杂环化合物与生物碱

本章讲解：1、杂环化合物的分类与命名——掌握2、杂环化合物的结构——理解3、杂环化合物的化学性质——理解4、生物碱——了解14.1杂环化合物的分类与命名“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。但不包括极易开环的含杂原子的环状化合物：內酐、内酯、内酰胺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-HCCOOO14.1杂环化合物的分类与命名本章讨论的杂环化合物主要环内有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。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。S吡啶呋喃噻吩吡咯哌啶四氢呋喃常见的杂环化合物如下：√√√√常见的杂环化合物如下：√√14.1杂环化合物的分类与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。NHOSNNN(pyrrole)(furan)(thiophene)(pyridine)(pyrimidine)NNNNHNNH(quinoline)(indole)(purine)吡咯呋喃噻吩吡啶嘧啶喹啉吲哚嘌呤ONSNNNNHN123451234512345123456咪唑噻唑噁唑嘧啶编号从杂原子开始。遇两相同杂原子,则由带取代基(或H)的杂原子开始。含多个不同杂原子,则按O、S、N-R、NH、N顺序编号。14.2杂环化合物的结构一、呋喃、噻吩、吡咯呋喃、噻吩、吡咯分子中所有的原子共平面，具有与苯环类似的结构。吡咯()：sp2杂化轨道psp2轨道p轨道s轨道Np轨道HN:2s2p23N-H14.2杂环化合物的结构环状离域的大π键,5个原子共用6个电子,为富π电子体系。14.2杂环化合物的结构呋喃()：OO:2s2p24杂化轨道p轨道p轨道s轨道p轨道sp2sp2O杂化轨道sp2噻吩()具有与呋喃相似的结构。S14.2杂环化合物的结构呋喃环中的杂原子O(噻吩中为S)的1个sp2杂化轨道上有一对未共用电子对。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。sp2S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1），则五元杂环化合物的有效电荷分布为（以吡咯为例）：五元杂环有芳香性，但其芳香性不如苯环，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。OSNH000000+0.1-0.03-0.02+0.20-0.06-0.04+0.32-0.10-0.06111111NH0.681.101.06富电子芳杂环二、吡啶的结构吡啶中氮原子采取不等性sp2杂化：结果是：Nsp2psp2pN由于吡啶环中有6中心6电子的大π键，符合休克尔4n+2规则，所以吡啶环亦有芳香性。但由于键长未完全平均化，其芳香性不及苯。14.2杂环化合物的结构HHHHH②由于吡啶环中氮原子上的一对孤对电子与苯环共平面（填入sp2轨道中），不参与环状共轭体系，所以这一对孤对电子很容易给出去从而表现出碱性。111111γNαβ1.430.841.010.87电荷分布亲电取代亲核取代Nββαγγα，位位1.580.850.950.82π电子云向电负性较大的N原子转移，使吡啶环上的电荷分布也是不均匀的。π电子云出现的几率密度如下：吡啶环中C上π电子云比苯低，这类芳杂环亦称为“缺电子芳杂环”。在性质上，亲电取代、氧化变难，亲核取代、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。14.3杂环化合物的化学性质1、呋喃、噻吩、吡咯的反应芳香性(环的稳定性)：苯噻吩吡咯呋喃杂环中的p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p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p电子的吸引力较小，故噻吩环p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。五元杂环化合物——呋喃、噻吩、吡咯的反应为富电子芳杂环，亲电取代比苯容易。亲电取代活性：呋喃、吡咯噻吩苯注意：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（遇强酸及氧化剂很容易使环破坏）。亲电取代反应主要在α-位发生；若α-位两个位置已有基团存在，则亲电取代在β位发生。(1)亲电取代O+卤代Br2OBr+HBr。1,4-二氧六环25C，75%SBr2乙酸/室温SBrNHBr2乙醇（稀释）/℃NHBrBrBrBr（四溴吡咯）（2-溴噻吩）卤代硝化O+CH3COONO2ONO2CH3COONO2+SNO2S醋酸硝酰一种弱的硝化试剂，或噻吩开环聚合！