S-17雜環(huán)化合物課件

1、第十七章 雜環(huán)化合物目的要求： 1掌握常見雜環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)和名稱； 2掌握重要五元、六元雜環(huán)化合物的性質(zhì)； 3了解重要的雜環(huán)化合物和生物堿。第十七章 雜環(huán)化合物.雜環(huán)化合物概述一.定義 廣義地說，環(huán)狀有機(jī)物中，成環(huán)原子除碳原子外，還有其他原子（即雜原子）的，都可稱為雜環(huán)化合物。目前所說的“雜環(huán)化合物”是指具有芳香結(jié)構(gòu)（閉環(huán)共軛體系）和一定程度穩(wěn)定性的雜環(huán)化合物。具有一定程度的芳香性。二.分類(一)按雜原子分：含氮雜環(huán)、含氧雜環(huán)、含硫雜環(huán)。.雜環(huán)化合物概述一.定義 廣義地說，環(huán)狀有機(jī)(二)按成環(huán)原子數(shù)及環(huán)數(shù)分（最穩(wěn)定的雜環(huán)是五元雜環(huán)和六元雜環(huán)）(二)按成環(huán)原子數(shù)及環(huán)數(shù)分（最穩(wěn)定的雜環(huán)是五元雜環(huán)和

2、六元雜環(huán)1.雜環(huán)化合物 常見的雜原子： O、N、S（Se、Te、P等） 2.非芳香性雜環(huán)化合物 環(huán)醚 內(nèi)酸酐 內(nèi)酯內(nèi)酰胺具有相應(yīng)醚、酐、酰胺、酯的性質(zhì)。 1.雜環(huán)化合物2.非芳香性雜環(huán)化合物 環(huán)醚 內(nèi)酸酐 內(nèi)酯內(nèi)酰3. 芳香性雜環(huán)化合物 具有4n+2個電子的閉合共軛體系的雜環(huán)化合物。(1) 按環(huán)大小分類 呋喃六元雜環(huán)：五元雜環(huán)：吡啶吡嗪(2) 按環(huán)的多少分類 單雜環(huán)：稠雜環(huán)：吡咯喹啉(3) 按雜原子的種類和數(shù)目分類 3. 芳香性雜環(huán)化合物 (1) 按環(huán)大小分類 呋喃六元雜環(huán)：雜環(huán)分類單雜環(huán)五元雜環(huán)六元雜環(huán)碳環(huán)母核苯環(huán)戊二烯呋喃 噻吩 吡咯吡唑 咪唑 唑 噻唑吡啶噠嗪 嘧啶吡嗪重要的雜環(huán)雜環(huán)分類

3、單雜環(huán)五元雜環(huán)六元雜環(huán)碳環(huán)母核苯環(huán)戊二烯呋喃 S-17雜環(huán)化合物課件前面所講的內(nèi)酯、內(nèi)酰胺、環(huán)氧乙烷等從結(jié)構(gòu)上來看，也屬于雜環(huán)化合物，但其性質(zhì)與同類的開鏈化合物相似。且很容易開環(huán)形成鏈狀化合物。雜環(huán)化合物種類繁多，數(shù)量龐大，是有機(jī)化合物中數(shù)量最大的一類。廣泛存在于自然界中，很多在動植物體內(nèi)起著重要的生理作用。如：中草藥的有效成分生物堿、血紅素、葉綠素、核酸的堿基等，都是含氮雜環(huán)化合物；為數(shù)不少的維生素、抗生素以及一些植物色素和植物染料都含有雜環(huán)；目前合成的雜環(huán)化合物也是為數(shù)眾多，不少合成藥物，合成染料、新型高分子材料也含有雜環(huán)結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)代藥物中，雜環(huán)化合物占了相當(dāng)大的比重。因此可以說：雜環(huán)化合

4、物在生命科學(xué)中占有重要地位；雜環(huán)化學(xué)是有機(jī)化學(xué)的一個重要組成部分。前面所講的內(nèi)酯、內(nèi)酰胺、環(huán)氧乙烷等從結(jié)構(gòu)上來看，也屬于雜環(huán)化三. 命名兩種方法 A. 按外文音譯，加“口”字旁。 B.當(dāng)作相應(yīng)碳環(huán)，在前面加上雜原子名稱。1. 常見雜環(huán)母體 嘧啶pyrimidine 吲哚 嘌呤 喹啉 異喹啉Indole purine quinoline isoquinoline （咪唑）氮（雜）苯-（系統(tǒng)命名法）三. 命名兩種方法 A. 按外文音譯，加“口”字旁。1.2.雜環(huán)基本環(huán)的命名 簡單的雜環(huán)(看作雜環(huán)的基本環(huán))都有一特定的名稱，按英文音譯名選擇相應(yīng)的漢字，旁邊加“口”，表示環(huán)狀化合物： 2.雜環(huán)基本環(huán)的

