杂环化合物是指组成环的原子中含有除碳以外的原子(常见的...
杂环化合物是指组成环的原子中含有除碳以外的原子(常见的是N、O、S等)的环状化合物。
、非芳香性杂环化合物, 如:、内酯、环状酸酐等。ON H杂环化合物
芳香性杂环化合物
五元杂环, 如 NSOH 单杂环
六元杂环, 如
N 杂环化合物
苯环与单杂环稠并, 如
NN 稠杂环H 两个以上单杂环稠并
本章我们只讨论芳香族杂环化合物。
杂环化合物是一大类有机物,占已知有机物的三分之一。杂环化合物在自然界分布很广、功用很多。例如,中草药的有效成分生物碱大多是杂环化合物;动植物体内起重要生理作用的血红素、叶绿素、核酸的碱基都是含氮杂环;部分维生素,抗菌素;一些植物色素、植物染料、合成染料都含有杂环。
9.1、五元杂环化合物
含一个杂原子的典型五元杂环化合物是呋喃、噻吩和吡咯。含两个杂原子的有噻唑、咪唑和吡唑。
9.1.1、呋喃、噻吩、吡咯杂环的结构
2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sp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。
CC CC
NOHCC
CC
CCCCZC2334
43
呋喃0.136(0.143)0.13610.1430 2
Z 0.13830.1417吡咯0.1370(0.147) Z = O、NH、S0.14230.1714(0.182)0.1370噻吩
CCCC=
0.1340.154
9.1.2、呋喃、噻吩、吡咯的化学性质
1、亲电取代反应
6从结构上
分析
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,五元杂环为Π共轭体系,电荷密度比苯大,如以苯环上碳5
原子的电荷密度为
标准
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(作为0),则五元杂环化合物的有效电荷分布为:
δ6.22δ6.24δ6.99
δ6.68 7.18δ7.29δ
SNO H
五元杂环有芳香性,但其芳香性不如苯环,因环上的π电子云密度比苯环大,且分布不匀,它们在亲电取代反应中的速率也比要苯快得多。亲电取代反应的活性为:吡咯 > 呋喃 > 噻吩 > 苯,主要进入α-位。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:(1)卤代。不需要催化剂,要在较低温度和进行;(2)硝化。不能用混酸硝化,一般是用乙酰基硝酸酯(CHCOONO)作硝化试剂,在低温下进行;(3)磺化。 呋喃、吡咯不能用浓32
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。
/ 低温X 2
X=Cl、BrX222 Z
CHCOONO32。 NO-5 ~ -30 C2Z -+H+SONZ3 HClN( NH、O、S )SOZHSO =3ZZ3ClCHCHCl22
( Z = NH、O ) 噻吩可直接用磺化。HSO24
(CHCO)O32 SnCl4COCH3Z
2、加氢反应
, Ni or PdH2( THF ) 四氢呋喃OO
H, Ni or Pd 2
四氢吡咯NN HH H, Ni2Pd不能用 催化
SPd 因噻吩能 使中毒S
3、呋喃、吡咯的特性反应
1)、呋喃易起D-A反应 (
OO OO 30?OO++O OO OOO
(90%) 内式外式
吡咯、噻吩要在特定条件下才能发生D-A反应。 (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。
NH原因:2 N 上的未共用电子对NN HH参与了环的共轭体系, -10-14-4K3.8 102.5 102 10bH××减弱了与 的结合力。×
吡咯具有弱酸性,其酸性介于乙醇和苯酚之间。
OHCHCHOH 32N H -10-15-18 =1.3 101 101 10K××a×
故吡咯能与固体氢氧化钾加热成为钾盐,与格式试剂作用放出RH而生成吡咯卤化镁。
热 + KOH+ HO2NN 固体HK
干乙醚+ RMgX+ HO2N NH MgX
吡咯钾盐和吡咯卤化镁都可用来合成吡咯衍生物。
RCOCl
CORNN KOHH(固体)CORNN HK热RI RNN HR RCOCl CORNN RMgX HCORN N干乙醚HMgX RIRNN HR
9.1.3、重要的五元杂环衍生物
9.1.3.1、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。
HOCHCHOHSOH3~5%HSO稀24 24(CHO)584nCHCHCHO2CHO 水蒸气OHOH 戊糖多聚戊糖呋喃甲醛
