有機化學課件-第二十章-雜環(huán)化合物

主要內(nèi)容20.1雜環(huán)化合物的分類與命名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)20.8生物堿7/25/20231課件環(huán)狀有機化合物中，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。7/25/20232課件20.1雜環(huán)化合物的分類與命名

一、雜環(huán)化合物的分類7/25/20233課件常見的雜環(huán)化合物7/25/20234課件7/25/20235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。7/25/20236課件2.雜環(huán)及環(huán)上取代基的編號(1)母體雜環(huán)的編號：雜原子的編號為“1”。雜原子鄰位的碳原子也可依次用α、β、γ…編號。(2)環(huán)上有不同雜原子時，按O→S→N次序編號。若環(huán)有不同取代基，其編號按次序規(guī)則和最低系列。7/25/20237課件7/25/20238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.7/25/20239課件2.結(jié)構(gòu)

呋喃、噻吩、吡咯結(jié)構(gòu)上共同點:構(gòu)成環(huán)的五個原子都為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。7/25/202310課件二、呋喃、噻吩、吡咯雜環(huán)的化學性質(zhì)1．親電取代反應(yīng)從結(jié)構(gòu)上分析，五元雜環(huán)為Π56共軛體系，電荷密度比苯大，發(fā)生親電取代反應(yīng)的速度也比苯快得多。

如以苯環(huán)上碳原子的電荷密度為標準（作為0），則五元雜環(huán)化合物的有效電荷分布為：7/25/202311課件親電取代反應(yīng)活性：吡咯>呋喃>噻吩>苯主要進入α-位說明：吡咯、呋喃、噻吩的親電取代反應(yīng)，對試劑及反應(yīng)條件必須有所選擇和控制。7/25/202312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：由此可見，進攻2–位所形成的共振雜化體比進攻3–位所形成的共振雜化體穩(wěn)定。7/25/202313課件說明：①噻吩環(huán)芳性比呋喃環(huán)和吡咯環(huán)強，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！不能用強酸NC5H5NSO3NSO3HOSO3HC5H5NSO3O

吡啶三氧化硫，一種溫和的磺化劑7/25/202314課件利用磺化反應(yīng)可分離苯和噻吩：.Cb.p81。Sb.p84C。(())室溫H2SO4濃SSO3H（酸層）（苯層）分液蒸餾無噻吩苯7/25/202315課件(2)硝化不能用混酸硝化，一般是用乙?；跛?CH3COONO2)作硝化試劑，在低溫下進行。不用強酸，否則呋喃或噻吩開環(huán)聚合硝化O+CH3COONO2ONO2CH3COONO2+SNO2S醋酸硝酰一種弱的硝化試劑，7/25/202316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%7/25/202317課件(4)傅-克?；?/25/202318課件(5)吡咯的特殊反應(yīng)吡咯十分活潑，活性類似于苯胺、苯酚.7/25/202319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7/25/202320課件注意：吡咯和呋喃也遵循上述規(guī)律，但當α-位上有m–定位基(如:–CHO、–COOH)時，新引入基團進入的位置與反應(yīng)試劑有關(guān)。7/25/202321課件2.加成反應(yīng)

7/25/202322課件D-A反應(yīng)7/25/202323課件3.吡咯的弱堿性和弱酸性

吡咯分子中氮原子孤對電子，由于其參與了環(huán)狀π56的共軛，為整個環(huán)狀共軛體系所共享，使氮上電子云密度降低，孤對電子難以給出。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共軛體系難以表現(xiàn)出堿性7/25/202324課件∴堿性:苯胺(Kb=3.8×10-10)>>吡咯(Kb=2.5×10-14)

能與強酸成鹽

不能與強酸成鹽遇酸分解

(2)弱酸性pKa=16.5，比酚弱，比醇強，可與強堿（NaNH2，KNH2、RMgX）或金屬作用。7/25/202325課件7/25/202326課件7/25/202327課件三、呋喃、噻吩、吡咯雜環(huán)的合成1.工業(yè)制備7/25/202328課件2.合成7/25/202329課件四.吡咯、呋喃和噻吩的重要衍生物

