12-杂环化合物.

12杂环化合物等杂原子的环状化合物，统称为杂环化合物。杂环化合物非芳香性杂环化合物,如：芳香性杂环化合物ONH、、内酯、环状酸酐等。本章讨论的就是那些环为平面型，环内π电子数符合4n+2规则，具有一定芳香性的芳杂环化合物。12.1概述一、杂环化合物的涵义：成环原子除碳以外，还有其它如O、N、S、P12.2杂环化合物的分类：杂环化合物单杂环五元杂环,如ONHS六元杂环,如N稠杂环苯环与单杂环稠并,如NHN两个以上单杂环稠并12.3杂环化合物的命名：1.音译法：ONHSNfuranpyrrolethiophenepyridine呋喃吡咯噻吩吡啶NHNindolequinoline吲哚喹啉2.杂环及环上取代基的编号：在同音汉字左边+口字。(1)母体杂环的编号：杂原子的编号为“1”。111111杂原子邻位的碳原子也可依次用α、β、γ…编号。当环上有不同杂原子时，按O→S→N的次序编号。若环上连有不同的取代基，其编号按次序规则和最低系列。12NHOSCH3CHOCOOH2-甲基吡咯2-呋喃甲醛3-噻吩甲酸NCOOHCOOH2,3-吡啶二甲酸αβααβαβ-甲基吡咯α-呋喃甲醛-噻吩甲酸α,β-吡啶二甲酸132NNHNONSimidazoleoxazolethiazole咪唑噁唑噻唑332211NNpyrimidine123嘧啶12.4五元杂环化合物的化学性质亲电取代反应ZZ=(NH、O、S)X2/低温X2=Cl2、Br2ZXCH3COONO2-5~-30C。ZNO2N+SO3-ZSO3NH+HClZSO3H(Z=NH、O)噻吩可直接用H2SO4磺化。ClCH2CH2Cl(CH3CO)2OSnCl4ZCOCH3五元杂环化合物进行亲电取代反应的特点是：使用较为温和的试剂或反应条件。12.5常见的五元杂环化合物1.呋喃和糠醛呋喃为无色液体，难溶于水而易溶于有机溶剂，b.p为32℃。尽管呋喃在较温和的条件下就可发生亲电取代反应，但因其芳香性较弱，呋喃及其衍生物容易进行Diles-Alder反应和一般的亲电加成反应。如：OO==OO+30℃O==OOHHO+Br2CH3COOKCH3OHOHHBrBrCH3OHOHHCH3OOCH3呋喃在Ni催化下，易于加氢生成四氢呋喃——良好的溶剂和重要的有机合成原料。OH2/NiOHCl140℃Cl(CH2)4ClNaCNNC(CH2)CNNC(CH2)CNH2O/H+HOOC(CH2)COOHH2/NiH2N(CH2)6NH2呋喃甲醛又称糠醛，是呋喃的重要衍生物。糠醛的化学性质与苯甲醛类似，可发生Cannizzaro反应、与含α-H的醛或酮的交错缩合反应等。糠醛是良好的溶剂和重要的有机合成原料。2.吡咯和吲哚吡咯为无色油状液体，b.p131℃，微溶于水，易溶于有机溶剂。吡咯的酸碱性：NH由于氮上的未共用电子对参与了共轭体系，难以与H+结合，故基本不显碱性(pkb=13.6)。然而，由于氮原子的吸电子作用，使得吡咯会显示出一定的酸性，但其酸性较弱，需在强碱下方可成盐。NH+KOH(NaNH2)NK(Na)+H2O(NH3)吡咯环不如苯环稳定，易被氧化。吡咯容易发生亲电取代反应，其反应活性与苯胺类似。如：NHI2+NaOHN2+ClNHIIIINHNN=(卤代)(偶合)吲哚系由苯环和吡咯环稠并而成，故又称苯并吡咯。吲哚仍具有芳香性，其亲电取代反应的活性比苯高，但比吡咯低。吲哚亲电取代反应发生在什么位置？NH苯环吡咯环1234567E+NHE+23+NH进攻C2进攻C3HE+NHHE+NHHE+3只有一个带有完整苯环的共振杂化体。有两个带有完整苯环的共振杂化体。