第十八章 杂环化合物,本章内容,杂环化合物的分类与命名 五元杂环化合物 六元杂环化合物 生物碱,广义定义：除碳原子外还含有其他原子(N、S、O)的环状化合物。,狭义定义：构成环的原子除碳原子外还有其它原子，并具有芳香结构的环状有机化合物。,杂原子：组成杂环的原子除碳以外都叫杂原子。,杂环化合物在自然界中分布很广，功用很多。,Natural products: Chlorophyll（叶绿素）,Natural products: Heme（亚铁血红素）,Sedative（ 镇痛药）: Phenobarbital（镇静安眠药）,Antibiotic（抗生素）: Penicillin（青霉素）,第一节 分类和命名,1 按环的个数分：单环和稠环(单环与芳香环或其它杂环稠并而成) 2 按是否具有芳香性分： 芳香杂环化合物和普通杂环化合物,杂环化合物的命名,（一）有特定名称的杂环,按照英文名称的读音，选用同音汉字加“口”旁组成音译名，其中“口”代表环的结构。,含一个杂原子的五元杂环,吡咯 呋喃 噻吩 Pyrrole Furan Thiophene,含两个杂原子的五元杂环,吡唑 咪唑 噁唑 异噁唑 噻唑 Pyrazole Imidazole Oxazole Isoxazole Thiazole,五元稠杂环,吲哚 苯并呋喃 苯并咪唑 咔唑 Indole Benzofuran Benzimdazole Carbazole,含一个杂原子的六元杂环,吡啶 2H-吡喃 4H-吡喃 Pyridine 2H-Pyran 4H-Pyran,含两个杂原子的六元杂环,哒嗪 嘧啶 吡嗪 Pyridazine Pyrimidine Pyrazine,六元稠杂环,喹啉 异喹啉 喋啶 嘌呤 Quinoline Isoquinoline Pteridine Purine,（二）杂环母环的编号规则 杂环母体的编号原则是： 1含一个杂原子的杂环 含一个杂原子的杂环从杂原子开始编号。 2含两个或多个杂原子的杂环 含两个或多个杂原子的杂环编号时应使杂原子位次尽可能小，并按O、S、NH、N的优先顺序决定优先的杂原子，见咪唑、噻唑的编号。 3有特定名称的稠杂环的编号有其特定的顺序 如异喹啉、嘌呤的编号。 4标氢 用其编号加H（大写斜体）表示。例如： 1H-吡咯 2H-吡咯 2H-吡喃 4H-吡喃,（三）取代杂环化合物的命名 当杂环上连有取代基时，先确定杂环母体的名称和编号，然后将取代基的名称连同位置编号以词头或词尾形式写在母体名称前或后，构成取代杂环化合物的名称。,2-呋喃甲醛 3-吡啶甲酸 8-羟基喹啉-5-磺酸,2-氨基咪唑 8-羟基喹啉,第二节 五元杂环化合物,含一个杂原子的五元杂环化合物,一、呋喃、噻吩、吡咯杂环的结构,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杂化轨道与相邻的原子彼此以键构成五元环，每个原子都有一个未参与杂化的 p轨道与环平面垂直，碳原子的p轨道中有一个电子，而杂原子的p轨道中有两个电子。 这些p轨道相互侧面垂直重叠形成封闭的大键，大键的电子数是6个，符合4n+2规则，因此，这些杂环具有芳香性特征。,呋喃 噻吩 吡咯,物理方法证明：,二、呋喃、噻吩、吡啶的性质,1. 物理性质,呋喃，无色液体，沸点31.36oC，氯仿气味，鉴定：遇盐酸浸湿的松木片呈绿色。 噻吩，无色而有特殊气味的液体，沸点84.16oC,鉴定：噻吩和吲哚醌在硫酸作用下发生蓝色反应 吡咯，无色液体，沸点130oC左右，弱的苯胺气味，鉴定：其蒸气遇盐酸浸湿的松木片呈红色。,2.光谱性质 红外光谱性质 C-H伸缩振动：31003000cm-1,N-H伸缩振动：3500-3200cm-1, 环伸缩振动：16001300 cm-1。 1H NMR的性质 吡咯的NH化学位移在8左右，其余CH化学位移在76之间，H的化学位移大于H的化学位移。,亲电取代反应时，比苯活泼，反应活性与苯酚、苯胺相似。它们的活性次序是：吡咯呋喃噻吩苯 亲电取代反应需在较弱的亲电试剂和温和的条件下进行，在强酸性条件下，吡咯和呋喃会因发生质子化而破坏芳香性，会发生水解、聚合等副反应。 亲电取代反应主要发生在位上，位产物较少。 