 杂环的命名常用音译法，是按外文名词音译成 带“口”字旁的同音汉字。 N H (pyrrole) O (furan) ßÁ¿© ߻ૠS (thiophene) àç ·Ô ßÁठN N (pyrimidine) (quinoline) N H (indole) à×ठà- ßø ßÅßá N N (pyridine) N N N N H (purine) àÑßÊ 第一节 杂环化合物的分类和命名 >二、命名 当环上有取代基时，取代基的位次从杂原子算起依次 用1,2,3,… (或α,β,γ…)编号。 如杂环上不止一个杂原子时，则从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。 第一节 杂环化合物的分类和命名 >二、命名 第二节 五元杂环化合物 一、呋喃、噻吩、吡咯杂环的结构 二、呋喃、噻吩、吡咯的性质 三、重要的五元杂环衍生物 四、呋喃，噻吩，吡咯的制备 五、噻唑和咪唑 六、吕吕族化合物 第二节 五元杂环化合物>一、呋喃、噻吩、吡咯杂环的结构 呋喃、噻吩、吡咯在结构上具有共同点： （1）成环的五个原子都为sp2杂化，成环的五 个原子处在同一平面。 （2）杂原子上的孤对电子参与共轭形成共轭体 系，其π电子数符合休克尔规则（π电子数 = 4n+2），所以，它们都具有芳香性。 芳香性大小： 第二节 五元杂环化合物 >一、呋喃、噻吩、吡咯杂环的结构 O O Ϊ ¦° 6 5 ¹² éî Ìå ϵ ¦Ðµç ×Ó= 6 S S ·û ºÏ 4n + 2 ¾ßÓз¼ÐÔ ¸» µç ×Ó·¼»· N H H N 第二节 五元杂环化合物 >一、呋喃、噻吩、吡咯杂环的结构 第二节 五元杂环化合物 >二、呋喃、噻吩、吡咯的性质 1、光谱性质 IR: νc-H = 3077~3003cm-1,νN-H = 3500~3200 cm-1 (在非极性溶剂的稀溶液中，在 3495 cm-1，有一尖峰。在浓溶液中则于3400 cm-1, 有一尖峰。在浓和淡的中间浓度时，两种谱带都 有),杂环C＝C伸缩振:1600~1300 cm-1 （有二至 四个谱带）。 第二节 五元杂环化合物 >二、呋喃、噻吩、吡咯的性质 NMR：与苯环类似，在核磁共振谱上，由于外磁场 的作用而诱导出一个绕环转的环电流，此环电流可产 生一个和外界磁场方向相反的感应磁场，在环外的质 子，处在感应磁场回来的磁力线上，和外界磁场方向 一致，在去屏蔽区域，故环上氢吸收峰移向低场。化 学位移一般在7ppm左右。 呋喃：α－H δ=7.42ppm β－H δ=6.37ppm 噻吩：α－H δ=7.30ppm β－H δ=7.10ppm 吡咯：α－H δ=6.68ppm β－H δ=6.22ppm 第二节 五元杂环化合物 >二、呋喃、噻吩、吡咯的性质 2．亲电取代反应 五元杂环有芳香性，易发生亲电取代反应，但其 芳香性不如苯环。五元杂环为Π56共轭体系，电荷密 度比苯大： 0 0 0 - 0.02 - 0.04 - 0.06 0 0 - 0.03 - 0.06 - 0.10 + 0.32 0 O + 0.1 S + 0.20 N H 第二节 五元杂环化合物 >二、呋喃、噻吩、吡咯的性质 因环上的π电子云密度比苯环大，且分布不 匀，它们在亲电取代反应中的速率也比要苯快得 多。亲电取代反应的活性为： 第二节 质 五元杂环化合物 >二、呋喃、噻吩、吡咯的性 第二节 五元杂环化合物 >二、呋喃、噻吩、吡咯的性质 第二节 五元杂环化合物 >二、呋喃、噻吩、吡咯的性质 + N H o + HCl 100 C SO3H NSO3 N H (90%) G(m) G ( O¡¢ P ) Z= O S NH Z Z 第二节 五元杂环化合物 >二、呋喃、噻吩、吡咯的性质 第二节 五元杂环化合物 >二、呋喃、噻吩、吡咯的性质 注意：吡咯、呋喃、噻吩的亲电取代反应，对试 剂及反应条件必须有所选择和控制。 