含氮及杂环化合物页PPT文档

O
C N(C2H5)
N
烟酰二乙胺(可拉明)
CONHNH2
N
异烟酰肼 (雷米封)
CH2OH
HO
CH2OH
H3C N
维生素B6
O
H HS
NH
·H2O
NH2
N
O
CH3
COOH
头 孢 氨 苄 ( 先 锋 霉 素 I V)
N NH 烟碱(尼古丁)
O H3C
CH3
NN
O NN
咖啡碱 CH3
CH CH2 CH3
杂环化合物：环中含有杂原子的环状化物。
常见的杂原子有：O、S、N。
• 已经学过的杂环化合物：
• 这些化合物容易开环，的性质与相应的脂肪族化合 物相近。 本章主要讨论的是最重要的、最令人感兴趣的那 些环比较稳定，具有芳香结构和芳香性的杂环化 合物。（简称芳杂化合物）。
12.1 杂环化合物的分类、命名和结构
有一定程度的不饱和化合物的性质(发生加成反应)。 （1）取代反应—— 位取代 • 溴代：
• 硝化（缓和试剂）：
• 磺化（缓和试剂）：
吡啶与SO3的络合物
傅-克酰基化反应 （使用缓和路易斯酸催化剂）
结论：五元多π芳杂环的亲电取代 a.反应活性比苯大； b.使用温和的反应条件； c.反应部位主要为α-位。
常见的杂环有：
呋喃
噻吩
吡咯
吡啶
喹啉
噻唑
嘧啶
吲哚
命名1：带有取代基的杂环化合物
• 母体选择：磺酸、羧酸及其衍生物外，一般 以杂环为母体。
• 杂环的编号：从杂原子开始;环上有多个 相同杂原子时，使杂原子位号符合最低系列 原则；不同杂原子按O、S、N的次序编号。

理学、毒理学和临床研究等方面的内容。
05
有机化学与绿色化学
有机化学的发展趋势
1 2 3
新的合成方法
例如，定向合成、组合合成和高选择性催化等 新技术的开发和应用，极大地推动了有机化学 的发展。
新的反应性和反应机制
例如，电化学和光化学反应以及超分子和纳米 反应器等新技术的应用，为有机化学提供了新 的反应性和反应机制。
总结词
杂环化合物在分子生物学领域具有广泛的应用，涉及多种生物学实验技术。
详细描述
杂环化合物可以作为药物分子、基因治疗剂、分子探针等应用于分子生物学研究中。生物学实验技术包括细胞 培养、基因克隆和表达、蛋白质分离和分析等。这些技术可以用来研究杂环化合物在生物体内的吸收、分布、 代谢和排泄等特性。
杂环化合物的应用研究实验
合成方法
通过取代反应
杂环化合物可以通过取代反应合成，如卤代烃、醇、羧酸等 中的杂原子被其他原子取代。
通过成环反应
某些杂环化合物可以通过成环反应合成，如氨基酸、腺苷等 。
02
杂环化合物的种类与性质
含氮杂环化合物
吡啶
弱碱，碱性来自于氮原子上的孤对电子，可参与多种有机反应。
咪唑
碱性较弱，作为配体参与有机反应。
抗疟活性
青蒿素及其衍生物是具有抗疟活性的重要杂环化合物，通过干扰疟原虫的细胞膜 结构和功能，导致疟原虫死亡。
04
有机化学实验技术
杂环化合物的合成实验
总结词
有机化学实验技术中，杂环化合物的合成 实验是掌握杂环化合物性质的重要环节。
VS
详细描述
杂环化合物的合成实验涉及到多种反应类 型，如缩合反应、取代反应、加成反应等 。在实验过程中需要用到各种不同的试剂 和溶剂，如酸、碱、氧化剂、还原剂等。 实验操作也有一定难度，需要掌握一定的 实验技能和操作技巧。