呋喃、噻吩和吡咯都能发生亲电取代反应:硝化、卤化、磺化和Friedel-Crafts反应。,3. 亲电取代反应,硝化反应：不能用硝酸或混酸进行硝化反应，只能用较温和的非质子性的硝乙酐作为硝化试剂，并且在低温条件下进行反应。 磺化反应：吡咯和呋喃的磺化反应也需要使用比较温和的非质子性的磺化试剂，常用吡啶三氧化硫作为磺化试剂。 由于噻吩比较稳定，可直接用硫酸进行磺化反应。,注意：,4. 加成反应,（1） 呋喃的加成反应 （2） 噻吩的加成反应 （3） 吡咯的加成反应,5.吡咯的弱碱性和弱酸性,碱性弱于苯胺，Kb = 2.5 10-14,酸性介于醇和酚之间，Ka = 10-15,三 糠醛（呋喃甲醛）,1. 制备,2. 性质和用途 无-氢的醛;具不饱和呋喃杂环:,四. 呋喃、噻吩、吡咯的制法,1. 呋喃的制法 由糠醛经催化脱羰基; 1,4-二酮经五氧化二磷反应(帕尔-诺尔Paal-Knorr合成法),2. 噻吩的制法 煤焦油中提取; 1,4-二酮经五硫化二磷反应(帕尔-诺尔Paal-Knorr合成法),3. 吡咯的制法 呋喃与氨在高温下反应:,（3）1,4-二酮与氨或伯胺缩合反应(帕尔-诺尔Paal-Knorr合成法),（2）丁炔二醇与氨在压力下反应:,五、噻唑和咪唑,1.噻唑,含有一个S原子和一个氮原子的五元杂环，无色，有吡啶臭味的液体，沸点117，有弱碱性。,维生素B1,青霉素,2.咪唑,含有两个氮原子的五元杂环，无色固体，熔点90，易溶于水，碱性较噻唑强。它也有微弱的酸性，NH上的氢原子可被碱金属原子置换而成盐。,咪唑环的互变异构 咪唑环有互变异构体，当环上无取代基时，这一现象不易辨别，当环上有取代基时则很明显。,4-甲基咪唑 5-甲基咪唑 由于两个互变异构体很难分离，因此咪唑的4位与5位是相同的，上例中的化合物可命名为4(5)-甲基咪唑。 亲电取代反应 咪唑环比噻唑环容易发生亲电取代反应，如卤代，硝化，磺化。唑类化合物因分子中增加了一个吸电性的原子其亲电取代反应活性明显降低。,六、吲哚 存在与物理性质,存在于煤焦油中，为白色片状结晶，熔点52.5，沸点254 C。,色氨酸 -吲哚乙酸,5-HT 褪黑素,取代反应 吲哚的化学性质与吡咯相似，也有松木片反应呈红色，亲电取代主要发生在3位。,七、卟啉类化合物,第三节 六元杂环化合物,一、吡啶 1. 来源和制法 吡啶是从煤焦油中分离出来的具有特殊臭味的无色液体，沸点为115.3，比重为0.982，是性能良好的溶剂和脱酸剂。,工业上可从糠醛制备：,实验室合成法为汉茨施（Hantzsch）合成法：,2电子结构及芳香性,3吡啶的碱性及其成盐性质,4吡啶与苯类似的性质,（1）亲电取代反应,取代基主要进入3（）位。,（2）吡啶环对氧化剂的稳定性,（3）还原反应,（4）亲核取代,二、嘧啶,嘧啶衍生物广泛存在于动植物中。,尿嘧啶(Uracil) 胞嘧啶(Cytosine) 胸腺嘧啶,维生素B1,三、喹啉与异喹啉,1结构,2化学性质,亲电取代反应、亲核取代反应有以下规律： （1）亲电取代反应发生在苯环上，其反应活性比萘低，比吡啶高，取代基主要进入5位和8位。 （2）亲核取代反应发生在吡啶环上，反应活性比吡啶高。喹啉取代主要发生在2位上，异喹啉取代主要发生在1位上。,3喹啉及其衍生物的合成 合成喹啉及其衍生物的常用方法是斯克劳普（Skraup）合成法。用苯胺（或其它芳胺）、甘油（或,不饱和醛酮）、硫酸、硝基苯（相应于所用芳胺）共热，即可得到喹啉及其衍生物。,反应过程包括以下步骤： （1）甘油在浓硫酸作用下脱水生成丙烯醛；,（2）苯胺与丙烯醛经麦克尔加成生成-苯胺基丙醛；,（3）醛经过烯醇式在酸催化下脱水关环得到二氢喹啉；,（4）二氢喹啉与硝基苯作用脱氢成喹啉，硝基苯被还原成苯胺，继续进行反应。,用,-不饱和醛或酮代替甘油，可直接进行反应。,异喹啉的合成方法：毕西勒-纳皮斯基，将-苯乙胺酰化，然后与三氯氧磷等其它路易斯酸一起加热，使其成环脱水，后再用钯催化。,四、嘌呤,嘌呤是由一个嘧啶环和一个咪唑环稠合成的稠杂环化合物，嘌呤是无色针状晶体，熔点为216217，易溶于水，也可溶于醇，但不溶于非极性的有机溶剂。,1. 尿酸， 无色晶体，难溶于水，为二元弱酸。,2. 2,6-二羟基-7H-嘌呤称为黄嘌呤，有两种互变异构形式。,咖啡因 茶碱 可可碱,