5、命名 無特定名稱的稠雜環(huán)化合物，選含特定名稱的雜環(huán)為基本環(huán)，用化學(xué)介詞“并”表示稠合關(guān)系，按衍生物命名 ：無特定名稱的稠雜環(huán)化合物，選含特定名稱的雜3.環(huán)上取代基的位置 基本環(huán)的編號原則如下： (1)從雜原子開始，定位1，依次2、3；或雜原子相鄰的碳原子為，依次、 (2) 當(dāng)環(huán)上有兩個或多個雜原子時，應(yīng)使雜原子的位號最低，雜原子按O，S，N的次序給最低號。 (3) 環(huán)上有不同取代基時，編號按最低系列原則和順序規(guī)則，使取代基所在的位次最低。 3.環(huán)上取代基的位置 2-甲基-5-乙基呋喃-甲基- -乙基呋喃2-甲?；?5-硝基呋喃-甲酰基-硝基呋喃(5-硝基-2-呋喃甲醛) 4-甲基咪唑 5-甲基

6、噻唑2-乙?；量?乙?；量?2-甲基-5-乙基呋喃2-甲酰基-5-硝基呋喃4-甲基咪唑 (4) 稠雜環(huán)的編號，一般和稠環(huán)芳烴相同，但有少數(shù)稠雜環(huán)另有一套編號順序。 (4) 稠雜環(huán)的編號，一般和稠環(huán)芳烴相同，但有 總結(jié)：A.從雜原子開始編號，有多個雜原子時，按O、S、N 順序，雜原子編號之和應(yīng)最小。B.只含一個雜原子時，亦可用希臘字母、。 -呋喃甲醛 -噻吩磺酸 吡啶甲酰胺 2,5-二甲基吡咯8-羥基喹啉按1979年IUPAC規(guī)定：保留特定的45個雜環(huán)化合物的俗名和半俗名并作為命名基礎(chǔ)。按此原則，我國多采用音譯的名稱。 總結(jié)：-呋喃甲醛 -噻吩磺酸 吡.五元雜環(huán)化合物一.呋喃、吡咯、噻吩的

7、結(jié)構(gòu)相應(yīng)的碳環(huán)結(jié)構(gòu)是環(huán)戊二烯分子呈平面型，氧為sp2雜化，兩對未共用電子中的一對與碳原子上的p軌道重疊，形成環(huán)閉的共軛體系即5個p軌道6個電子的鍵。與呋喃類似.五元雜環(huán)化合物一.呋喃、吡咯、噻吩的 結(jié)構(gòu)相應(yīng)的碳環(huán)結(jié)構(gòu)其它一些環(huán)系如咪唑、噻唑等同樣具有環(huán)閉的6電子體系。4個碳原子和1個氮原子都以sp2雜化軌道成鍵，并形成6電子的鍵。其它一些環(huán)系如咪唑、噻唑等同樣具有環(huán)閉的6電子體系。4個碳 具有4n+2個p電子的環(huán)狀共軛體系(有芳香性)，雜原子的p軌道有一對p電子：=2.3310 Cm-30m=1.7010 Cm-30m=6.0410 Cm-30 呋喃 噻吩 吡咯m 具有4n+2個p電子的環(huán)狀共

8、軛體系(有芳香性)，雜原子正常典型鍵長： C-C 0.154；C-O 0.143； C-S 0.182； C-N 0.147 C=C 0.134 C=O 0.122 C=S 0.160；C=N 0.128 單位： nm正常典型鍵長： 1.鍵長 分子中鍵長平均化，但不如苯完全平均，芳香性較苯差，有一定的不飽和性及環(huán)不穩(wěn)定性。2.雜原子 有一對電子共軛，有給電子性能，其作用相當(dāng)環(huán)上連有-OH，-SH，-NH2等給電子基，易在-位發(fā)生親電取代反應(yīng)。3.雜原子給電子能力： S N O (電負(fù)性順序相反) 1.鍵長2.雜原子3.雜原子給電子能力： 呋喃、吡咯、噻吩是一個平面結(jié)構(gòu)。 環(huán)上的C原子和雜原子都

