第一节 杂环化合物的分类和命名 一、杂环化合物的分类 杂环化合物分为芳香杂环和非芳香杂环两类 非芳香杂环:环醚、内酯、交酯、环状酸酐、内酰胺等。如: O O O O O O R O O O R O O R O O C O C O 18- 冠-6 CH3 N O O H 芳香杂环: 含一个杂原子 五元环 含多个杂原子 单杂环 含一个杂原子 C H2C H2C OOH 血红素 CO与血红蛋白配合的能力比氧大200倍! 四、青霉素 R E NH2 活性酶 H N HS O N O O 青霉素 OH H N HS R O O HN NH OH O E 无活性酶 H N HS R H N HS R O N O 青霉素酶 OO HN OH OH O O OH 第二节 芳香六元杂环 一、吡啶的结构 环中的五个碳原子和一个氮原子均以sp2杂化轨道相互重叠形成σ键,每 个原子提供一个p轨道相互平行形成大π键。符合Hückel规则,具有芳香性。 1 1)卤化 吡咯、呋喃、噻吩的卤代不需要催化剂,在较低温度 下就能进行。 Br Br2/乙醇 Br N H 0℃ Br N H Br Br2/二氧六环 O 0℃ 80% O Br Br2/乙醇 S 0℃ 78% S Br 2)硝化 吡咯、呋喃、噻吩遇强酸及氧化剂很容易使环破坏, 所以其硝化反应需要在比较温和的条件下进行 NO2 CH3COONO2 N NaOH/Ac2O/5℃ H + N - SO3 N SO 3H H 90% ++ O N HCl 二 氯 乙 烷 SO3 O SO3H 9 5 % H 2 S O 4 6 9 % ~ 7 6 % S S S O 3 H 4)傅-克酰化反应 呋喃、吡咯和噻吩用酸酐或酰氯在傅 氏催化剂作用下发生酰基化反应。 A c2O N H 150℃ ~200℃ 60% N H C O C H 3 ❖ 噻吩存在于煤焦油的粗苯及石油中,在浓硫 酸存在下,与吲哚醌一同加热显示蓝色,反应灵 敏。可用来检验噻吩。 ❖ 吡咯存在于煤焦油和骨焦油中,其蒸气或其 醇溶液能使浸过盐酸的松木片呈红色,此反应可 用来鉴定吡咯。 ㈠、吡咯的酸碱性 吡咯是一种很弱的碱(pKb=13.6) 原因:N上的一对电子参与了共轭。 一、吡咯、呋喃和噻吩的结构 吡咯、呋喃和噻吩这三个化合物都是平面型分子。碳原子与杂原子均以sp2 杂化,并以σ键相互连接构成五元环。每个碳原子和杂原子都剩下一个未参与 杂化的p轨道,互相平行。碳原子的p轨道有一个p电子,而杂原子的p轨道有 2个p电子,形成了一个环型封闭的6π电子共轭体系,π电子数符合休克尔 (Hückel)规则。因此,呋喃、噻吩、吡咯都表现出与苯相似的芳香性。 环上电子云密度分布不象苯环那样均匀,所以呋喃、 噻吩、吡咯分子中各原子间的键长并不完全相等,因 此其芳香性比苯差。由于杂原子的电负性强弱顺序是: 氧>氮>硫,所以芳香性强弱顺序如下:苯>噻吩> 吡咯>呋喃。 二 、吡咯呋喃和噻吩的性质 ❖ 呋喃存在于松木焦油中,其蒸气遇到浸过盐 酸的松木片时呈绿色,叫做松木片反应。此现象 可用来鉴定呋喃。 + N NO2 H 83% N H 7% O C H 3 C O O N O 2 -5 ~ -3 0 ℃ 3 5 % O N O 2 C H 3 C O O N O 2 S A c2 O /0 ℃ 7 0% S N O 2 3)磺化 呋喃、吡咯必须用吡啶的三氧化硫加合物作为磺 化剂,噻吩可直接用硫酸磺化。 + N H 1 0 0 oC 2,6,8-三羟基嘌呤 尿酸难溶于水。正常人血浆中含尿酸 2~6mg%。每天由尿中排出0.5~1g。 