第十三章 雜環(huán)化合物和生物堿.ppt

1、13-1 雜環(huán)化合物的分類、命名和結(jié)構(gòu) 一、分類 二、命名 三、雜環(huán)化合物的結(jié)構(gòu) 13-2 雜環(huán)化合物的性質(zhì) 一、物理性質(zhì) 二、化學(xué)性質(zhì) 12-3 重要雜環(huán)化合物,內(nèi)容提要,13-4 生物堿 一、生物堿的種類及其生理活性 二、生物堿的一般性質(zhì) 三、生物堿的提取與分離,內(nèi)容提要,雜環(huán)化合物：在環(huán)狀化合物成環(huán)的原子中，除了碳原子外，還有其它雜原子（O，N，S等）。 前幾章討論過(guò)的環(huán)醚，內(nèi)酯，交酯，內(nèi)酐等，成環(huán)的原子中也有雜原子，但這些化合物的性質(zhì)與相應(yīng)的開(kāi)鏈化合物類似，屬于脂雜環(huán)化合物。例如：,第十三章 雜環(huán)化合物和生物堿 Heterocyclic compound and Alkaloid,本章

2、主要討論具有芳香性的雜環(huán)化合物，這類化合物屬于芳香族。,芳香族,芳香烴,雜環(huán)化合物,苯系芳烴 非苯系芳烴,四氫呋喃,四氫吡咯,-戊內(nèi)酯,13-1 雜環(huán)化合物的分類、命名和結(jié)構(gòu) 一、分類（p320）,單環(huán) 稠環(huán),五元環(huán) 六元環(huán),二、命名（p321） 1.環(huán)的名稱 雜環(huán)化合物多采用音譯命名法，即將其英文名稱譯成同音漢字，并用“口”字旁作為雜環(huán)的標(biāo)志。重要的雜環(huán)化合物結(jié)構(gòu)和音譯名列舉如下：,呋喃 (furan),噻吩 (thiophene),吡咯 (pyrrole),咪唑 (imidazole),噻唑 (thiazole),吡啶 (pyridine),嘧啶 (pyrimidine), -吡喃 ( -

3、 pyran),吲哚(indole),嘌呤 (purine),喹啉(quinoline),異喹啉(isoquinoline),2.成環(huán)原子的編號(hào) (1)環(huán)上若有一個(gè)雜原子，則以雜原子的位次為最小，在此基礎(chǔ)上再使帶有取代基的碳原子位次盡可能小。 (2)環(huán)上若有一個(gè)以上相同的雜原子，則從連有取代基或氫原子的雜原子開(kāi)始編號(hào)，并使所有雜原子的位次總和為最小。 (3)環(huán)上若有一個(gè)以上不相同的雜原子，則按OSN的次序編號(hào)，并使所有雜原子的編號(hào)盡可能小。,3.命名 類似于芳香烴 (1)以雜環(huán)為母體,2,5-二甲基呋喃,1-甲基吡咯,5-甲基咪唑,4-甲基-5-(2-羥乙基)噻唑,4-氨基-2-羥基嘧啶 （胞

4、嘧啶）,2,4-二羥基嘧啶 （尿嘧啶）,5-甲基-2,4-二羥基嘧啶 （胸腺嘧啶）,6-氨基嘌呤 （腺嘌呤）,2,6,8-三羥基嘌呤 （尿酸）,8-羥基喹啉,(2)以雜環(huán)為取代基,2-呋喃甲醛,5-硝基-2-呋喃甲醛,4-甲基-2-吡啶甲酸,3-吲哚乙酸,三、雜環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)（p322）,呋喃 O：sp2,噻吩 S：sp2,吡咯 N：sp2,1.結(jié)構(gòu)與芳香性 (1)五元雜環(huán)化合物 以上三種五元雜環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)均符合休克爾規(guī)則，都有一定程度的芳香性和較高的熱力學(xué)穩(wěn)定性。,但由于環(huán)上存在電負(fù)性較大的雜原子，所以與苯不同，共軛體系中各原子電子密度不是平均分布，鍵長(zhǎng)也不是完全相等，只是趨向于平均化，芳

