杂环化合物

第十九章杂环化合物目的要求1、掌握杂环化合物的分类和命名；2、掌握五元杂环化合物的结构和化学性质，了解它们的制法；3、掌握糠醛的性质，了解一些含五元杂环化合物的用途；4、掌握吡啶的结构和化学性质，了解一些含六元杂环化合物的用途；5、了解生物碱的一般性质和提取方法。杂环化合物:是指一类环状有机化合物中，构成环的原子除碳原子外还有其它原子（杂原子）。结构特点：有闭合共轭体系，p电子数符合4n+2，具有芳香性。通常杂原子有：O、N、S等OO内酯ONH内酰胺OOO环状酸酐CH2—CH2O环氧化合物第一节杂环化合物的分类和命名一、分类分类单杂环稠杂环五元杂环六元杂环OSNNNNNN苯环与单杂环稠并两个以上单杂环稠并NNNNHHH二、命名1、利用杂环英文名称译音成汉语同音字，加口字旁以表示杂环化合物，做为母体。音译法OSNNONNfuranpyridinepyrrolethiophenepyranpyrimidine呋喃吡啶吡咯吡喃嘧啶噻吩2、环上有取代基时，从杂原子开始编号，取代基位次最小，取代基位次、名称写在杂环母体前；3、环上含两个以上相同杂原子时，从连有取代基或氢原子的杂原子开始编号，并使另一个杂原子位次最小。3-甲基吡啶或β-甲基吡啶123456αβN-甲基吡咯或1-甲基吡咯23415N-CH3NCH3SCH3CH3234152,5-二甲基噻吩a,a'-二甲基噻吩4-甲基咪唑NN-NH22-氨基嘧啶12345623415CH3-NNH4、环上有不同杂原子时，按O、S、N的顺序编号5、稠杂环共用碳不编号，嘌呤除外，杂原子的位次尽小。NSCH3-5-甲基噻唑123458-羟基喹啉23456781NOHNNNNNH21234567896-氨基嘌呤6、杂环有复杂活泼的取代基时，杂环为取代基。3-吲哚乙酸或β-吲哚乙酸2-呋喃甲醛2345671αβN-CH2COOHOCHOH第二节杂环化合物的结构与性质典型的五元杂环是呋喃、噻吩、吡咯。ONHS呋喃吡咯噻吩一、呋喃、噻吩、吡咯杂环的结构物理方法证明：呋喃、噻吩、吡咯都是平面结构，环上所有原子均以sp2杂化轨道重叠形成σ键。碳未杂化的p轨道中有一个电子，杂原子的p轨道中有一对电子，p轨道互相平行重叠，形成闭合的共轭体系。O········呋喃的分子结构N—H······吡咯的分子结构S········噻吩的分子结构体系中p电子数：4+2=6符合休克尔4n+2规则，故三个杂环均具有芳香性S······S原子杂化轨道O······O原子杂化轨道N·····N原子杂化轨道sp2杂化轨道p轨道p65二、吡啶的结构(2)构成闭合的(1)碳原子和杂原子都采取sp²杂化。(未参与杂化的p轨道有一个电子占据)CCNCCCπ66等电子体系未参与共轭三种杂环都具有一定程度的芳香性，原因在于它们都符合休克尔规则。思考：为什么它们的芳香性的顺序是噻吩吡咯呋喃？杂原子电负性大小：O(3.5)＞N(3.0)＞S(2.5)因为这些环中杂原子的电负性是ONS，对外层电子吸引力逐渐减弱，对芳环供电子的能力正相反；亦即呋喃中的O比吡咯中的N更不愿供电子给环构成芳香大π键，故芳香性最差，噻吩中的S较易于供电子给环，故芳香性较强。由于呋喃、噻吩、吡咯都是五中心六电子，属于富电子环p电子密度：杂环＞苯环稳定性：杂环＜苯环芳香性：杂环＜苯环亲电反应活性：杂环＞苯环芳香性与稳定性:＞＞＞OSNH三、呋喃、噻吩、吡咯的性质1.物理性质三者均为无色液体，都不溶于水，溶于有机溶剂。2.呋喃、噻吩、吡啶及其衍生物鉴别反应3、化学性质1)亲电取代反应呋喃绿色松木片HCl-吡咯红色松木片HCl-噻吩蓝色靛红-H2SO4糠醛红色醋酸－苯胺用于区别检验五元杂环五元杂环化合物是富电子体系，而苯环为等电子体系，故环上的电子云密度比苯高，其亲电取代反应比苯容易，易于卤代、硝化、磺化等。