第十五章 芳雜環(huán)化合物

第十五章芳雜環(huán)化合物第一頁，共五十頁，2022年，8月28日2DC.sjtu雜環(huán)化合物(HeterocyclicCompouds)

“雜環(huán)”就是組成環(huán)的原子除C外，還含有其它元素的原子，這些非碳原子統(tǒng)稱為雜原子。原則上二價以上的元素都可以成為雜原子，但最常見的是O、S和N。前面學(xué)過的內(nèi)酯、內(nèi)酰胺、環(huán)氧化合物、環(huán)狀酸酐等:因其性質(zhì)與相應(yīng)的脂肪族化合物較相似，因此并入脂肪族化合物中討論，而不列為雜環(huán)化合物。N-H第二頁，共五十頁，2022年，8月28日3DC.sjtu本章討論的雜環(huán)化合物主要指環(huán)系較穩(wěn)定，包括雜原子在內(nèi)的環(huán)是平面型，環(huán)內(nèi)有4n+2個π電子處于環(huán)閉共軛體系中，統(tǒng)稱為芳(香)雜環(huán)化合物。吡啶 呋喃噻吩 吡咯其它不具芳香性的雜環(huán)化合物，統(tǒng)稱為非芳香雜環(huán)化合物或雜脂環(huán)化合物。哌啶 四氫呋喃S第三頁，共五十頁，2022年，8月28日4DC.sjtu一、分類雜稠雜環(huán)：六元雜環(huán)：五元雜環(huán)：OSN苯稠雜環(huán)：第一節(jié)分類和命名單雜環(huán)稠雜環(huán)雜環(huán)第四頁，共五十頁，2022年，8月28日5DC.sjtu4 35124 35124 3512OSSN

呋喃

噻吩

吡咯 噻唑

furan thiophene pirrole thiazoleON

咪唑 吡唑 噁唑Imidazole pyrozole oxazole4 35124 3(b)512(a)

4 3512

3 4215五元雜環(huán)二、命名命名原則：譯音＋“口”旁第五頁，共五十頁，2022年，8月28日

61 5

72

4983

5 46 37 281

45 36 1 27

5 46 37 281

5 36 21

5 36 21

5 36 215 36 21

吡啶

嘧啶 噠嗪 吡喃pyridine pyrimidine pyridazine pyran稠雜環(huán)喹啉 異喹啉 吲哚 嘌呤

quinoline isoquinoline indolepurine六元雜環(huán)第六頁，共五十頁，2022年，8月28日7DC.sjtu呋喃 吡啶 吡咯

NCH3OCHO呋喃-2-甲醛α-呋喃甲醛3-溴吡啶β-溴吡啶1-甲基吡咯4 3(b)512(a)4 3(b)512(a)5 3(b)612(a)4(g)BrO1.單雜環(huán)的編號從雜原子開始。雜環(huán)的編號規(guī)則：第七頁，共五十頁，2022年，8月28日8DC.sjtu

4 35124 35124 3512SNON2.有多個雜原子時，按O、S、N-R、NH、N順序編號.CH3

5 36 21

4 35122-巰基-5-氯咪唑1-甲基吡唑C2H52-乙基嘧啶ClSH噻唑噁唑第八頁，共五十頁，2022年，8月28日

3.有特定名稱的稠雜環(huán)母環(huán)的編號，大都按照稠芳環(huán)規(guī)則編號，但個別的另有編號順序（如嘌呤）。

5 46 37 281

5 46 37 281OH喹啉 異喹啉

5 46 37 281萘

45 36 1 27茚吲哚

61 5

72

4983NH2嘌呤

45 36 1 27CO2HBr8-羥基-3-羧酸6-溴6-氨基第九頁，共五十頁，2022年，8月28日10DC.sjtu第二節(jié)五元雜環(huán)化合物一、呋喃、噻吩、吡咯呋喃 噻吩 吡咯 OS1.結(jié)構(gòu)所有成環(huán)原子都以sp2雜化軌道重疊形成σ鍵；碳原子未參加雜化的p軌道有1個電子，雜原子則有2個p電子，p軌道互相平行重疊形成6電子環(huán)狀共軛大π鍵。與苯環(huán)的6原子共6π電子比，呋喃、噻吩、吡咯為5原子共用6個π電子，故環(huán)上π電子密度比苯環(huán)大，屬于“富π芳雜環(huán)”。第十頁，共五十頁，2022年，8月28日11DC.sjtu呋喃環(huán)中的雜原子O(噻吩中為S)的1個sp2雜化軌道上有一對未共用電子對。sp2S環(huán)狀離域的大π鍵,5個原子共用6個電子,為富π電子體系。第十一頁，共五十頁，2022年，8月28日12DC.sjtu吡咯環(huán)N

