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杂环化合物及生物碱教材

第十一章杂环化合物及生物碱

杂环化学是有机化学的一个重要组成部分。所有的有机化合物,从结构上可以分为两大类,即链状化合物和环状化合物。在环状化合物中,所有的“环节”原子都是碳原子组成的,称为环状化合物。如果在“环节”原子中除了碳原子以外,还含有一个或者多个非碳原子时,则称为杂环化合物。杂环化学就是研究杂环化合物的化学。

杂环化合物中的非碳“环节”原子称为杂原子。在有机化学中,周期表中碳以外的其他元素,通常被看成是杂原子,并用以构成杂环化合物。实际上,到目前为止,有些元素——如零族和第Ⅱ族元素等,还尚未发现由它们组成的、稳定的杂环化合物。另外,金属元素的原子也能参与构成环状结构的分子,然而这种分子的键型结构和物理、化学性质都与一般的化合物不同,通常把它们称作金属有机化合物,而不作为杂环化合物来讨论。

在杂环化合物中,各种不同的“环节”原子的排列组合方式和键合类型是多种多样的,所以如此构成的杂环化合物的数目是十分的惊人的。据统计,在现今已知的有机化合物中,杂环化合物的数量,占总数的65%以上。因此,杂环化合物在有机化学的各领域研究中都占有极其重要的地位。

杂环化合物不仅种类繁多,而且在自然界中分布较为广泛。具有生物活性的天然杂环化合物对生物体的生长、发育、遗传和衰亡过程都起着关键性的作用。例如:在动、植物体内起着重要生理作用的血红素、叶绿素、核酸的碱基、中草药的有效成分——生物碱等都是含氮杂环化合物。一部分维生素、抗菌素、植物色素、许多人工合成的药物及合成染料分子结构也含有杂环。杂环化合物的应用范围极其广泛,涉及医药、农药、染料、生物膜材料、超导材料、分子器件、贮能材料等,尤其在生物界,杂环化合物几乎随处可见。

在此,就不对杂环化合物品种多样性、应用广泛性进行过多的陈述。以下将杂环化合物中具有代表的几种物质向读者进行简要的介绍。最常见的杂原子是氧、硫和氮。如:

O O

S S 呋喃四氢呋喃噻吩四氢噻吩

N

N

O N

吡咯 四氢吡咯 吡喃 吡啶

N H

N

N

N

N

N

咪唑 吡嗪 喹啉 吲哚 以上所列只是一小部分杂环化合物的母体。在杂环化合物中,成环的原子数,环中杂原子的种类(除O ,S ,N 外,还可以是B 、P 、Si 等等多种原子)和数目,环系的饱和程度等各不相同,同时还有单环或稠环体系以及由它们衍生的许多化合物。按定义,在前面一些章节中曾经遇到的内酯、内酐、交酯、内酰胺等,也应属于杂环化合物,但这些化合物的性质与相应的开链化合物相同,而且很容易开环形成开链化合物,因此一般不将这些化合物归入杂环化合物章节中讨论。本章所讨论的杂环化合物是指那些环系构成了环闭共轭体系的杂环,它们具有不同程度的芳香性,它们与不具环闭共轭体系的杂环化合物在性质上有较大的区别。

第一节 杂环化合物及生物碱

一、杂环化合物和生物碱

1.分类

杂环化合物可按环的大小分类,其最重要的是五元杂环和六元杂环两大类;又可按照杂环中杂原子数目的多少,分为含有一个杂原子的杂环及含有两个或者两个以上杂原子的杂环;还可以按照环的形式分为单杂环和稠杂环。上述分类方法是以环 的骨架为基础的。

2.命名

杂环化合物的中文命名有两种方法。一种是外文名词音译,并以一口字旁表

示是环状化合物,例如“呋喃”、“噻吩”、“吡咯”等,分别读作“夫南”、“塞分”、“比络”。另一种方法是以相应于杂环的碳环命名,也就是将杂环看作是相应的碳环化合物中碳原子被杂原子替代而成的产物。下面括号中的名称就是按照这种命名方法命名的。按照音译得来的名称与机构之间没有联系,而后一种方法则能够反映出结构特点。但一般习惯采用的还是音译的名称。根据1980年中国化学会颁布的有机化学命名原则,只对物特定名称的杂环才采用以其相应的碳环作母体的命名方法,所以下面列出环系,一般不采用括号中的名称。

