第二十章

雜環(huán)化合物（heterocycliccompounds）2/8/20231課件

主要內(nèi)容20.1雜環(huán)化合物的分類(lèi)與命名20.2五元單雜環(huán)化合物20.3唑20.4吡啶20.5喹啉與異喹啉20.6嘧啶與嘌呤20.7雜環(huán)化合物的合成(自學(xué))20.8生物堿2/8/20232課件環(huán)狀有機(jī)化合物中，成環(huán)原子除碳原子外還含有其他原子，這種環(huán)狀化合物稱(chēng)為雜環(huán)化合物。本章討論的是那些環(huán)為平面型，環(huán)內(nèi)π電子數(shù)符合4n+2規(guī)則，具有一定芳香性的芳雜環(huán)化合物。2/8/20233課件常見(jiàn)的雜環(huán)化合物2/8/20235課件2/8/20236課件二、雜環(huán)化合物的命名1、音譯法：在同音漢字左邊+口字。2/8/20237課件2/8/20239課件2

0.2五元單雜環(huán)化合物一、呋喃、噻吩、吡咯雜環(huán)的物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu)1.物理性質(zhì)A.

呋喃：無(wú)色液體，存于松木焦油中,b.p.31.36oC.遇鹽酸浸濕的松木片呈綠色。B.噻吩：無(wú)色有特殊氣味的液體，存于煤焦油中,b.p.84.16oC.與吲哚醌在硫酸作用下顯蘭色。C.吡咯：無(wú)色液體，存于煤焦油和骨焦油中,b.p.130-131oC.遇鹽酸浸濕的松木片呈紅色.2/8/202310課件2.結(jié)構(gòu)

呋喃、噻吩、吡咯結(jié)構(gòu)上共同點(diǎn):構(gòu)成環(huán)的五個(gè)原子都為sp2雜化，成環(huán)五原子處在同一平面，雜原子上孤對(duì)電子參與共軛形成共軛體系，π電子數(shù)符合休克爾規(guī)則(4n+2)，所以，它們都具芳香性。2/8/202311課件親電取代反應(yīng)活性：吡咯>呋喃>噻吩>苯主要進(jìn)入α-位說(shuō)明：吡咯、呋喃、噻吩的親電取代反應(yīng)，對(duì)試劑及反應(yīng)條件必須有所選擇和控制。2/8/202313課件五元雜環(huán)化合物親電取代反應(yīng)發(fā)生在α-位可用共振論解釋?zhuān)河纱丝梢?jiàn)，進(jìn)攻2–位所形成的共振雜化體比進(jìn)攻3–位所形成的共振雜化體穩(wěn)定。2/8/202314課件說(shuō)明：①噻吩環(huán)芳性比呋喃環(huán)和吡咯環(huán)強(qiáng)，較穩(wěn)定；②噻吩環(huán)上電子云密度比苯環(huán)大，更易磺化。

(1)磺化：呋喃、吡咯不能用濃硫酸磺化，要用特殊磺化試劑—吡啶三氧化硫的絡(luò)合物，噻吩可直接用濃硫酸磺化。HH！不能用強(qiáng)酸NC5H5NSO3NSO3HOSO3HC5H5NSO3O

吡啶三氧化硫，一種溫和的磺化劑2/8/202315課件(2)硝化不能用混酸硝化，一般是用乙?；跛?CH3COONO2)作硝化試劑，在低溫下進(jìn)行。不用強(qiáng)酸，否則呋喃或噻吩開(kāi)環(huán)聚合硝化O+CH3COONO2ONO2CH3COONO2+SNO2S醋酸硝酰一種弱的硝化試劑，2/8/202317課件（3）鹵代由于反應(yīng)太活潑，所以反應(yīng)要控制，常在低溫及非極性溶劑中反應(yīng)。O+鹵代Br2OBr+HBr。1,4-二氧六環(huán)25C，75%2/8/202318課件(4)傅-克?；?/8/202319課件（6）、五元雜環(huán)化合物親電取代反應(yīng)的定位規(guī)律以噻吩為例：A.α-位上有取代基B.β-位上有取代基2/8/202321課件注意：吡咯和呋喃也遵循上述規(guī)律，但當(dāng)α-位上有m–定位基(如:–CHO、–COOH)時(shí)，新引入基團(tuán)進(jìn)入的位置與反應(yīng)試劑有關(guān)。2/8/202322課件2.加成反應(yīng)