的1個sp2雜化軌道上有1個電子與H的1s電子配對形成N—Hσ

鍵。第十二頁，共五十頁，2022年，8月28日13DC.sjtu芳香性(環(huán)的穩(wěn)定性)：苯>噻吩>吡咯>呋喃

雜環(huán)中的π電子云分布不象苯環(huán)那樣均勻，環(huán)的穩(wěn)定性因而不如苯。O的電負(fù)性(3.5)較大，故呋喃環(huán)π電子共軛程度較弱，芳香性最小。S的電負(fù)性(2.5)在三者中為最小，且S為第三周期元素，原子半徑較大，原子核對共軛π電子的吸引力較小，故噻吩環(huán)π電子共軛程度較大，芳香性在三者中是最大的。N的電負(fù)性(3.0)在O、S之間，故吡咯的芳香性介于呋喃與噻吩之間。第十三頁，共五十頁，2022年，8月28日14DC.sjtu

2.化學(xué)性質(zhì)

為富電子芳雜環(huán)，親電取代比苯容易。吡咯的活潑度與苯胺或苯酚相當(dāng)，噻吩是三者中活性最差的，然而噻吩的親電取代反應(yīng)活性仍比苯大得多。如在室溫及乙酸溶液中，噻吩與Br2發(fā)生取代反應(yīng)的速度為苯的109倍。親電取代活性：呋喃、吡咯>噻吩>苯這些雜環(huán)進(jìn)行親電取代反應(yīng)時，須用緩和的試劑在溫和的條件下進(jìn)行。

親電取代反應(yīng)主要在2-位發(fā)生；若2、5兩個位置已有基團(tuán)存在，則親電取代在β位發(fā)生。

-0.06-0.10+0.32第十四頁，共五十頁，2022年，8月28日15DC.sjtuO呋喃溴代：Br2二噁烷(稀釋)/0℃OBr(80%)氯代：Cl2-40℃OClClClO產(chǎn)率變遷不定硝化：CH3CO2NO2(硝基乙酰酯)-5~-30℃ONO2(35%)2-硝基呋喃磺化：吡啶.SO3ClCH2CH2Cl/室溫OSO3H(41%)呋喃-2-磺酸(1)親電取代第十五頁，共五十頁，2022年，8月28日16DC.sjtu氯代：Cl250℃SClClClS30% 14%+13%加成產(chǎn)物磺化:95%H2SO425℃(69%~76%)SSO3H噻吩-2-磺酸(78%)溴代：Br2乙酸/室溫BrSNO2硝化：CH3CO2NO2乙酸酐/-10℃SNO2S70% 5%S噻吩第十六頁，共五十頁，2022年，8月28日溴代:Br2(或I2)乙醇(稀釋)/0℃Br

BrBr

Br產(chǎn)物均為四鹵吡咯(90%)吡咯-2-磺酸磺化：吡啶.SO3100℃SO3H51% 13%吡咯硝化:CH3CO2NO2乙酸酐/5℃NO2NO2第十七頁，共五十頁，2022年，8月28日18DC.sjtu(2)加成:O

呋喃H2/Ni125℃,100atmO四氫呋喃S噻吩H2/Pd-C,CH3OH,H2SO4,3atmS四氫噻吩吡咯H2/Ni高溫高壓四氫吡咯第十八頁，共五十頁，2022年，8月28日19DC.sjtu(3)吡咯的弱堿性和弱酸性吡咯N上孤對電子因環(huán)的共軛，故堿性極弱，比苯胺(kb=3.6×10-10)還弱得多。另一方面，吡咯N上的H卻有微弱的酸性(ka=10-15),比醇強(qiáng)，而比酚弱。NH2堿性：>> >Kb:2×10-4 3.6×10-10 2.5×10-14酸性:OH> >R—OHKa:1.3×10-10 ~10-15 ~10-18第十九頁，共五十頁，2022年，8月28日20DC.sjtu－K++KOH(s)+H2O吡咯能與固體KOH加熱生成鹽：Question1：吡咯加氫變成四氫吡咯 后，堿性為什么大大加強(qiáng)？催化加氫Kb：2.5×10-14

