S-17杂环化合物课件.ppt

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1、第十七章 杂环化合物,目的要求： 1掌握常见杂环化合物的结构和名称； 2掌握重要五元、六元杂环化合物的性质； 3了解重要的杂环化合物和生物碱。,第十七章 杂环化合物,.杂环化合物概述,一.定义,广义地说，环状有机物中，成环原子除碳原子外，还有其他原子（即杂原子）的，都可称为杂环化合物。,目前所说的“杂环化合物”是指具有芳香结构（闭环共轭体系）和一定程度稳定性的杂环化合物。具有一定程度的芳香性。,二.分类,(一)按杂原子分：含氮杂环、含氧杂环、含硫杂环。,.杂环化合物概述一.定义 广义地说，环状有机,(二)按成环原子数及环数分（最稳定的杂环是五元杂环和六元杂环）,(二)按成环原子数及环数分（最稳

2、定的杂环是五元杂环和六元杂环,1.杂环化合物 常见的杂原子： O、N、S（Se、Te、P等）,2.非芳香性杂环化合物,环醚,内酸酐,内酯,内酰胺,具有相应醚、酐、酰胺、酯的性质。,1.杂环化合物2.非芳香性杂环化合物 环醚 内酸酐 内酯内酰,3. 芳香性杂环化合物 具有4n+2个电子的闭合共轭体系的杂环化合物。,(1) 按环大小分类,呋喃,六元杂环：,五元杂环：,吡啶,吡嗪,(2) 按环的多少分类,单杂环：,稠杂环：,吡咯,喹啉,(3) 按杂原子的种类和数目分类,3. 芳香性杂环化合物 (1) 按环大小分类 呋喃六元杂环：,杂环分类,单,杂,环,五,元,杂,环,六,元,杂,环,碳环母核,苯,环

3、戊二烯,哒嗪,嘧啶,吡嗪,重要的杂环,杂环分类单杂环五元杂环六元杂环碳环母核苯环戊二烯呋喃,S-17杂环化合物课件,前面所讲的内酯、内酰胺、环氧乙烷等从结构上来看，也属于杂环化合物，但其性质与同类的开链化合物相似。且很容易开环形成链状化合物。杂环化合物种类繁多，数量庞大，是有机化合物中数量最大的一类。广泛存在于自然界中，很多在动植物体内起着重要的生理作用。如：中草药的有效成分生物碱、血红素、叶绿素、核酸的碱基等，都是含氮杂环化合物；为数不少的维生素、抗生素以及一些植物色素和植物染料都含有杂环；目前合成的杂环化合物也是为数众多，不少合成药物，合成染料、新型高分子材料也含有杂环结构。在现代药物中，

4、杂环化合物占了相当大的比重。因此可以说：杂环化合物在生命科学中占有重要地位；杂环化学是有机化学的一个重要组成部分。,前面所讲的内酯、内酰胺、环氧乙烷等从结构上来看，也属于杂环化,三. 命名,两种方法 A. 按外文音译，加“口”字旁。 B.当作相应碳环，在前面加上杂原子名称。,1. 常见杂环母体,嘧啶pyrimidine,吲哚 嘌呤 喹啉 异喹啉Indole purine quinoline isoquinoline,（咪唑）,氮（杂）苯-（系统命名法）,三. 命名两种方法 A. 按外文音译，加“口”字旁。1.,2.杂环基本环的命名 简单的杂环(看作杂环的基本环)都有一特定的名称，按英文音译名选

5、择相应的汉字，旁边加“口”，表示环状化合物：,2.杂环基本环的命名,无特定名称的稠杂环化合物，选含特定名称的杂环为基本环，用化学介词“并”表示稠合关系，按衍生物命名 ：,无特定名称的稠杂环化合物，选含特定名称的杂,3.环上取代基的位置 基本环的编号原则如下： (1)从杂原子开始，定位1，依次2、3；或杂原子相邻的碳原子为，依次、 (2) 当环上有两个或多个杂原子时，应使杂原子的位号最低，杂原子按O，S，N的次序给最低号。 (3) 环上有不同取代基时，编号按最低系列原则和顺序规则，使取代基所在的位次最低。,3.环上取代基的位置,2-甲基-5-乙基呋喃-甲基- -乙基呋喃,2-甲酰基-5-硝基呋喃