5、香性比苯小。熱力學(xué)穩(wěn)定性也小于苯，其共軛能（kJ/mol)數(shù)據(jù)如下： 苯 噻吩 吡咯 呋喃 150.6 117.5 90.4 66.9 從共軛能的大小可以看出，三種五元雜環(huán)化合物的穩(wěn)定性次序?yàn)椋?苯 噻吩 吡咯 呋喃,吡啶 N：sp2,(2)六元雜環(huán)化合物 吡啶的結(jié)構(gòu)也符合休克爾規(guī)則，和以上三種五元雜環(huán)化合物類似，也有一定程度的芳香性和較高的熱力學(xué)穩(wěn)定性。但氮原子上電子的排布與吡咯不同，孤電子對(duì)處于sp2雜化軌道，沒(méi)有參與共軛。,2.結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 五元和六元雜環(huán)化合物偶極矩方向及數(shù)值（10-30 C m）如下：,5.77,2.20,6.34,1.83,5.27,6.04,3.90,7.33,在五

6、元雜環(huán)化合物中，由于雜原子2p軌道上的孤電子對(duì)與4個(gè)碳原子的2p軌道形成共軛體系，電子離域的結(jié)果使環(huán)上碳原子周圍電子密度增加，大大超過(guò)苯環(huán)。其中呋喃和噻吩雜原子的+C效應(yīng)部分抵消了-I效應(yīng)，從而使偶極矩?cái)?shù)值明顯下降。而吡咯雜原子的+C效應(yīng)大于-I效應(yīng)，所以偶極矩的方向也發(fā)生改變。 同時(shí)， 雜原子的+C效應(yīng)又使共軛體系內(nèi)部?jī)蓚€(gè)位（雜原子的鄰位）的電子密度高于兩個(gè)位（雜原子的間位），因而親電取代反應(yīng)優(yōu)先發(fā)生在兩個(gè)位。,在六元雜環(huán)化合物中，由于電負(fù)性大的氮原子的孤電子對(duì)沒(méi)有參與共軛，因而- C 和-I效應(yīng)的疊加（二者方向一致），使環(huán)上碳原子周圍電子密度大大減小，低于苯環(huán)。相對(duì)而言，氮原子的鄰對(duì)位電子

7、密度下降的更為明顯，親電取代反應(yīng)一般發(fā)生在間位（ 位）。 親電取代反應(yīng)的活性次序： 吡咯 呋喃 噻吩 苯 吡啶,其次，吡咯和呋喃遇強(qiáng)酸時(shí)，雜原子能發(fā)生質(zhì)子化，破壞大 鍵，從而呈現(xiàn)共軛二烯烴的性質(zhì)：易聚合，易被氧化。而吡啶則比苯更難氧化。 正因?yàn)槿绱?，吡咯和呋喃不能直接用?qiáng)酸進(jìn)行硝化、磺化等反應(yīng)，要采用較溫和的非質(zhì)子性試劑。 另外，吡啶和吡咯雖然都含有氮原子，但前者孤電子對(duì)沒(méi)有參與成鍵，能接受質(zhì)子而顯堿性，后者的孤電子對(duì)參與共軛，不但不能接受質(zhì)子，而且表現(xiàn)出一定的弱酸性。,13-2 雜環(huán)化合物的性質(zhì) 一、物理性質(zhì)（p328） 五元和六元雜環(huán)結(jié)構(gòu)上的差異，使它們?cè)谖锢硇再|(zhì)上也有很大的區(qū)別。 上述四

8、種化合物中，吡啶的極性最大，且氮原子沒(méi)有參與成鍵的孤電子對(duì)不僅能與水形成氫鍵，還能與一些金屬離子形成配位鍵。所以，吡啶與水能以任何比例互溶，又能溶解大多數(shù)極性和非極性有機(jī)物（例如乙醇和乙醚），甚至能溶解某些無(wú)機(jī)鹽類。,三個(gè)五元雜環(huán)化合物在水中的溶解度均小于吡啶，這是因?yàn)樗鼈兊墓码娮訉?duì)參與了共軛，雜原子的電子密度降低。 二、化學(xué)性質(zhì)（p328） 1.親電取代反應(yīng) (1)鹵代,乙醇，0,二氧六環(huán), 0,乙酸，室溫,300 ,(2)硝化 五元雜環(huán)化合物進(jìn)行硝化反應(yīng)時(shí)，常用的硝化試劑是乙?；跛狨ィ篊H3COONO2,-30 -5,5,-10,300,(3)磺化 五元雜環(huán)化合物中的吡咯和呋喃的磺化反應(yīng)

