雜環(huán)化合物與生物堿

1、關于雜環(huán)化合物和生物堿第一張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月有機化學雜環(huán)化合物 和生物堿第二張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月目 錄20-1 雜環(huán)化合物的分類、命名和結(jié)構(gòu) 一、分類二、命名1.環(huán)的名稱2.成環(huán)原子的編號3.命名三、雜環(huán)化合物的 結(jié)構(gòu)1.結(jié)構(gòu)與芳香性2.結(jié)構(gòu)與性質(zhì)四、物理性質(zhì)20-2 五元雜環(huán)化合物一、化學反應1.親電取代反應2.加成反應3.吡咯氮原子上的取代反應4.鑒別第三張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月目 錄二、五元雜環(huán)的合成法1.吡咯環(huán)2.呋喃環(huán)和噻吩環(huán)三、吡咯、呋喃和噻吩的衍生物20-3 六元雜環(huán)化合物一、吡啶的化學反應1.堿性和親核性2.親電取

2、代反應3.親核取代反應4.加成反應5.氧化反應二、吡啶環(huán)的合成法第四張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月目 錄3.喹啉和異喹啉的衍生物20-5 重要雜環(huán)化合物一、嘧啶衍生物二、嘌啉衍生物三、含氧雜環(huán)化合物1.吡喃類2.苯并吡喃類20-4 稠環(huán)化合物一、吲哚及衍生物1.吲哚的反應2.吲哚環(huán)的合成3.吲哚衍生物二、喹啉和異喹啉1.喹啉和異喹啉的反應2.喹啉和異喹啉的合成第五張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月目 錄20-6 生物堿一、生物堿的種類二、生物堿的一般性質(zhì)1.物理性狀2.堿性3.溶解性能4.沉淀反應5.顯色反應三、生物堿的提取與分離1.H2O/H+2.醇類溶劑3.有機溶劑第六

3、張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 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)與相應的開鏈化合物類似，所以一般不將這些化合物歸入雜環(huán)化合物中討論。例如：第二十章 雜環(huán)化合物和生物堿Heterocyclic compound and Alkaloid第七張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月四氫呋喃四氫吡咯-戊內(nèi)酯 本章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第八張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月2

4、0-1 雜環(huán)化合物的分類、命名和結(jié)構(gòu) 一、分類單環(huán)稠環(huán)五元環(huán)六元環(huán)第九張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 二、命名 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)第十張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 咪唑(imidazole) 噻唑(thiazole) 吡啶(pyridine) 嘧啶(pyrimidine) -吡喃( - pyran)第十一張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 吲哚(indole) 嘌呤(pu

5、rine)喹啉(quinoline)異喹啉(isoquinoline)第十二張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 2.成環(huán)原子的編號 (1)環(huán)上若有一個雜原子，則以雜原子的位次為最小，在此基礎上再使帶有取代基的碳原子位次盡可能小。 (2)環(huán)上若有一個以上相同的雜原子，則從連有取代基或氫原子的雜原子開始編號，并使所有雜原子的位次總和為最小。 (3)環(huán)上若有一個以上不相同的雜原子，則按OSN的次序編號，并使所有雜原子的編號盡可能小。 第十三張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 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 第十四張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于

6、2022年6月5-甲基咪唑4-甲基-5-(2-羥乙基)噻唑第十五張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 4-氨基-2-羥基嘧啶 （胞嘧啶）2,4-二羥基嘧啶 （尿嘧啶）5-甲基-2,4-二羥基嘧啶 （胸腺嘧啶）第十六張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月6-氨基嘌呤（腺嘌呤）2-氨基-6-羥基嘌呤 （鳥嘌呤）8-羥基喹啉第十七張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 (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-吲哚乙酸第十八張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 三、雜環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)(p598)呋喃 O：sp2噻吩 S：sp2第十九張，PPT共

7、九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月吡咯 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穩(wěn)定性。第二十張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 但由于環(huán)上存在電負性較大的雜原子，所以與苯不同，共軛體系中各原子電子密度不是平均分布，鍵長也不是完全相等，只是趨向于平均化，芳香性比苯小。熱力學穩(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)定性次序為： 苯 噻吩 吡咯 呋喃第二十一張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作

8、于2022年6月吡啶 N：sp2 (2)六元雜環(huán)化合物 (p613) 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穩(wěn)定性。但氮原子上電子的排布與吡咯不同，孤電子對處于sp2雜化軌道，沒有參與共軛。第二十二張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 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：5.762.336.331.705.256.033.907.41第二十三張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 在五元雜環(huán)化合物中，由于雜原子2p軌道上的孤電子對與4個碳原子的2p軌道形成共軛體系，電子離域的結(jié)果使環(huán)上碳