2/8/202323課件3.吡咯的弱堿性和弱酸性

吡咯分子中氮原子孤對(duì)電子，由于其參與了環(huán)狀π56的共軛，為整個(gè)環(huán)狀共軛體系所共享，使氮上電子云密度降低，孤對(duì)電子難以給出。所以，吡咯堿性很弱，甚至大大弱于苯胺堿性。(1)弱堿性NHsp2sp2pNH參與環(huán)體系共軛離域于整個(gè)共軛體系難以表現(xiàn)出堿性2/8/202325課件∴堿性:苯胺(Kb=3.8×10-10)>>吡咯(Kb=2.5×10-14)

能與強(qiáng)酸成鹽

不能與強(qiáng)酸成鹽遇酸分解

(2)弱酸性pKa=16.5，比酚弱，比醇強(qiáng)，可與強(qiáng)堿（NaNH2，KNH2、RMgX）或金屬作用。2/8/202326課件三、呋喃、噻吩、吡咯雜環(huán)的合成1.工業(yè)制備2/8/202329課件2.合成2/8/202330課件四.吡咯、呋喃和噻吩的重要衍生物

1.糠醛:無(wú)色液體，bp.162℃，空氣中易變黑。是良好的溶劑。不含α-H，性質(zhì)類(lèi)似于苯甲醛。由農(nóng)副產(chǎn)品如甘蔗雜渣、花生殼、高粱桿、棉子殼等稀酸加熱蒸煮制取。有α-H的醛的一般性質(zhì)。（1）氧化還原反應(yīng)2/8/202331課件（2）歧化反應(yīng)

（3）羥醛縮合反應(yīng)

（4）安息香縮合反應(yīng)2/8/202332課件2.吲哚:白色結(jié)晶，mp.52.5℃。具有極臭的氣味，純粹的吲哚在極稀時(shí)有香味，可作香料?？砂l(fā)生親電取代反應(yīng)，活性位置在第3位。2/8/202333課件

含吲哚的生物堿廣泛存在于植物中，如麥角堿、馬錢(qián)子堿、利血平等2/8/202334課件2/8/202335課件3.卟啉環(huán)系化合物卟啉環(huán)系是由四個(gè)吡咯和四個(gè)次甲基交替相聯(lián)組成的共軛體系。卟啉環(huán)呈平面結(jié)構(gòu)，環(huán)的中間空隙以共價(jià)鍵、配位鍵和不同的金屬結(jié)合。卟啉族化合物廣泛分布于自然界。血紅素，葉綠素都是含環(huán)的卟啉族化合物。血紅素中環(huán)絡(luò)合的是Fe，葉綠素環(huán)絡(luò)合的是Mg。2/8/202336課件20.3唑一．噻唑

噻唑是含一個(gè)硫原子和一個(gè)氮原子的五元雜環(huán)，無(wú)色，有吡啶臭味液體，沸點(diǎn)117℃，與水互溶，有弱堿性，是穩(wěn)定的化合物。一些重要的天然產(chǎn)物幾合成藥物含有噻唑結(jié)構(gòu)，如青霉素、維生素B1等。2/8/202337課件維生素B1（VB1）青霉素2/8/202338課件結(jié)構(gòu)和性質(zhì)1).弱堿性吡咯系雜環(huán)中除咪唑是中等強(qiáng)度的堿外，其它為弱堿，因?yàn)椋憾?咪唑和吡唑2/8/202339課件咪唑分子間可形成氫鍵：吡唑通過(guò)氫鍵可締合成二聚體：

咪唑和吡唑具有較高的沸點(diǎn),這是因?yàn)?2/8/202340課件2).親電取代反應(yīng)