17.2.2 五元杂环化合物的化学性质
A. 亲电取代反应
X
杂原子的＋C 效应，增加了杂环的 亲电取代反应的活性。 亲电取代反应活性顺序：
> N H O > S >
X = N H ,O ,S
它们在亲电取代反应中，使用温和的试剂： 1. 硝化
一般采用硝酸乙酰酯 CH3COONO2作硝化剂
2. 磺化 吡咯、呋喃通常采用吡啶与SO3的加合物：
• 核磁共振信号大都出现在较低场(芳香性又一证据)
δ 6.24 δ 6.99 δ 6.22 δ 6.43 δ 6.28
O
δ 7.29
S
δ 7.18
N H
δ 6.68
呋喃、吡咯和噻吩的芳香性：比苯环差
呋喃、噻吩、吡咯及环戊二烯的键长/nm X－C1(单键) C2－C3 C3－C4
X = O ,S , N H ,C H 2
M o r p h i n e b a s e
吗啡碱
H e r o i n
海洛因
C o d e i n e
可待因
17.1 杂环化合物的分类、命名
芳香性杂环 非芳香性杂环: 杂环
非芳香性杂环
O
O O 四氢呋喃 1,4–二氧六环
N N N
四氢吡咯
H
2.2]辛烷)
芳杂环化合物 :
H
sp2 –杂化
呋喃
噻吩
杂原子以未共用电子对参与环的共轭，具有给电子 的共轭效应，使得环上电子云密度比苯环大，称其为富 电子芳杂环。
五元杂环化合物中各原子的电子云密度如下：
1.02 1.08 O 0.90 1.04 1.06 S 0.80 1.06 1.10 N 0.68 H

NH3+ Cl-
氯化苯铵
第11页，共56页。
（二）酰化反应
伯胺和仲胺都能与酰氯或酸酐反应，反应时胺分子中氨基 上的氢原子被酰基取代而生成酰胺。
O CH3CH2NH2 + CH3 C Cl
O CH3 C NHCH2CH3
第12页，共56页。
三、重要的胺及胺的衍生物
(一) 苯胺
苯胺为无色油状液体，有刺激性气味，沸点184℃。微溶于水，
第三节 含氮杂环化合物
具有环状结构，且成环的原子除碳原子外，还含有其它 元素原子的化合物，称为杂环化合物。环中除碳原子外的 其它元素的原子称为杂原子。最常见的杂原子是氧、硫、 氮等。
N
N
N
O
S
N H
S
N
NN H
第33页，共56页。
一、杂环化合物的分类、命名
（一）分类
杂环
单杂环
五元杂环 六元杂环
苯稠杂环－ 苯环与杂环稠合 稠杂环
生物碱 H+ 生物碱盐 OH-
(难溶于水) (易溶于水)
第54页，共56页。
二、生物碱
(一) 烟碱
烟碱又名尼古丁，是一种无色至淡黄色透明油状液体，是 烟草中含氮生物碱的主要成分，在烟叶中的含量为1%～3%。露 置空气中渐变棕色，味辛辣，易溶于水和乙醇等。
N
N
CH3
第55页，共56页。
(五) 嘧啶
嘧啶是无色结晶，熔点为22℃，易溶于水，有弱碱性。嘧 啶的衍生物广泛存在于自然界，如构成核酸的碱基尿嘧啶、胞 嘧啶和胸腺嘧啶含有嘧啶环。
O HN ON
H
尿嘧啶
NH2 N ON
H
胞嘧啶
O
HN
CH3

Organic Chemistry
第十三章 杂环化合物
Fuzhou University
Organic Chemistry
第十三章 杂环化合物
(Heterocyclic ompounds)
一. 分类和命名 二. 五元杂环化合物 三. 吡 啶 四. 喹啉、异喹啉
Fuzhou University
Organic Chemistry
N H
C H 2C H 2C O 2C H 3 N H
吡咯不能双烯合成
Organic Chemistry
3. 吡咯的其它性质 吡咯的弱酸性，它的pKa=16.5，比酚弱，比醇强， 可与强碱（NaNH2， KNH2、RMgX）或金属作用。
Fuzhou University
Na , K
N H
或浓NaOH
Organic Chemistry
Br2
300℃ N
Br N 39%
Br2 Br
20℃ N NH2
N NH2 90%
Fuzhou University
亲电取代可以进行，但比较难。 芳环上有给电子取代基时，有利于亲电取代。
Organic Chemistry
3.亲核取代反应，主要生成α位取代产物
Organic Chemistry
一、分类和命名 杂环化合物
单杂环 稠杂环 巨杂环 螺杂环 桥杂环 杂环多面体
Fuzhou University
Organic Chemistry
单杂环
三元杂环 O S
四元杂环
NN S
五元杂环 O
O
六元杂环 NN H
七元杂环
N H
Fuzhou University