第十四章 要点 1、杂环化合物的命名结构式的写法 2、五元杂环和六元杂环的化学性质 3、生物碱的定义及用途 NN H3C CH3 Me Me Me ROOCCH2CH2 R= Me2CH(CH2)3CH(CH2)3CH(CH2)3C=CHCH2 CH3OOC O 铜可取代镁,仍显绿色,且更稳定。常用来浸制 植物标本。 C H=C H2 C H3 H3C H3C N N + Fe C l- N N C H=C H2 C H3 HOOC CH2C H2 O A c2 O B F 3 7 5 % ~ 9 2 % O C O C H 3 A c2 O S H 3P O 4 94 % S C O C H 3 (三)、加成反应 O H 2 /N i O 四 氢 呋 喃 ( T H F ) N H H 2/P d N H 四 氢 吡 咯 ( 吡 咯 烷 ) H 2/M oS2 S S 三、吡咯的衍生物 ( 7 1 % ) β -吡 啶 磺 酸 2、亲核取代反应 亲核取代反应的位置:α位和γ位,特别是α位。 原因: α位和γ位电子云密度低 NaNH2 100℃ N N NH2 当α和γ位有好的离去基团(卤素,硝基等)时,弱的 亲核试剂(NH3,H2O等)就能反应。 Cl OH NaOH,H2O N N 4-羟基吡啶 (四)、氧化与还原 O HN HO N O N 存在于RNA中 H 尿嘧啶(U)(2,4-二羟基嘧啶) OH O N HO N CH3 HN ON H CH存3 在于DNA中 胸腺嘧啶(T)(5-甲基-2,4-二羟基嘧啶) 第四节 稠杂环化合物 一、嘌呤 6 1N 5 N7 2 9 N4 N 8 3 H 白色的固体,熔点216~217℃, 易溶于水。嘌呤呈中性,可 与酸和碱成盐。 (三)、亲电取代与亲核取代反应 1亲电取代 亲电取代反应位置:β位。 原因: β位电子云密度较大。 300℃ Br N Br2 N (33%) β-溴吡啶 N H N O 3 , H 2 S O 4 N O 2 K N O 3 , 3 0 0 ℃ N ( 2 0 % ) β -硝 基 吡 啶 N 2 5 0 ℃ S O 3 H 发 烟 H 2 S O 4 N .. .. . .N 未参与共轭 未参与成键 sp2 二、吡啶的性质 (一)水溶性 能与水互溶(其氮原子上的一对未公用电子 对能与水形成氢键) (二) 碱性 原因:N上的孤电子对未参加共轭。 碱性顺序:脂肪胺>氨气>吡啶>苯胺>吡咯 pKb: 4.8 8.8 9.4 13.6 N+HCl NHCl 或 +NHCl 吡啶盐酸盐? 1 4-甲基嘧啶 4 N3 5S 2 OH 1 2-羟基噻唑 4 N3 5 H N1 2 NH2 2-氨基咪唑 5 6 7 8 4 CH3 3 N2 1 3-甲基异喹啉 6N H 2 1N 5 7 N 3 9 N4N H 6-氨基嘌呤 2、当侧链为羧基、磺酸基、醛基等时:一般把杂环作取代基。 CHO O 2-呋喃甲醛(糠醛) COOH N 3-吡啶甲酸 第二节 五元杂环化合物 吡啶环比苯环难氧化 ,环上连有烃基时,侧链可被 氧化 CH3 KMnO4 △ N N 吡啶还原后生成饱和的仲胺哌啶 COOH + 3H2 Pt N N H 三、嘧啶及其衍生物 N 无色固体,熔点22℃,易 溶于水,有弱碱性。 N NH2 N HO N NH2 N ON H 存在于DNA中 胞嘧啶(C)(4-氨基-2-羟基嘧啶) OH N N N NN H 9H-嘌呤 7H-嘌呤 N N NH N 二、嘌呤的衍生物 1、腺嘌呤和鸟嘌呤(RNA和DNA中均有) 腺嘌呤(A) (6-氨基嘌呤) NH2 N N OH N N NN H O HN N NH2 N N H NH2 N N H 鸟嘌呤(G)(2-氨基-6-羟基嘌呤) 2、尿酸 O HN ON H 尿酸 NH O N H OH N N HO N N OH H 吡咯存在于煤焦油和骨油中,无色液体,有弱 的苯胺味。 