第十三章杂环化合物

第十三章杂环化合物学习要求：1．掌握各类常见杂环化合物的结构和命名。2．掌握呋喃、噻吩、吡咯、吡啶、吲哚、喹啉的化学性质。3．认识核酸组成中的重要碱基——嘧啶、嘌呤；了解叶绿素、血红素等卟啉环化合物；了解生物碱的有关知识。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。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：本章我们只讨论芳香族杂环化合物。杂环化合物是一大类有机物，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。§13.1杂环化合物的分类和命名13.1.1分类（略）NHO,,,OOOOOO杂环化合物非芳香杂环芳杂环（符合休克尔规则的杂环）如如OONHNNHO,…………,,13.1.2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。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。例见P552§13.2五元杂环化合物含一个杂原子的典型五元杂环化合物是呋喃、噻吩和吡咯。含两个杂原子的有噻唑、咪唑和吡唑。本节重点讨论呋喃、噻吩和吡咯，简单介绍一下噻唑、咪唑和吡唑。13.2.1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，即构成环的五个原子都为sp2杂化，故成环的五个原子处在同一平面，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。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13.2.2呋喃、噻吩、吡咯的性质（一）存在与物理性质P554（二）光谱性质P554（三）化学性质1．亲电取代反应从结构上分析，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：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。亲电取代反应的活性为：吡咯呋喃噻吩苯，主要进入α-位。五元杂环吡咯、呋喃、噻吩的反应实例见P555~556说明：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。OSNHSONHΠ56π为共轭体系电子=6符合4n+2具有芳性富电子芳环OSNH000000+0.1-0.03-0.02+0.20-0.06-0.04+0.32-0.10-0.06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。2．加氢反应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。（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。ONHSH2,NiorPdH2,NiorPdH2,NiONHS四氢呋喃四氢吡咯(THF)不能用催化因噻吩能使中毒PdPdOOOO+30℃OOOOOOOO+内式外式(90%)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。NH吡咯具有弱酸性，（其酸性介与乙醇和苯酚之间。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。吡咯钾盐和吡咯卤化镁都可用来合成吡咯衍生物。13.2.3重要的五元杂环衍生物（一）糠醛（α-呋喃甲醛）1．制备NHOHKa=×1.310-10110-18110-15××CH3CH2OHNH+KOHNK+H2O固体热NH+RMgXN+H2OMgX干乙醚NHKOHNK（固体）热RCOClRINCORNRNHCORNHRNHRMgXNMgX干乙醚RCOClRINCORNRNHCORNHR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。2．糠醛的性质同有α-H的醛的一般性质。（1）氧化还原反应（2）歧化反应（3）羟醛缩合反应（4）安息香缩合反应(C5H8O4)n3~5%H2SO4HOCHCHOHCH2OHCHCHOOHH2SO4稀CHO多聚戊糖戊糖呋喃甲醛水蒸气OCHOOCH=CHCHO+稀碱CH3CHOOCHOKMnO4弱碱性CuO,Cr2O315010MPa℃,V2O5-MoO320℃,O2,OCH2OHOCOOHOOO+CO2+H2OOCHOOCH2OHOCOOH+浓碱OCHOOCH醇溶液KOHCOOHO3．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。（二）吡咯的重要衍生物最重要的吡咯衍生物是含有四个吡咯环和四个次甲基(-CH=)交替相连组成的大环(）化合物。其取代物称为卟啉族化合物。卟啉族化合物广泛分布与自然界。血红素，叶绿素都是含环的卟啉族化合物。在血红素中环络合的是Fe，叶绿素环络合的是Mg。血红素的功能是运载输送氧气（P564）叶绿素是植物光合作用的能源。1964年，Woodward用55步合成了叶绿素。1965年接着合成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。13.2.4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。一些重要的天然产物几合成药物含有αβδ12345678γNHNHNN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，已知的青霉素大一百多种，它们的结构很相似，均具有稠合在一起的四氢噻唑环和β-内酰胺环。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。维生素B1（VB1）§13.3六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。SNCHCONHCROHOOCCH3CH3R=CH2CH2OCHCHCH2SCH3R=R=GVO常用青霉素为青霉素为青霉素为青霉素NNCH2NSCH3CH2CH2OHNH3ClCH3Cl噻唑环对糖类的新陈代谢有显著的影响，人体缺乏时可以引起脚气病NNNO吡啶嘧啶吡喃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。13.3.1吡啶(一)来源、制法和应用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，也可从乙炔制备（P565）。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。（二）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。NNNH上的孤电子对在轨道上，参与环内共轭，为富电子芳环。上的孤电子对在轨道上，在环外未参与环内共轭。成环原子共平面体系C_sp2N_sp2Π66NPsp2NγNαβ1.430.841.010.87电荷分布亲电取代亲核取代Nββαγγα，位位（三）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。吡啶易与酸和活泼的卤代物成盐。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。CH3NH2NH3NNH2pKb3.384.768.809.42N+HClNHClNNH3N+SO3CH2Cl2NSO3(90%)此反应常用于在反应中吸收生成的气态酸室温吡啶三氧化硫络合物是常用的缓和磺化剂NNNRIRI300℃INI+RROHNNRROH制取烷基吡啶的一种方法3．氧化还原反应（1）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。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。NNClNBrNNO2NSO3H℃Cl2,AlCl3Br2,H2SO4HgSO4100300℃浮石催化气相浓220℃混酸300℃催化，氯吡啶溴吡啶硝基吡啶吡啶磺酸3333NNNN吡啶甲酸（烟酸）CH3KMnO4/HHNO3COOHCOOHαβ吡啶甲酸NNCH3C-OOHOONHNO3ONONO2H2SO490℃PCl3NNO2+POCl3（2）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（即胡椒啶）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。例如：13.3.2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§13.4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。NNaNH2NH2ONHNaNNH2二甲苯胺中回流NNNNNNNNOHHOOHHOHOCH3NH2尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶(U)(T)(C)13.4.1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。NNHNNNHN234567891112233445566778喹啉吲哚嘌呤(Quioline)(indole)(Purine)NHCH2CHCOOHNH2NHCH3β色氨酸构成蛋白质的重要成分甲基吲哚（粪臭素）很稀时有茉莉香味分解NHCH2CH2NH2HO5羟基色氨动物激素，参与神经思维的物质。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。CH2NHCH2CH2NHAcCH3O脑白金Melatonine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。见P563。13.4.2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。1．喹啉的性质（1）取代反应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位。而亲核取代则主要发生在吡啶环的2或4位.N℃NNNNNNO2NO2BrBrNSO3HNHNaNNH2++H2O浓HNO3H2SO4浓浓+H2SO4浓+Br2Ag2SO4H2SO4,220KNH2.二甲苯100℃℃0NHβ吲哚磺酸Br2,OO0℃C6H5COONO2CH3CN,0℃N.SO3溴吲哚硝基吲哚33NHNHNHBrNO2SO3H70%35%N1.630.790.930.771.000.950.960.98（2）氧化还原反应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