6、-甲酰基-硝基呋喃(5-硝基-2-呋喃甲醛),4-甲基咪唑,5-甲基噻唑,2-乙酰基吡咯-乙酰基吡咯,2-甲基-5-乙基呋喃2-甲酰基-5-硝基呋喃4-甲基咪唑,(4) 稠杂环的编号，一般和稠环芳烃相同，但有少数稠杂环另有一套编号顺序。,(4) 稠杂环的编号，一般和稠环芳烃相同，但有,总结：A.从杂原子开始编号，有多个杂原子时，按O、S、N 顺序，杂原子编号之和应最小。B.只含一个杂原子时，亦可用希腊字母、。,-呋喃甲醛 -噻吩磺酸 吡啶甲酰胺 2,5-二甲基吡咯,8-羟基喹啉,按1979年IUPAC规定：保留特定的45个杂环化合物的俗名和半俗名并作为命名基础。按此原则，我国多采用音译的名称。

7、,总结：-呋喃甲醛 -噻吩磺酸 吡,.五元杂环化合物,一.呋喃、吡咯、噻吩的 结构,相应的碳环结构是环戊二烯,分子呈平面型，氧为sp2杂化，两对未共用电子中的一对与碳原子上的p轨道重叠，形成环闭的共轭体系即5个p轨道6个电子的键。,与呋喃类似,.五元杂环化合物一.呋喃、吡咯、噻吩的 结构相应的碳环结构,其它一些环系如咪唑、噻唑等同样具有环闭的6电子体系。,4个碳原子和1个氮原子都以sp2杂化轨道成键，并形成6电子的键。,其它一些环系如咪唑、噻唑等同样具有环闭的6电子体系。4个碳,具有4n+2个p电子的环状共轭体系(有芳香性)，杂原子的p轨道有一对p电子：,呋喃 噻吩 吡咯,m,具有4n+2个p

8、电子的环状共轭体系(有芳香性)，杂原子,正常典型键长： C-C 0.154；C-O 0.143； C-S 0.182； C-N 0.147 C=C 0.134 C=O 0.122 C=S 0.160；C=N 0.128 单位： nm,正常典型键长：,1.键长 分子中键长平均化，但不如苯完全平均，芳香性较苯差，有一定的不饱和性及环不稳定性。,2.杂原子 有一对电子共轭，有给电子性能，其作用相当环上连有-OH，-SH，-NH2等给电子基，易在-位发生亲电取代反应。,3.杂原子给电子能力： S N O (电负性顺序相反),1.键长2.杂原子3.杂原子给电子能力：, 呋喃、吡咯、噻吩是一个平面结构。

9、环上的C原子和杂原子都是以SP2杂化轨道成键的。 五个没有杂化的P轨道垂直于环平面，形成闭合共轭体系。 五元环属于富电子环。（也叫多芳杂环） 环形电子分布于杂环平面的上、下两方。 共轭能,据现代物理方法证明：, 呋喃、吡咯、噻吩是一个平面结构。苯噻吩吡咯呋喃共轭,芳香性（芳香杂环） 符合休克尔规则，电子数为6。 芳香性比较（易取代、难加成、难氧化）： 苯噻吩 吡咯呋喃,键长没有完全均匀化,芳香性（芳香杂环） 键长没有完全均匀化,二. 化学性质,1.亲电取代反应,a. 亲电取代反应的活性 吡咯 呋喃 噻吩 苯溴化相对速度：3*1018 6*1011 5*1011 1,b. 亲电基团一般进入杂原子

