杂环化合物讲义.docx

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杂环化合物讲义

第十八章 杂环化合物

教学要求

1.了解杂环化合物的分类、命名。

2.掌握重要的五元、六元及稠环杂环化合物的结构和性质。

如：

呋喃、噻吩、吡咯、喹啉（斯克奥浦合成）。

3.了解嘧啶及嘌呤的结构。

4.了解生物碱的一般概念。

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。

第一节 杂环化合物的分类和命名

一、分类

二、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。

第二节五元杂环化合物

  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。

一、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。

 二、呋喃、噻吩、吡咯的性质

1、存在与物理性质 

2、光谱性质

3、化学性质

（1）亲电取代反应

从结构上分析，五元杂环为∏56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。

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。

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。

 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。

三、重要的五元杂环衍生物

1、糠醛（α-呋喃甲醛）

（1）制备：

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

（3）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。

 2、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。

 四、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）

第三节六元杂环化合物

   六元杂环化合物中最重要的有吡啶、嘧啶和吡喃等。

   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。

一、吡啶

1、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。

  　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。

2、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。

 3、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。

 （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。

  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：

 二、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。

 　　　　　　　uracil   　　　　 thymine     　    cytosine

 三、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。

 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。

四、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。

（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，这说明在喹啉分子中吡啶环比苯环难氧化，易还原。

2．喹啉环的合成法——斯克劳普（Skraup）法：

喹啉的合成方法有多种，常用的是斯克劳普法。

是用苯胺与甘油、浓硫酸及一种氧化剂如硝基苯共热而生成。

3．喹啉的衍生物

喹啉的衍生物在自然界存在很多，如奎宁、氯喹、罂粟碱、吗啡等。

五、嘌呤

 嘌呤为无色晶体，m.p216~217℃，易溶于水，其水溶液呈中性，但能与酸或碱成盐。

纯嘌呤环在自然界不存在，嘌呤的衍生物广泛存在于动植物体内。

1．尿酸  存在于鸟类及爬虫类的排泄物中，含量很多，人尿中也含少量。

2．黄嘌呤    存在于茶叶及动植物组织和人尿中。

3．咖啡碱、茶碱和可可碱  

三者都是黄嘌呤的甲基衍生物，存在于茶叶、咖啡和可可中，它们有兴奋中枢作用，其中以咖啡碱的作用最强。

     　    咖啡碱                茶碱          可可碱

 4．腺嘌呤和鸟嘌呤   是核蛋白中的两种重要碱基。

                   腺嘌呤（A）            鸟嘌呤（G）

第四节 生物碱

生物碱是一类存在于生物体内，对任何动物有强烈生理作用的含氮碱性有机化合物，如烟叶中的主要生物碱组分是

尼古丁（

）。

生物碱在植物体内常于有机酸（果酸，柠檬酸，草酸，琥珀酸，醋酸，丙酸等）结合成盐而存在，也有和无机酸（磷酸，硫酸，盐酸）结合的。

中草药治病有效成分有生物碱，苷等。

生物碱的研究促进有机合成药物的发展，为合成新药提供线索，如古柯碱化学的研究导致局部麻醉剂普鲁卡因的合成。

古柯碱

古柯碱具有局部麻醉的效能，上面结构式中虚线部分代表有效部分。

但古柯碱毒性大，具有易产生毒瘾等缺点，于是进行代用品的研究，药学家合成出许多比古柯碱分子简单而更有效的麻醉药，普鲁卡因等，它是良好的局部麻醉药。

同时归纳出局部麻醉药具有下式的基本结构：

—.生物碱的一般性质

1.游离生物碱物理性质：

一般是无色固体结晶，有色的很少（黄连素黄色），液体也很少（烟碱为液体），有苦味。

分子中含有手征碳原子，具有旋光作用，如天然烟碱（尼古丁）是左旋的。

能溶于氯仿，乙醇，醚等有机溶剂，多半不溶或难溶于水。

能与无机酸或有机酸结合成盐。

这种盐一般易溶于水。

2.化学性质：

（1）生物碱的沉淀反应：

生物碱的中性或酸性水溶液与一些试剂（如10%苦味酸）能发生沉淀。

（2）生物碱的颜色反应：

生物碱与一些浓酸能呈现出各种颜色，其颜色随各种生物碱而各有特征。

二．生物碱的提取方法：

1.有机溶剂提取法

2．稀酸提取法

三..生物碱结构的化学测定。

化学方法通常是先测定其分子式和所含官能团，然后通过降解反应使之成为一些结构的碎片，推测出可能的结构式。

最后用可靠的合成方法加以验证。