9、是以SP2雜化軌道成鍵的。 五個沒有雜化的P軌道垂直于環(huán)平面，形成閉合共軛體系。 五元環(huán)屬于富電子環(huán)。（也叫多芳雜環(huán)） 環(huán)形電子分布于雜環(huán)平面的上、下兩方。 共軛能苯噻吩吡咯呋喃共軛能kJ/mol1521208871據(jù)現(xiàn)代物理方法證明： 呋喃、吡咯、噻吩是一個平面結(jié)構(gòu)。苯噻吩吡咯呋喃共軛芳香性（芳香雜環(huán)） 符合休克爾規(guī)則，電子數(shù)為6。 芳香性比較（易取代、難加成、難氧化）： 苯噻吩 吡咯呋喃鍵長沒有完全均勻化芳香性（芳香雜環(huán)） 鍵長沒有完全均勻化二. 化學(xué)性質(zhì)1.親電取代反應(yīng)a. 親電取代反應(yīng)的活性 吡咯 呋喃 噻吩 苯溴化相對速度：3*1018 6*1011 5*1011 1 b. 親電基團(tuán)

10、一般進(jìn)入雜原子的鄰位雜原子具有吸電誘導(dǎo)效應(yīng)，又具有供電共軛效應(yīng)。吡咯中氮的供電共軛效應(yīng)大于吸電誘導(dǎo)效應(yīng)。二. 化學(xué)性質(zhì)1.親電取代反應(yīng)a. 親電取代反應(yīng)的活性 b328頁328頁2. 加成反應(yīng)（還原）四氫呋喃四氫吡咯四氫噻吩2. 加成反應(yīng)（還原）四氫呋喃四氫吡咯四氫噻吩呋喃的雙烯特征：離域能較小，環(huán)的穩(wěn)定性較低，芳香性最差，故具有明顯的共軛二烯性質(zhì)?？砂l(fā)生1，4-加成或1，2-加成呋喃的雙烯特征：離域能較小，環(huán)的穩(wěn)定性較低，芳香性最差，故具必須注意的是：前述三雜環(huán)對氧化劑、酸性介質(zhì)也很敏感，特別是吡咯和呋喃遇強(qiáng)酸時雜原子被不同程度的質(zhì)子化，破壞了原先的芳香大 鍵，容易發(fā)生聚合、氧化、開環(huán)等反應(yīng)

11、。如：呋喃在酸性條件下被水解開環(huán)，生成丁二醛；吡咯在酸的催化下易形成聚合物；二者對氧化劑均較敏感，在空氣作用下可以緩慢開環(huán)，生成丁二酸。與苯比較，環(huán)的穩(wěn)定性的順序?yàn)椋?苯噻吩吡咯呋喃綜上所述，在吡咯和呋喃的化學(xué)反應(yīng)中，不能直接采用強(qiáng)酸條件進(jìn)行硝化、磺化等，通常在非酸性條件下使用較溫和的非質(zhì)子性試劑。如硝乙酐（CH3COONO2)在低溫條件下進(jìn)行硝化。噻吩可直接用硫酸磺化但產(chǎn)率不高。噻吩能使催化劑中毒，要使用特殊催化劑。必須注意的是：3. 吡咯的弱酸性和弱堿性（不是仲胺）弱堿性 苯胺 吡咯 Kb 3.8*10-10 2.5*10-14弱酸性 吡咯N原子上的H原子都有微弱的酸性 酸性比較： 苯酚吡

12、咯乙醇 Ka 1.3*10-10 10-15 10-18 可與KOH成鹽。由于氮原子上的未共用電子對參與環(huán)的共軛，減弱它接受質(zhì)子的能力。不能與酸成鹽3. 吡咯的弱酸性和弱堿性（不是仲胺）弱堿性 4. 鑒別反應(yīng) 呋喃使鹽酸浸過的松木片顯綠色。 噻吩和吲哚醌在硫酸作用下發(fā)生蘭色反應(yīng)。 噻吩在濃硫酸的作用下與松木片能呈現(xiàn)蘭色反應(yīng)。 浸鹽酸的松木片遇吡咯蒸氣顯紅色。 4. 鑒別反應(yīng)三. 重要的五元雜環(huán)化合物1. 糠醛（2-呋喃甲醛）用途： 糠醛是良好的溶劑； 廣泛用于油漆及樹脂工業(yè)； 合成苯酚糠醛塑料;及制藥。2. 卟吩化合物(吡咯的重要衍生物，基本骨架是卟吩環(huán)） 葉綠素a、b 中心離子為Mg2+ 血