(糠醛）
β —CHO
γ 4 5 6
3β 2α
COOH
1 吡啶—3—甲酸 （尼古丁酸 —吡啶甲酸 或烟酸）
N
CH3
4 5
3 N
Br
2
4 5
N S1
2
3
N1 H
5—甲基咪唑
4—溴噻唑
9
稠杂环化合物（P232）
5 6 7 8 N 1 4 3 2
6 7 8 1 5 4 3
N2
喹啉 (quinoline)
糠醛是不具α—氢的芳醛，能进行类似于苯甲 醛的反应。
NaOH
__
O
CH2OH
+
O
__
COONa
O
2
O
__
CHO
康尼查罗反应
OH KCN 乙醇
__
CH___ C___
O
O
安息香缩合反应
O CH3COONa CHO + (CH3CO)2O 150C CH=CHCOOH O
30
普尔金反应
O
CH3COONa CHO + (CH3CO)2O 150C
4β 5α
O 1
β 3 α2
4β 5α
β 3
4β 5α
β 3 α2
呋喃(furan)
1 α2 N H
吡咯(pyrrole)
S 1 噻吩(thiophene)
唑的命名 含有两个或两个以上杂原子的五元杂环，若至少有 一个杂原子是氮时，则该杂环化合物称为唑。
4 5 N H1 3 N2
5 4 N3 2
4 5
N H
＞
O
＞
S
＞
＞
12

约有一半已知的有机化合物中含有杂环结构单元。
* 许多重要的生命活动与杂环化合物密切相关
核酸、蛋白质（20种天然氨基酸中有三个为杂环化合物：组氨酸、
脯氨酸、酪氨酸）血红素和叶绿素、神经递质(5-HT)、维生素(B1, B2, B3, B6, C)、辅酶(NAD+和NADP+)
* 工农业的重要产品
药物、农药、兽药、发光剂、抗氧剂、防腐剂、染料、各种其他功 能的添加剂、有机导电材料等。
呋喃环可被酸断裂，释放1,4-二羰基
A. P. Kozikowski, in Comprehensive Heterocyclic Cheistry, Vol. 1, ed.O. Meth-Cohn, Pergamon Prees, Oxford, 1984, p413 B. H. Lipshutz, Chem. Rev., 1986, 86, 795
人工合成大量杂环化合物
许多药物和大多数实际应用的杂环化合物不 是从天然资源中萃取的，而是人工合成的。
有机化学的发展的一个源泉是依赖于对天然 产物的研究，下面用三类与天然产物有关的 药物为例， 来说明天然产物化学对合成杂环 化学的推动。
与5-羟色胺（Serotonin）相关的化合物
NH
2
HO
N H 5 S e r o to n in (5 -H T )
* 杂环化合物作为有机合成中间体的利用正在不断发展
许多杂环相对比较稳定，能经历多步的合成反应而不 受攻击，然后可在适当的步骤将其断裂释放出需要的 官能团。例如：呋喃类杂环常用来作为潜在的1,4-二 羰基化合物。
R 2 R 3
+ H ,H O 2
R 2 R 1
O
R 4 R 1 O R 4 O R 3

1. 吡啶的结构
5C、1N共面，都是sp2 杂化，6个p轨道侧面交 叠形成闭合大p键;孤电 子对在sp2杂化轨道上。
1.40Å 1.39Å = 1.17D
N H
N 1.34Å
=2.20D
共轭效应和诱导效 应都是吸电子的
结构特征：吡啶环具有芳香性；N是sp2杂化，孤电子对不参与共轭。 化学反应： N上的孤电子对呈现较强碱性； N电负性使环不易发生亲电取代反应但易发生亲核取代反应； 发生亲电取代反应时，环上N起间位定位基的作用； 发生亲核取代反应时，环上N起邻对位定位基的作用； 邻对位的侧链a-H有酸性； 比苯难氧化，但易还原。
N
S Thiophene 噻吩
N S Thiazole 噻唑
N
五元环
含两个杂原子
Oxazole 噁唑
N
O
Isoxazole 异噁唑
N H Pyrazole 吡唑
S
Isothiazole 异噻唑
含一个杂原子：
N Pyridine
吡啶
O Pyran
吡喃
六元环
N N
含两个杂原子：
N
N
N Pyrimidine
N 卤代 O + Br2 N 0OC Br O 80% BF3. Et2O 0OC CF3 O O 72~92% NO2 硝化 S
-+ + CH3COO-+NO2
酰化 O
+ (CF3CO)2O
硝酸乙酸酯
0OC -10OC
S 60% 70% HCl
NO2 +
S 10% 5%
磺化 N H
+
N. SO3
100OC
X
X