2×10-4第二十頁，共五十頁，2022年，8月28日二、咪唑、吡唑咪唑 吡唑表示處于sp2軌道上的電子對.表示處于p軌道上的電子對，它參與環(huán)狀大p鍵的形成.處于N的sp2雜化軌道上的孤電子對可作為質(zhì)子受體，能形成氫鍵，可增加化合物的堿性及水溶性。第二十一頁，共五十頁，2022年，8月28日22DC.sjtu雜環(huán)的互變異構(gòu)現(xiàn)象

4 3512

5 14324位和5位等同

4 3512

5 1432CH3CH34-甲基咪唑等于5-甲基咪唑第二十二頁，共五十頁，2022年，8月28日23DC.sjtu重要的衍生物安替匹林:R=－H氨基比林:R=－N(CH3)2安乃近:R=－N(CH3)CH2SO3Na吡唑酮這些都是常見的解熱鎮(zhèn)痛藥物第二十三頁，共五十頁，2022年，8月28日24DC.sjtu吡咯衍生物卟吩血紅素吡咯衍生物在自然界中分布很廣，植物中的葉綠素和動物中的血紅素都是吡咯衍生物。它們具有重要的生理活性。血紅素的基本骨架成為卟吩，它是有四個吡咯環(huán)通過α－位相連而成的大環(huán)。卟吩中的配位原子與Fe2+形成配合物，血紅素與蛋白結(jié)合形成血紅蛋白，存在人和動物的血紅細(xì)胞中，它的功能是運(yùn)輸氧氣。第二十四頁，共五十頁，2022年，8月28日25DC.sjtu第三節(jié)六元雜環(huán)化合物

六元雜環(huán)化合物包括環(huán)中有1個雜原子的六元雜環(huán)(如吡啶等)；環(huán)中有多個雜原子的六元雜環(huán)(如嘧啶等)；以及稠雜環(huán)(如喹啉、嘌呤等)。吡啶存在于煤焦油、骨焦油中，其衍生物廣泛存在于自然界。工業(yè)上主要從煤焦油的輕油部分提取吡啶。吡啶是具有特殊臭味的無色液體，bp115.5℃，可與水、乙醇、乙醚等混溶。一、吡啶(C5H5N)第二十五頁，共五十頁，2022年，8月28日26DC.sjtu結(jié)構(gòu)似苯，也是平面六邊形分子(但不是正六邊形)。分子中C—C鍵長139pm(與苯的相等)，C—N鍵長137pm，介于一般的C—N單鍵(147pm)與C=N雙鍵(128pm)之間。139pm137pm139pm1.吡啶的結(jié)構(gòu)Pyridine Benzene第二十六頁，共五十頁，2022年，8月28日環(huán)中的N和C都以sp2雜化軌道相互以σ

鍵相連。每個原子余下的p軌道相互平行重疊，形成環(huán)閉共軛體系，π電子數(shù)為6，具有芳香性.HHHHH

N原子的處于sp2雜化軌道上的一對未共用電子，與環(huán)共平面，未參與環(huán)的共軛體系.第二十七頁，共五十頁，2022年，8月28日

p電子云向電負(fù)性較大的N原子轉(zhuǎn)移，使N帶部分負(fù)電荷，C帶部分正電荷，p電子云出現(xiàn)的幾率密度如下：1.000.841.431.010.87吡啶環(huán)中C上p電子云比苯低(間位與苯近似)，這類芳雜環(huán)亦稱為“缺p芳雜環(huán)”。表現(xiàn)在性質(zhì)上，親電取代變難，親核取代變易，氧化變難，還原變易；另外N能給出其未共用電子對，具有一定程度的堿性，可成鹽。第二十八頁，共五十頁，2022年，8月28日29DC.sjtu

