有机化学杂环化合物

课程名称：有机化学(OrganicChemistry)第十五章杂环化合物任课教师：张金梅教学目标杂环化合物的分类和命名；五元、六元杂环化合物的结构和芳香性及化学性质；了解生物碱、毒品的种类与危害。教学重点杂环化合物的命名原则；呋喃、吡咯、噻吩、吡啶。教学难点杂环化合物的命名原则；五元、六元杂环化合物的结构与芳香性。非芳香杂环：常见的杂原子：O、N、S。OOONH芳香杂环：ONS１分类单杂环：OHNS呋喃furan吡咯pyrrole噻吩thiopheneSNNNHNNN噻唑thiazole咪唑imidazole吡啶pyridine嘧啶pyrimidine稠杂环：NNH喹啉quinoline吲哚indoleNHNNN嘌呤purine苯并吡喃盐benzopyranO+Cl－(1)杂环母核２命名音译法：按照IUPAC推荐的普通名称，用2~3个汉字音译，使用带口字旁的同音汉字。系统命名法：根据相应的碳环命名。O氧杂-2,4-环戊二烯（茂）oxacyclopent-2,4-diene呋喃(2)编号NCH3OCHO3-甲基吡啶β3-methylpyridine2-呋喃甲醛α2-furaldehyde含有一个杂原子的单杂环，让杂原子的位号尽可能小，其次考虑取代基；编号也可使用希腊字母。含有两种以上杂原子时：ONN123451,2,3-噁二唑1,2,3-oxadiazole①让杂原子的位号尽可能小；②当两个杂原子不相同时，按O,S,NH(NR),N顺序依次编号NHNCH34-甲基咪唑4-methylimidazole有些稠杂环化合物的原子编号是固定的。N18765432NHNNN198765432异喹啉isoquinoline嘌呤purine(3)取代基与母体当环上连有烷基、硝基、卤素、羟基、氨基等基团时，以杂环为母体；当环上连有羰基、羧基、磺酸基时，杂环做取代基。NCH3OCHONCH3HNCOOHN-甲基吡咯2-呋喃甲醛命名或写出结构式３-甲基吡咯１２３４６３-吡啶甲酸2-噻吩磺酸５β-羟基吡啶NOHSSO3H１呋喃、吡咯、噻吩的结构sp2杂化六元环结构结构特点：①杂原子共轭效应是供电子的，诱导效应是吸电子的。②杂原子是sp2杂化，未成键电子对在2p轨道上，参与共轭。由于6个π电子分布于5个原子上，整个环的π电子几率密度比苯大，是富电子芳环，因而比苯环活泼，亲电取代反应比苯快得多。芳香性顺序：电负性：S2.6噻吩吡咯呋喃N3.0O3.5离域能/kJ·mol-1：苯噻吩吡咯150.311787.8呋喃66.9具有共轭二烯烃结构，呋喃可以进行双烯合成反应。２呋喃、吡咯、噻吩的性质(1)主要物理性质和鉴别呋喃：与盐酸浸过的松木片反应，显绿色。吡咯：与盐酸浸过的松木片反应，显红色。噻吩：在硫酸存在下和吲哚醌作用，显蓝色。NHOO吲哚醌(3)亲电取代反应π电子云密度比苯环大。亲电取代反应的活性为：吡咯呋喃噻吩苯；吸电子诱导-I：O(3.5)N(3.0)S(2.6)，取代反应主要发生在α-位上。供电子共轭+C：NOS，综合：贡献电子N最多，O其次，S最少。噻吩、吡咯的芳香性较强，所以易取代而不易加成；呋喃的芳香性较弱，虽然也能与大多数亲电试剂发生亲电取代，但在强亲核试剂存在下，能发生亲核加成；吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感；由于这些五元杂环容易被破坏，稳定性差，因而对试剂及反应条件应有所控制。卤代：NHNHBrBrBrBrBr20℃OOBrBr20℃SSBrBr225℃硝化：NHNHNO2CH3COONO210(CH3CO)2O,－℃SSNO2CH3COONO210(CH3CO)2O,－℃由于环的稳定性差，在强酸或强氧化剂的作用下环被破坏，不能用混酸硝化。