有机化学教案 第十七章 第十七章杂环化合物 一,学习目的和要求: 1.学握杂环化合物的分类和命名。 2.掌握五元单杂环、六元单杂环化合物的化学性质。 3.理解杂环化合物的结构与芳香性。 4.理解毗咯、吡啶的结构与性质的关系。 5.了解嘧啶、喹啉、嘌吟及吲哚。 6.了解几种重要生物碱(麻黄素、烟碱、阿托品、咖啡碱和茶碱)。 二.本章节重点、难点: 杂环化合物的化学性质,杂环化合物的结构与芳香性。杂环化合物的结构与芳香性。 引言 杂环化合物是指组成环的原子中含有除碳以外的原子(杂原子一一常见的是N、O、S 等)的环状化合物 杂环化合物 非芳香杂环如O.0b,CNH… 芳杂环(特合体克你规测的杂环)如了。刀 杂环化合物不包括极易开环的含杂原子的环状化合物,例如: 7,8,8.Q 本章我们只讨论芳香族杂环化合物。 在具有生物活性的天然化合物中,大多数是杂环化合物。例如,中草药的有效成分生 物碱大多是杂环化合物:动植物体内起重要生理作用的血红素、叶绿素、核酸的碱基都是 含氮杂环:一些维生素、抗菌素、植物色素、植物染料、合成染料都含有杂环。 17.1杂环化合物的分类和命名 17.1,1杂环从结构上大体分为:单杂环和稠杂环两类。 1
有机化学教案 第十七章 五元杯【 单杂 0 杂环 吡 噻吩 六元环 吡啶 杂环 座琳 17.12命名 杂环化合物的命名比较复杂,现在一般通用的有两种类型的命名方法。一种是按照化 合物的西文名称音译,另一种是根据相应的碳环化合物名称类比命名。杂环的命名常用音 译法,是按外文名称的音译,并加口字旁,表示为环状化合物 1.单杂环的命名方法 第一步,写出杂环化合物的基本名称 7 furan pyrrole thiophene imidazole oxazole 呋喃 吡咯 噻吩 噁唑 thiazole pyran pyridine pyrimidine pyrazine 噻唑 吡啶 嘧啶 吡嗪
有机化学教案 第十七章 第二步,是将杂环上每个“环节“原子编号,并使杂原子处在最小号数位置,如果一个 环上有两个或多个不同种类的杂原子时,则规定按0,S,N,…顺序使其位号由小到大。例 如:两个或多个不同种类的杂原子时,则规定按0,S,N,…顺序使其位号由小到大,例如: 文F女 第三步,当环上有取代基时,先将取代基的名称放在杂环基本名称(或称主体环名称) 的前面,并把主体环的位号写在取代基名称的前面,以表示取代基在主体环上的位置。如 果杂环分子上有两个或两个以上取代基时,则按照最低系列原则编号。例如 ”文 3一甲基毗啶1,3一二甲基吡咯(不是1,一二甲基毗咯) 第四步,对于不同程度饱和的杂环化合物,命名时不但要标明氢化(饱和)的程度, 而且要标示出氢化的位置,用中文数字标明其数目,用阿拉伯数字标明其位置,全氢化物 可只标明数目。例如: 六氢呋喃 2,3一二氢毗咯2,5一二氢吡略 2.稠杂环命名方法 (1)对于一些简单的稠杂环,可以直接采用与单杂环相同的命名方法,例女 平的好心 吲哚 咔