10、的邻位,杂原子具有吸电诱导效应，又具有供电共轭效应。吡咯中氮的供电共轭效应大于吸电诱导效应。,二. 化学性质1.亲电取代反应a. 亲电取代反应的活性 b,328页,328页,2. 加成反应（还原）,四氢呋喃,四氢吡咯,四氢噻吩,2. 加成反应（还原）四氢呋喃四氢吡咯四氢噻吩,呋喃的双烯特征：离域能较小，环的稳定性较低，芳香性最差，故具有明显的共轭二烯性质。,可发生1，4-加成或1，2-加成,呋喃的双烯特征：离域能较小，环的稳定性较低，芳香性最差，故具,必须注意的是：前述三杂环对氧化剂、酸性介质也很敏感，特别是吡咯和呋喃遇强酸时杂原子被不同程度的质子化，破坏了原先的芳香大 键，容易发生聚合、氧化

11、、开环等反应。如：呋喃在酸性条件下被水解开环，生成丁二醛；吡咯在酸的催化下易形成聚合物；二者对氧化剂均较敏感，在空气作用下可以缓慢开环，生成丁二酸。与苯比较，环的稳定性的顺序为： 苯噻吩吡咯呋喃综上所述，在吡咯和呋喃的化学反应中，不能直接采用强酸条件进行硝化、磺化等，通常在非酸性条件下使用较温和的非质子性试剂。如硝乙酐（CH3COONO2)在低温条件下进行硝化。噻吩可直接用硫酸磺化但产率不高。噻吩能使催化剂中毒，要使用特殊催化剂。,必须注意的是：,3. 吡咯的弱酸性和弱碱性（不是仲胺）,弱碱性 苯胺 吡咯 Kb 3.8*10-10 2.5*10-14,弱酸性 吡咯N原子上的H原子都有微弱的酸性

12、 酸性比较： 苯酚吡咯乙醇 Ka 1.3*10-10 10-15 10-18,可与KOH成盐。由于氮原子上的未共用电子对参与环的共轭，减弱它接受质子的能力。,不能与酸成盐,3. 吡咯的弱酸性和弱碱性（不是仲胺）弱碱性,4. 鉴别反应 呋喃使盐酸浸过的松木片显绿色。 噻吩和吲哚醌在硫酸作用下发生兰色反应。 噻吩在浓硫酸的作用下与松木片能呈现兰色反应。 浸盐酸的松木片遇吡咯蒸气显红色。,4. 鉴别反应,三. 重要的五元杂环化合物1. 糠醛（2-呋喃甲醛）,用途： 糠醛是良好的溶剂； 广泛用于油漆及树脂工业； 合成苯酚糠醛塑料;及制药。,2. 卟吩化合物(吡咯的重要衍生物，基本骨架是卟吩环）, 叶绿

13、素a、b 中心离子为Mg2+ 血红素 中心离子为Fe2+ 维生素B12 中心离子为Co,结构最复杂（见332页）,三. 重要的五元杂环化合物用途： 糠醛是良好的溶剂；2.,.六元杂环化合物（是杂环化合物重要的部分）,一.吡啶的 结构,吡啶分子本身在自然界中并不存在，但其衍生物却多见（如天然药物、生物碱）。,平面具有芳香性，大 键。结构与苯极相似。平面六元环。氮原子电负性较大，使电子云向氮原子偏移，环上各处电子云密度不同；不存在一般的单双键。芳香性比苯差。,吡啶的偶极距大于六氢吡啶的偶极距，电子效应方向一致。,NH,.六元杂环化合物（是杂环化合物重要的部分）一.吡啶的 结构,二.吡啶的性质,吡啶

