第十四章- 杂环化合物与生物碱

NH 2 N H Kb 3.8 × 10-10 2.5 × 10-14 N H 2 × 10-4 原因： N 上的未共用电子对 参与了环的共轭体系， 减弱了与 H 的结合力。
吡咯具有弱酸性，其酸性介与乙醇和苯酚之间。
OH N H Ka = 1.3 × 10-10 1× 10-15 CH 3CH 2OH 1 × 10-18
可以成为杂原子，但最常见的是O、S和N。
但不包括极易开环的含杂原子的环状化合物：
O C O C
N-H
因其性质与相应的脂肪族化合物较相似，因此并入 脂肪族化合物中讨论，而不列为杂环化合物。
O
14.1 杂环化合物的分类与命名
本章讨论的杂环化合物主要环内有 4n+2个 π电子处于
环闭共轭体系中，统称为芳(香)杂环化合物。
N H
S
H2,MoS 2
S
200 C,20MPa
。
KMnO 4 四氢噻吩
O
S
O
含硫，可使催化剂中毒!
环丁砜，重要溶剂
3 2
4
O O
O
+
O
O
3 2 1
4
O C C O O
1
ß « » à » ·¾ ß Ð Ó ¹ ² î Ë é « © Ï µ Ä Ð Ô Ê Ö ¡ £
(3)傅-克酰基化反应:
(4) 吡咯的弱碱性和弱酸性 吡咯虽然是一个仲胺，但碱性很弱。
的形式沉积在关节、软组织、软骨和肾脏中，引起组织的异
物炎性反应，就叫痛风。
14.4 生物碱
生物碱是生物体内一类具有一定生理活性的含氮有机 化合物。多数属于仲胺、叔胺和季铵类，少数为伯胺， 常含氮杂环结构，且多具有碱性。
几种常见的生物碱: 1：烟碱，尼古丁(nicotine)
存在于烟叶中，有剧毒。少量 对中枢神经有兴奋作用，大量则 抑制中枢神经，出现恶心、呕吐, 使心脏麻痹以至死亡。1978年美 国报告，1支烟含烟碱0.05~2.5mg.
CH3
含吡啶环及四氢吡咯环
H N
仲胺
例2：可卡因(cocain) CO2 CH3
存在于大麻、鸦片中， 为中枢神经兴奋剂，可 致欣快症。为成瘾毒物。
H
H O-C-C6H5 O
例3：吗啡(morphine) 、可待因(codein)和海洛因(heroin) RO R=R1=H N R1 O morphine codein
以苯环上碳原子的电荷密度为标准（作为 1），则五
元杂环化合物的有效电荷分布为（以吡咯为例）：
1 0
0 1 0 1 0 1
1 0
0 1
1.10 - 0.03 N O 0.68 + 0.1H
- 0.02
1.06
- 0.04 - 0.06 富电子芳杂环 N S H + 0.20
- 0.06 - 0.10 + 0.32
乙酰基硝酸酯(CH3COONO2)，一种弱的 硝化试剂，常在低温下进行 醋酸硝酰， 一种弱的硝化试剂
硝化 硝化 O
+ CH3COONO2 + CH3COONO2
O
NO2 NO2
不用强酸，否则呋 喃
或噻吩开环聚合！
S
S
ßà ¤ßßßß ò ßßßßßßßßß
» » Ç ¯ 磺化
C5H5N SO3
O
C5H5N SO3
O
SO3H » Ä ² Ü Ó Ã Ç ¿ Ë á £ ¡ SO3H
2－吡咯磺酸
N H
¨ H2SO4 Å
N H
S
Ò Î Ê Â
S
SO3H
¨± £ ½ Ô Ú Ê Ò Î Â Ï Â ² » Ä Ü » Ç ¯ » ¡ £ £ ©
(2)加成:
O N H
+ H2 +
H2
Pd
O
Pd
ß ¨THF,Ö Ø Ò ª È Ü ¼ Á ß Ä Ð Ô Ê Öß ß ¨ß Á ¿ © Í é ¬ £ R2NHµ
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。
二、 吡啶的结构
吡啶中氮原子采取不等性sp2杂化：
p N sp 2 p 结果是： sp 2 N
由于吡啶环中有6中心6电子的大π键，符合休克尔 4n+2规则，所以吡啶环亦有芳香性。但由于键长未完全 平均化，其芳香性不及苯。
CH3
HNO3或 KMnO4，D
CO2H
b-吡啶甲酸(烟酸)
KMnO4，D
CO2H
Na + C2H5OH H 六氢吡啶(哌啶) (95%) H2 / Pt ,乙酸 H
3、稠杂环