杂原子的存在相当于在环上引入了―NH2、―OH、―SH等活化基团而使环活化，亲电取代反应主要在α-位发生；若α、α'两个位置已有基团存在，则亲电取代在β位发生。吡咯、呋喃对酸及氧化剂比较敏感，在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。吡啶和苯虽然都属等电子体系，但因氮原子的电负性较大，从而使环上的电子云密度降低，故其亲电取代反应性能不但比苯差，且亲电取代反应发生在电子云密度较高的β-位。这一特性很类似于硝基苯。Nδδδδδδαβγ综上所述，五元、六元杂环化合物虽然都具有芳香性，但其环上的电子云的密度是不同的，其电子云密度由高到低的顺序是：SNHON呋喃、噻吩、吡咯的卤化反应反应强烈，比苯快，新引入基上α－位。易得多卤取代物。为了得一卤代(Cl,Br)产物，要采用低温、溶剂稀释等温和条件。OOOClClClCl2-40℃+OBrOOBr2,0℃稀释(86%)SSBrSIBr2AcOHI2,HgOC6H6,0℃(78%)碘不活泼，要用催化剂才能发生一元取代Br2,0℃NHNHClNHBrBrBrBrEtOHSOCl2(1mol)Et2O,0℃(80%)呋喃、噻吩、吡咯的硝化反应呋喃,噻吩和吡咯易氧化,一般不用硝酸直接硝化;通常用比较温和的非质子硝化试剂，如：硝酸乙酰酯。反应在低温下进行。CH3COCCH3+HNO3OOCH3CONO2+CH3COOHOSAcONO2OoCAc2O/AcOHSNO2SNO2+NHAcONO2OoCAc2O/AcOHNHNO2NHNO2+60%10%51%13%呋喃、噻吩、吡咯的磺化反应吡咯、呋喃不太稳定，所以须用温和的磺化试剂磺化。常用的温和的非质子的磺化试剂有：吡啶与三氧化硫的加合化合物。噻吩比较稳定，既可以直接磺化（产率稍低），也可以用温和的磺化试剂磺化。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！）说明：①噻吩环芳性比呋喃环和吡咯环强，较稳定；②噻吩环上电子云密度比苯环大，更容易磺化。利用磺化反应可分离苯和噻吩：.Cb.p81。Sb.p84C。(())室温H2SO4浓SSO3H酸层）（（苯层）分液蒸馏无噻吩苯付氏酰基化：NHNCOCH3H+(CH3CO)2O60%150-200C。α-乙酰基吡咯氧化反应呋喃、吡咯对氧化剂都很敏感，在空气中都能被氧化，而吡啶对氧化剂却相当稳定。如用高锰酸钾氧化苯环被破坏，得2,3-喹啉二甲酸NKMnO4NCO2HCO2Hŗ-苯基吡啶NCH3V2O5，O2NCOOH吡啶甲酸b-烟酸NCH3V2O5，O2NNH2NH2HClNCOOHCONHNH2吡啶甲酸g-异烟酸异烟肼氧化加成反应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!吡咯的弱碱性和弱酸性吡咯分子中氮原子上虽然带有孤对电子，但是由于其参与了环状π56的共轭，为整个环状共轭体系所共享，从而使氮上电子云密度降低，所以，吡咯的碱性很弱，甚至于大大弱于苯胺的碱性。NHsp2sp2pNH参与环体系共轭离域于整个共轭体系难以表现出碱性∴碱性：苯胺（Kb=3.8×10-10）吡咯（Kb=2.5×10-14）能与强酸成盐不能与强酸成盐，遇酸分解另一方面，氮上电子云密度降低，从而使氮原子上的氢能以H+的形式解离。吡咯有弱酸性：HN+N+H2OKOH(S)K+-H2O原因：可形成稳定N-p56,!但是，吡咯（pKa=17）的酸性非常小，甚至远远小于酚(pKa=10)。吡啶的碱性及其盐的性质N上孤电子对未参与共轭，能与质子结合，呈碱性。为弱碱，碱性比苯胺强，但比脂肪胺弱。(CH3)3NNH3NNH2NHpKb4.24.88.89.416.6吡啶环上有给电子基团时，碱性加大；有吸电子基团时，碱性减弱。NClNCH3NpKa0.735.206.5吡啶可以和无机酸作用成盐，在有机合成中可用作碱性催化剂。