有机化学课件-第十一章杂环化合物及生物碱

第十一章杂环化合物及生物碱广东海洋大学应用化学系有机化学OrganicChemistry教材:有机化学(第二版）赵建庄张金桐主编高等教育出版社•一般把除碳以外的成环原子叫杂原子，常见的杂原子有氧、硫和氮：•环系中可含一个、两个或多个相同或不同的杂原子。•环可以有三元环、四元环、五元环、六元环或更大，可以是稠合的环。（一）杂环化合物•杂环化合物种类繁多，约占全部已知有机化合物的三分之一。•这些化合物的性质与相应的脂肪族化合物相近。•本章介绍的是具有不同芳香性的杂环化合物（简称芳杂化合物）。•已经学过的杂环化合物：•按骨架分类:五元杂环、六元杂环;单杂环和稠杂环等。•命名——按英文音译。常见的杂环有：12.1.1杂环化合物的分类和命名喹啉呋喃噻吩吡咯吡啶吲哚噻唑嘧啶•命名1：带有取代基的杂环化合物，以杂环为母体，从杂原子开始顺着环编号；当环上含有两个或以上相同的杂原子时，应使杂原子所在位次的数字最小；环上有不同杂原子时，按O、S、N的次序编号：•命名2：环上只有一个杂原子时，有时也把靠近杂原子的位置叫位，其次为位，再次为位：•含有两个或以上的相同杂原子的单杂环衍生物，编号从连有取代基（或氢原子）的那个杂原子开始，顺序定位，使另一个杂原子的位次保持最小：命名3：根据相应的碳环来命名。把杂环看作相应碳环中的碳原子被杂原子取代而形成的化合物，命名时在相应的碳环名称前加上杂原子的名称：•在没有误会的情况下，“杂”字可以省去。（1）五元杂环化合物——呋喃、噻吩、吡咯的结构•五个原子处于同一平面；有一个闭合的共轭体系。•杂原子的未共用电子对参加了芳香性的六电子体系的形成。体系符合4n+2休克尔规则。12.1.2杂环化合物的结构与芳香性杂原子均以sp2杂化（未杂化的P上有2个电子参加成环）p(2),sp2(1,1,1)p(2),sp2(1,1,2)p(2),sp2(1,1,2)•呋喃、吡咯、噻吩环中的杂原子上的未共用电子对参与了环的共轭体系，使环上的电子云密度增大，故比苯容易发生亲电取代反应，取代通常发生在-位。•芳香性程度的比较：芳香性强弱的次序•苯噻吩吡咯呋喃取代反应活性的次序•吡咯呋喃噻吩苯离域能：1521178867KJ/mol-0.10-0.03-0.060(不一致)位电子云密度•氮原子与碳原子处在同一平面。•吡啶的结构与苯相似，符合休克尔规则，具有芳香性•吡啶在发生亲电取代反应较苯困难，主要发生在位。•相对来说，吡啶较易发生亲核取代反应，取代基往往进入位。（2）六元杂环化合物——吡啶杂原子均以sp2杂化（未杂化的P上有1电子参加成环）P(1),Sp2(1,1,2)电子数=6电子数=8电子数=6非共轭体系电子数=6电子数=6N有3个键的,如-NH-,则N为SP2（1,1,1）,剩余P=2电子(电子)N有2个键的,如-N=,则N为SP2（1,1,2）,剩余P=1电子(电子)•下列化合物哪些具有芳香性？有芳香性有芳香性有芳香性有芳香性反芳香性无芳香性•12.1.3杂环化合物的化学性质•（1）亲电取代反应五员杂环属于富电子体系，亲电取代反应容易进行，一般在较缓和的条件下弱的亲电试剂就可以取代环上的氢原子。而六员杂环吡啶是缺电子体系，较难发生亲电取代反应，一般要在较强烈的条件下才能发生反应。•①卤代反应五员杂环化合物可以直接发生卤代反应，卤原子主要取代α位上的氢：O+Cl240C°OCl+HClO+Br2C°OBr+HBrS+Br2SBr+HBrCH3COOH•吡咯极易发生卤代，如在碱性介质中与碘作用，生成的不是一元产物而是四碘吡咯：•吡啶的卤代反应不但需要催化剂，而且要在较高的温度下才能进行：NaOHN+I2HNHIIII+NaI+H2ON+Cl2AlCl3C°NCl+HClN+Br2浓H2SO4C°NBr+HBr•②硝化反应。