卤代反应：不需要催化剂，要在较低温度和进行。 硝化反应：不能用混酸硝化，一般是用乙酰基硝 酸酯(CH3COONO2)作硝化试剂，在低温下进行。 磺化反应：呋喃、吡咯不能用浓硫酸磺化，要用 特殊的磺化试剂——吡啶三氧化硫的络合物，噻吩可 直接用浓硫酸磺化。 第二节 五元杂环化合物 >二、呋喃、噻吩、吡咯的性质 2．加氢反应 H2, Ni or Pd O O ËÄÇâ߻ૠ( THF ) H2, Ni or Pd ËÄÇâßÁ¿© N H H2, Ni S N H S ²» ÄÜÓÃPd ´ß »¯ Òòàç·ÔÄÜPd ʹ Öж¾ 第二节 五元杂环化合物 >二、呋喃、噻吩、吡咯的性质 3．呋喃、吡咯的特性反应 （1）呋喃易起D-A反应吡咯、噻吩要在特定 条件下才能发生D-A反应。 第二节 五元杂环化合物 >二、呋喃、噻吩、吡咯的性质 （2）吡咯的弱酸性和弱碱性 吡咯虽然是一个仲胺，但碱性很弱。 NH2 Kb 3.8 ¡Á10-10 N H N H 2.5 ¡Á10-14 2 ¡Á10-4 Ô-Òò£º N ÉϵÄδ ¹² Óõç ×Ó¶Ô ²Î ÓëÁË»· µÄ¹² éî Ìå ϵ£¬ ¼õÈõÁËÓëH µÄ½áºÏ Á¦ ¡£ 吡咯具有弱酸性，其酸性介与乙醇和苯酚之间。 第二节 五元杂环化合物 >二、呋喃、噻吩、吡咯的性质 故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。 第二节 五元杂环化合物 >二、呋喃、噻吩、吡咯的性质 吡咯钾盐和吡咯卤化镁都可用来合成吡咯衍生物。 第二节 五元杂环化合物 >三、糠醛（α- 呋喃甲醛） 1．制备 由农副产品如甘蔗杂渣、花生壳、高粱杆、棉 子壳……用稀酸加热蒸煮制取。 第二节 五元杂环化合物 >三、糠醛（α- 呋喃甲醛） 2．糠醛的性质 同有α-H 的醛的一般性质。 （1）氧化还原反应 CuO, Cr2O3 150 ¡æ, 10MPa O CHO O CH2OH KMnO4 Èõ¼îÐÔ O COOH V2O5 - MoO O2, 320 ¡æ, O O O + CO2 + H2O 第二节 五元杂环化合物 >三、糠醛（α- 呋喃甲醛） （2）歧化反应 O CHO Ũ¼î O COOH + O CH2OH （3）羟醛缩合反应 O CHO + CH3CHO Ï¡ ¼î O CH=CHCHO 第二节 五元杂环化合物 >三、糠醛（α- 呋喃甲醛） （4）安息香缩合反应 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。 第二节 五元杂环化合物 >四、呋喃，噻吩，吡咯的制备 帕尔—克诺尔合成法： 第二节 五元杂环化合物 >四、呋喃，噻吩，吡咯的制备 第二节 五元杂环化合物 >五、噻唑和咪唑 噻唑、吡唑都是具有两个杂原子的五元杂环。噻 唑可看作噻吩的3位上CH被N取代，而吡唑可看作吡咯 的2位上CH被N取代。由于噻唑、吡唑有噻吩、吡咯的 基本结构，都形成闭合的共轭体系，因此都具有不同 程度的芳香性。 此外，由于还插入一个-N=基，此氮原子上的未 共用电子对在sp2杂化轨道上，并不与环平面垂直， 因此它不参与芳香大∏共轭体系，可与质子结合而显 示不同程度的碱性。 第二节 五元杂环化合物 >五、噻唑和咪唑 第二节 五元杂环化合物 >五、噻唑和咪唑 第二节 五元杂环化合物 >五、噻唑和咪唑 1．噻唑 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。 