13、紅素 中心離子為Fe2+ 維生素B12 中心離子為Co 結(jié)構(gòu)最復(fù)雜（見332頁）三. 重要的五元雜環(huán)化合物用途： 糠醛是良好的溶劑；2.六元雜環(huán)化合物（是雜環(huán)化合物重要的部分）一.吡啶的 結(jié)構(gòu)吡啶分子本身在自然界中并不存在，但其衍生物卻多見（如天然藥物、生物堿）。平面具有芳香性，大 鍵。結(jié)構(gòu)與苯極相似。平面六元環(huán)。氮原子電負(fù)性較大，使電子云向氮原子偏移，環(huán)上各處電子云密度不同；不存在一般的單雙鍵。芳香性比苯差。吡啶的偶極距大于六氫吡啶的偶極距，電子效應(yīng)方向一致。NH.六元雜環(huán)化合物（是雜環(huán)化合物重要的部分）一.吡啶的 結(jié)構(gòu)二.吡啶的性質(zhì)吡啶環(huán)上的取代基對其堿性強(qiáng)弱的影響的基本規(guī)律如同取代基對苯

14、胺堿性的影響。1.堿性吡啶 脂肪胺 吡啶 苯胺 吡咯 PKb 3.0-4.2 8.8 9.4 氮上那對未共用電子可與質(zhì)子成鹽，使吡啶呈堿性。常用做催化劑、除酸劑。二.吡啶的性質(zhì)吡啶環(huán)上的取代基對其堿性強(qiáng)弱的影響的基本規(guī)律如2. 親電取代反應(yīng) （芳香性比苯差） 比苯難 進(jìn)入吡啶環(huán)的位 （氮原子具有如-NO2相似的定位作用） H+介質(zhì)對親電取代不利（首先與氫生成鹽，不利親電試劑）02. 親電取代反應(yīng) （芳香性比苯差）03.親核取代反應(yīng) （電子云密度降低，易發(fā)生親核取代） 比苯容易 進(jìn)入位 氮的吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)氨基鈉（齊齊巴賓反應(yīng)）3.親核取代反應(yīng) （電子云密度降低，易發(fā)生親核取代）氮的吸電4. 氧化

15、反應(yīng) 吡啶環(huán)對氧化劑穩(wěn)定（支鏈氧化）環(huán)上的電子云密度因氮原子的存在而降低，難于失去電子被氧化。4. 氧化反應(yīng) 環(huán)上的電子云密度因氮原子的存在而降低，難于5. 還原反應(yīng) 較苯容易（因環(huán)碳電子云密度較低，不僅可催化加氫，還可被化學(xué)試劑還原） 吡啶和吡咯性質(zhì)比較：pH親電取代親核取代氧化遇 酸吡咯中性易（）難易不穩(wěn)定易聚合成樹脂吡啶弱堿難（）易（）難5. 還原反應(yīng) 吡啶和吡咯性質(zhì)比較：pH親電取代親核取三. 重要的六元雜環(huán)化合物1. 吡啶衍生物維生素PP維生素B6衍生物：包括吡哆醇、吡哆醛與吡哆胺雷米封：異煙堿肼的俗名， 是抗結(jié)核藥物。333頁三. 重要的六元雜環(huán)化合物維生素PP維生素B6衍生物：包

16、括吡2. 嘧啶衍生物含有兩個氮的六元單雜環(huán)，其衍生物很重要。如核酸，維生素類和某些藥物都具有嘧啶結(jié)構(gòu)。三者都是核酸的重要組成成分2. 嘧啶衍生物含有兩個氮的六元單雜環(huán)，其衍生物很重要。如核. 稠雜環(huán)化合物一. 嘌呤及其衍生物1. 結(jié)構(gòu) 互變異構(gòu)體（嘧啶和咪唑）核酸、核苷酸、輔酶A、尿酸等都含有嘌呤結(jié)構(gòu)2. 衍生物. 稠雜環(huán)化合物一. 嘌呤及其衍生物1. 結(jié)構(gòu) 互變異構(gòu)體二. 喹啉及其衍生物1. 結(jié)構(gòu)2. 化學(xué)性質(zhì)（與吡啶相似）堿性比吡啶稍弱，可與酸成鹽（pKa=9.1）親電取代發(fā)生在較為活潑的苯環(huán)上的C5、C8位上苯環(huán)和吡啶二. 喹啉及其衍生物1. 結(jié)構(gòu)2. 化學(xué)性質(zhì)（與吡啶相似） 親核取代取