五员杂环的硝化反应一般不用硝酸作硝化剂（吡咯、呋喃在酸性条件下易氧化导致环的破裂或聚合物的生成），而是用温和的硝化剂（乙酰基硝酸酯）在低温下进行：•吡啶的硝化反应要在浓酸和高温条件下才能进行：OONO2SSNO2NNNO2+++。HCH3COONO2+CH3COOHCH3COONO2CH3COONO2H-5C~30C。(CH3CO)2O。-10C+CH3COOH(CH3CO)2O。-10C+CH3COOHNNO2+HNO3+H2O浓H2SO4N。300C•③磺化反应由于吡咯、呋喃在酸性条件下易氧化导致环的破裂或聚合物的生成，所以不能直接用硫酸进行磺化，一般采用吡啶与三氧化硫的加合物作磺化剂：•噻吩对酸比较稳定，在室温时能与浓硫酸发生磺化反应：ONSO3OSO3HN++_+NNSO3NSO3HN+_+HHS+H2SO4(浓)SSO3H+H2O•吡啶在催化剂和加热条件下才能发生磺化反应：•④傅－克酰基化反应。五员杂环化合物都可以发生傅－克酰基化反应，而吡啶一般不反应：N+H2SO4(浓)HgSO4220C°NSO3H+H2OO+(CH3CO)2OBF3O+CH3COOHCOCH3S+(CH3CO)2OSnCl4O+CH3COOHCOCH3N+(CH3CO)2O200CN+CH3COOHCOCH3H°H•（2）加成反应无论是富电子或缺电子的杂环化合物都比苯容易发生加成反应，如它们都可以进行催化氢化反应：OO+H2NiSS+H2MoS2NN+H2HHNN+6[H]Na+C2H5OHHNi,7MPt150C~300C°°•呋喃的芳香性最弱，它还可以发生1，4-加成反应，例如它能与顺丁烯二酸酐发生双烯合成反应：•（3）吡咯和吡啶的酸碱性。吡咯由于其氮原子上的孤电子对参与共轭，使氮原子的电子云密度降低，N—H键的极性增强，所以它的碱性（pKb=13.6）不但比苯胺（pKb=9.4）弱得多，而且显微弱的酸性（pKa=15），能与氢氧化钾作用生成吡咯钾盐：OOOOOOOO+NN++_+KH2OKOH（固）•吡啶显弱碱性（pKb=8.64），能与各种酸形成盐：•（4）吡啶的亲核取代反应。吡啶是缺电子杂环化合物，能与强的亲核试剂发生取代反应。亲核取代一般发生在α位上：NN+.HClHClNNNH2+NaNH2(CH3)2NC6H5100C~150C°°+1/2H2+Na+•（5）氧化反应富电子的五员杂环上的碳原子的电子云密度比苯环上的相对增加，吡咯和呋喃易与氧化剂作用，特别是在酸性条件下氧化反应更易发生，氧化的结果导致环的破裂或聚合物的生成，噻吩相对要稳定些。吡啶对氧化剂比苯还稳定很难氧化，即使用浓硫酸或酸性高锰酸钾作氧化剂，在加热的情况下也不被氧化，吡啶的烃基衍生物在强氧化剂的作用下只发生侧链氧化，生成吡啶甲酸：NCH2CH3NCOOHNNCOOHCOOHHNO3HNO3•12.1.4杂环化合物及其衍生物选述•（1）呋喃及其衍生物。•①α-呋喃甲醛。•多聚戊糖戊醛糖糠醛•糠醛是一个不含α-氢原子的不饱和醛，化学性质很活泼，容易发生氧化、还原、歧化和聚合等反应，是有机合成工业的重要原料，广泛应用于油漆、树脂、医药和农药等工业。OCHO(C5H8O4)n+nH2O稀H+HHCCHHOHCCHOHHOOHCHO稀H+-3nH2O•②呋喃类药物•（2）吡咯及其衍生物•吡咯蒸气遇浸过盐酸的松木片显红色，这个特性反应可用来检验吡咯及其低级同系物。•①叶绿素•叶绿素存在于植物的叶和绿色的茎中。植物在进行光合作用时，通过叶绿素将太阳能转变为化学能而贮藏在形成的有机化合物中。叶绿素在植物内具有重要的生理意义。叶绿素有多种，最重要的是叶绿素a和叶绿素b，可以用色谱法把它们分开。在大多数植物中，它们的比例为3∶1。叶绿素a比叶绿素b更为重要。