NH3Cl N CH3 Cl ¶ÔÌÇÀàµÄг´ú лÓÐ CH2 N N S àç ßò»· CH3 ÏÔÖøµÄÓ°Ïì £¬ÈËÌå ȱ CH2CH2OH ·¦ ʱ¿ÉÒÔÒýÆð½ÅÆø²¡ 维生素B1（VB1） 第二节 五元杂环化合物 >五、噻唑和咪唑 第二节 五元杂环化合物 >五、噻唑和咪唑 碱性很弱（pKa=2.5）,但能与酸生成稳定的盐，和 卤烷作用形成噻唑翁盐。 氮的电负性较碳强，噻唑环上的电子云密度比噻吩 低，不易发生亲电取代反应。不起卤化反应，不与硝 酸作用，磺化反应必须在硫酸汞存在下才能发生。 第二节 五元杂环化合物 >五、噻唑和咪唑 2、咪唑 它的碱性较噻唑强，3位上的氮原子能与氢离子 结合，故与强酸生成稳定的盐。 第二节 五元杂环化合物 >五、噻唑和咪唑 它也有微弱的酸性，像吡咯一样 〉NH上的氢原 子可被碱金属原子置换而成盐。 N COOH N NH2 N H ×é°±Ëá N H ×é°· NH2 N N H ¶à¾úÁé NHCOOCH3 第二节 五元杂环化合物>六、吕吕族化合物 2 NH 1 3 ¦Á 4 N ¦Â ¦Ä N 8 7 HN ¦Ã 5 6 四个吡咯环的α碳原子通过四个次甲基（-CH=） 相连而成的共轭体系，称为卟吩（旧称吕吕核），其 取代物则称为卟啉。卟吩本身在自然界并不存在，但 卟啉环系却广泛存在，一般是和金属形成络合物。 第二节 五元杂环化合物>六、吕吕族化合物 第二节 五元杂环化合物>六、吕吕族化合物 1964年，Woodward用55步合 成叶绿素。1965年接着合成 VB12 。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。Woodward 20岁 获博士学位，30岁当教授， 48岁时（1965年）获诺贝尔 化学奖。 第三节 六元杂环化合物 一、吡啶 二、嘧啶及其衍生物 第三节 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。 N N N O ßÁठà×ठßÁà« 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。 第三节 六元杂环化合物 >一、吡啶 1、来源和制法 吡啶环广泛存在于生物碱中，在煤焦油和岩 页油中也能分离得到吡啶和许多简单的烷基吡啶： 第三节 六元杂环化合物 >一、吡啶 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。 第三节 六元杂环化合物 >一、吡啶 最重要的吡啶同系物的合成方法是韩奇合成法： 第三节 六元杂环化合物 >一、吡啶 2、吡啶的结构 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。 第三节 六元杂环化合物 >一、吡啶 第三节 六元杂环化合物 >一、吡啶 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。 第三节 六元杂环化合物 >一、吡啶 3、吡啶的性质 （1）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。 CH3NH2 pKb 3.38 NH2 NH3 4.76 N 8.80 9.42 第三节 六元杂环化合物 >一、吡啶 + HCl N HCl N N + SO3 NH3 CH2Cl2 ´Ë·´ Ó¦³£ ÓÃÓÚ N ÔÚ·´ Ó¦ÖÐÎü ÊÕ Éú³ÉµÄÆø̬ Ëá N SO3 (90%) ÊÒΠßÁà¤ÈýÑõ»¯ÁòÂçºÏ Îï Êdz£ ÓõĻº ºÍ »Ç»¯¼Á R 300 ¡æ RI N N RI N I R + N I R OH OH N R N ÖÆ È¡ Íé »ùßÁवÄÒ»ÖÖ·½·¨ 第三节 六元杂环化合物 >一、吡啶 （2）亲电取代反应 吡啶环上氮原子为吸电子基，故吡啶环属 于缺电子的芳杂环，和硝基苯相似。 