17、代主要發(fā)生在吡啶環(huán)C2位上 還原 1，2，3，4-四氫喹啉 親核取代取代主要發(fā)生在吡啶環(huán)C2位上 還原 1 氧化 3制備Skraup（斯克勞普）合成法與大多數(shù)氧化劑不發(fā)生反應(yīng)。苯胺、甘油一定條件下反應(yīng)制得。 氧化 3制備Skraup（斯克勞普）合成法與大多 . 生物堿（含氮堿性化合物）-概論一. 性質(zhì)（存在于生物體內(nèi)具有堿性和明顯生理活性的含氮有機(jī)物）1游離生物堿一般是無色固體。有苦味。2能與無機(jī)酸或有機(jī)酸結(jié)合成鹽。3沉淀反應(yīng)4顏色反應(yīng)（使生物堿發(fā)生顏色反應(yīng)的試劑叫生物堿顯色劑）（遇一些試劑能發(fā)生沉淀，該試劑叫生物堿沉淀劑。）提取、精制、檢查和鑒別生物堿 . 生物堿（含氮堿性化合物）-概論一.

18、 性質(zhì)（存二. 生物堿的提取方法 1有機(jī)溶劑提取法2稀酸提取法 1.煙堿 顛茄堿 麻黃堿 金雞納堿喜樹堿 嗎啡堿小檗堿 咖啡堿三. 幾種重要的生物堿二. 生物堿的提取方法 1有機(jī)溶劑提取法 1.煙堿 生物堿的涵義、存在及制取生物堿：從動植物中得來的一類含氮的具有堿性的化合物稱為生物堿（alkaloids）。存在：在植物中分布很廣，一種植物可有多種生物堿，如：罌粟中有20多種生物堿；一般與有機(jī)酸成鹽形式存在(如蘋果酸鹽、琥珀酸鹽、草酸鹽、檸檬酸鹽等)。制?。河脧?qiáng)酸稀HCl、稀H2SO4溶液等使其游離，萃取、沉淀、再萃取 生物堿的涵義、存在及制取生物堿：從動植物中生物堿的通性1. 生物堿由C、H、

19、O、N組成，少數(shù)有Cl、S元素；多數(shù)為無色固體，少數(shù)為液體；有固定的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)，有苦味。2. 生物堿有旋光性，多數(shù)為左旋，有明顯的生理效應(yīng)。 3. 生物堿一般不溶或難溶于水，易溶于有機(jī)溶劑，它們的鹽溶于水。4. 有堿性，堿性受N的雜化狀態(tài)、電子效應(yīng)、空間效應(yīng)的影響；這一性質(zhì)是生物堿分離、提純的基礎(chǔ)。5. 生物堿能被多種試劑沉淀于水或酸溶液中。6. 一些濃的無機(jī)酸和少量試劑是生物堿的顯色劑。生物堿的通性1. 生物堿由C、H、O、N組成，少數(shù)有Cl、S重要的生物堿1. 煙堿煙堿 俗稱尼古?。蛔笮齃-(-)體；毒性強(qiáng)。尼古丁少量吸入會刺激中樞神經(jīng)，增高血壓；大量吸入則抑制中樞神經(jīng)系統(tǒng)，使呼吸停止和心臟麻痹。在農(nóng)業(yè)上煙堿用作殺蟲劑。(維生素P)一種營養(yǎng)物質(zhì)重要的生物堿1. 煙堿煙堿 俗稱尼古??；尼古丁少量吸2. 顛茄堿類(1) 阿托品茛菪醇dl-茛菪酸阿托品是酯，具有止痛、改善血液微循環(huán)的作用。(2) 古柯堿麻醉作用結(jié)構(gòu)2. 顛茄堿類茛菪醇dl-茛菪酸阿托品是酯，具有止痛、改善血古柯堿是一種局部麻醉劑， 其缺點(diǎn)是：容易成癮，毒性很強(qiáng)，可使呼吸中樞麻痹而致死。(奴佛卡因