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1、1 第十二章第十二章 杂环化合物杂环化合物Heterocyclic CompoundsHeterocyclic Compounds内容提纲：内容提纲：杂环化合物的命名杂环化合物的命名 杂环化合物的结构特点杂环化合物的结构特点*杂环的反应杂环的反应*杂环的合成杂环的合成 V V 生物碱简介生物碱简介重点：重点：杂环化合物的命名杂环化合物的命名 杂环化合物的结构特点杂环化合物的结构特点*杂环的反应杂环的反应*难点：难点：杂环的反应，杂环的合成杂环的反应，杂环的合成2课时及讨论安排：课时及讨论安排：第一次课（4.20）一、杂环化合物的命名（第六组）二、杂环化合物的结构（第五组）三、五元杂环化合物的亲
2、电取代反应（第五组）四、五元杂环化合物的加成反应（第三组）第二次课（4.22）五、唑的结构与反应（第四组）六、吡啶、稠杂环的取代反应（第四组）七、杂环化合物的氧化及其它反应（第四组）八、杂环化合物的合成（第二组）3含一个杂原子含二个杂原子杂环分类：杂环分类：呋喃 噻吩 吡咯 Furan thiophene pyrrole 吡唑 咪唑 噻唑Pyrazole imidazole thiazole单杂环五元杂环六元杂环 嘧啶 吡嗪Pyrimidine pyrazine含二个杂原子含一个杂原子 吡啶 吡喃Pyridine pyran4五元杂环与苯环稠合苯并呋喃benzofunan吲哚indole苯并噻
3、唑benzothiophene稠杂环六元杂环与苯环稠合 喹啉quinoline 异喹啉isoquinoline杂环与杂环稠合嘌呤purine蝶啶pteridine5I 杂环化合物命名杂环化合物命名我国一般采用音译法，即按英文名称音译。我国一般采用音译法，即按英文名称音译。如：6 2、命名的编号规则、命名的编号规则a、从杂原子开始编号，兼顾取代基；、从杂原子开始编号，兼顾取代基；b、稠环从大环的杂原子开始编号；、稠环从大环的杂原子开始编号；c、有不同的杂原子，则按照、有不同的杂原子，则按照O、S、N原子顺序。原子顺序。例如：例如：呋喃呋喃-2-甲醛（糠醛）甲醛（糠醛）2-甲基咪唑甲基咪唑噻唑噻唑
4、2-氨基吡啶氨基吡啶吡啶吡啶-3-甲酸（烟酸）甲酸（烟酸）6-氨基嘌呤（腺嘌呤）氨基嘌呤（腺嘌呤）8-羟基喹啉羟基喹啉3-吲哚乙酸吲哚乙酸7 噁唑 噻唑 咪唑 Oxazole Thiazole Imidazole 5-乙基噻唑 4-氨基嘧啶 2-甲基-5苯基噁唑5-ethylthiazole 4-aminopyrimidine 2-methyl-5-phenyloxazole8II 杂环化合物的结构杂环化合物的结构3、吡咯、呋喃、噻吩、吡啶的结构吡咯、呋喃、噻吩、吡啶的结构 2、苯系芳烃与非苯系芳烃、苯系芳烃与非苯系芳烃 1、休克尔规则、休克尔规则比较吡咯、吡啶和苯胺的碱性！比较吡咯、吡啶和苯
5、胺的碱性！9偶极矩偶极矩 0.70D 0.51D 1.81D 2.22D1.73D 1.90D 1.58D键长键长芳香性：苯芳香性：苯 噻吩噻吩 吡咯吡咯 呋喃呋喃 吡啶吡啶102、吡咯、吡咯、呋喃呋喃、噻吩的化学性质噻吩的化学性质 a)卤代：卤代：（1）亲电取代反应亲电取代反应（Electrophilic Substitution）反应活性：反应活性：噻吩噻吩、吡咯吡咯、呋喃苯呋喃苯单取代位置：单取代位置：-位位11因为中间体的稳定性：因为中间体的稳定性：吡咯在吡咯在2-或或3-位取代的共振式如下：位取代的共振式如下：12b)硝化硝化13c)c)磺化磺化14a.活性顺序：吡咯呋喃噻吩苯活性顺
6、序：吡咯呋喃噻吩苯b.亲电取代通常主要发生在亲电取代通常主要发生在2位（位（-位）位）d)付付克酰基化克酰基化小结：小结：15e)吡咯的特征反应：吡咯的特征反应：吡吡咯咯具具有有较较弱弱的的酸酸性性和和碱碱性性KNH2,液NH3C2H5MgBr干醚 1.CO22.H3O+RXRCOCl16（2）加成反应加成反应（Addition Reaction）H2,PdH2,MoS2H2,Ni顺丁烯二酸酐苯炔（3）水解反应水解反应17(三三)呋喃、吡咯和噻吩环的制法呋喃、吡咯和噻吩环的制法 呋喃容易从糠醛去羰基得到：呋喃容易从糠醛去羰基得到：噻吩可以用丁烷或丁烯与硫磺加热反应得到：噻吩可以用丁烷或丁烯与硫