吡咯系雜環(huán)親電取代反應(yīng)活性小于吡咯、呋喃和噻吩。

2/8/202341課件是一無(wú)色有惡臭液體，與水及許多有機(jī)溶劑，如乙醇、乙醚等混溶，是良好的溶劑。吡啶氮上有一對(duì)電子未參與共軛，易接受質(zhì)子，具有堿性。堿性：脂肪胺＞吡啶＞芳香胺20.4吡啶一.結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)2/8/202342課件二.化學(xué)性質(zhì)1.吡啶環(huán)上親電取代反應(yīng)與苯環(huán)比較吡啶環(huán)是缺電子芳香雜環(huán)，性質(zhì)類(lèi)似于硝基苯，不能進(jìn)行傅氏烷基化和?；磻?yīng)。2/8/202343課件親電取代位置在3-或5-位進(jìn)行，為什么？2/8/202344課件吡啶親電取代反應(yīng)發(fā)生在β-位，除用電子理論解釋外，還可以用中間體的穩(wěn)定性加以說(shuō)明：2/8/202345課件顯然，當(dāng)吡啶環(huán)上連有供電子基團(tuán)時(shí)，將有利于親電取代反應(yīng)的發(fā)生；反之，就更加難以進(jìn)行親電取代反應(yīng)。吡啶環(huán)也象硝基苯一樣，不能發(fā)生F―C烷基化和?；磻?yīng)。2/8/202346課件吡啶環(huán)的親核取代反應(yīng)主要發(fā)生在α-位和γ-位，被取代的可以是氫原子，也可以是易于離去的基團(tuán)。如：2.吡啶環(huán)上親核取代反應(yīng)2/8/202347課件除吡啶環(huán)2,4,6位上鹵素容易被親核試劑取代外，吡啶環(huán)2位的負(fù)氫離子也能被取代。吡啶環(huán)2位負(fù)氫離子被強(qiáng)親核性氨基負(fù)離子取代,同時(shí)放出氫氣，稱(chēng)齊齊巴賓（Chichibabin）反應(yīng)。2/8/202348課件3.吡啶環(huán)上氮的堿性及親核性2/8/202349課件吡啶環(huán)上有供電子基時(shí)將使堿性增強(qiáng)。如：pka5.175.795.686.022/8/202350課件

吡啶既然是一個(gè)堿，遇酸形成穩(wěn)定的鹽。如用非質(zhì)子硝化試劑、磺化試劑，或鹵素、鹵代烷、酰氯與吡啶反應(yīng)，也將形成相應(yīng)的吡啶鹽：2/8/202351課件吡啶環(huán)2,4,6位烷基的α-H具有一定酸性，其酸性與甲基酮的α-H相同。4.側(cè)鏈α-H的反應(yīng)2/8/202352課件吡啶成鹽后，使吡啶環(huán)2,4,6位烷基α-H酸性進(jìn)增強(qiáng)，可以發(fā)生羥醛縮合和邁克爾反應(yīng)：2/8/202353課件a.氧化吡啶環(huán)電子云密度小，不容易被氧化。5.吡啶的氧化和還原2/8/202354課件2/8/202355課件b.還原電子云密度大的環(huán)容易被氧化，電子云密度小的環(huán)容易被還原。2/8/202356課件20.5喹啉與異喹啉喹啉、異喹啉的性質(zhì)與吡啶相似，具有弱堿性。1.Skraup合成：芳香族伯胺與甘油同硫酸和氧化劑（如：硝基苯、五氧化二砷、氧化鐵等）一起加熱，即可得喹啉及其衍生物。一.喹啉及其衍生物的合成2/8/202357課件反應(yīng)過(guò)程：①.甘油在濃硫酸（或磷酸）作用下脫水生成丙烯醛，也可直接用α，β-不飽和醛或酮②.苯胺與丙烯醛發(fā)生邁克加成2/8/202358課件③.質(zhì)子化的醛對(duì)苯環(huán)進(jìn)行親電取代反應(yīng)④.1,2-二氫喹啉氧化2/8/202359課件2/8/202360課件2/8/202361課件2.Friedlander合成：鄰氨基苯甲醛或鄰氨基芳酮與具有α-H的羰基化合物反應(yīng)生成喹啉衍生物.2/8/202362課件二.異喹啉的合成Bischler-Napieralski合成法2/8/202363課件1.親電取代反應(yīng)親電取代反應(yīng)主要發(fā)生在碳環(huán)的5位和8位。