4 5 6 7 3 1 2 6 7 8 1 5 4 3 2
吲哚
苯并吡咯
喹啉 苯并吡啶
应用：
CH2COOH N H β 吲哚乙酸 植物激素，少量能调节植物生长，量大则杀伤植物。 如在侧链多一个 CH2 就失去生理效能。
中是最大的。N的电负性 (3.0)在O、S之间，故吡咯的芳香
性介于呋喃与噻吩之间。
芳香性 (环的稳定性)：苯 > 噻吩 > 吡咯 > 呋喃
五元杂环化合物——呋喃、噻吩、吡咯的反应
为富电子芳杂环，亲电取代比苯容易。 亲电取代活性：呋喃、吡咯 > 噻吩 > 苯
亲电取代反应主要在 α-位发生；若 α-位两个位 臵已有基团存在，则亲电取代在β位发生。
SO3
Á ßß I- ¨
¤¼ à ¾ ï §Ñ Î ß ß
N
+ SO3
¨ß £ Á à ¤È ý Ñ õ » ¯ Á ò £ ¬  º Î Í » Ç » ¯ ¼ Á £ ©
(2) 亲电取代
比苯难得多，吡啶不发生傅 - 克反应。
亲电取代主要发生在β-位上。
ßß
N N N
+ Br2
ß 300 C
Ò Ô É Ï
碱性比较：脂肪胺 >>
Kb： ~ 10-5 2.3×10-9
> ≈ 苯胺
3.6×10-10
Question：吡啶、吡咯、苯胺、哌啶四种化合物碱性强弱顺序？
î Ð ¼ Ô £ º
NH2 N H N N H
+
N
+ HCl
N H
+
Cl ¨ Á ßß
-
¤Ñ à Î Ë á Ñ Î £ ©
N
+ CH3I
N CH3 N+
1.43 1.58
1
1 1
1 > α >γ
亲电取代 β 位 亲核取代 α ， γ 位
在性质上，亲电取代、氧化变难，亲核取代、还原变易；
另外 N 能给出其未共用电子对，具有一定程度的碱性，可成盐。
14.3 杂环化合物的化学性质
1、呋喃、噻吩、吡咯的反应
杂环中的p电子云分布不象苯环那样均匀，环的稳定性 因而不如苯。O的电负性(3.5)较大，故呋喃环p电子共轭程 度较弱，芳香性最小。S的电负性(2.5)在三者中为最小，且 S为第三周期元素，原子半径较大，原子核对共轭 p电子的 吸引力较小，故噻吩环p电子共轭程度较大，芳香性在三者
sp 2轨道
噻吩(
S )具有与呋喃相似的结构。
14.2 杂环化合物的结构
环状离域的大π 键, 5个原子共用 6个电子,为 富π电子体系。
呋 喃 环中的杂 原子O (噻 吩 中 为 S) 的 1 个 sp2 杂化轨道 上有一对 未共用电 子对。
S sp2
五元杂环为 Π56 共轭体系，电荷密度比苯大，如
2.生物碱的沉淀反应: 生物碱可与生物碱试剂（如苦
味酸、碘化汞钾等）发生沉淀反应。
常用的生物碱沉淀试剂(反应通常在酸性介质中进行)
名称
Dragendorff
Mayer试剂
试剂组成
碘化铋钾 BiI3· KI
沉淀组成
现象
B· BiI3· HI 多为红棕色
碘化汞钾 HgI2· 2KI B· HgI2· 2KI 白色(过量则溶)
第十四章 杂环化合物与生物碱
本章讲解：
1、杂环化合物的分类与命名——掌握 2、杂环化合物的结构——理解 3、杂环化合物的化学性质——理解
4、生物碱——了解
14.1 杂环化合物的分类与命名
“杂环”就是组成环的原子除C外，还含有其它元素的原
子，这些非碳原子统称为杂原子。原则上二价以上的元素都
HO CH CH 3O
N
CH CH 2
N 奎宁（金鸡钠碱） 存在于金鸡钠树皮中，有抗疟疾疗效
嘌呤
——有特定的编号
1
2 3
6
N
NH2
N
N N H
5
4
7
9 8
6 - 氨基嘌呤
嘌呤在水溶液中可发生酮式-烯醇式互变异构。 在晶态时以7H-嘌呤存在。
1
9 3
7
1
7
3
9
9H-嘌呤
7H-嘌呤
嘌呤的取代衍生物:
注意：这些杂环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（遇强酸及氧化剂很容易 使环破坏）。
(1) 亲电取代
卤代 卤代
1,4-二氧六环 25 C，75%
O
+
Br2
Br2
。
O
+ Br
HBr
S
乙酸/室温 Br2
S
Br Br
（2-溴噻吩）
Br Br （四溴吡咯）
N H
乙醇（稀释）/℃
Br
N H
NH2
NH2
6-氨基嘌呤 (腺嘌呤)
OH
OH