2、性质
(1)、氧化还原反应
CuO, CrO 23
OHCH 210MPa150?,O
KMnO弱碱性4 CHOCOOHO O
O - MoOV25 + HO+ CO22O320?,2,OO O
(2)、歧化反应
浓碱 +OHCHCOOHCHO2 OOO
(3)、羟醛缩合反应
稀碱CH=CHCHOCHCHO+CHO3O O
(4)、安息香缩合反应
O KOH醇溶液 CHOCCHOOO OH
3、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。
9.1.3.2、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。
32 α
4NHN1
βδ
5N8HN
γ67
卟啉族化合物广泛分布与自然界。血红素,叶绿素都是含卟咯环的卟啉族化合物。在血红素中卟咯环络合的是Fe,叶绿素中卟咯环络合的是Mg。血红素的功能是运载输送氧气,叶绿素是植物光合作用的能源。1964年,Woodward用55步合成了叶绿素。1965年接着合成VB,用11年时间完成了全合成。12
Woodward一生人工合成了20多种结构复杂的有机化合物,是当之无愧的有机合成大师。Woodward 20岁获博士学位,30岁当教授,48岁时(1965年)获诺贝尔化学奖。
9.1.3.3、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B等。青霉素是一类抗菌素的总称,1
已知的青霉素大一百多种,它们的结构很相似,均具有稠合在一起的四氢噻唑环和β- 内酰胺环。
HOOCNCO
CHCHNHCR3 S CHO3
CHR =G2 为青霉素
R =CHOV为青霉素常用青霉素2
SCHCHCHCHR =O为青霉素23
青霉素具有强酸性(pKa?2.7),在游离状态下不稳定(青霉素O例外),故常将它们变成钠盐、钾盐或有机碱盐用于临床。
维生素B(VB) 11
NHCl3Cl 对糖类的新陈代谢有
NCHNCH显著的影响,人体缺23
CHCHOH乏时可以引起脚气病22 CHNS3
噻唑环
9.2、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。
N
NON
吡啶吡喃嘧啶
吡啶是重要的有机碱试剂,嘧啶是组成核糖核酸的重要生物碱母体。
9.2.1、吡啶
1、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B、辅酶?6及辅酶?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。
2、吡啶的结构
CC6 π6C N等电子体系 N
CC
未参与共轭
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。
0.870.140γ >4N >>γβ电荷分布α1.01β3 0.139亲电取代β位0.842α NN0.147单亲核取代位γα,0.134 1.430.128双
3、吡啶的性质
γ 亲电试剂进攻部位亲核试剂进攻部位δ δβ
δαN
碱性与成盐
(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。
NH2CHNHNH32 3
N pK3.384.768.809.42b
吡啶易与酸和活泼的卤代物成盐。
NH 3+ HClNHCl此反应常用于 NN
在反应中吸收
CHCl22 生成的气态酸+ SO(90%)NSO33 N室温
吡啶三氧化硫络合物
是常用的缓和磺化剂
R 300RI? +RNNNN
IIR R I
OHOHR NN
制取烷基吡啶的一种方法
Br / CCl24++HCl+ BrClNNNN BrH +CHINOBF3 24++BFI4EtONN2NN NN
CH NO32
SO3PhCOCl++CHCl 22石油醚ClNNNN
SOPhCO3
(2)、亲电取代反应
吡啶环上氮原子为吸电子基,故吡啶环属于缺电子的芳杂环,和硝基苯相似。其亲电取代反应很不活泼,反应条件要求很高,不起傅-克烷基化和酰基化反应。亲电取代 反应主要在β-位上。
Br Br2
300?N
NO 2HNO, HSO324
300?NN
SOH 3HSO, HgSO244
220?N
(3)、氧化还原反应
a、氧化反应
吡啶环对氧化剂稳定,一般不被酸性高锰酸钾、酸性重铬酸钾氧化,通常
是侧链烃基被氧化成羧酸。
COOHCH3KMnO / H4
NN
吡啶甲酸(烟酸)β
HNO3 COOHNN
吡啶甲酸α
吡啶易被过氧化物(过氧乙酸、过氧化氢等)氧化生成氧化吡啶。
O CHC-OOH3
NN