因此，应在较低的温度下，使用温和的硝化剂乙酰硝酸酯。呋喃比较特殊，先生成稳定的或不稳定的2,5加成产物，然后加热或用吡啶除去乙酸，得到硝化产物。OCH3COONO2305－～－℃ONO2H+ONO2HHCH3COO吡啶ONO2磺化：NHNSO3+_NHSO3HONSO3+_OSO3HSNSO3+_SSO3H酰化：NHNHCOCH3(CH3CO)2O+150200～℃OOCOCH3(CH3CO)2O+10BF3－℃SSCOCH3H3PO4(CH3CO)2O+(4)加成反应催化加氢：OOH2NiorPdNHNHH2NiorPdSSH2,NiSH2,Ni双烯合成：呋喃与顺丁烯二酸酐很容易加成，噻吩较难，吡咯一般不发生双烯合成。+OOCOCOOCOCOO30℃(5)吡咯的弱酸性和弱碱性碱性：苯胺吡咯酸性：苯酚吡咯醇NH+RMgBr+RHNMgBrNH+ΔNK++H2O－KOH（固）60转吡啶３糠醛及其衍生物(1)制法nCH2CHCHCHCHOOHOHOHOH()H2O,H2SO4Δ聚戊糖戊糖HOCHCHOHHCHCHOHOHCHOOCHOH2SO4Δ(2)主要性质OCHOOCOOHKMnO4,OH－OCHOOCH2OHCuO,Cr2O3150,10MPa℃OCHOOCH2OHOCOOH+NaOH浓OCHOV2O5,Mo2O3O2OCOCO+CO2(3)应用良好的溶剂；许多药物和工业产品的原料。５卟啉化合物NNHNHN18765432αβγδ卟吩prophine血红素NNNNFeCHCH2CH3CH3CHCH2CH3CH3CH2CH2COOHCH2CH2COOHNNNNMgCHCH2RCH3CH2CH3CH3CH3CH2COOCH3CH2COOCH2CHCCH2(CH2CH2CHCH2)2CH2CH2CH(CH3)2CH3CH3O叶绿素aR=CH3叶绿素bR=CHO维生素B12NNNNCH3CH3CH3CH3Co+CH3NNNCOCH2OHHOHOPOOHOH2NOCH2CH2CH2NOCH2CCH2CONH2CH2CH2CONH2CH3CH2CH2CONH2CH3CH3CH3CH3H2NOCH2CHNOCH2CH2CH3CNNNO六元杂环化合物中重要的有吡啶、嘧啶和吡喃等。吡啶pyridine嘧啶pyrimidine吡喃pyran许多生物碱、维生素、辅酶Ⅰ及辅酶Ⅱ都含有吡啶环。２吡啶的结构N0.871.010.841.43结构特点：杂原子的共轭效应和诱导效应都是吸电子的；未成键电子对在sp2杂化轨道上，不参与共轭。sp2杂化五元环的结构12NSNNCH3CH334NNOCH3NNNH3CH下列化合物哪些具有芳香性３吡啶的化学性质(1)亲电取代反应特点：反应比苯难，不能发生傅氏烷基化、酰基化反应；硝化、磺化、卤化必须在强烈条件下才能发生；吡啶环上有供电子基团时，反应活性增高；吡啶N原子可以看作是一个间位定位基。反应特点：碱性较强；环不易发生亲电取代反应但易发生亲核取代反应；发生亲电取代反应时，环上N起间位定位基的作用。Cl2,AlCl3NClN100℃NSO3HN200℃H2SO4发烟NHNO3/H2SO4300℃NNO2用箭头表示下列化合物起反应时的位置1S溴化2SCOOH硝化3S硝化O2NCH34S溴化NO2S5硝化CH36NN碘化CH3(2)氧化和还原吡啶环对氧化剂稳定，比苯环难氧化。NCOOHCOOHNKMnO4,H+ΔCH3NCOOHNKMnO4,H+Δ用过氧化氢氧化，可得N-氧化吡啶，N-氧化吡啶较易发生亲电取代，取代基主要进入对位。NOONO2H2O2CH3COOHHNO3,H2SO490NN℃NO2POCl3+NPCl3Δ吡啶比苯易还原。