不用强酸，否则呋喃乙酰基硝酸酯(CH3COONO2)，一种弱的硝化试剂，常在低温下进行硝化HH！不能用强酸NC5H5NSO3NSO3HOSO3HC5H5NSO3O磺化吡啶三氧化硫，一种温和的磺化剂SSSO3H室温H2SO4浓（苯在室温下不能磺化！）2－吡咯磺酸磺化(2)加成:O+H2ONH2+NPdPdHHTHF,重要溶剂吡咯烷，R2NH的性质（（））SH2,MoS2200C,20MPa。S四氢噻吩KMnO4SOO环丁砜，重要溶剂含硫，可使催化剂中毒!+OOOOOCCOOO23411432呋喃环具有共轭双烯的性质！(3)傅-克酰基化反应:(4)吡咯的弱碱性和弱酸性吡咯虽然是一个仲胺，但碱性很弱。吡咯具有弱酸性，其酸性介与乙醇和苯酚之间。NHNHNH2Kb×3.810-10210-42.510-14××原因：上的未共用电子对参与了环的共轭体系，减弱了与的结合力。NHNHOHKa=×1.310-10110-18110-15××CH3CH2OHN原子上的H原子离解为H+的倾向增大－K++KOH(s)+H2O吡咯能与固体KOH加热生成盐：Question：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：2.5×10-142×10-42、六元杂环化合物——吡啶的反应碱性比较：脂肪胺≈苯胺Kb：~10-52.3×10-93.6×10-10（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。Question：吡啶、吡咯、苯胺、哌啶四种化合物碱性强弱顺序？NNHNH2NH碱性：+N+HClNCl-+H吡啶盐酸盐）（NNCH3+CH3II-吡啶季铵盐）（NN+SO3SO3+-（吡啶三氧化硫，温和磺化剂）?比苯难得多，吡啶不发生傅-克反应。亲电取代主要发生在β-位上。(2)亲电取代N+Br2以上C。300NBrNN+H2SO4C。350SO3HNNC。NO2+混酸30024hb-吡啶磺酸b-溴代吡啶b-硝基吡啶（产率很低）6％，约例：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Na+C2H5OHH六氢吡啶(哌啶)(95%)H2/Pt,乙酸H3、稠杂环吲哚12345671258喹啉3467苯并吡咯苯并吡啶NHCH2COOHβ吲哚乙酸植物激素，少量能调节植物生长，量大则杀伤植物。如在侧链多一个就失去生理效能。CH2应用：NCH3OCHHONCHCH2奎宁（金鸡钠碱）存在于金鸡钠树皮中，有抗疟疾疗效嘌呤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。17939H-嘌呤17397H-嘌呤615724839——有特定的编号6-氨基嘌呤NNNHNH2N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)NH2OHNH2OHHONH2OHNH2OHHONH2OHNH2OHHO嘌呤是生物体内的一种重要碱基其在人体内的分解代谢产物就是尿酸。痛风百科名片痛风（英语：gout，学名：metabolicarthritis）又称“高尿酸血症”，是人体内有一种叫作嘌呤的物质的新陈代谢发生了紊乱，尿酸（嘌呤的氧化代谢产物）的合成增加或排出减少，造成高尿酸血症，当血尿酸浓度过高时，尿酸即以钠盐的形式沉积在关节、软组织、软骨和肾脏中，引起组织的异物炎性反应，就叫痛风。14.4生物碱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。1：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HNCO2CH3HHO-C-C6H5O例3：吗啡(morphine)、可待因(codein)和海洛因(heroin)R=R1=HmorphineR=CH3,R1=HcodeinR=R1=—CO-CH3heroinNCH3ROR1O叔胺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。生物碱的一般性质:1.一般性状：多为无色或白色固体，少数为液体，味苦。大都有旋光性，且多为左旋。游离生物碱一般难溶于水易溶于有机溶剂，亦能溶于稀酸生成盐，生物碱的盐类则易溶于水难溶于有机溶剂。生物碱生物碱盐H+OH-常用的生物碱沉淀试剂(反应通常在酸性介质中进行)Dragendorff碘化铋钾BiI3·KIB·BiI3·HI多为红棕色Hager试剂苦味酸2,4,6-三硝基苯酚BH+-O-Ph(NO2)3晶型SonnenSchein磷钼酸H3PO4·12MoO33B·H3PO4·12MoO3H2O白-黄褐加氨水变兰Mayer试剂碘化汞钾HgI2·2KIB·HgI2·2KI白色(过量则溶)名称试剂组成沉淀组成现象