杂环化合物学习培训课件.ppt

1、 第十八章 杂环化合物教学内容：第一节 杂环化合物的分类和命名第二节 五元杂环化合物第三节 六元杂环化合物第四节 生物碱第五节 改变人行为的药物 教学要点：1、杂环化合物的分类、命名。2、呋喃、噻吩、吡咯、吲哚的结构、性质、主要反应。糠醛的性质。3、吡啶、喹啉、异喹啉的结构和性质、典型反应。4、生物碱的一般性质及提取方法。本章重点：杂环化合物的分类和命名、结构与反应和一些重要的杂环化合物。本章难点：杂环化合物的分类和命名、结构与反应。考核要求：识记：杂环化合物的分类、命名、结构。应用：一些重要杂环化合物反应和制备。教学时数：4学时 环状有机化合物中，构成环的原子除碳原子外还有其他原子，并具有芳

2、香结构，这种环状有机化合物称为杂环化合物。组成杂环的原子除碳以外多叫做杂原子。常见的杂原子为：N、S、O。杂环上可以有一个、两个或多个杂原子。常把杂环氢化后的生成物看作杂环的衍生物，而把呋喃、吡啶、吡咯等具有芳香性的环称作母核。把含有杂环的化合物，不论是饱和的、不饱和的或芳香结构的，都称作杂环化合物。但对于环酸酐、内酯、环氧化合物在习惯上不看作杂环化合物。杂环化合物在自然界分布很广，功能很多。杂环化合物是很好的溶剂。如四氢呋喃。第十五次课 （2930学时）一、分类：单杂环：包括五元和六元杂环，最常见 的如呋喃、吡咯、噻吩等。稠杂环：如喹啉、吲哚、嘌呤等。二、命名：IUPAC保留了十九个杂环化合

3、物的特殊名称；系统命名采用音译。（要尽量记住9个）18.1 杂环化合物的分类和命名 命名：常用音译法，按外文名词音译，用带“口”字旁的同音汉字表示。NN吲哚SONHH吡咯呋喃噻吩 吡啶喹啉NN异喹啉P552表181杂环的结构和名称 1、只含一个杂原子的杂环化合物：OSNONN 2、含两个杂原子的杂环化合物：NNH 3、含多个杂原子的杂环化合物：NHNNHN嘧啶嘌呤呋喃噻吩吡咯H吡喃吡啶喹啉N 异喹啉 4、杂环上有取代基时：当杂环上有取代基时，编号：取代基的为此从杂原子算起依次用1，2，3，4（或）等编号。如杂环上不止一个杂原子时，则从O、S、N顺序依次编号。编号时杂原子的位次之和应最小。取名：

4、以杂环为母体得名，如：NNNHCH3NH23甲基吡啶2氨基嘧啶5、有时也可把杂环的母核当作取代基，如：2呋喃甲醛（糠醛）3吲哚乙酸 只含一个杂原子的典型的五元杂环化合物是呋喃、噻吩和吡咯。一、呋喃、噻吩、吡咯杂环的结构 呋喃、噻吩、吡咯从结构上看，都具有共轭二烯的结构，具有醚、硫醚、胺的化学性质。另外也具有类似苯的性质，能发生硝化、磺化、卤化等亲电取代反应，具有一定的芳香性。在五元杂环分子中，杂原子P轨道上的两个电子参与共轭，与环形成了共轭闭合体系，其共轭体系符合（4n2）规则。具有一定程度的芳香性。P 553 图181五元杂环的分子结构P554 图182五元杂环分子的电子云分布示意图18.2

5、五元杂环化合物二、呋喃、噻吩、吡咯的性质 1、物理性质：存在：呋喃存在于松木焦油中；噻吩与苯共存与煤焦油中，由煤焦油提取的苯约含有0.5的噻吩；吡咯存在与煤焦油和骨胶油中。状态：呋喃为无色液体，由氯仿的气味；噻吩是无色而有特殊气味的液体；吡咯有弱的苯胺的气味。检验：呋喃遇盐酸浸湿的松木片则呈绿色；吡咯则呈红色；噻吩不反应。噻吩和吲哚醌在硫酸作用下发生蓝色反应。利用噻吩比苯容易磺化的性质，以浓硫酸振荡含有噻吩的苯，使噻吩成为磺酸噻吩而溶于下层的硫酸中，从而与苯分离。2、亲电取代反应在五元杂环分子中，杂原子提供了两个P电子，具有芳香性的共轭体系是由五个原子共有六个电子。所以电子的几率密度比苯环大，