9、原子周圍電子密度增加，大大超過苯環(huán)。其中呋喃和噻吩雜原子的+C效應部分抵消了-I效應，從而使偶極矩數(shù)值明顯下降。而吡咯雜原子的+C效應大于-I效應，所以偶極矩的方向也發(fā)生改變。第二十四張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 同時， 雜原子的+C效應又使共軛體系內(nèi)部兩個位（雜原子的鄰位）的電子密度高于兩個位（雜原子的間位），因而親電取代反應優(yōu)先發(fā)生在兩個位。第二十五張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 在六元雜環(huán)化合物中，由于電負性大的氮原子的孤電子對沒有參與共軛，因而- C 和-I效應的疊加（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)。共軛體系內(nèi)部電子密度極性交替的結(jié)

10、果，又使氮原子的鄰對位電子密度下降的更為明顯。所以吡啶比苯難發(fā)生親電取代反應，且一般發(fā)生在間位（ -位）；易發(fā)生親核取代反應，一般發(fā)生在-位。親電取代反應的活性次序： 吡咯 呋喃 噻吩 苯 吡啶 第二十六張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 其次，吡咯和呋喃遇強酸時，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。 正因為如此，吡咯和呋喃不能直接用強酸進行硝化、磺化等反應，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，但前者孤電子對沒有參與成鍵，能接受質(zhì)子而顯堿性，是良好的親核試劑；后者的孤電子對參與共軛，不但不能接受質(zhì)

11、子，而且表現(xiàn)出一定的弱酸性。 第二十七張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 四、物理性質(zhì) 五元和六元雜環(huán)結(jié)構(gòu)上的差異，使它們在物理性質(zhì)上也有很大的區(qū)別。 上述四種化合物中，吡啶的極性最大，且氮原子沒有參與成鍵的孤電子對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)極性和非極性有機物（例如乙醇和乙醚），甚至能溶解某些無機鹽類。第二十八張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 三個五元雜環(huán)化合物在水中的溶解度均小于吡啶，這是因為它們的孤電子對參與了共軛，雜原子的電子密度降低。20-2 五元雜環(huán)化合物 一、化學反應(p599) 1.親電取代反

12、應 (1)鹵化第二十九張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月乙醇，0第三十張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月二氧六環(huán), 0乙酸，室溫第三十一張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 (2)硝化 五元雜環(huán)化合物硝化反應常用的硝化試劑是硝酸乙?；ィ篊H3COONO2-30 -55-10第三十二張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 (3)磺化 五元雜環(huán)化合物中的吡咯和呋喃的磺化反應常用C6H5N+-SO3為試劑。遇濃硫酸不發(fā)生質(zhì)子化反應的噻吩，可在室溫下直接與濃硫酸進行磺化反應。利用該性質(zhì)能分離苯和噻吩，分離出的2-噻吩磺酸水解后又可得到噻吩。100第三十三張，PPT共九十五頁

13、，創(chuàng)作于2022年6月室溫室溫 (4)?；谌膹?，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 由于五元雜環(huán)發(fā)生親電取代反應的活性很強，很難得到一烷基取代產(chǎn)物，所以傅克烷基化反應沒有實際應用價值。第三十五張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 (5)Vilsmeier反應 (6)吡咯的偶聯(lián)反應第三十六張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 2.加成反應 (1)催化加氫四氫吡咯四氫噻吩四氫呋喃第三十七張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月蘭尼鎳 噻吩中的硫?qū)︹Z有毒化作用，需使用不被毒化的催化劑。 環(huán)穩(wěn)定性最小的呋喃表現(xiàn)出共軛二烯烴的性質(zhì)。例如：在低溫下能與溴或硝酸等親電試劑發(fā)生1,4

14、-加成反應，能與順丁烯二酸酐發(fā)生D-A反應。第三十八張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月外向型(熱力學控制) 內(nèi)向型(動力學控制)3,6-內(nèi)型氧橋-4-四氫化鄰苯二甲酸酐25主要產(chǎn)物 (2)D-A反應 (p603)第三十九張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月100 P主要產(chǎn)物第四十張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月吡咯第四十一張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 3.吡咯氮原子上的取代反應(p600)或K+NH2-/NH3干醚第四十二張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月RX(1)CO2(2)H3O+RCOCl第四十三張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 4

15、.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 藍色第四十四張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 二、五元雜環(huán)的合成法(p604) 1.吡咯環(huán) (1)Knorr合成法第四十五張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月16第四十六張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月(2)Paal-Knorr合成法第四十七張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 (3)Hantzsch合成法第四十八張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月產(chǎn)物經(jīng)水解和脫羧反應可得2,5-二甲基吡咯第四十九張，PPT共

16、九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月P2O5,C6H6P2S5, 2.呋喃環(huán)和噻吩環(huán)(p605) Paal-Knorr合成法第五十張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 三、吡咯、呋喃和噻吩衍生物(p605) 1.卟啉環(huán) 2.可啉環(huán) 3.糠醛20-3 六元雜環(huán)化合物 一、吡啶的化學反應 1.吡啶的堿性和親核性(p615) (1)含氮雜環(huán)化合物的酸堿性第五十一張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 堿性次序：脂肪族胺氨吡啶芳香族胺吡咯例：第五十二張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 (2)吡啶的親核性+SO3-碘化N-甲基吡啶第五十三張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月300 35

