六元杂环化合物

第十五章杂环化合物第一节杂环化合物的分类和命名一、分类二、命名杂环的命名常用音译法，是按外文名词音译成带“口”字旁的同音汉字。NHOSNNN(pyrrole)(furan)(thiophene)(pyridine)(pyrimidine)NNNNHNNH(quinoline)(indole)(purine)吡咯呋喃噻吩吡啶嘧啶喹啉吲哚嘌呤第二节五元杂环化合物一、呋喃、噻吩、吡咯杂环的结构呋喃、噻吩、吡咯在结构上具有共同点，即构成环的五个原子都为sp2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π电子数符合休克尔规则（π电子数=4n+2），所以，它们都具有芳香性。OSNHSONHΠ56π为共轭体系电子=6符合4n+2具有芳性富电子芳环二、呋喃、噻吩、吡咯的性质（一）存在与物理性质（二）光谱性质（三）化学性质1．亲电取代反应从结构上分析，五元杂环为Π56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：OSNH000000+0.1-0.03-0.02+0.20-0.06-0.04+0.32-0.10-0.06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，一般是用乙酰基硝酸酯(CH3COONO2)作硝化试剂，在低温下进行。磺化反应呋喃、吡咯不能用浓硫酸磺化，要用特殊的磺化试剂——吡啶三氧化硫的络合物，噻吩可直接用浓硫酸磺化。亲电取代反应的活性为：吡咯呋喃噻吩苯，主要进入α-位。说明：吡咯、呋喃、噻吩的亲电取代反应，对试剂及反应条件必须有所选择和控制。2．加氢反应ONHSH2,NiorPdH2,NiorPdH2,NiONHS四氢呋喃四氢吡咯(THF)不能用催化因噻吩能使中毒PdPd3．呋喃、吡咯的特性反应(1)呋喃易起D-A反应OOOO+30℃OOOOOOOO+内式外式(90%)（2）吡咯的弱酸性和弱碱性吡咯虽然是一个仲胺，但碱性很弱。吡咯具有弱酸性，其酸性介与乙醇和苯酚之间。NHNHNH2Kb×3.810-10210-42.510-14××原因：上的未共用电子对参与了环的共轭体系，减弱了与的结合力。NHNHOHKa=×1.310-10110-18110-15××CH3CH2OH三、重要的五元杂环衍生物（一）糠醛（α-呋喃甲醛）1．制备由农副产品如甘蔗杂渣、花生壳、高粱杆、棉子壳……用稀酸加热蒸煮制取。(C5H8O4)n3~5%H2SO4HOCHCHOHCH2OHCHCHOOHH2SO4稀CHO多聚戊糖戊糖呋喃甲醛水蒸气同有α-H的醛的一般性质。（1）氧化还原反应OCHOKMnO4弱碱性CuO,Cr2O315010MPa℃,V2O5-MoO320℃,O2,OCH2OHOCOOHOOO+CO2+H2O2．糠醛的性质（2）歧化反应（3）羟醛缩合反应（4）安息香缩合反应OCHOOCH2OHOCOOH+浓碱OCHOOCH=CHCHO+稀碱CH3CHOOCHOOCH醇溶液KOHCOOHO3．糠醛的用途糠醛是良好的溶剂，常用作精练石油的溶剂，以溶解含硫物质及环烷烃等。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。（二）吡咯的重要衍生物最重要的吡咯衍生物是含有四个吡咯环和四个次甲基(-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。αβδ12345678γNHNHNN卟啉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Fe，叶绿素环络合的是Mg。四、噻唑和咪唑1．噻唑噻唑是含一个硫原子和一个氮原子的五元杂环，无色，有吡啶臭味的液体，沸点117℃，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B1等。青霉素SNCHCONHCROHOOCCH3CH3R=CH2CH2OCHCHCH2SCH3R=R=GVO常用青霉素为青霉素为青霉素为青霉素维生素B1（VB1）NNCH2NSCH3CH2CH2OHNH3ClCH3Cl噻唑环对糖类的新陈代谢有显著的影响，人体缺乏时可以引起脚气病第三节六元杂环化合物六元杂环化合物中最重要的有吡啶、嘧啶和吡喃等。