2.喹啉及異喹啉的反應(yīng)2/8/202364課件親核取代反應(yīng)主要發(fā)生在吡啶環(huán)上。喹啉環(huán)上2位和4位，異喹啉環(huán)上1位的氯原子容易被親核試劑取代。2.親核取代反應(yīng)2/8/202365課件2/8/202366課件喹啉和異喹啉類(lèi)似于吡啶，在喹啉2與4位側(cè)鏈及異喹啉1位側(cè)鏈上有活潑的α-H，可進(jìn)行縮合和親核取代反應(yīng)。與吡啶類(lèi)似，形成季銨鹽后，側(cè)鏈α-H活性提高3.側(cè)鏈α-H的反應(yīng)2/8/202367課件2/8/202368課件4.氧化及還原2/8/202369課件20.6嘧啶、嘌呤一.嘧啶本身不存在于自然界，衍生物在自然界分布很廣，脲嘧啶、胞嘧啶、胸腺嘧啶是遺傳物質(zhì)核酸的重要組成部分，維生素B1、合成藥物磺胺嘧啶也含嘧啶環(huán)。無(wú)色晶體，易溶于水，堿性比吡啶弱pKa=1.3,含嘧啶環(huán)堿性化合物常稱(chēng)為嘧啶堿2/8/202370課件二、嘌呤無(wú)色晶體，m.p216~217℃，易溶于水，其水溶液呈中性，但能與酸或堿成鹽。純嘌呤環(huán)在自然界不存在，嘌呤衍生物廣泛存在于動(dòng)植物體內(nèi)。2/8/202371課件1．尿酸

存在于鳥(niǎo)類(lèi)及爬蟲(chóng)類(lèi)的排泄物中，含量很多，人尿中也含少量。2．黃嘌呤存在于茶葉及動(dòng)植物組織和人尿中。2/8/202372課件3．咖啡堿、茶堿和可可堿

都是黃嘌呤甲基衍生物，存在于茶葉、咖啡和可可中，有興奮中樞作用，其中咖啡堿作用最強(qiáng)。

4．腺嘌呤和鳥(niǎo)嘌呤

核蛋白中的兩種重要堿基。鳥(niǎo)嘌呤（G）

腺嘌呤（A）

2/8/202373課件20.8生物堿生物堿：存在于生物體內(nèi)的一類(lèi)含氮堿性有機(jī)物，大多有較復(fù)雜環(huán)狀結(jié)構(gòu)，氮原子結(jié)合在環(huán)內(nèi)；多呈堿性，可與酸成鹽；多有顯著而特殊的生物活性。

如:嗎啡、延胡索乙素有鎮(zhèn)痛作用；阿托品有解痙作用；小檗堿、苦參生物堿有抗菌消炎作用；利血平有降血壓作用；麻黃堿有止咳平喘作用；奎寧有抗瘧作用；喜樹(shù)堿、秋水仙堿、長(zhǎng)春新堿、三尖杉?jí)A、紫杉醇等有不同程度的抗癌作用等。生物堿的生物合成途徑中，氨基酸是其初始物。主要有鳥(niǎo)氨酸、賴(lài)氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸、鄰氨基苯甲酸、組氨酸等。

2/8/202374課件以下試劑可用于試管定性反應(yīng)和作為平面色譜顯色劑。碘化鉍鉀（Dragendorff）試劑：KBiI4，與生物堿反應(yīng)生成橘紅色至黃色無(wú)定形沉淀。碘化汞鉀(Mayer)試劑：K2HgI4；與