N CH3O KH M-n/O△4
N COOH
• 吡啶比苯易还原，易于加氢：
H2/Pt
N Na+C2H5OH
N H
NH2 N
ON H
O H N
ON H
胞嘧啶
尿嘧啶
2-氧-4-氨基嘧啶 2，4-二氧嘧啶
（cytosine，C） （uracil，U）
O H N CH3 ON
H
胸腺嘧啶 5-甲基-2，4-二氧嘧啶
• 二、命名（母核）
• 杂环化合物的命很复杂。主要讨论最 常用的译音法，即将杂环母核根据国 际通用英文译音，选同音汉字再加 “口”字旁命名。例如：
O
呋喃 Furan
S
噻吩 Thiophene
H N
吡咯 Pyrrole
N
O 恶唑
oxazole
N
S 噻唑
thiazole
N N H
吡唑
pyrazole
N
N H 咪唑
imidazole
N 吡啶 Pridine
N
N
嘧啶 Pyrimidine
N
喹啉 Quinoline
NN
NH
异喹啉 Isoquinoline
NN
嘌呤
Purine
NH
吲哚 Indole
• 1．单杂环的编号原则：从杂原子开始，靠 近杂原子的碳原子为α位，其次为β、γ位。
• 2．如果多于1个杂原子，要使其它杂原子 的编号尽可能小。
• 亲电取代比苯要困难，
• 亲核取代变得容易些。
• 氧化变难，
• 还原变易。
• 氮原子上有未共用电子对（居于sp2轨道 上），没有参与环状共轭体系，能接受质 子而呈碱性。

塑料制品
如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等，广泛应用于包装 、建筑、家具、电器等领域。
合成纤维
如涤纶、锦纶、腈纶等，用于制作衣物、家居用品 等。
工业领域中的有机化学应用
石油化工
石油是化学工业的重要原料，通过裂解、重整等化学反应，可以得到各种烷烃、烯烃、 芳烃等有机化合物，进一步加工可以得到燃料、润滑油、合成橡胶、合成塑料等。
06
有机合成与反应机理
有机合成策略与方法
逆合成分析
从目标分子出发，逆向推导合成路线，确定关键中间 体和合成步骤。
合成子与切断策略
识别并应用合成子，通过切断特定化学键，简化合成 路线设计。
保护与去保护策略
在合成过程中，对敏感官能团进行保护，完成其他反 应后再去保护，以实现选择性合成。
常见有机反应机理剖析
烷烃
01
02
03
烷烃的定义和命名
烷烃是一类仅由碳和氢两 种元素组成的有机化合物 ，命名遵循特定的规则。
烷烃的结构和性质
烷烃分子中的碳原子以单 键相连，形成链状或环状 结构，具有特定的物理和 化学性质。
烷烃的反应
烷烃可以发生取代反应、 氧化反应等，生成不同的 有机化合物。
烯烃
烯烃的定义和命名
烯烃是一类含有碳碳双键 的有机化合物，命名时需 注明双键的位置。
醛、酮、醌
酮的化学性质
包括加成反应等。
重要的酮
列举一些常见的酮及其用途，如丙酮等。
醌的分类和命名
按照羰基所连芳环的类型进行分类和命名。
醛、酮、醌
醌的物理性质
介绍醌的熔点、沸点、密度、溶解性等物理性质。
醌的化学性质
包括还原反应等。
重要的醌
列举一些常见的醌及其用途，如苯醌等。