NHCH2COOHβ-吲哚乙酸一种植物生长促进剂NHCHNC==OO靛蓝一种染料12.6六元杂环化合物的化学性质吡啶的化学性质Nδδδαβγ碱性与成盐亲电试剂进攻部位亲核试剂进攻部位1.碱性与成盐：CH3NH2NH3NNH2pkb3.364.758.89.3NNHCH3≡CNNNHCH3≡CNsp3sp2sp吡啶环上有供电子基时将使碱性增强。如：NNHNHNHNHCH3CH3CH3a.b.c.d.++++酸性：a＞c＞b＞dpka5.175.795.686.02碱性：d＞b＞c＞a吡啶既然是一个碱，遇酸便形成稳定的盐。如果用非质子的硝化试剂、磺化试剂，或用卤素、卤代烷、酰氯与吡啶环进行反应，也将形成相应的吡啶盐：NNNO2+BF4Et2OHClSO3CH2Cl2Br2/CCl4CH3IPhCOCl石油醚NN+HNN+NO2NN+SO3NN+BrNN+CH3NN+PhCOClBF4Br+ICl如前所述，吡啶的亲电取代反应比恁困难，需在较强的条件下方可发生，且发生在β-位。NHNO3,H2SO4300℃NNO2NBrBr2300℃220℃NSO3HH2SO4,HgSO4显然，当吡啶环上连有供电子基团时，将有利于亲电取代反应的发生；反之，就更加难以进行亲电取代反应。NNO2CH3CH3HNO3,H2SO4100℃NCH3CH32.吡啶环上的亲电取代反应吡啶环也象硝基苯一样，不能发生F―C烷基化和酰基化反应。吡啶的亲电取代反应所以发生在β-位，除用电子理论解释外，还可以用中间体的稳定性加以说明：NHE+NHE+NHE+N+E+NN+NHE+HE+HE特不稳定NNN+HE+HEHE特不稳定β位γ位进攻进攻进攻α位3.吡啶环上的亲核取代反应吡啶环的亲核取代反应主要发生在α-位和γ-位，被取代的可以是氢原子，也可以是易于离去的基团。如：NLiNNaNH2(-H2)NNHNaH2ONNH2NClCH3ONaNaOH,NOCH3NH3,ZnCl2220℃NNH2NBrBrNH3,H2O160℃NNH2Brα-甲基吡啶和γ-甲基吡啶吡啶同系物中以甲基吡啶最为重要，它有三个异构体：NNNCH3CH3CH3甲基吡啶的侧链甲基的活泼性与硝基甲苯中的甲基相似，具有一定的酸性。因此，在强碱的催化下可进行缩合反应，且主要发生在α-位和γ-位。如：NCH3C=O+NaNH2NCH2COH12.7常见的六元杂环化合物1.甲基吡啶NCH3CH2CH3NaNH2NCH2Na+CH2CH3CH3I(1mol)NCH2CH3CH2CH3那么为什么α-位、γ-位的侧链氢酸性强？NCHHHCHHHN=OONNCH2CH2NCH2NCH2NCH2NCH2NCH2NCH2NCH2==NCH2=NCH2=NCH2=特别稳定特别稳定β-位γ-位α-位NCH3+CH3CHOZnCl2NCH2CHCH3OHNCH=CHCH3H2/NiNCH2CH2CH3毒芹碱4Cl2(-4HCl)NCCl3Cl氮肥增效剂NCH3O2.V2O5/硅酸orKMnO4NCOOHNH2NH2H2ONCONHNH2异烟酸异烟肼(雷米封)β-甲基吡啶NCH3KMnO4NCOOHNH3NCONH2烟酸烟酰胺NNCH3KMnO4NCOOH烟酸Nicotine2嘧啶的衍生物嘧啶本身不存在于自然界，其衍生物在自然界分布很广，脲嘧啶、胞嘧啶、胸腺嘧啶是遗传物质核酸的重要组成部分，微生素B1也含有嘧啶环。合成药物的磺胺嘧啶也含这种结构。NNNNNNOHHOOHHOHOCH3NH2尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶(U)(T)(C)12.8稠杂环化合物稠杂环化合物是指苯环与杂环稠合或杂环与杂环稠合在一起的化合物。常见的有喹啉、吲哚和嘌呤。