大学有机化学杂环化合物和维生素.

第十四章杂环化合物与维生素第一节芳香杂环化合物*第二节维生素一分类和命名二芳香六元杂环三芳香五元杂环四稠杂环化合物一维生素概述二脂溶性维生素三水溶性维生素“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成为杂原子,但最常见的是O、S和N。前面学过的环氧化合物、环状酸酐、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-HON-HN-HOO第十四章杂环化合物和维生素第十四章杂环化合物和维生素上页下页首页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p电子处于环状共轭体系中，统称为芳(香)杂环化合物。呋喃噻唑嘧啶嘌呤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脂杂环化合物。OSNNNNNNNHOOONH脂杂环第十四章杂环化合物和维生素上页下页首页一、分类和命名六元杂环:五元杂环:第一节芳香杂环化合物第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（一、分类和命名）OSNNHNNNNNNNNHNN单杂环稠杂环杂环单杂环稠杂环杂环上页下页首页命名原则：译音＋“口”旁第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（一、分类和命名）OOSSSNSNONOONFuranThiophenePyrroleThiazoleImidazolePyrazoleOxazole呋喃噻吩吡咯噻唑咪唑吡唑噁唑上页下页首页PyridinePyrimidinePyridazine吡啶嘧啶哒嗪QuinolineIsoquinoline喹啉异喹啉IndolePurine吲哚嘌呤第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（一、分类和命名）上页下页首页1.单杂环的编号从杂原子开始。杂环的编号规则：第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（一、分类和命名）呋喃吡啶吡咯43(b)512(a)43(b)512(a)53(b)612(a)4(g)OONCH2CH3OCH3NHNO22-甲基呋喃3-硝基吡咯4-乙基吡啶(a-甲基呋喃)(b-硝基吡咯)(g-乙基吡啶)上页下页首页2.有多个杂原子时,按O、S、N(N-R;N-H;N)顺序编号第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（一、分类和命名）NHNH3CNSCH3NNCH31234512345123456NN12345CH34-甲基咪唑5-甲基噻唑4-甲基嘧啶1-甲基吡唑3.稠杂环的编号一般和稠环芳烃相同,但少数有例外N12345678NNNHN1234567N1234567891089喹啉吖啶嘌呤上页下页首页芳香六元杂环包括环中有1个杂原子的六元杂环(如吡啶)和环中有多个杂原子的六元杂环(如嘧啶)。吡啶是具有特殊臭味的无色液体。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。（一）吡啶(C5H5N)的结构二、芳香六元杂环第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（二、六元杂环）上页下页首页N的p轨道含1个电子,组成环闭共轭体系孤电子对占据sp2杂化轨道5C1N共面,均为sp2杂化;都有一个垂直于分子平面的p轨道,侧面交叠形成环闭大π键。吡啶的结构模型第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（二、六元杂环）上页下页首页π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,π电子云出现的几率密度如下：吡啶环中C上p电子密度比苯低，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sp2杂化N上的孤电子对具有一定程度的碱性，可成盐。亲电试剂进攻位点1.000.841.431.010.87139pm亲核试剂进攻位点？第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（二、六元杂环）上页下页首页(二)吡啶的性质1.水溶性解释下列吡啶类化合物的水溶性现象？水溶度：∞1:11:1微溶答:吡啶能与水形成氢键。羟基或氨基取代的吡啶因分子间氢键的形成而降低了水溶度。NNOHNNH2NOHOH第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（二、六元杂环）上页下页首页2.碱性碱性比较：脂肪胺≈苯胺pKb：3~4.58.89.3N+HClNHCl+第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（二、六元杂环）上页下页首页3.亲电取代与亲核取代反应由于氮原子的电负性大,吡啶环上碳原子的电子云密度较苯低，尤其与质子或Lewis酸结合使N带正电荷后，环上C的电子云密度更低。吡啶的亲电取代反应要比苯难得多，与硝基苯相似，亲电取代反应主要进入b位。NKNO3+H2SO4Fe,300oCNNO2b-硝基吡啶300oCNBrBr2b-溴吡啶NH2SO4,SO3230oC,24hNSO3Hb-吡啶磺酸N第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（二、六元杂环）上页下页首页亲核取代比苯容易，主要发生在α位上。N＋NaNH2100℃NNHNaH2ONNH2当α或γ位上有易离去基时，较弱的亲核试剂就能发生亲核取代反应。N+2NH3ClN+H2OBrN100-200oCNH2NOHNaOH回流第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（二、六元杂环）上页下页首页4.氧化与还原吡啶环对氧化剂较苯环稳定,而对还原剂比苯活泼。NKMnO4CH3b-吡啶甲酸(烟酸)NKMnO4NNa+C2H5OHorH2/PtNHNCOOHNCO2H六氢吡啶(哌啶)六氢吡啶(pKb=2.8),碱性较吡啶强106倍。为什么？第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（二、六元杂环）上页下页首页（三）嘧啶(C4H4N2)及其衍生物543612嘧啶(Pyrimidine)由于两个N的强吸电子作用,使嘧啶的碱性(pKb11.3)比吡啶(pKb8.8)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。