叶绿素a与叶绿素b的结构基本相同，只是在Ⅱ环3位上叶绿素a是甲基（－CH3），而叶绿素b则是醛基（－CHO）。•叶绿素a和叶绿素b在物理性质方面有所不同，叶绿素a是蓝黑色粉末，分子式为C55H72O5N4Mg，熔点117~120℃，其乙醇溶液呈蓝绿色，并有深红色萤光；叶绿素b为黄绿色粉末，分子式为C55H70O6N4Mg，熔点120~120℃，其乙醇溶液显绿色或黄绿色，有红色萤光。它们都易溶于乙醇、乙醚、丙酮、氯仿等，难溶于石油醚。•叶绿素有旋光性。由于分子中有两个酯键，容易水解生成相应的酸和醇。若用硫酸铜的酸性溶液小心处理叶绿素，则铜可取代镁，其他部分的结构不变，仍显绿色，但比原来的绿色更稳定。因此常用来浸制植物标本。•②血红素。血红素存在于高等动物的体内，是重要的色素之一。它与蛋白质结合形成血红蛋白，存在于红血球中。血红蛋白在高等动物体内起着输送O2和CO2的作用。•血红蛋白可与氧气配价结合，形成鲜红色的氧合血红蛋白。血红蛋白与氧结合并不稳定，这与氧气的分压有关，因此在缺氧的地方可以放出O2。由于这一特性，血液可在肺中吸收氧气，由动脉输送到体内各部分，在体内微血管中，氧的分压低而释放出氧，为组织吸收。CO与血红蛋白配合的能力比氧大200倍，因此在CO存在时，血红蛋白失去了输送氧气的能力。这就是CO使人中毒的原因之一。对血红素的研究使人们对卟吩族色素以及生命现象中最重要的呼吸作用有了进一步的了解。•卟吩叶绿素血红素•(叶绿素a：R为－CH3叶绿素b：R为－CHO)NNNNNNNNNNCHCH2NNCH2HHCCH3CH3CH3CH2OCHCH2RMgCOOCH3CH3HHCH2CH2OOFeCH3CH3CH3CH3CHCH2CH2CH2CH2COOHHOOC•(3)噻吩的衍生物生物素和先锋霉素是噻吩的重要衍生物，其结构如下：•生物素又名维生素H，是人体必须的维生素之一，广泛存在于动植物体内，如谷物、蔬菜和肉类中。生物素是无色针状晶体，熔点232～2330C，溶于水和乙醇。在中性或酸性条件下稳定，遇强碱或氧化剂易分解。在动物的生理过程中参与CO2的固定及羧化过程。人体缺乏它会导致身体疲乏，食欲不振，贫血和皮肤发炎、脱屑等。OCCH2OCH3SCH2OCNHNSOCOONaNNHSHHHOOC(CH2)4HHO•先锋霉素是由孢头菌素C合成的一类广谱抗生素。目前人工合成的先锋霉素类药物有十余种，其中先锋霉素Ⅰ又叫头孢金素，是白色结晶粉末，味苦，易溶于水，难溶于有机溶剂。它的抗菌谱广，主要用于对青霉素耐药的金葡萄球菌和一些格兰氏阴性杆菌引起的严重感染，如尿道和肺部的感染、败血症、脑膜炎及腹膜炎等。•（4）吡啶及其衍生物•（5）嘌呤及其衍生物•9－氢嘌呤7－氢嘌呤•（6）吲哚及其衍生物•吲哚β－甲基吲哚NNNNNHNNN123465789HNNCH3HH•β－吲哚乙酸色氨酸5－羟色胺•靛蓝NCH2COOHNCH2CHCOOHNH2NCH2CH2NH2HO1234657HHHNONOCCHH•（7）苯并吡喃及其衍生物苯并吡喃2－苯基苯并吡喃(花色素母体)(8)喹啉OO1234657812346578NNNO2NNO2NBrNBrNSO3HNSO3H12346578+++浓H2SO4，浓HNO3浓H2SO40C°浓H2SO4，Br2Ag2SO4，200C°（二）生物碱（自学）••研究生考试化学(农)有机化学部分考查范围•杂环化合物•考试内容•杂环化合物的分类、结构、命名和理化性质•考试要求•1．掌握呋喃、吡咯、噻吩、吡啶、嘧啶、喹啉、吲哚、嘌呤及其衍生物的命名。•2．掌握呋喃、吡咯、噻吩、吡啶的结构与芳香性的关系，结构与亲电取代反应活性的关系。•3．掌握吡咯和吡啶的酸碱性，呋喃、吡咯、噻吩、吡啶的亲电取代反应(卤代、磺化)，还原反应，吡啶侧链的氧化反应。