其衍生物广泛存在于自然界中。如:血红素、叶绿素、 VB12及各种生物碱。 N HN 卟 NH N 吩 卟吩环是卟啉化合物的母体,具有芳香性。叶绿 素和血红素都是卟啉化合物。 CH=CH2 R1 H3C N 2+ N Mg CH2CH3 R1=CH3 叶绿素a(蓝绿色) R1=CHO 叶绿素 b(黄绿色) 六元环 含多个杂原子 4 3 51 2 O 4 3 5 12 S 4 3 5 N1 2 H 呋喃(furan) 噻吩(thiophene) 吡咯(pyrrole) 43 4 3 N 4 3 N 4 3 N 5 1 N2 N H 吡唑 4 5 12 N H 咪唑 51 2 O 噁唑 4 5 12 S 噻唑 5 61 3 5 2 吡啶(pyridine) 6 β′4 3 β α′5 1 O α 2 C H 3 2-甲基呋喃 α-甲基呋喃 C H2C H2C H3 N 4-丙基吡啶 γ-丙基吡啶 NO2 N H 3-硝基吡咯 β -硝基吡咯 5 6 7 8 4 3 CH3 N2 1 3-甲基异喹啉 ②含多个杂原子时:按 O,ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ,NH,N 的顺序使杂原子的 编号最小。有固定编号的例外。 CH3 4 5 N3 6 N2 1 3 γ-吡喃 2 N O N N N N 哒嗪 N 嘧啶 N 吡嗪 5 4 5 4 4 6 36 35 3 苯稠杂环 稠杂环 7 8 N 1 27 8 N2 6 1 7 12 N H 喹啉 异喹啉 吲哚 杂 环 稠 杂 环 6 1N 5 N7 嘌呤 2 9 N4 N 8 二、命名: 3 H 音译法:“口”字旁+英文译音。 1、当环上有取代基时:一般以杂环为“母体”。 编号原则:①含一个杂原子时:把杂原子作1号,沿着使取代 基编号最小的方向用阿拉伯数字给环编号;或用希腊字母编号, 与杂原子相连的碳为α-位,依次为β- ,γ-位。 N O S H NH O S 在呋喃、噻吩、吡咯分子中,由于杂原子的未共用 电子对参与了共轭(6个π电子分布在由5个原子组成 的分子轨道中),使环上的电子云密度增加,因此环 中碳原子的电子云密度相对地大于苯中碳原子的电子 云密度,所以此类杂环称为富电子芳杂环或多π电子芳 杂环。比苯容易进行亲电取代。 由于杂原子氧、硫、氮的电负性比碳原子大,使得 在吡啶的分子中,由于氮原子电负性大于碳原子,电子云向氮原子偏移,使 得环上的电子云密度分布不均,所以其芳香性比苯差,由于氮原子的吸电子作 用,使吡啶环上碳原子的电子云密度相对降低,因此环中碳原子的电子云密度 相对地小于苯中碳原子的电子云密度,所以此类杂环称为缺电子芳杂环。 0.87 1.01 0.84 N 1.43 吡咯具有一定的酸性(pKa=17.5) 原因:N 的给电子共轭效应,使得N上的电子云 密度降低,N-H键的极性增加。 +KOH △ N H - + H2O N K+ ㈡、亲电取代反应 亲电取代反应的位置:主要是α位。 原因: α位的电子云密度高。 N O S H 溴代反应的相对活性 3×1018 6×10 11 5×10 8 杂环化合物 定义:成环原子中除碳原子外还含有非碳原子的有 机化合物。 杂原子:环中的非碳原子。常见的杂原子有:O、S、N。 90%以上药物和60%以上的有机化合物为杂环化合物。 叶绿素(它为植物提供绿色) 血红素(它赋予血液以鲜红的颜色) 花色素使得鲜花呈现五彩缤纷的色彩,它们都是杂环化合物 核酸中的杂环(嘧啶和嘌呤)部分对DNA的复制起着至关重要 的作用并使生命得以代代相传,基因代代延续; 杂环化合物通常是酶和辅酶中催化生化反应的活性部位。 正是由于其存在,自然万物才有了勃勃生机 。