有机化学教案 第十七章 (2)对于大多数稠杂环的命名方法,是确定稠杂环中的主体环(当然必须是分子中的 杂环部分),并以它的名字作为整个稠环分子的基本名称,其它与之骈合的环的名字都看 成是这个专主体环的前缀而放在主体环名称的前面,如下式所示 benzothia2ole苯骈噻唑 当稠环中的主体环和骈合环具有非专一位置时,则要标明用以骈合的主体环的边号. 边序号是用a,b,c,d,…表示的,并规定1-2位间的键(边)为a,2-3位间者为b等,按顺 序标记,最后把骈合边的边序号放在骈合环和主体环的名称之间,并以方括号括起来。例 如: a 装 苯骈[g]喹啉 17.2杂环化合物的结构与芳香性 呋、噻吩、吡略在结构上具有共同点,即构成环的五个原子都为即杂化,故成环的 五个原子处在同一平面,杂原子上的孤对电子参与共轭形成共轭体系,其电子数符合休 克尔规则(电子数=4m+2),所以,它们都具有芳香性。 8 为Π年共轭体系 元电子=6 符合4n+2 具有芳性 富电子芳环 H 吡啶的结构
有机化学教案 第十比章 88 000 n体系 00 0 成环原子 N上的孤电子对在 共平喻 P轨道上,参与 N上的孤电子对在 环内共辄,为富 sp2轨道上,在环外 电子芳环。 未参与环内共轭 由于毗啶环的N上在环外有一孤对电子,故吡定环上的电荷分布不均 087 人B1电荷分布N>B>y N&Q4亲电取代B位 1.43 亲核取代a,Y位 17.3五元杂环化合物 含一个杂原子的典型五元杂环化合物是呋南、噻吩和吡略。含两个杂原子的有噻唑、咪 唑和吡唑。本节重点讨论呋喃、噻盼和吡咯,简单介绍一下嘴唑、味唑和吡唑。 17.3.1呋喃、噻吩、吡咯的性质 呋喃、噻吩和毗咯中,碳原子和杂原子均以即杂化轨道互相连接成。健,并且在一个 平面上,每个碳原子及杂原子上均有一个p轨道互相平行,在碳原子的p轨道中有一个P 电子,在杂原子的轨道中有两个p电子,形成一个环形的封闭的元电子的共轭体系。这 与休克尔的4加2规侧相符,因此这些杂环或多或少的具有与苯类似的性质,故称之为芳香 杂环化合物。 芳香性大小,试验结果表明: Y 1.亲电取代反应 从结构上分析,五元杂环为“共轭体系,电荷密度比苯大,如以苯环上碳原子的电荷 密度为标准(作为0),则五元杂环化合物的有效电荷分布为:
有机化学教案 第十七章 (1)五元杂环有芳香性,但其芳香性不如苯环,因环上的算电子云密度比苯环大,且 分布不匀,它们在亲电取代反应中的速率也比要苯快得多。 (2)亲电取代反应的活性为:吡咯>呋哺>噻吩>苯,主要进入位。 (3)吡咯、呋喃、噻盼的亲电取代反应,对试剂及反应条件必须有所选择和控制, 卤代反应:不需要催化剂,要在较低温度和进行:硝化反应:不能用混酸硝化,一 毅是用乙酰基硝酸酯(CH,COONO):作硝化试剂,在低温下进行:磺化反应:呋喃、此咯不 能用浓疏酸磺化,要用特殊的磺化试剂一吡啶三氧化硫的络合物,噻吩可直接用浓疏酸 磺化。 2.加氢反应 H2.Ni or Pd 四氢呋响(THF) H2,Ni or Pd 四氢吡咯 g H2,Ni ■ 不能用Pd催化 因噻盼能Pd使中毒 3.呋璃、吡咯的特性反应 (1)呋喃易起D-A反应 。· 内式(90e 外式 吡略、噻吩要在特定条件下才能发生D-A反应。 (2)吡咯的弱酸性和弱碱性 吡略虽然是一个仲胺,但碱性很弱。 NH 医型的来共用电子对 K3.8x1010 2.5×1014 2×104 吡咯具有弱酸性,其酸性介于乙醇和苯酚之间。 6