其亲电取代反应很不活泼，反应条件要求 很高，不起傅-克烷基化和酰基化反应。 亲电取代 反应主要在β-位上。 第三节 六元杂环化合物 >一、吡啶 第三节 六元杂环化合物 >一、吡啶 （3）氧化还原反应 氧化反应 ：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。 第三节 六元杂环化合物 >一、吡啶 第三节 六元杂环化合物 >一、吡啶 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。氧化吡啶在有机合成中用于合 成4-取代吡啶化合物 。 第三节 六元杂环化合物 >一、吡啶 还原反应 ：吡啶比苯易还原，用钠加乙醇、催 化加氢均使吡啶还原为六氢吡啶。 第三节 六元杂环化合物 >一、吡啶 （4）亲核取代 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。 NaNH2 N ¶þ¼×±½°· ÖлØÁ÷ H2O N NHNa N NH2 第三节 六元杂环化合物 >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。 第四节 稠杂环化合物 一、吲 哚 二、喹 啉 三、嘌 呤 第四节 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。 5 6 3 7 2 8 N 6 4 4 1 à- ßø ( Quioline ) 5 3 1N 6 2 2 N1 7 H ßÅßá ( indole ) 5 N7 8 N N9 3 H àÑßÊ ( Purine ) 4 第四节 稠杂环化合物>一、吲哚 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。 第四节 N H 稠杂环化合物>一、吲哚 CH2 CH COOH NH2 CH3 ·Ö½â N H CH2COOH N H É«°±Ëá ¹¹ ³Éµ° °×ÖʵÄÖØÒª³É·Ö ¦Â ¼×»ùßÅßᣨ ·à ³ô ËØ£© ºÜÏ¡ ʱÓÐÜÔÀòÏã ζ ¦Â ßÅßáÒÒËá Ö²Îï ¼¤ËØ£¬ÉÙÁ¿Äܵ÷½ÚÖ²Îï Éú³¤ £¬Á¿´ó ÔòɱÉËÖ²Îï ¡£ ÈçÔÚ²à Á´¶àÒ»¸ö CH2 ¾ÍʧȥÉúÀíЧÄÜ¡£ 第四节 稠杂环化合物>一、吲哚 第四节 稠杂环化合物>一、吲哚 第四节 稠杂环化合物>一、吲哚 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。 第四节 稠杂环化合物>一、吲哚 Br2, O O 0 ¡æ C6H5COONO 2 N H CH3CN, 0 ¡æ N . SO 3 Br N H N H NO 2 3 Ïõ »ùßÅßá 35% SO3H N H 3 äå ßÅßá 70% ¦Â ßÅßá»ÇËá 第四节 稠杂环化合物>二、喹啉 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238.05℃， 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。 第四节 稠杂环化合物>二、喹啉 1．喹啉的性质 （1）取代反应 0.98 0.77 0.96 0.93 0.95 0.79 N 1.00 1.63 喹啉是有吡啶稠合而成的，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 第四节 稠杂环化合物>二、喹啉 （2）氧化还原反应 喹啉分子中吡啶环比苯环难氧化，易还原。 