6、是富电子芳香环。亲电取代反应速率比苯环快得多。一般的亲电取代主要发生在2号位上或2，5两号位上。五元杂环、苯的亲电取代反应活性的比较：吡咯 呋喃 噻吩 苯 P555 表182 五元杂环在位的亲电取代相对速率 由于五元杂环是富电子芳香环，亲电取代反应活性较高。所以在反应中必须对试剂和反应条件进行控制，尽量避免副反应的发生。呋喃亲电取代反应表解：呋喃亲电取代反应表解：O 溴代Br2,O(CH2CH2)2O作溶剂,02溴呋喃（80）氯代Cl2,40 2,5二氯呋喃硝化,CH3COONO2 CH3COOH530 2硝基呋喃磺化,吡啶三氧化硫ClCH2CH2Cl作溶剂HCl 呋喃2磺酸乙酰化,(CH3C

7、O)2O,BF3 乙醚，0 2乙酰基呋喃OBrOClOClClOH3CCOONO2ONO2OSO3OSO3HOCOCH3噻吩亲电取代反应表解：SSBrSClSClClSSNO2SSO3HSCOCH3溴代，CH3COOH，室温2溴噻吩氯代Cl2，50SHClHClHClHCl 3硝基噻吩硝化,CH3COONO210 NO2+磺化，H2SO4，25 噻吩2磺酸乙酰化,(CH3CO)2O,H3PO4 2乙酰基噻吩吡咯亲电取代反应表解：2溴吡咯 溴代,Br2,乙醇,0四溴吡咯NHNHBrNHBrBrBrBr氯代,SOCl2,乙醚,0NH2氯吡硌3硝基吡咯 吡咯2磺酸2，5二酰基吡硌 2吡咯偶氮苯硝化，

8、HNO3，乙酐磺化,吡啶三氧化硫,100 乙酰化，乙酐150200 偶联，C6H5N2 XClNHNO2NHNO2NHSO3HNHCOCH3NHCOCH3H3COCNHN=NC6H53、加成反应 呋喃、噻吩、吡咯与芳烃一样，能进行加成反应。但由于五元杂环的芳香性大小不同，有的容易加成，有的较难。催化加氢：呋喃 噻吩 吡咯呋喃很容易氢化，生成四氢呋喃。噻吩反应停留在二氢化阶段。狄尔斯阿德耳反应：呋喃、噻吩能发生狄尔斯阿德耳反应。呋喃反应活性大于噻吩。而吡咯不发生此反应。呋喃加成反应表解：O催化加氢，H2加溴，Br2顺丁烯二酸酐双烯合成，30 (内式90)（外式）OOOBrHBrHOBrHHBrO

9、OOOHHOOOOHH噻吩加成反应表解：S催化加氢，H2SSSClClROOCCCCOORClClSCOORCOORCOORCOORCl2吡咯加成反应表解：N催化加氢，H2HCHCl3碱苯炔NHNHNHNHNHCCl2CCl3CHONH4、吡咯的弱碱性和弱酸性 从形式上看，吡咯是环状第二胺，氮上应该具有碱性。但因氮原子上的未共用电子对参与了环的共轭作用，使氮原子上的电子出现的几率密度降低，减弱吸引H的能力。所以吡咯的碱性极弱，比苯胺弱得多。由于共轭的作用，使吡咯氮原子上的H反而具有微弱的酸性。其酸性比醇强，但比酚弱。能与强碱反应生成盐。KOH（固体）NH加热 H2ONKRMgXRHNHNMgX

10、吡咯能与格氏试剂作用放出烃RH，生成吡咯卤化镁。吡咯钾盐及吡咯卤化镁用来合成吡咯衍生物。C6H5COCl 甲苯 N苯甲酰基吡硌 MgBrINKNCOC6H5NMgXNCH3CH3I三、糠醛（呋喃甲醛）糠醛是无色透明的液体，在空气中逐渐变为黄色至棕褐色。能溶解于醇、醚及其他有机溶剂中。在水中的溶解度较小。1、制备：由农副产物经加工制备。（C5H8O4）n nH2O35H2SO4，加热nC5H10O5 戊多糖戊糖稀H2SO4，加热 3H2OHO-CH-CH-OHCH CHHCHOOHOHOCHO2、性质和用途 糠醛具有无的醛（如苯甲醛、甲醛）和吡饱和呋喃杂环的双重化学性质，具有广泛的用途。（1）糠