NNHNNNHN234567891112233445566778喹啉吲哚嘌呤(Quioline)(indole)(Purine)一吲哚吲哚是白色结晶，熔点52.5℃。极稀溶液有香味，可用作香料，浓的吲哚溶液有粪臭味。素馨花、柑桔花中含有吲哚。吲哚环的衍生物广泛存在于动植物体内，与人类的生命、生活有密切的关系。吲哚的性质与吡咯相似，也可发生亲电取代反应，取代基进入β-位。NHβ吲哚磺酸Br2,OO0℃C6H5COONO2CH3CN,0℃N.SO3溴吲哚硝基吲哚33NHNHNHBrNO2SO3H70%35%NHCH2CHCOOHNH2NHCH3β色氨酸构成蛋白质的重要成分甲基吲哚（粪臭素）很稀时有茉莉香味分解NHCH2CH2NHAcCH3O脑白金Melatonine二、喹啉喹啉存在于煤焦油中，为无色油状液体，放置时逐渐变成黄色，沸点238.05℃，有恶臭味，难溶于水。能与大多数有机溶剂混溶，是一种高沸点溶剂。1．喹啉的性质（1）取代反应喹啉是有吡啶稠合而成的，由于吡啶环的电子云密度低于与之并联的苯环，所以喹啉的亲电取代反应发生在电子云密度较大的苯环上，取代基主要进入5或8位。而亲核取代则主要发生在吡啶环的2或4位。N1.630.790.930.771.000.950.960.98N℃NNNNNNO2NO2BrBrNSO3HNHNaNNH2++H2O浓HNO3H2SO4浓浓+H2SO4浓+Br2Ag2SO4H2SO4,220KNH2.二甲苯100℃℃0（2）氧化还原反应喹啉用高锰酸钾氧化时，苯环发生破裂，用钠和乙醇还原是其吡啶环被还原，这说明在喹啉分子中吡啶环比苯环难氧化，易还原。N℃NNH100KMnO4CH3CH2OH,NaCOOHCOOH2、喹啉的衍生物喹啉的衍生物在自然界存在很多，如奎宁、氯喹、罂粟碱、吗啡等。NCH3OCHHONCHCH2奎宁（金鸡钠碱）存在于金鸡钠树皮中，有抗疟疾疗效NNClNHCHHO(CH2)3-NC2H5C2H5CH2OCH3OCH3CH3OCH3O氯喹（合成抗疟疾药）罂粟碱HOOOHNCH312345678吗啡含一个被还原了的异喹啉环，是从鸦片中提取出来的。吗啡的盐酸盐是很强的镇痛药，能持续6小时，也能镇咳，但易上瘾。将羟基上的氢换成乙酰基，即为海洛因，不存在于自然界。海洛因比吗啡更易上瘾，可用来解除晚期癌症患者的痛苦。三、嘌呤NNNHNNNNNHⅡⅠ()()9H7H嘌呤嘌呤嘌呤为无色晶体，m.p216-217℃，易溶于水，其水溶液呈中性，但能与酸或碱成盐。纯嘌呤环在自然界不存在，嘌呤的衍生物广泛存在于动植物体内1．尿酸存在于鸟类及爬虫类的排泄物中，含量很多，人尿中也含少量。HNNHNHNHNNNHNOOOOHHOOH2．黄嘌呤存在于茶叶及动植物组织和人尿中。HNNHNHNNNNHNOOOHHO3．咖啡碱、茶碱和可可碱三者都是黄嘌呤的甲基衍生物，存在于茶叶、咖啡和可可中，它们有兴奋中枢作用，其中以咖啡碱的作用最强。NNNNOONNNNOONNNNHOONNNNOOHNNNNOOCH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3咖啡碱茶碱可可碱4．腺嘌呤和鸟嘌呤是核蛋白中的两种重要碱基。NNNHNHNNNHNH2NONH212.9杂环化合物的污染及其危害目前临床上使用的绝大多数药物为杂环化合物，一些维生素也是杂环化合物；许多杂环化合物还被用作农药、染料、色素等。废水中杂环类化合物不仅增加水体中的COD，同时这些杂环对水生生物是有毒的。二嗯英被国际癌症研究中心列为人类一级致癌物。西方发达国家目前二曝英的最大发散源是垃圾焚烧。黄曲霉毒素是环境中一类毒性大、致癌力强、最危险的生物性食品污染物。