14、环上的取代基对其碱性强弱的影响的基本规律如同取代基对苯胺碱性的影响。,1.碱性吡啶 脂肪胺 吡啶 苯胺 吡咯 PKb 3.0-4.2 8.8 9.4,氮上那对未共用电子可与质子成盐，使吡啶呈碱性。,常用做催化剂、除酸剂。,二.吡啶的性质吡啶环上的取代基对其碱性强弱的影响的基本规律如,2. 亲电取代反应 （芳香性比苯差） 比苯难 进入吡啶环的位 （氮原子具有如-NO2相似的定位作用） H+介质对亲电取代不利（首先与氢生成盐，不利亲电试剂）,0,2. 亲电取代反应 （芳香性比苯差）0,3.亲核取代反应 （电子云密度降低，易发生亲核取代） 比苯容易 进入位,氮的吸电子诱导效应,氨基钠（齐齐巴宾反应）

15、,3.亲核取代反应 （电子云密度降低，易发生亲核取代）氮的吸电,4. 氧化反应 吡啶环对氧化剂稳定（支链氧化）,环上的电子云密度因氮原子的存在而降低，难于失去电子被氧化。,4. 氧化反应 环上的电子云密度因氮原子的存在而降低，难于,5. 还原反应 较苯容易（因环碳电子云密度较低，不仅可催化加氢，还可被化学试剂还原）,吡啶和吡咯性质比较：,5. 还原反应 吡啶和吡咯性质比较：pH亲电取代亲核取,三. 重要的六元杂环化合物1. 吡啶衍生物,维生素PP,维生素B6衍生物：包括吡哆醇、吡哆醛与吡哆胺,雷米封：异烟碱肼的俗名， 是抗结核药物。,333页,三. 重要的六元杂环化合物维生素PP维生素B6衍生

16、物：包括吡,2. 嘧啶衍生物,含有两个氮的六元单杂环，其衍生物很重要。如核酸，维生素类和某些药物都具有嘧啶结构。,三者都是核酸的重要组成成分,2. 嘧啶衍生物含有两个氮的六元单杂环，其衍生物很重要。如核,. 稠杂环化合物,一. 嘌呤及其衍生物,1. 结构,互变异构体,（嘧啶和咪唑）,核酸、核苷酸、辅酶A、尿酸等都含有嘌呤结构,2. 衍生物,. 稠杂环化合物一. 嘌呤及其衍生物1. 结构 互变异构体,二. 喹啉及其衍生物,1. 结构,2. 化学性质（与吡啶相似）,碱性比吡啶稍弱，可与酸成盐（pKa=9.1）亲电取代,发生在较为活泼的苯环上的C5、C8位上,苯环和吡啶,二. 喹啉及其衍生物1. 结

17、构2. 化学性质（与吡啶相似）, 亲核取代,取代主要发生在吡啶环C2位上, 还原,1，2，3，4-四氢喹啉, 亲核取代取代主要发生在吡啶环C2位上 还原 1, 氧化,3制备Skraup（斯克劳普）合成法,与大多数氧化剂不发生反应。,苯胺、甘油一定条件下反应制得。, 氧化 3制备Skraup（斯克劳普）合成法与大多,. 生物碱（含氮碱性化合物）-概论,一. 性质（存在于生物体内具有碱性和明显生理活性的含氮有机物）,1游离生物碱一般是无色固体。有苦味。2能与无机酸或有机酸结合成盐。3沉淀反应4颜色反应（使生物碱发生颜色反应的试剂叫生物碱显色剂）,（遇一些试剂能发生沉淀，该试剂叫生物碱沉淀剂。）,提

18、取、精制、检查和鉴别生物碱,. 生物碱（含氮碱性化合物）-概论一. 性质（存,二. 生物碱的提取方法,1有机溶剂提取法2稀酸提取法,1.烟碱 颠茄碱 麻黄碱 金鸡纳碱喜树碱 吗啡碱小檗碱 咖啡碱,三. 几种重要的生物碱,二. 生物碱的提取方法 1有机溶剂提取法 1.烟碱,生物碱的涵义、存在及制取,生物碱：从动植物中得来的一类含氮的具有碱性的化合物称为生物碱（alkaloids）。存在：在植物中分布很广，一种植物可有多种生物碱，如：罂粟中有20多种生物碱；一般与有机酸成盐形式存在(如苹果酸盐、琥珀酸盐、草酸盐、柠檬酸盐等)。制取：用强酸稀HCl、稀H2SO4溶液等使其游离，萃取、沉淀、再萃取,生