2.1 五元杂环

O

S

N

呋喃(furan) 噻吩(thiophene) 吡咯(pyrrole)

N N 1

3

45

2

N

N

N

S

咪唑(imidazode) 吡唑(pyrazole) 噻唑(thiazole) (1,3-二氮杂环戊二烯)(1,2-二氮杂环戊二烯) (1-硫-3-氮杂环戊二烯) 相应于上述各杂环的碳环是环戊二稀、按照第二种命名方法,上述杂环就叫某环戊二烯。

单杂环编号时是以杂原子为1,如环中有两个相同的杂原子,则由取代基(或H )的一个杂原子开始,如果环中有两个或几个不同的杂原子,则按照O —S —N 的顺序编号,杂原子的号数应最小,如噻吩则是S 为1。有时也常以α,β表示不同碳原子的位置,与杂原子相邻的为α。

2.2 六元杂环

O N N N

N

N

吡喃 吡啶 嘧啶(pyrimidine) 吡嗪

(pyrazine )

(氮杂苯) (1,3-二氮杂苯) (1,4-二氮杂苯) 相应于吡喃的母体碳环是1,4-环己二烯,而相应于吡啶、嘧啶、吡嗪的碳环则是苯。

2.3 稠杂环

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N H

N

N

H

N

吲哚 (indole) 嘌呤(purine) 茚 (氮杂茚) (1,3,7,9-四氮杂茚)

相应于吲哚、嘌呤的母体活性碳环是茚,而相应于苯并吡喃、喹啉、异喹啉及蝶啶的母体碳环是萘。

N

O

N

N N

N

N

苯并呋喃(benzopyran) 喹啉 异喹啉(isoquionline) 喋啶(pteridine) (氧杂萘) (1-氮杂萘) (2-氮杂萘) (1,3,5,8-四氮杂萘)

稠杂环常用有其特定的编号方法,如嘌呤、喋啶等。 二、杂环化合物的结构 1.五元杂环化合物的结构

从这三种杂环的经典结构式来看,它们都具有共轭二烯的结构,具有醚、硫醚、胺的化学性质。然而它们除了有加成反应倾向外,其典型化学性质却类似苯,能起亲电取代反应如硝化、磺化、卤化等,具有一定芳香性。结构上可看作苯环中的一个22CH CH -=-链节被杂原子(O 、S 或NH)置换而成的。杂原子上的一对p 电子代替了22CH CH -=-上的一对π电子。根据物理方法证明,呋喃、噻吩和吡咯是一个平面结构,环上每个碳原子的p 轨道上有一个电子,杂原子p 轨道上有两个电子,p 轨道垂直于五元环的平面,互相重叠构成闭合共轭体系,其π电子数

为6个,符合休克尔4n+2规则。同时从核磁共振谱上亦显示有类似苯环的环电流影响,使环上质子的吸收峰移向低场,δ值在7左右。所以这三个五元杂环均具有芳香性,其分子结构见图 。

O

e

-

e -e -

e -2e -2e -

S

e -

e -e -

e -2e -2e -

呋喃的分子结构 噻吩的分子结构

N

e -e -e

-

e -2e -2e -H

吡咯的分子结构 图 五元杂环的分子结构

呋喃、吡咯和噻吩分子的π电子云分布如图 。

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X O = 呋喃 X S = 噻吩 X NH = 吡咯

环形π电子云分布于杂环平面的上下两方

噻吩、吡咯、呋喃的共轭能分别为125.5kJ/mol 、90.4kJ/mol 、71.1kJ/mol

2.六元杂环化合物的结构

吡啶的构造式是:

N

吡啶的构造与苯类似,构成环的原子(碳原子和氮原子)处在同一平面内,形成一个六个 电子参与的环状共轭体系。符合Huckel规则,具有芳香性。

三、杂环化合物的化学性质

1.取代反应

1.1 呋喃

呋喃具有芳香性,能发生环上的亲电取代反应。

1.1.1 卤化在常温下,呋喃直接用氯气氯化时反应进行得很剧烈,甚至有爆炸的危险。在-40℃度时用氯气氯化则可得到2—氯呋喃,但产率不稳定,不可避免地生成一部分2,5-二氯呋喃。这表明呋喃的亲电取代很容易进行。呋喃的溴化常在二氧六环的溶剂中进行。使用二氯六环为溶剂,一方面降低反应物的浓度;另一方面可以吸收反应放出的热量,使反应不致过于剧烈。

O +Cl2

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O O

+

Cl Cl Cl

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产率不稳定

O

+Br2

O

Br

二氧六环

1.1.2 硝化呋喃容易被强酸破坏,所以直接用硝酸或硝酸-硫酸的混合物硝化得不到硝基呋喃。硝酸乙酰酯是比较温和的硝化剂,可以用来硝化活性大的杂环化合物。硝酸乙酰酯使用乙酐和硝酸在低温情况下制备。

CH 3COCCH 3

O O +HONO 2

CH 32

O

+

CH 3COH

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O

用硝酸乙酰酯硝化呋喃,在低温条件下,可得到2-硝基呋喃,但产率一般不高。

CH 3CONO 2

O

+

O

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O

NO 2

+CH 3COH

O

1.1.3磺化 硫酸是强酸,不能用来磺化呋喃。磺化呋喃的常用的磺化剂是吡啶—三氧化硫络合物。反应一般是在二氯乙烷中进行。

+

O

N SO

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3

CH 2ClCH 2Cl

常温

O

SO 3H

+-

1.1.4 Frieldel-Crafts 反应 呋喃的Frieldel-Crafts 反应烷基化很难得到一烷基取代产物,反应时不可避免地会产生树脂状物质。呋喃的Frieldel-Crafts 烷基化反应在合成上用途不大。

呋喃的Frieldel-Crafts 酰基化可以得到2-乙酰基呋喃。当用三氟化硼作催化剂时产率较高。例如:

+

O

(CH 3CO)2O

BF 3

CH 3COOH

O

COCH 3

+

CH 3COOH

呋喃卤化、硝化、磺化和Frieldel-Crafts 反应都是亲电取代反应。反应首先是发生在α位,如果α位有取代基,则发生在β位。不管是α位还是β位,反应的活性都比苯高。

1.2 噻吩

噻吩对热很稳定,加热至850℃仍不分解。噻吩的化学性质与苯相似对于亲电取代噻吩的活性比苯大。

1.2.1 卤化 与呋喃、吡咯不同,噻吩可以在常温下用卤素直接卤化,得到

一取代产物。

S

+Br 2

S

Br

+

HBr

常温

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卤化首先发生在 位。一元溴化产率较高,可达78%。噻吩的氯化和碘化也能得到一元取代物。

S

+

Cl 2

S

Cl

50℃

S

Cl

Cl

+

S

+

I 2

HgO

S

I

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1.2.2 硝化 噻吩用硝酸乙酯硝化,主要得到2-硝基噻吩。

CH 3CONO 2

O

+

S

S

NO 2

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1.2.3 磺化 噻吩环对酸稳定,噻吩在常温时用浓硫酸磺化得到2-噻吩磺酸。

+S

S

SO 3H

H 2SO 4

H 2O

+

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噻吩存在于煤焦油中,由于噻吩和苯的沸点很近,所以分馏煤焦油时噻吩和苯一起馏出,两者不能用一般的精馏方法分开。工业上分离噻吩的方法是在常温下,用浓硫酸多次萃取含噻吩的粗苯。噻吩磺化后溶于浓硫酸,而苯不溶。分层后分离出2-噻吩磺酸。在加热的条件下,将2-噻吩磺酸水解,得到噻吩。

+

加热

H 2SO 4

S

SO 3H

H 2O

+

S

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上述方法在工业上用来精制煤焦油粗笨,以便得到精苯——去噻吩苯。 噻吩也可以用温和的磺化基吡啶—三氧化硫磺化。

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