7、磺加热反应得到：以氧化铝为催化剂，可以实现以氧化铝为催化剂，可以实现呋喃、吡咯和噻吩环的互变呋喃、吡咯和噻吩环的互变（YuyevYuyev反应）反应）18实验室制法实验室制法-帕尔克诺尔帕尔克诺尔(Paal-Knorr)法法。氨基酮氨基酮二羰基化合物二羰基化合物194、呋喃呋喃、吡咯的重要衍生物、吡咯的重要衍生物（1）糠醛糠醛(Furfural)制法：制法：由玉米芯、高粱杆、棉籽壳、燕麦壳、谷糠等农副由玉米芯、高粱杆、棉籽壳、燕麦壳、谷糠等农副产品经稀硫酸处理而制得。产品经稀硫酸处理而制得。(C5H8O4)n +nH2O5%硫酸加热水解nC5H10O5聚戊糖戊糖HOCHCHOH|HCH CH
8、CHO|OH OH 3H2O糠醛（b.p.162）20性质：性质：浓浓NaOH2-呋喃甲酸 2-呋喃甲醇O2，V2O5300顺丁烯二酸酐H2ZnO-Cr2O3 糠醇 四氢糠醇ZnO-Cr2O3 400呋喃 四氢呋喃（THF）糠醛Cannizaro歧化反应氧化反应还原反应脱羧反应21（2）卟啉及衍生物卟啉及衍生物卟啉环卟啉环血红素血红素由四个吡咯环和四个次甲基由四个吡咯环和四个次甲基(CH=)交替相连组成的大环叫交替相连组成的大环叫卟啉环卟啉环(又称为卟吩又称为卟吩)，卟啉的化合物广泛存在于自然界中。，卟啉的化合物广泛存在于自然界中。2223（3）含吡咯、呋喃、和噻吩的稠环化合物）含吡咯、呋喃、
9、和噻吩的稠环化合物吲哚吲哚Indole2134567苯并呋喃苯并呋喃Benzofuran苯并噻吩苯并噻吩Benzothiophene24二二.含两个杂原子的五元杂环含两个杂原子的五元杂环(azole)1,2-唑异噁唑 异噻唑 吡唑isoxazole isothiazole pyrazole1,3-唑噁唑 噻唑 咪唑Oxazole Thiazole Imidazole251,2-唑与唑与1,3-唑的亲电取代反应的活性顺序有：唑的亲电取代反应的活性顺序有：1,2-唑1,3-唑碱性碱性：1 1 结构和化学性质结构和化学性质26亲电取代反应亲电取代反应1，2-唑取代唑取代在在4-位位27唑的烷基化或酰
10、基化通常发生在氮原子上。唑的烷基化或酰基化通常发生在氮原子上。282 2、1 1，2-2-唑与唑与1 1，3-3-唑的合成唑的合成 1，2-唑可用唑可用1，3-二羰基化合物合成二羰基化合物合成 1，3-唑可用含有杂原子的唑可用含有杂原子的1，4-二羰基化合物合成二羰基化合物合成 293 3、咪唑、噻唑的重要衍生物、咪唑、噻唑的重要衍生物 维生素维生素B1B1盐酸左旋咪唑盐酸左旋咪唑咪唑安定咪唑安定30第二节第二节 六元杂环化合物六元杂环化合物一、吡啶一、吡啶(Pyridine)1.吡啶的结构吡啶的结构 氮原子杂化情况氮原子杂化情况吡啶分子结构吡啶分子结构P轨道Sp2 轨道 吡啶吡啶 氮原子以不
11、等性氮原子以不等性sp2杂化轨道成键。杂化轨道成键。312.吡啶的性质吡啶的性质碱性：碱性：吡啶为一弱碱，吡啶为一弱碱，pKb8.75，其碱性比脂肪胺弱，但其碱性比脂肪胺弱，但比苯胺强。吡啶能与质子酸和非质子酸形成盐。比苯胺强。吡啶能与质子酸和非质子酸形成盐。32（1）亲电取代）亲电取代：吡啶可以发生卤化、硝化和磺化，但比吡啶可以发生卤化、硝化和磺化，但比苯难以反应，取代位置通常在苯难以反应，取代位置通常在3-位位(-位位)。Cl2200 Br2300 KNO3,H2SO4300350 HgSO4,H2SO4220 33E+进攻3位E+进攻2位E+进攻4位中间体的稳定性不稳定共振杂合体不稳定共
12、振杂合体34（2）亲核取代）亲核取代：吡啶环的一个特点是能发生亲核取代反吡啶环的一个特点是能发生亲核取代反应，主要形成应，主要形成 2位位(-位位)取代产物。取代产物。1.NaNH22.H2OLiC6H535吡啶环的吡啶环的2-位和位和4-位比较容易进行亲核取代，这与形成碳负位比较容易进行亲核取代，这与形成碳负离子的稳定性有关。亲核试剂在离子的稳定性有关。亲核试剂在2-位和位和4-位进攻，有负电荷位进攻，有负电荷在电负性较大的氮上的共振式参与共振，比较稳定。在电负性较大的氮上的共振式参与共振，比较稳定。2-位进攻：位进攻：3-位进攻：位进攻：4-位进攻：位进攻：36（3）氧化与还原）氧化与还原