19、物碱的涵义、存在及制取生物碱：从动植物中,生物碱的通性,1. 生物碱由C、H、O、N组成，少数有Cl、S元素；多数为无色固体，少数为液体；有固定的熔点、沸点，有苦味。2. 生物碱有旋光性，多数为左旋，有明显的生理效应。 3. 生物碱一般不溶或难溶于水，易溶于有机溶剂，它们的盐溶于水。4. 有碱性，碱性受N的杂化状态、电子效应、空间效应的影响；这一性质是生物碱分离、提纯的基础。5. 生物碱能被多种试剂沉淀于水或酸溶液中。6. 一些浓的无机酸和少量试剂是生物碱的显色剂。,生物碱的通性1. 生物碱由C、H、O、N组成，少数有Cl、S,重要的生物碱,1. 烟碱,烟碱 俗称尼古丁；左旋L-(-)体；毒性

20、强。,尼古丁少量吸入会刺激中枢神经，增高血压；大量吸入则抑制中枢神经系统，使呼吸停止和心脏麻痹。,在农业上烟碱用作杀虫剂。,(维生素P)一种营养物质,重要的生物碱1. 烟碱烟碱 俗称尼古丁；尼古丁少量吸,2. 颠茄碱类(1) 阿托品,阿托品是酯，具有止痛、改善血液微循环的作用。,(2) 古柯碱,麻醉作用结构,2. 颠茄碱类茛菪醇dl-茛菪酸阿托品是酯，具有止痛、改善血,古柯碱是一种局部麻醉剂， 其缺点是：容易成瘾，毒性很强，可使呼吸中枢麻痹而致死。,(奴佛卡因),(潘特卡因),以上两种局部麻醉剂是人工合成的，工业上大量生产。,古柯碱是一种局部麻醉剂， 其缺点是：容易成瘾，(奴佛卡因)(,3.

21、金鸡纳碱(奎宁),金鸡纳碱是优良的治疗疟疾的药物。,3. 金鸡纳碱(奎宁)金鸡纳碱是优良的治疗疟疾的药物。,从几万种化合物中筛选出的治疗疟疾疾病的药物：,阿的平,扑疟母星,氯奎宁,百乐君盐酸氯胍,从几万种化合物中筛选出的治疗疟疾疾病的药物：阿的平扑疟母星氯,4. 常山碱,常山碱,异常山碱,常山碱的抗疟作用强,但毒性太大,不能直接服用。,4. 常山碱常山碱异常山碱常山碱的抗疟作用强,但毒性太大,不,5. 罂粟碱和吗啡碱,含在鸦片中，是罂粟果流出的乳汁的干燥物；有抑制痉挛作用。,5. 罂粟碱和吗啡碱NCH3OCH3OCH2OO罂粟碱CH3,或,吗啡碱有麻醉、安眠、止痛的作用。,或吗啡碱有麻醉、安眠、止痛的作用。,6. 咖啡碱（茶碱）,或,咖啡碱对人体具有兴奋、止头痛、利尿作用,6. 咖啡碱（茶碱）或咖啡碱对人体具有兴奋、止头痛、利尿作用,7. 利血平又称蛇根草素。,1956年美国化学家Woodward R B 完成全合成。利血平具有降血压作用。,7. 利血平又称蛇根草素。NHNCH3OCCH3OOCOO,8. 其它非杂环族的生物碱(1) 麻黄碱（麻黄素）,左旋体具有疗效，能止咳、止喘。,(2) 秋水仙碱,8. 其它非杂环族的生物碱左旋体具有疗效，能止咳、止喘。ON,