17、0 2.吡啶環(huán)上的親電取代反應(p616) 300,1天6%第五十四張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 取代吡啶的取代基對吡啶環(huán)親電取代反應的影響：第五十五張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 3.吡啶環(huán)上的親核取代反應(p617) (1)H被取代 最常見的是烷基化、芳基化和氨化反應(Chichibabin反應）。第五十六張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 (2)鹵代吡啶X被取代 反應歷程與硝基氯苯的親核取代反應類似：先加成后消除，吡啶環(huán)上的氮原子對反應活性的影響如下：第五十七張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月反應活性：第五十八張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022

18、年6月六氫吡啶 4.加成反應 催化加氫 5.氧化反應 五元雜環(huán)尤其是呋喃和吡咯對氧化劑十分敏感，例如吡咯在空氣中放置，顏色很快變深。 第五十九張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 二、吡啶環(huán)的合成法(p618) Hantzsch合成法第六十張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月Michael反應第六十一張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第六十二張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月20-4 稠環(huán)化合物 一、吲哚及衍生物(p606) 1.吲哚的反應 親電取代反應類似于吡咯，反應活性高于苯低于吡咯，主要發(fā)生在雜環(huán)上，但被取代的位置各有所異。例如，3-位取代：第六十三張，PPT

19、共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月重排2-位取代：第六十四張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月5-位取代：第六十五張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 2.吲哚環(huán)的合成 Fischer吲哚合成法第六十六張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月180第六十七張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月180第六十八張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 3.吲哚衍生物 p609 二、喹啉和異喹啉(p620) 1.性質(zhì)和反應 (1)堿性 (2)親電取代反應 碳環(huán)上的取代 強酸性條件下，生成5-位和8-位取代物。例如：硝化反應。第六十九張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月吡啶環(huán)上

20、的取代 喹啉生成3-位取代物，異喹啉生成4-位取代物。硝基苯硝基苯反應歷程：1,2-加成取代第七十張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第七十一張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 (3)親核取代反應 Chichibabin反應鹵代喹啉和鹵代異喹啉X被取代第七十二張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 (4)氧化第七十三張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 2.喹啉和異喹啉的合成 (1)喹啉的Skraup合成法 第七十四張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 (2)喹啉的Doebner-Miller合成法 第七十五張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 (3)異喹啉

21、Bisvhler-Napieralski合成法205190 3.喹啉和異喹啉衍生物 p623第七十六張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 20-5 重要個別化合物 一、嘧啶衍生物(p628)尿嘧啶互變異構(gòu)亞胺醇式酰胺式第七十七張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月胞嘧啶互變異構(gòu)胸腺嘧啶互變異構(gòu)第七十八張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月腺嘌呤鳥嘌呤互變異構(gòu) 二、嘌呤衍生物(p628)22第七十九張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 在生物體內(nèi)的DNA和RNA分子鏈中，上述三種嘧啶類雜環(huán)化合物和鳥嘌呤是以酰胺式存在。 三、含氧雜環(huán)化合物(p624) 1.吡喃類 吡喃 鹽翁钅

22、-吡喃酮-吡喃酮第八十張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 2.苯并吡喃類苯并吡喃 離子翁钅香豆素(苯并-吡喃酮)色酮(苯并-吡喃酮)第八十一張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月羊钅黃 離子黃酮第八十二張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月20-6 生物堿(alkaloids, p710) 生物堿是具有強烈生理作用的含氮堿性化合物，廣泛存在于多種植物中，屬次生代謝產(chǎn)物。除少數(shù)結(jié)構(gòu)比較簡單的生物堿，分子中的氮原子不再環(huán)內(nèi)，絕大多數(shù)是結(jié)構(gòu)復雜的雜多環(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60

23、00種。第八十三張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 一、生物堿的種類 二、生物堿的一般性質(zhì) 1.物理形狀 一般情況下，生物堿的分子是不對稱分子，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，堿性強弱不同。第八十四張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 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 大部分生物堿都能與某些酸類、重金屬鹽及相對分子質(zhì)量大的配合物鹽反應，生成單鹽、配合物鹽或不溶性復合物沉淀。這類反應可用于預示植物體內(nèi)生物堿的存在。第八十五張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 能與生物堿反應生成沉淀的試劑稱為生物堿沉淀試劑。常見的生物堿試劑有：碘碘化鉀，碘化鉍鉀，磷鉬酸和苦味酸等。 5.顯色反應 能與生物堿發(fā)生顯色反應的試劑稱為生物堿顯色試劑，常用于鑒別某些生物堿。例如：嗎啡 + 1%釩酸銨/濃硫酸 棕色 第八十六張，PPT共九十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 四、生物堿的提取和分離 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