9、常用C6H5N+SO3為試劑。遇濃硫酸不發(fā)生質(zhì)子化反應(yīng)的噻吩，可在室溫下直接與濃硫酸進(jìn)行磺化反應(yīng)。利用該性質(zhì)能分離苯中所含的少量噻吩。,室溫,100,室溫,350,(4)?；?由于五元雜環(huán)發(fā)生親電取代反應(yīng)的活性很強(qiáng)，很難得到一烷基取代產(chǎn)物，所以傅克烷基化反應(yīng)沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。吡啶則不能發(fā)生傅克烷?；磻?yīng)。,2.加成反應(yīng),四氫呋喃,四氫吡咯,四氫噻吩,六氫吡啶,芳香性最小的呋喃表現(xiàn)出共軛二烯烴的性質(zhì)，能與順丁烯二酸酐發(fā)生D-A反應(yīng)。,3.氧化反應(yīng) 五元雜環(huán)苯吡啶 五元雜環(huán)尤其是呋喃和吡咯對(duì)氧化劑十分敏感，例如吡咯在空氣中放置，顏色很快變深。而吡啶只能發(fā)生側(cè)鏈的氧化反應(yīng)，例如：,4.含氮雜環(huán)化合

10、物的酸堿性 堿性次序： 脂肪族胺氨吡啶芳香族胺吡咯。例：,+SO3-,5.吡啶的親核取代反應(yīng),6.鑒別 (1)呋喃 呋喃蒸氣 + 鹽酸浸漬的松木片 綠色 (2)吡咯 吡咯蒸氣 + 鹽酸浸漬的松木片 紅色 (3)噻吩 噻吩 + 濃硫酸 + 靛紅 藍(lán)色,13-3 重要的雜環(huán)化合物(p332) 一、呋喃衍生物 二、吡咯衍生物 三、三唑類衍生物 四、吡啶衍生物 五、吲哚衍生物 六、苯并吡喃衍生物,七、嘧啶衍生物,尿嘧啶互變異構(gòu),亞胺醇式,酰胺式,胞嘧啶 互變異構(gòu),胸腺嘧啶互變異構(gòu),腺嘌呤,鳥(niǎo)嘌呤互變異構(gòu),八、嘌呤衍生物,13,13-4 生物堿(p341) 生物堿是具有強(qiáng)烈生理作用的含氮堿性化合物，廣泛

11、存在于多種植物中，屬次生代謝產(chǎn)物。除少數(shù)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的生物堿，其分子中的氮原子不在環(huán)內(nèi)，絕大多數(shù)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的雜多環(huán)化合物。在植物體內(nèi)，生物堿常與酸結(jié)合成鹽。許多中草藥如：當(dāng)歸，麻黃，黃連等的有效成分都屬于生物堿類。到目前為止，已發(fā)現(xiàn)的生物堿超過(guò)6000種。,一、生物堿的種類及生理活性(p341) 二、生物堿的一般性質(zhì)(p342) 1.物理形狀 一般情況下，生物堿的分子是不對(duì)稱分子，且多為左旋體。 2.堿性 大多數(shù)生物堿顯堿性，結(jié)構(gòu)不同，堿性強(qiáng)弱不同。,3.溶解性 多數(shù)游離的仲、叔胺型生物堿為脂溶性。堿性生物堿可溶于酸性水溶液。 4.沉淀反應(yīng) 大部分生物堿都能與某些酸類、重金屬鹽及相對(duì)分子質(zhì)量大

12、的配合物鹽反應(yīng)，生成單鹽、配合物鹽或不溶性復(fù)合物沉淀。這類反應(yīng)可用于預(yù)示植物體內(nèi)生物堿的存在。,能與生物堿反應(yīng)生成沉淀的試劑稱為生物堿沉淀試劑。常見(jiàn)的生物堿試劑有： 碘碘化鉀，碘化鉍鉀，磷鉬酸和苦味酸等。 5.顯色反應(yīng) 能與生物堿發(fā)生顯色反應(yīng)的試劑稱為生物堿顯色試劑，常用于鑒別某些生物堿。例如：?jiǎn)岱?+ 1%釩酸銨/濃硫酸 棕色,四、生物堿的提取和分離(p342) 利用生物堿在植物中的存在形式，選擇不同的提取分離方法。 1. H2O/H+ 適用于游離生物堿的提取。 2.醇類溶劑 適用于游離生物堿和鹽類。 3.有機(jī)溶劑 適用于游離生物堿和鹽類。例如：,原料細(xì)粉,堿化，過(guò)濾,游離生物堿,氯仿，二氯甲烷等,游離生物堿及脂溶性雜質(zhì),酸化,水層,生物堿的鹽,有機(jī)層,脂溶性雜質(zhì),有機(jī)層,堿性水層,生物堿的鹽,堿化,游離生物堿,氯仿，二氯甲烷等,水層,有機(jī)層,游離生物堿除溶劑重結(jié)晶,用有機(jī)溶劑提取生物堿的流程示意