COOH KMnO 4 100 ¡æ N N COOH CH3CH2OH, Na N H 第四节 稠杂环化合物>二、喹啉 2．喹啉环的合成法——斯克劳普法 NH2 + CH2-CH-CH2 H2SO4 OH OH OH Ïõ »ù±½ N 84~91% 第四节 稠杂环化合物>二、喹啉 3．喹啉的衍生物 N HO CH CH CH2 CH3O N Ê÷ƤÖУ¬Óп¹ ű¼²ÁÆ Ð§ ¿üÄþ£¨ ½ð¼¦ÄÆ ¼î£©´æÔÚÓÚ½ð¼¦ÄÆ C2H5 HO CH (CH2)3-N C2H5 NH Cl CH3O N CH3O CH2 N ÂÈà- £¨ ºÏ ³É¿¹ ű¼²Ò©£© ó¿ËÚ¼î OCH3 OCH3 第四节 1 稠杂环化合物>二、喹啉 CH3 N2 º¬ Ò»¸ö ±»»¹ Ô-Á˵ÄÒìà- ßø»· £¬ÊÇ´Ó Ñ»Æ¬ÖÐÌá È¡³ö À´µÄ¡£ Âð·ÈµÄÑÎËáÑÎÊǺÜÇ¿µÄÕòÍ´ Ò©£¬ÄÜ 3 8 4 HO O 5 6 7 OH ³ÖÐø6Сʱ£¬Ò²ÄÜÕò¿È£¬µ«Ò×ÉÏñ«¡£ ½«ôÇ»ùÉϵÄÇâ»»³ÉÒÒõ£»ù£¬¼´Îª º£ ÂåÒò£¬²» ´æÔÚÓÚ×ÔÈ»½ç¡£ º£ ÂåÒò±ÈÂð ·È¸ü Ò×ÉÏñ«£¬¿ÉÓÃÀ´½â³ý Íí ÆÚ°©Ö¢»¼Õß Âð·È µÄÍ´ ¿à ¡£ 第四节 稠杂环化合物>三、嘌呤 嘌呤为无色晶体，m.p216~217℃，易溶于水， 其水溶液呈中性，但能与酸或碱成盐。 纯嘌呤环在自然界不存在，嘌呤的衍生物广泛 存在于动植物体内。 N N N N H (¢ñ) 9H àÑßÊ N NH N N ( ¢ò) 7H àÑßÊ 第四节 稠杂环化合物>三、嘌呤 1．尿酸 存在于鸟类及爬虫类的排泄物中，含量很多， 人尿中也含少量。 第四节 稠杂环化合物>三、嘌呤 2．黄嘌呤 存在于茶叶及动植物组织和人尿中。 OH O HN O N N H N H N HO N N N H 第四节 稠杂环化合物>三、嘌呤 3．咖啡碱、茶碱和可可碱 三者都是黄嘌呤的甲基衍生物，存在于茶叶、咖 啡和可可中，它们有兴奋中枢作用，其中以咖啡碱的 作用最强。 O O CH3 N O N CH3 N N CH3 咖啡碱 O CH3 N O 茶碱 N NH N N CH3 可可碱 HN N O N CH3 N CH3 N 第四节 稠杂环化合物>三、嘌呤 4．腺嘌呤和鸟嘌呤 是核蛋白中的两种重要碱基。 NH2 O N N N N H 腺嘌呤（A） HN H2N N N N H 鸟嘌呤（G） 第五节 生物碱 一、生物碱的一般性质 二．生物碱的提取方法 第五节 生物碱 生物碱是一类存在于生物体内，对任何动物有强烈 生理作用的含氮碱性有机化合物， 尼古丁 古柯碱 第五节 D-(-)-麻黄碱 生物碱 L-(+)-伪麻黄碱 第五节 小蘗碱又名黄连素 生物碱 第五节 生 物 碱 >一、生物碱的一般性质 1、游离生物碱物理性质 一般是无色固体结晶，有色的很少（黄连素 黄色），液体也很少（烟碱为液体），有苦味。 分子中含有手征碳原子，具有旋光作用，如天 然烟碱（尼古丁）是左旋的。能溶于氯仿，乙 醇，醚等有机溶剂，多半不溶或难溶于水。能 与无机酸或有机酸结合成盐。这种盐一般易溶 于水。 第五节 生 物 碱 >一、 生物碱的一般性质 2、化学性质 （1）生物碱的沉淀反应 生物碱的中性或酸性水溶液与一些试剂（如 10%苦味酸）能发生沉淀。 （2）生物碱的颜色反应 生物碱与一些浓酸能呈现出各种颜色，其颜 色随各种生物碱而各有特征。 第五节 生 物 碱 >二．生物碱的提取方法 1、有机溶剂提取法(略) 2、稀酸提取法(略)