N+HClNH+Cl-吡啶盐酸盐一、糠醛(a-呋喃甲醛)糠醛是呋喃衍生物中最重要的一个，最初从米糠制得而得名。O-CHO为无色液体，在空气中逐渐氧化变为黄色至棕褐色。能溶于醇、醚等有机溶剂。第三节某些杂环及其衍生物1.制备进一步脱水农业副产品含戊多糖打碎水解为戊糖糠醛稀H2SO4△243%-5%HSO584n25105(CHO)+HOCHOnn水解，戊多糖戊糖2.性质和用途(1)糠醛在醋酸存在下与苯胺作用显红色—检验糠醛；糠醛表现出无a-H的醛(如苯甲醛和甲醛)和不饱和呋喃杂环的双重性质。(2)催化加氢CuO·Cr2O3150℃,10MPaOCHOOCH2OH+H2(3)氧化反应OCHO中性或碱性氧化KOH+KMnO4OCOOH(4)歧化反应OCH2OHOCHO+NaOH2+OCOONa•糠醛可发生银镜反应；白色晶体，熔点52.5℃，含吲哚环的生物碱广泛存在于植物中。NCH2-CH-COOHNH2NCH2CH2-NH2HONCH2COOHNCH3色氨酸5-羟基色胺b-甲基吲哚b-吲哚乙酸低浓度的β-吲哚乙酸是一种植物生长调节剂，其主要作用是能加速插枝作物的生根，但浓度过大时则抑制作物的生长。二、吲哚NH三、卟啉化合物四个吡咯环和四个次甲基(-CH2-)交替相连组成的大环叫卟吩，是卟啉化合物的母体，为一大共轭体系.NNNN1324657δ8αγβ卟吩叶绿素分子结构NNNNMgRCH2CH3CH3CHCH3CH2CH2CH3HOCOOCH3CH2COOR=-CH3为叶绿素aR=-CHO为叶绿素bNNNNFeCH=CH2CH3CHCH3CH2CH2CH2CH3CH2CH2COOHCH3COOH血红素分子结构O-CH3OHHOHHOCH2HHPO2OCH3CHCH2NHCOCH2CH2CH3CH3NNCH3H2NCOCH2CH3CNH2NCOCH2CH3CH2CONH2CH3CH2CH2CONH2CH3CH3H2NCOCH2CH2CH3CH2CH2CONH2CoNNNN维生素B12分子结构维生素Ｂ12（钴胺素，抗恶性贫血维生素）又称钴胺素或氰钴素。一种由含钴的卟啉类化合物组成的B族维生素。最初发现服用全肝可控制恶性贫血症状，经20年研究，到1948年才从肝脏中分离出一种具有控制恶性贫血效果的红色晶体物质，定名为维生素B12。1954年确定其结构式。1972年完成人工合成。维生素Ｂ12是Ｂ族维生素中迄今为止发现最晚的一种。维生素Ｂ12为浅红色的针状结晶，易溶于水和乙醇，在pH值4.5～5.0弱酸条件下最稳定，强酸（pH＜2）或碱性溶液中分解，遇热可有一定程度破坏，但短时间的高温消毒损失小，遇强光或紫外线易被破坏。普通烹调过程损失量约30%。维生素Ｂ12缺乏症缺乏维生素B12可能影响到体内的所有细胞，但对细胞分裂快的组织影响最为严重，如影响骨髓的生血组织可产生巨幼红细胞性贫血，即所谓恶性贫血；神经系统的损害主要是引起斑状、弥漫性的神经脱髓鞘，出现精神抑郁、记忆力下降、四肢震颤等神经症状。维生素B1H3CNNNH2·HCl维生素B1（也称盐酸磺胺素）NS—CH2—CH2CH2OHCl+-维生素B1的结构（对酸稳定，遇碱分解）维生素B1缺乏症硫胺素在能量代谢中起辅酶作用，没有硫胺素就没有能量。作为辅酶它还参与葡萄糖转变为脂肪的过程。维生素B1作用于神经末梢，这个作用使它对酒精性神经类、妊娠期神经类和脚气病都有治疗价值。维生素B1还能维持正常的食欲、肌肉的弹性和健康的精神状态。人缺乏维生素B1会引起脚气病。摄入不足和酒精中毒是人类维生素B1缺乏最常见的原因，脚气病主要影响心血管和神经系统。心血管系统的表现包括心脏肥大和扩张、心动过速、呼吸窘迫以及腿部水肿；神经系统的表现包括腱反射亢进、多发性神经炎（有时伴有麻痹)、肌肉软弱无力、疼痛并有抽搐。成人一般表现为眼、鼻、嘴周围皮肤上出现油脂、鳞屑(脂溢性皮炎)，随后向身体的其他部分蔓延；舌红光滑；体力下降。婴儿症状突发而严重，急躁、肌肉