第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（二、六元杂环）上页下页首页嘧啶的衍生物分布范围广，如维生素、生物碱、核酸、蛋白质及许多药物都含有嘧啶结构。胞嘧啶(cytosine)NNHNH2OHNNHOOHNNHOOCH3HNNHOOF胸腺嘧啶(thymine)尿嘧啶(uracil)这些嘧啶衍生物存在酮式和烯醇式互变异构:NHHNOONNOHHO(酮式)(烯醇式)5-氟尿嘧啶(抗肿瘤药)第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（二、六元杂环）上页下页首页三、芳香五元杂环(一)呋喃、噻吩、吡咯的结构4C1O共面；6电子环状共轭大π键,与苯环比较,呋喃、噻吩、吡咯为5原子共用6个π电子,故环上π电子云密度比苯环大,属于“富π芳杂环”。第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（三、五元杂环）上页下页首页这些化合物键长的平均化程度远不如苯(苯环上的碳碳键均为139pm)，环的稳定性不如苯。在化学性质上,既有与苯相似之处,又有一些差别。NH143pm137pm138pmHHO144pm137pm135pmHHS145pm135pm172pmHH6.626.157.257.406.307.197.04共轭能：117(Kj·mol-1)8867(苯环150)第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（三、五元杂环）上页下页首页芳香性(环的稳定性):苯噻吩吡咯呋喃（二）吡咯、呋喃和噻吩的性质1．吡咯的酸碱性吡咯N上孤电子对因参与环的共轭,故碱性极弱,比苯胺还弱得多,不能与酸形成稳定的盐。pKb:3.74.79.613.6NHNHNH32NHNHNHNH32NHNHNH32NH第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（三、五元杂环）上页下页首页另一方面，吡咯N上的H却有微弱的酸性(pKa=17.5),与醇相当，而比酚弱。吡咯在无水条件下可以与固体氢氧化钾加热生成钾盐。NK+H2ONH+KOH第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（三、五元杂环）上页下页首页AcidityOHR—OHKKaa:1.3:1.3××1010--1010~10~10--1515~10~10--1818AcidityOHR—OHKKaa:1.3:1.3××1010--1010~10~10--1515~10~10--18181010--17.517.5AcidityOHR—OHKKaa:1.3:1.3××1010--1010~10~10--1515~10~10--1818AcidityOHR—OHKKaa:1.3:1.3××1010--1010~10~10--1515~10~10--18181010--17.517.52.亲电取代反应由于环上的电子云密度比苯大，因此吡咯、呋喃和噻吩亲电取代反应比苯容易发生。吡咯的活泼度与苯胺或苯酚相当。亲电取代反应主要发生在a位。+Br2NNOBr80%0OCOS(69~76%)95%H2SO425oCSO3HS第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（三、五元杂环）上页下页首页+Ac2ONH乙酸酐CH3ONH吡咯和呋喃遇强酸时,杂原子能质子化,使芳香大p键破坏,所以不能用强酸进行硝化和磺化反应,需选用较温和的非质子性试剂。例如吡咯硝化需用硝酸乙酰基酯。NH+Ac2ONH+CH3CONO2ONO2NHNO25oC硝酸乙酰基酯a-硝基吡咯(83%)b-硝基吡咯(17%)第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（三、五元杂环）上页下页首页（三）吡咯衍生物吡咯衍生物在自然界分布很广，植物中的叶绿素和动物中的血红素都是吡咯衍生物。它们都具有重要的生理活性。NHNNHN卟吩(Porphin)NH2C=HCH3CCH3NCH=CH2FeNH3CHO2CCH2CH2CNCH3CH2CH2CO2H血红素(Heme)第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（三、五元杂环）上页下页首页(四)咪唑的结构与功能咪唑可以看作是吡咯3位的CH被氮原子取代而生成的杂环化合物。NNH咪唑1位和3位N均取sp2杂化。不同的是,1-N以一对p电子参与共轭,而3-N则以1个p电子参与共轭,形成环状闭合大p键,p电子数为6,符合Hückel规则,有一定芳香性。第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（三、五元杂环）上页下页首页NNHNHN咪唑中N上的氢可以转移到另一个氮原子上,因而存在互变异构.这种情况在环上有取代基时很容易辨别。35125132NNHH3CNHNH3C5-甲基咪唑4-甲基咪唑甲基咪唑可发生下列互变异构:第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（三、五元杂环）上页下页首页咪唑的碱性比吡咯强（pKb=6.8），这是由于引入的氮原子的孤对电子没有参加共轭体系，因而较易与质子结合。水溶度也较吡咯大。在组氨酸分子中含有一个咪唑基,其pKa值接近生理pH(7.35)，它既是一个弱酸，又是一个弱碱，能起到质子传递的作用。组氨酸中的咪唑环是构成酶活性中心的重要基团，使酶能催化生物体内酯和酰胺的水解。NNH第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（三、五元杂环）上页下页首页四、稠杂环化合物第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（四、稠杂环）杂环与杂环稠合或苯环与杂环稠合而成的化合物总称为稠杂环化合物。常见的稠杂环化合物有嘌呤、吲哚、喹啉等。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。NNNHN123456789嘌呤（purine）上页下页首页嘌呤为白色固体，熔点216~217℃，易溶于水，水溶液呈中性，但可分别与酸或碱生成盐。嘌呤是两个互变异构的平衡体系,在生物体内平衡偏向于9H形式。9H-嘌呤7H-嘌呤第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（四、稠杂环）上页下页首页嘌呤衍生物广泛分布在动植物中，如腺嘌呤、鸟嘌呤均为核酸的碱基。NNNHNNH2NNNHNOHH2N腺嘌呤(Adenine)鸟嘌呤(Guanine)第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（四、稠杂环）上页