NHNa,C2H5OHH2,NiorN(4)弱碱性碱性强弱的顺序：RNH2NH3NH2NHNNNO2NNO2O2NN+HClH+ClNN－12NNNHNNH2NNCH334OHOHNNCH3H下列化合物哪个可与酸反应，哪个可与碱反应，哪个与酸碱都能反应HICH3++N290300～℃－HICH3+N－+CH3INCH3+IN－SO3++SO3NN－与叔胺相似，可与卤烷结合生成相当于季铵盐的产物。γ-吡啶甲酸异烟肼４吡啶的衍生物CH2OHHOCH3CH2OHN维生素B6：(orCHOorCH2NH2)+COOHNCONHNH2N130℃NH2NH2H2O·60完５嘧啶及其衍生物嘧啶是1,3-位各为一个氮原子的六元杂环化合物。NN嘧啶的碱性比吡啶弱得多，亲电取代反应也比吡啶更难，原因是氮原子的吸电子作用。NNOHHONNOHHOCH3NNNH2HO脲嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶嘧啶本身不存在于自然界，但它的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。N18765432NH2145673NNNN198765432H喹啉吲哚嘌呤quinolineindolepurine１吲哚NHCH2CHCOOHNH2NHCH3分解色氨酸β-甲基吲哚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。NHCH2CH2NH2HONHCH2COOH5-羟基色胺β-吲哚乙酸NHCH2CH2NHCOCH3CH3O脑白金NHC6H5COONO2CH3CN,0℃NHNO2Br2,0℃二噁烷NHNHBr吲哚的化学性质和吡咯相似，具有极弱的碱性，吡咯环比苯环活泼，亲电取代反应发生在β-位。Vilsmeier甲酰化反应：NHPOCl3NHCHOHCN(CH3)2O２喹啉(1)结构和性质N18765432N1.2161.0130.9841.0030.9880.9321.0080.896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。亲核取代主要发生在吡啶环的2或4位。亲电取代：N+HNO3,H2SO4NO2NNO2NN+Br2BrNBrNNKNH2NH2N100℃NKMnO4,H+NCOOHCOOHNNa,C2H5OHNH亲核取代：氧化反应：还原反应：(2)合成喹啉及其衍生物的合成，常用Skraup法。原料：苯胺和甘油；脱水剂：浓硫酸；氧化剂：硝基苯。实际操作为一次投料，但反应是分步进行的。NNH2+CH2OHCHOHCH2OHH2SO4Δ浓硝基苯，反应的过程为：CH2OHCHOHCH2OHCHOCHCH2+2H2OH2SO4浓NH2+CHOCHCH2NOHH1,4-加成H2SO4浓C6H5NO2NHN选择不同的苯胺衍生物为原料，可以合成不同的喹啉衍生物。+CH2OHCHOHCH2OHNH2OHOHNH2SO4浓Δ硝基苯，+CH2OHCHOHCH2OHNH2NH2SO4浓Δ硝基苯，用不同的α,β-不饱和醛、酮代替甘油，也能合成不同的喹啉衍生物，这一反应称为Doebner-Miller反应。NH2+CHOCHCHCH3NCH3H2SO4浓Δ硝基苯，NH2+COCHCH2CH3NCH3H2SO4浓硝基苯，Δ３嘌呤HNHNNNHHOOONHNNNNH2NHNNNH2NHO尿酸腺嘌呤鸟嘌呤NHNNN198765432NNHNN４苯并吡喃OOO+Cl－1,2-吡喃1,4-吡喃吡喃盐OOO+Cl－香豆素色酮苯并吡喃钅羊盐OO花色素是许多花的颜色物质，为一类苯并吡喃盐的衍生物，存在于植物的花、果、叶、茎内。缔纹天竺素O+HOOHOHOH