O
氧化吡啶在有机合成中用于合成4-取代吡啶化合物。
NO NO22HNOPCl3 3+ POCl3 HSON9024?NN OO
b、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)。
(4)、亲核取代
由于吡啶环上的电荷密度降低,且分布不均,故可发生亲核取代反应。例
如:
NaNHHO22
NHNHNa2 N二甲苯胺中回流NN
9.2.2、嘧啶及其衍生物
N
N
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B也含有嘧啶环。合成药物1
的磺胺嘧啶也含这种结构。
NHOHOH2
CH3 NNN
HOHOHONNN
( C )胞嘧啶( T )( U )胸腺嘧啶尿嘧啶
uracil thymine cytosine
9.3、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。
6454 517563NN3 628722 4NNNN197831H H
( Quioline )( Purine )( indole )嘌呤喹啉吲哚
9.3.1、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。
CHCHCOOH 2色氨酸
NH 2构成蛋白质的重要成分N H
CH分解3β 甲基吲哚(粪臭素)
N 很稀时有茉莉香味H
CHHOCHNH2225羟基色氨
N动物激素,参与神经思维的物质。 H
CHOCH3CHNHAcMelatonine22
脑白金N H
CHCOOHβ吲哚乙酸2 植物激素,少量能调节植物生长,量大则杀伤植物。N HCH2如在侧链多一个 就失去生理效能。
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。
+ E
4
53
1 62N苯 环吡咯环 7H
Br,OOBr23溴吲哚
70%0N ?H HCOONOC652NO23 硝基吲哚CHCN,03?N 35%NHH N . SO3 SOH3β吲哚磺酸 N H
9.3.2、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
有利于亲电取代反应的 有利于亲核取代反应的
发生,且主要发生在5, 8 -位。发生, 且主要发生在2 - 位。 N 活化环钝化环
NO2
HNOHSO+浓324浓 +N 0?NON2 Br BrSOH+224浓+ NAgSO24NBr
NHSO,220浓?24 N HSO3 .KNH2二甲苯OH 2NHNaNH1002? NN
(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。
COOHKMnO1004?
COOHN
CHCHOH, Na32N
N H
2、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。
H CHOHCHO2HOHHN 2CHSO24C=OOHCHCH ( - HO )2=NHNHOHCHCHOH 22
HSOCHNO24652
NN H
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。
CHCH 2NHOCH
OCH3
N
存在于金鸡钠树皮中,有抗疟疾疗效 奎宁(金鸡钠碱)
CH 25HO(CHCH)-NCHO233CH 25NHNOOCHCH 33
OCHCH32Cl N
氯喹(合成抗疟疾药)罂粟碱
CH3 含一个被还原了的异喹啉环,是从2N 13鸦片中提取出来的。 吗啡的盐酸盐是很强的镇痛药,能8 持续6小时,也能镇咳,但易上瘾。47 将羟基上的氢换成乙酰基,即为 56海洛因,不存在于自然界。海洛因比吗OOHHO
啡更易上瘾,可用来解除晚期癌症患者
吗啡的痛苦。
9.3.3、嘌呤
NNNNH
NNNN H
( )( ) 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。
OHO
HNNHNN
OONNNNHOOH HHH
2、黄嘌呤:存在于茶叶及动植物组织和人尿中。
OHO
HNNNN
ONN NNHOHHH
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。
OOOOO
NNNHNHNNNNCHCHNNCHCH3333
OOOONNNNNNNNONN
CH CHCH333
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。
NHO2
HNNNN
HNNNNN2 HH
腺嘌呤(A) 鸟嘌呤(G)