+HCl——> Cl-H堿性比較：脂肪胺>> >≈苯胺Kb：~10-5 2.3×10-93.6×10-10

(1)堿性：吡啶環(huán)N原子的一對孤電子對處于sp2雜化軌道上，而一般脂肪胺N上的孤電子對處于sp3雜化軌道。前者s成分較大，受N的束縛力較強(qiáng)，與H+

的結(jié)合力較弱。2.吡啶的化學(xué)性質(zhì)第二十九頁，共五十頁，2022年，8月28日比苯難得多。與硝基苯相似,吡啶不發(fā)生付-克反應(yīng)。

親電取代主要發(fā)生在β-位上。鹵代：Br2300℃Br3-溴吡啶(33%)濃HNO3+濃H2SO4300℃，1dNO2(20%)濃或發(fā)煙H2SO4HgSO4，220℃SO3H吡啶-3-磺酸(71%)(2)親電取代第三十頁，共五十頁，2022年，8月28日31DC.sjtu吡啶環(huán)對氧化作用較苯環(huán)穩(wěn)定，而對還原劑比苯活潑。CH3HNO3或KMnO4，DCO2Hb-吡啶甲酸(煙酸)KMnO4，DCO2H

(3)氧化與還原第三十一頁，共五十頁，2022年，8月28日32DC.sjtuNa+C2H5OHH六氫吡啶(哌啶)(95%)H2/Pt,乙酸H第三十二頁，共五十頁，2022年，8月28日33DC.sjtu二、嘧啶(pyrimidineC4H4N2)及其取代衍生物嘧啶為無色結(jié)晶，mp22℃，bp123~124℃，能與水混溶.543612環(huán)閉大p鍵由于兩個N的強(qiáng)吸電子作用，使嘧啶的堿性比吡啶弱得多，也比吡啶難于發(fā)生親電取代反應(yīng)，而親核取代反應(yīng)則比吡啶容易；嘧啶難以被氧化。第三十三頁，共五十頁，2022年，8月28日NH2HOHNH2O胞嘧啶HOOHOHHO尿嘧啶HOHHOCH3OOHCH3胸腺嘧啶第三十四頁，共五十頁，2022年，8月28日35DC.sjtu三、稠雜環(huán)吲哚嘌呤1258喹啉第三十五頁，共五十頁，2022年，8月28日36DC.sjtu1、喹啉和異喹啉

喹啉（bp：2380C）異喹啉（bp：2430C）(1)親電取代：在苯環(huán)（α位）（2）親核取代：在吡啶環(huán)上第三十六頁，共五十頁，2022年，8月28日37DC.sjtu（3）氧化還原：第三十七頁，共五十頁，2022年，8月28日2、嘌呤可看成是由一個嘧啶環(huán)和一個咪唑環(huán)共用2個碳原子稠合而成。易溶于酸，其水溶液呈中性，但卻能與強(qiáng)酸或強(qiáng)堿生成鹽。嘌呤在水溶液中可發(fā)生酮式-烯醇式互變異構(gòu)。在晶態(tài)時以7H-嘌呤存在。

1

7 939H-嘌呤

1

7

397H-嘌呤

61 5

724 839第三十八頁，共五十頁，2022年，8月28日39DC.sjtu嘌呤的取代衍生物:6-氨基嘌呤(腺嘌呤)2-氨基-6-羥基嘌呤(鳥嘌呤)2,6-二羥基嘌呤(黃嘌呤)NH2OHNH2OHHO第三十九頁，共五十頁，2022年，8月28日40大自然并非都是綠色的天然殺蟲劑