11、醛是良好的溶剂 用作石油精炼的溶剂，以溶解含硫物质及环烷烃，可用与精制松香，脱除色素，溶解硝酸纤维等。（2）催化加氢 H2CuO,Cr2O3 150 糠醇OCHOOCH2OH（3）氧化反应KOH，KMnO4糠酸 O2V2O5MoO3320 顺丁烯二酸酐+CO2+H2OOCHOOCOOHOCHOOOO（4）歧化反应（5）安息香缩合（6）合成四氢呋喃作为溶剂糠醇糠酸钠2OCHOOCH2OHOCOONa NaOHKCN醇溶液呋嗡OCHOOCOCOHOH 催化脱羰基Ni，280 催化加氢Ni，125 四氢呋喃OCHOOO四、呋喃、噻吩、吡咯的制法 呋喃：糠醛去羰基得到呋喃；H2OOCHO ZnOCr2

12、O3MnO2 400415 +CO2+H2OO噻吩由C4馏分反应制备；+S650 CH3CH=CHCH3CH3CH2CH=CH2 SO2 SO2SCH3CH2CH2CH3吡咯：呋喃与氨在高温反应制备吡咯；NH3 Al2O3，430 ONHHCCH 2HCHOHOCH2CCCH2OH NH3NHCu2O2也可由乙炔与甲醛经由丁炔二醇合成；实验室中采用从1，4二酮合成呋喃、噻吩、吡咯；P2O5/P2S5/R/NH2 HORRSRRNRROOR/R-C-CH2CH2-C-R五、噻唑、咪唑 1、噻唑分子中含有一个硫原子和一个氮原子的五元杂环，无色，有吡啶的臭味，易与水互溶，有弱碱性。在一些天然产物及合

13、成药物中含有噻唑结构；嘧啶环噻唑环维生素B1氢化噻唑环青霉素GNNCH3NH3ClCH2NSClCH3CH2CH2OHSNCHHOOCCH3CH3ONHCH2C6H5CO2、咪唑 咪唑是含有两个氮原子的五元杂环，无色固体，易溶于水。它的碱性较噻唑强含咪唑环的物质广泛存在于自然界中，具有生理活性。组氨酸毛果芸香碱NNHCH2HCCOOHNH2NNCH2OH3CH2COCH3含有咪唑环的多菌灵使我国推广的高效、光谱型杀菌剂多菌灵NNHNCOOCH3H六、吲哚 吲哚是白色结晶，少量存在于煤焦油中，在有一些植物花朵中也含有。含吲哚环的生物碱广泛存在于植物中；吲哚乙酸作为植物生长调节剂；色氨酸中含有吲哚

14、环。色氨酸5羟基色氨酸甲基吲哚（粪臭素）吲哚乙酸NCH2HCCOOHNH2HNCH2CH2NH2HNCH3HNCOOHHHO 吲哚的化学性质与吡咯相似，碱性极弱，在空气中颜色变深，逐渐变成树脂状物质。吲哚的松木片反应呈红色；苦味酸与吲哚反应，生成稳定的盐。吲哚的亲电取代反应发生在3位；NH溴代Br2,O(CH2CH2)2O,03溴吲哚硝化,C6H5COONO2,CH3CN3硝基吲哚吡啶/三氧化硫 吲哚3磺酸吲哚3甲醛(CH3)2NCHO,POCl3,H2ONBrHNNO2HNSO3HHNCHOH 四个吡咯环和四个次甲基交替相连组成的大环叫卟吩，它是卟啉化合物的母体。卟啉化合物在自然界分布较广，

15、在叶绿素、血红素中都含有。从氯仿-甲醇中结晶深红色，闪光小叶片晶，360变深而不熔。溶于哌啶，二恶烷和酚，微溶于氯仿、溴仿、冰醋酸，几乎不溶于丙酮、甲醇、乙醚。铁盐从乙醚中为褐色立方晶体；镁盐为红色针状品；铜盐为褐色针状晶体。卟啉通常是卟吩环与金属(如铁或镁)连在一起构成一个更大的环状结构，是生物体中呼吸色素如血红蛋白血红蛋白、细胞色素和叶绿素分子等的基本组成部分。是卟吩的衍生物。例如血红素是含铁卟啉化合物，叶绿素是含镁的卟啉化合物，维生素B12是含钴的卟啉化合物，它们在生物体内都有作重要的生理功能。七、卟啉化合物NHNNNH12345678卟吩NNNN12345678FeCHH3CCH3CH