13、：吡啶环不容易被氧化，但吡啶环上的吡啶环不容易被氧化，但吡啶环上的烷基取代基容易氧化成羧基。烷基取代基容易氧化成羧基。KMnO4H+,加热吡啶比苯容易还原，可用催化氢化或化学试剂还原为六氢吡啶比苯容易还原，可用催化氢化或化学试剂还原为六氢吡啶。吡啶。37（4）侧链）侧链-H的反应：的反应：吡啶吡啶2,4,6-位的烷基侧链位的烷基侧链-H比较活波，比较活波，在强碱催化下可进行缩合反应。在强碱催化下可进行缩合反应。N-烷基吡啶盐的侧链烷基吡啶盐的侧链-H更活波，在弱碱和室温就能反应。更活波，在弱碱和室温就能反应。38 3.吡啶的合成吡啶的合成 汉奇汉奇(Hantzsch)合成法合成法:反应过程可能
14、是：一分子醛与一分子反应过程可能是：一分子醛与一分子-酮酸酯先发生缩合反应，然后酮酸酯先发生缩合反应，然后与另一分子与另一分子-酮酸酯加成，再与氨发生缩合。酮酸酯加成，再与氨发生缩合。39二二.喹啉、异喹啉喹啉、异喹啉喹啉(quinoline)异喹啉(isoquinoline)喹啉与异喹啉都是苯并吡啶，它们存在于煤焦油中，一些喹啉与异喹啉都是苯并吡啶，它们存在于煤焦油中，一些天然的生物碱中含有它们的结构。天然的生物碱中含有它们的结构。喹啉从氮原子开始编号。喹啉从氮原子开始编号。8-羟基喹啉 5-喹啉磺酸 4-溴异喹啉401.化学反应化学反应取代取代：喹啉亲电取代主要发生在苯环（喹啉亲电取代主要
15、发生在苯环（5或或8位），位），而亲核取代主要发生在吡啶环（而亲核取代主要发生在吡啶环（2或或4位）。位）。HNO3,H2SO452%48%51%49%Br2，浓H2SO4AgSO4,NaNH241氧化与还原氧化与还原：喹啉经强氧化时，苯环氧化开环；喹啉经强氧化时，苯环氧化开环；还原时，通常吡啶环容易被还原。还原时，通常吡啶环容易被还原。KMnO4,H2O100H2,Pd422.喹啉的制备喹啉的制备3.Skraup反应：反应：芳香伯胺、甘油、浓硫酸共热缩合，再经氧芳香伯胺、甘油、浓硫酸共热缩合，再经氧化化4.即得喹啉环。即得喹啉环。反应过程：反应过程：43氯喹氯喹 扑疟喹啉扑疟喹啉喹啉有很多重
16、要的衍生物，喹啉有很多重要的衍生物，天然存在的金鸡纳碱又称天然存在的金鸡纳碱又称为奎宁，是治疗疟疾病的为奎宁，是治疗疟疾病的良药。良药。在奎宁结构的基础上，人们又合成出了不少抗疟的药物，在奎宁结构的基础上，人们又合成出了不少抗疟的药物，其中最重要的有氯喹、朴疟喹啉等。其中最重要的有氯喹、朴疟喹啉等。(quinine)q44三三.嘧啶嘧啶、嘌呤嘌呤嘧啶是含二个氮原子的六元杂环中最重要的一种，胞嘧啶、嘧啶是含二个氮原子的六元杂环中最重要的一种，胞嘧啶、尿嘧啶和胸腺嘧啶是核酸的组成成分尿嘧啶和胸腺嘧啶是核酸的组成成分.嘧啶胞嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶5-氟尿嘧啶是一种抗癌药物氟尿嘧啶是一种抗癌药物。5-氟尿
17、嘧啶 45嘌呤的衍生物非常重要，在生物体中广泛存在着嘌呤的衍生嘌呤的衍生物非常重要，在生物体中广泛存在着嘌呤的衍生物，如腺嘌呤、鸟嘌呤是核酸的组成部分。物，如腺嘌呤、鸟嘌呤是核酸的组成部分。腺嘌呤鸟嘌呤9H-嘌呤7H-嘌呤嘌呤是由一个嘧啶环与咪唑环稠合而成，它是由二个互变异嘌呤是由一个嘧啶环与咪唑环稠合而成，它是由二个互变异构体组成的平衡体系。构体组成的平衡体系。46咖啡碱茶碱存在于咖啡、可可和茶叶中的咖啡碱、可可碱与茶碱中都含存在于咖啡、可可和茶叶中的咖啡碱、可可碱与茶碱中都含有黄嘌呤的结构，它们有刺激神经中枢作用。有黄嘌呤的结构，它们有刺激神经中枢作用。存在于血液和尿中的尿酸是存在于血液和尿中的尿酸是2,6,8-2,6,8-三羟基嘌呤，有两种互变三羟基嘌呤，有两种互变异构体，通常情况下以酮式较多。异构体，通常情况下以酮式较多。可可碱