有机化学教案 第十比章 OH CH3CH2OH K=1.3x10101×1015 1×1018 故吡略能与固体氢氧化钾加热成为钾盐,与格式试剂作用放出RH而生成吡咯卤化镁 日x遥又·w MgX 吡咯钾盐和毗咯卤化镁都可用来合成毗咯衍生物。 N KOH( COR RI a了 RCOCI RMgX COR 下乙醚 MgX RI 17.32重要的五元杂环衍生物 (1)糠醛(a.呋喃甲醛) 1.制备 由农副产品如甘杂渣、花生壳、高粱杆、棉子壳…用稀酸加热蒸煮制取 (C,)-5SO.HO-CH-CH-OH 水蒸气 8站848o&0☐g0 OH OH △ 多聚戊糖 戊糖 呋喃甲醛 2.醛的性质 糠醛具有一般醛基的性质,其化学性质与苯甲醛或甲醛相似。 (1)氧化还原反应
有机化学教案 第十七章 CuO,Cr2O3 150℃,10MPa anon CHO KMnO4弱碱性 COOH V205-Mo0 02.320℃, g0。+c0,ho (2)歧化反应 OcH0浓cooH+cH6oH (3)羟醛缩合反应 geio·ctco5 C-CHH (4)安息香缩合反应 g0题9a8可 3.糠醛的用途 糠醛是良好的溶剂,常用作精练石油的溶剂,以溶解含疏物质及环烷烃等。可用于精 制松香,脱出色素,溶解硝酸纤维素等。糠醛广泛用于油漆及树脂工业。 (2)吡咯的重要衍生物 最重要的吡咯衍生物是含有四个吡略环和四个次甲基(-CH=)交替相连组成的大环化合 物。其取代物称为卟啉族化合物。 卟琳族化合物广泛分布与自然界。血红素,叶绿素都是含环的卟啉族化合物。在血 红素中环络合的是F心,叶绿素环铬合的是Mg。维生素B1,是含钴的类似卟啉环化合 物。但其卟啉环在6一位少一个碳原子,它具有强的医治贫血的功能 叶绿素a己经被合成(1960年)
有机化学教案 第十七章 COCCI HhC00CH2今y入wY入入 CH: CH3 CH3 CH: CH: 叶绿素α的结构 (3)噻唑和咪唑 1.噻唑 唑是含一个硫原子和一个氮原子的五元杂环,无色,有毗啶臭味的液体,沸点17℃, 与水互溶,有弱碱性。是稳定的化合物。 一些重要的天然产物几合成药物含有噻唑结构,如青霉素、维生素B等。 青霉素是一类抗菌素的总称,己知的青霉素大一百多种,它们的结构很相似,均具有 稠合在一起的四氢噻唑环和。内酰胺环。 HOOC-T C=O -CH-NH-C-R R--CH 为青霉素G R=-CH2-O-《》 为青霉素V〉常用青霉素 R=-CHCH-CH2S-CH3为青霉素O 青霉素具有强酸性(pKa≈2.7),在游高状态下不稳定(青霉素0例外),故常将它们变成 盐、钾盐或有机碱盐用于临床。 17.3.3呋喃,噻吩,吡咯的制备 1.玉米心,稻糠,花生壳,大麦壳,高梁秆等用稀疏酸处理得戊糖,戊糖失水得糠醛 再在400℃下加热,同时在催化剂Z0.,C,0存在下,失去一氧化碳而得呋喃。 9
有机化学教架 第十七章 水解加热 戊多糖 -c0 2.工业上制备噻吩是用丁烷,丁烯或丁二烯与疏磺混合,在600℃反应得到: 3.噻吩也可用琥珀酸钠盐与五疏化二磷一起加热反应制得: +卫05+其它 COON COONa 4.帕尔一克诺尔(C.Paal-L.Knor)合成法: 1,4一二羰基化合物常在无水的酸性条件下,得到呋晴及其衍生物。1,4一二羰基化 合物与氨或疏化合物反应,可制备噻吩,吡咯及他们的衍生物,这个方法称为帕尔一克诺 尔合成法: 心群人一