許多人認(rèn)為，所有合成的東西都是可疑和“壞”的，而所有的天然的化學(xué)物質(zhì)都是無害的。這是一個錯誤的觀念??！

每人每天以蔬菜的形式消費(fèi)1.5g天然殺蟲劑——超過他們攝入的合成殺蟲劑殘留的10000倍。那為什么我們沒有被這些毒藥消滅呢？我們所接觸每一種含量都非常低；人類已經(jīng)進(jìn)化到面對這一化學(xué)炮彈的攻擊足夠保衛(wèi)自己。我們的DNA有許多修復(fù)損傷的方法；我們聞出或嘗出令人厭惡的物質(zhì)的能力提供了預(yù)警信號。任何東西不要過量，要保持膳食的多樣性。第四十頁，共五十頁，2022年，8月28日咖啡酸（致癌）烯丙基異硫氰酸酯（致癌）苧烯（致癌）補(bǔ)骨脂素（致癌）天然植物殺蟲劑植物性食品（μg/g）蘋果、胡蘿卜、芹菜、葡萄、生菜、土豆（50～200）：卷心菜（35～500）；花菜（12～66）；棕色芥菜（16000～72000）；辣根（4500）橙汁（31）；黑胡椒（8000）荷蘭芹，芹菜鼠尾草、百里香和其他草藥（＞1000）：咖啡（焙烤咖啡豆）（18000）：第四十一頁，共五十頁，2022年，8月28日42DC.sjtu

生物堿是生物體內(nèi)一類具有一定生理活性的含氮有機(jī)化合物。多數(shù)屬于仲胺、叔胺和季銨類，少數(shù)為伯胺，常含氮雜環(huán)結(jié)構(gòu)，且多具有堿性。由于生物堿主要存在于植物中，所以也常叫植物堿。一種植物中可以含有多種生物堿，同一科植物所含生物堿的結(jié)構(gòu)往往是相似的。一、生物堿的概念第四節(jié)生物堿

(Alkaloid)第四十二頁，共五十頁，2022年，8月28日43DC.sjtu1：煙堿，尼古丁(nicotine)CH3存在于煙葉中，有劇毒。少量對中樞神經(jīng)有興奮作用，大量則抑制中樞神經(jīng)，出現(xiàn)惡心、嘔吐,使心臟麻痹以至死亡。1978年美國報告，1支煙含煙堿0.05~2.5mg.含吡啶環(huán)及四氫吡咯環(huán)二、幾種常見的生物堿例2：可卡因(cocain)存在于大麻、鴉片中，為中樞神經(jīng)興奮劑，可致欣快癥。為成癮毒物。仲胺HN

CO2CH3HHO-C-C6H5

O第四十三頁，共五十頁，2022年，8月28日例3：嗎啡(morphine)、可待因(codein)和海洛因(heroin)R=R1=H morphineR=CH3,R1=HcodeinR=R1=—CO-CH3

heroinNCH3R

OR1O

嗎啡

味苦，對中樞神經(jīng)有麻痹作用，有極快的鎮(zhèn)痛效力，但易成癮。臨床上一般使用嗎啡的鹽酸鹽及其制劑。

可待因與嗎啡有相同的生理作用，臨床一般使用其磷酸鹽，主要作為鎮(zhèn)咳劑。其鎮(zhèn)痛作用較小，強(qiáng)度為嗎啡的1/4，亦不象嗎啡那樣易成癮。

海洛因即二乙酰嗎啡，不存在于自然界，其成癮性為嗎啡的3~5倍，它從不作為藥用，是對人類危害最大的毒品之一。叔胺第四十四頁，共五十頁，2022年，8月28日例4：苯丙胺類藥物

CH3H———NH-CH3H———OH C6H5麻黃素為中藥麻黃中的主要有效成分。具有類似腎上腺素作用。有興奮交感神經(jīng)、增高血壓、擴(kuò)張氣管的作用，用于支氣管哮喘癥，療效持久.—CH2-CH-CH3NH2—CH2-CH-CH3NH-CH3苯異丙胺(1-苯基-2-丙胺)N-甲基苯異丙胺(去氧麻黃素)于1887年首次人工合成的興奮劑，其作用類似于麻黃素.

為無色透明晶體，俗稱冰毒，對人體的損害甚于海洛因.第四十五頁，共五十頁，2022年，8月28日46DC.sjtu例5酰胺類喜樹堿，抗癌、治療腸癌，胃癌、白血病。秋水仙堿，抗腫瘤藥，抗痛風(fēng)藥第四十六頁，共五十頁，2022年，8月28日47DC.sjtu

2.生物堿的沉淀反應(yīng)：生物堿可與生物堿試劑（如苦味酸、碘化汞鉀等）發(fā)生沉淀反應(yīng)。1.一般性狀：多為無色或白色固體，少數(shù)為液體，