16、CH3CH2H2CH3CCH2CH2CH2COOHCH2COOH血红素第三节 六元杂环化合物 一、吡啶 二、嘧啶 三、喹林和异喹啉 四、嘌呤第十六次课 （3132学时）一、吡啶 1、吡啶的来源和制法吡啶存在于煤焦油、页岩油和骨焦油中。吡啶的衍生物广泛存在于自然界。不少生物碱都含有吡啶环结构。吡啶是重要的有机合成原料、良好的有机溶剂和有机合成催化剂。吡啶为有特殊的臭味的无色液体，可与水、乙醇、乙醚等任意混合。煤焦油中得到的是吡啶和2，3，4甲基吡啶的混合物。甲基吡啶经氧化得吡啶甲酸，再脱羧得吡啶。NKMnO42，3，4吡啶甲酸CH3NCOOHOCHOOCH2OH NH3/500N2HCCH NH

17、3Al2O3SiO2 2CH2OCH3OHN工业上采用糠醛制备；也可采用乙炔制备；实验室用乙酰乙酸酯合成。2、吡啶的结构 组成吡啶环的碳和氮原子都发生SP3杂环，碳原子和氮原子个提供一个P电子，形成闭合共轭体系。P566 吡啶分子结构示意图 3、吡啶的碱性及其盐的性质吡啶N原子未成键的SP3轨道上有一孤对电子，能与H+形成稳定的正离子，所以吡啶及其同系物具有弱碱性。当吡啶环上连有吸电子基团时，减弱碱性；连有供电子基团时碱性增强。卤代烷和某些活泼的卤代物与吡啶反应生成季铵盐。加热后重排为甲基吡啶的盐。RNH2 NNH2NH几类物质的碱性强弱：CH3I290300 NNNHCH3INHH3CCH3

18、II C6H5CO-CH3 I2NNCH2COC6H5ICH2=CHCH2Cl Cl2NNCHClH2CH2CClClN烷基化可用活泼亚甲基化合物与I2反应来制备。吡啶与烯烃和卤素反应也可以制备N烷基化合物。4、吡啶与苯类似的性质（1）亲电取代反应虽然吡啶环也是有六个原子和六个电子组成的共轭体系，但由于氮原子的吸电子能力要强于碳原子，使吡啶环属于缺电子的芳杂环。所以吡啶在亲电取代反应中很不活泼，比苯的取代难得多，反应条件要求高，反应活性与硝基苯相似，不起傅克酰基化和烷基化反应。吡啶的亲电取代反应发生在位上。Cl2，200气相3氯吡啶 3，5二氯吡啶Cl2，AlCl3100Br2，催化剂 300

19、 NNNClClCl3氯吡啶NNCl3吡啶NNBr卤化：磺化：浓或发烟H2SO4HgSO4，220 NNSO3H吡啶硝化：HNO3+H2SO4300 NNNO2吡啶（2）吡啶环对氧化剂的稳定性 吡啶环对氧化剂比苯环稳定，在酸性氧化剂中（浓硝酸、重铬酸钾硫酸、酸性高锰酸钾）不反应。HNO3，氧化吡啶甲酸（烟酸）HNO3，或KMnO4/H2SO4,吡啶二甲酸NCH3NCOOHNCOOHCOOHN但因为吡啶为第三胺，易被过氧酸或过氧化氢的醋酸溶液氧化成N氧化物。N氧化物改变了吡啶亲电取代反应的位置，容易发生4位取代。是制备4取代吡啶的方法。（3）还原反应N+6H Na+C2H5OH六氢吡啶NH 吡啶

20、环对还原剂则比苯环活泼，钠与乙醇能使吡啶还原为六氢吡啶，而苯采用这一还原剂不会被还原。催化加氢也可使吡啶还原为六氢吡啶；H2，Pt，CH3COOHN六氢吡啶NH（4）亲核取代 由于吡啶环是缺电子芳香环，亲电取代反应较难进行。而亲核取代反应较易进行。吡啶的亲核取代反应发生在位，如两个位都已有基团，则发生在位。H2O 2氨基吡啶NNNHNaNNH2NaNH2C6H5N(CH3)2二、嘧啶 嘧啶是含有两个氮原子的六元杂环，无色结晶，易溶于水。碱性比吡啶弱得多。嘧啶的亲电取代反应比吡啶弱得多；亲核取代反应比吡啶容易。嘧啶的衍生物广泛存在于自然界。如：维生素B1、磺胺嘧啶。尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶NNHOO

21、HNNHOOHNNHONH2CH3三、喹啉和异喹啉由苯环和吡啶环稠合而成。喹啉存在于煤焦油中。为无色油状液体，放置时逐渐变为黄色，能与大多数有机溶剂混溶，对水溶解度很小，是一种高沸点溶剂。碱性比吡啶稍弱。有些生物碱（如金鸡钠）具有喹啉杂环。由于吡啶较难进行亲电取代反应，所以喹啉的亲电取代反应发生在苯环上（5或8位）；而亲核取代反应则发生吡啶环上（2或4位）；硝化，HNO3/H2SO405硝基喹啉8硝基喹啉溴化，Br2H2SO4，5溴喹啉8溴喹啉磺化，H2SO4，220喹啉8磺酸亲核反应，KNH2，二甲苯1002氨基喹啉还原，Sn+HCl或Na+C2H5OH1,2,3,4四氢喹啉NNN+NO2N

22、O2NN+BrBrNSO3HNNH2NHAg2SO4喹啉环的合成；采用苯胺与甘油、浓硫酸及硝基苯同热制备。N HOCH2-CH-CH2OHH2SO4，硝基苯OHNH2四、嘌呤嘌呤可以看作是由一个嘧啶环和一个咪唑环共有两个碳原子稠合而成。嘌呤的衍生物广泛存在于动植物体中。2、黄嘌呤：2，6二羟基嘌呤，存在与茶叶及动植物组织和人尿中。1、尿酸：存在与鸟类及爬行虫类的排泄物中，含量很多。人尿中也含有少量。HNNHNNHNNNNOOOOHHOOHHHHNNHNNHNNNNOOOHHOHH 3、咖啡碱、茶碱和可可碱：存在与茶叶、咖啡和可可中，有兴奋中枢神经的作用。以咖啡碱的作用最强。咖啡碱 茶碱可可碱N

23、NNNOOCH3H3CH3CNNNNOOCH3H3CHNNNNOOHH3CH3C一、基本概念：1、生物碱：是一类存在于植物体内，对人和动物有强烈生理作用的含氮碱性有机物。2、生物碱试剂：一般指生物碱沉淀剂。如10%苦味酸等，本身不是生物碱。第四节 生物碱一、生物碱的一般性质二、生物碱的提取方法三、重要的生物碱二、生物碱的一般性质；生物碱一般为无色结晶体（黄连素为黄色，烟碱为液体）。有苦味，有旋光性。不溶或难溶于水，易溶于有机溶剂。与无机酸或有机酸作用生成的盐可溶于水中。与生物碱试剂作用生成沉淀。三、生物碱的提取方法：1、有机溶剂提取法：将含有生物碱的细粉与碱液拌匀研磨，以析出游离的生物碱，再用

24、有机溶剂浸泡。有机溶剂浸出液用稀酸抽提（萃取）。则生物碱成为盐而溶于水中。水溶液浓缩后用无机碱中和则游离出生物碱。用有机溶剂进行重结晶可得精品。（适用于高含量）。2、稀酸提取法：将含有生物碱的细粉用稀酸浸泡。一般用15的硫酸、盐酸或醋酸为溶剂，使生物碱成盐而溶于水。该法提取水溶性杂质较多，常采用有机溶剂萃取法：将酸水提取液调至中性，并浓缩至适当的体积，以弱碱氨水或石灰水碱化，使生物碱游离，再用亲脂性有机溶剂氯仿、乙醚等萃取生物碱，回收溶剂得总生物碱。四、几种重要的生物碱：1、烟碱：液体，来源于烟草。2、麻黄素：结晶体，来源于麻黄。3、黄连素：（小蘖碱）：黄色结晶体，来源于黄连或三颗针树根中。4、咖啡碱：又名咖啡因，存在于茶叶、咖啡和可可豆中。第五节 改变人行为的药物 一、兴奋剂二、幻觉剂三、抑制剂 一、兴奋剂1、肾上腺素：2、安非他明：3、咖啡因：4、尼古丁：5、柯卡因 二、幻觉剂1、麦角二乙酰胺2、大麻 三、抑制剂1、巴比土酸盐2、阿普唑仑 3、维利眠 4、鸦片制剂小结：本章介绍了杂环化合物的分类、命名；呋喃、噻吩、吡咯、糠醛、吡啶、喹啉、吲哚的结构和性质。学习了生物碱的性质。作业：P232 1 3 7 10