1.糠醛:無色液體，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)7/25/202330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)7/25/202331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。7/25/202332課件

含吲哚的生物堿廣泛存在于植物中，如麥角堿、馬錢子堿、利血平等7/25/202333課件7/25/202334課件3.卟啉環(huán)系化合物卟啉環(huán)系是由四個吡咯和四個次甲基交替相聯(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。7/25/202335課件20.3唑一．噻唑

噻唑是含一個硫原子和一個氮原子的五元雜環(huán)，無色，有吡啶臭味液體，沸點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。7/25/202336課件維生素B1（VB1）青霉素7/25/202337課件結(jié)構(gòu)和性質(zhì)1).弱堿性吡咯系雜環(huán)中除咪唑是中等強度的堿外，其它為弱堿，因為：二.咪唑和吡唑7/25/202338課件咪唑分子間可形成氫鍵：吡唑通過氫鍵可締合成二聚體：

咪唑和吡唑具有較高的沸點,這是因為:7/25/202339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。

7/25/202340課件是一無色有惡臭液體，與水及許多有機溶劑，如乙醇、乙醚等混溶，是良好的溶劑。吡啶氮上有一對電子未參與共軛，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)7/25/202341課件二.化學性質(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)類似于硝基苯，不能進行傅氏烷基化和?；磻?yīng)。7/25/202342課件親電取代位置在3-或5-位進行，為什么？7/25/202343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)定性加以說明：7/25/202344課件顯然，當吡啶環(huán)上連有供電子基團時，將有利于親電取代反應(yīng)的發(fā)生；反之，就更加難以進行親電取代反應(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)。7/25/202345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。如：2.吡啶環(huán)上親核取代反應(yīng)7/25/202346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位的負氫離子也能被取代。吡啶環(huán)2位負氫離子被強親核性氨基負離子取代,同時放出氫氣，稱齊齊巴賓（Chichibabin）反應(yīng)。7/25/202347課件3.吡啶環(huán)上氮的堿性及親核性7/25/202348課件吡啶環(huán)上有供電子基時將使堿性增強。如：pka5.175.795.686.027/25/202349課件

吡啶既然是一個堿，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：7/25/202350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)7/25/202351課件吡啶成鹽后，使吡啶環(huán)2,4,6位烷基α-H酸性進增強，可以發(fā)生羥醛縮合和邁克爾反應(yīng)：7/25/202352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7/25/202353課件7/25/202354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。7/25/202355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7/25/202356課件反應(yīng)過程：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7/25/202357課件③.質(zhì)子化的醛對苯環(huán)進行親電取代反應(yīng)④.1,2-二氫喹啉氧化7/25/202358課件7/25/202359課件7/25/202360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.7/25/202361課件二.異喹啉的合成Bischler-Napieralski合成法7/25/202362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)7/25/202363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)7/25/202364課件7/25/202365課件喹啉和異喹啉類似于吡啶，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，可進行縮合和親核取代反應(yīng)。與吡啶類似，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)7/25/202366課件7/25/202367課件4.氧化及還原7/25/202368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)堿性化合物常稱為嘧啶堿7/25/202369課件二、嘌呤無色晶體，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植物體內(nèi)。7/25/202370課件1．尿酸

存在于鳥類及爬蟲類的排泄物中，含量很多，人尿中也含少量。2．黃嘌呤存在于茶葉及動植物組織和人尿中。7/25/202371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。

4．腺嘌呤和鳥嘌呤

核蛋白中的兩種重要堿基。鳥嘌呤（G）

腺嘌呤（A）

7/25/202372課件20.8生物堿生物堿：存在于生物體內(nèi)的一類含氮堿性有機物，大多有較復雜環(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；喜樹堿、秋水仙堿、長春新堿、三尖杉堿、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。主要有鳥氨酸、賴氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸、鄰氨基苯甲酸、組氨酸等。

7/25/202373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)