NNNO吡啶嘧啶吡喃一、吡啶(一)来源、制法和应用吡啶存在于煤焦油页岩油和骨焦油中，吡啶衍生物广泛存在于自然界，例如，植物所含的生物碱不少都具有吡啶环结构，维生素PP、维生素B6、辅酶Ⅰ及辅酶Ⅱ也含有吡啶环。吡啶是重要的有机合成原料（如合成药物）、良好的有机溶剂和有机合成催化剂。吡啶的工业制法可由糠醇与氨共热（500℃）制得，也可从乙炔制备。吡啶为有特殊臭味的无色液体，沸点115.5℃，相对密度0.982，可与水、乙醇、乙醚等任意混和。（二）吡啶的结构NNNH上的孤电子对在轨道上，参与环内共轭，为富电子芳环。上的孤电子对在轨道上，在环外未参与环内共轭。成环原子共平面体系C_sp2N_sp2Π66NPsp2N由于吡啶环的N上在环外有一孤对电子，故吡啶环上的电荷分布不均。γNαβ1.430.841.010.87电荷分布亲电取代亲核取代Nββαγγα，位位（三）吡啶的性质1．碱性与成盐吡啶的环外有一对未作用的孤对电子，具有碱性，易接受亲电试剂而成盐。吡啶的碱性小于氨大于苯胺。CH3NH2NH3NNH2pKb3.384.768.809.42吡啶易与酸和活泼的卤代物成盐。N+HClNHClNNH3N+SO3CH2Cl2NSO3(90%)此反应常用于在反应中吸收生成的气态酸室温吡啶三氧化硫络合物是常用的缓和磺化剂NNNRIRI300℃INI+RROHNNRROH制取烷基吡啶的一种方法2．亲电取代反应NNClNBrNNO2NSO3H℃Cl2,AlCl3Br2,H2SO4HgSO4100300℃浮石催化气相浓220℃混酸300℃催化，氯吡啶溴吡啶硝基吡啶吡啶磺酸33333．氧化还原反应（1）氧化反应NNNN吡啶甲酸（烟酸）CH3KMnO4/HHNO3COOHCOOHαβ吡啶甲酸NNCH3C-OOHOONHNO3ONONO2H2SO490℃PCl3NNO2+POCl3（2）还原反应吡啶比苯易还原，用钠加乙醇、催化加氢均使吡啶还原为六氢吡啶（即胡椒啶）。NNaNH2NH2ONHNaNNH2二甲苯胺中回流4．亲核取代二、嘧啶及其衍生物NN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)第四节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。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MelatonineNHCH2COOHβ吲哚乙酸植物激素，少量能调节植物生长，量大则杀伤植物。如在侧链多一个就失去生理效能。CH2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。二、喹啉1．喹啉的性质（1）取代反应N℃NNNNNNO2NO2BrBrNSO3HNHNaNNH2++H2O浓HNO3H2SO4浓浓+H2SO4浓+Br2Ag2SO4H2SO4,220KNH2.二甲苯100℃℃0（2）氧化还原反应N℃NNH100KMnO4CH3CH2OH,NaCOOHCOOH2．喹啉环的合成法——斯克劳普（Skraup）法：喹啉的合成方法有多种，常用的是斯克劳普法。是用苯胺与甘油、浓硫酸及一种氧化剂如硝基苯共热而生成。NNH2CH2-CH-CH2OHOHOH+H2SO4硝基苯84~91%3．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。2．黄嘌呤存在于茶叶及动植物组织和人尿中。HNNHNHNHNNNHNOOOOHHOOHHNNHNHNNNNHNOOOHHO3．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。NNNNOONNNNOONNNNHOONNNNOOHNNNNOOCH3CH3CH3CH3CH3CH3CH34．腺嘌呤和鸟嘌呤它是核蛋白中的两种重要碱基。NNNHNHNNNHNH2NONH2腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）