[理学]第十七章杂环

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1、有机含氮化合物及杂环化合物,杂环化合物,内容提要,17-1 杂环化合物的分类和命名 一、分类 二、命名 17-2 杂环化合物的结构与物理性质 一、结构与芳香性 二、结构与性质 三、物理性质,17-3 五元杂环化合物 一、化学性质 二、吡咯、呋喃和噻吩的衍生物 17-4 六元杂环化合物 一、吡啶的化学性质 二、喹啉和异喹啉的化学性质 17-5 重要杂环化合物 一、嘧啶衍生物 二、嘌啉衍生物 三、含氧杂环化合物,杂环化合物：在环状化合物成环的原子中，除了碳原子外，还有其它杂原子（O，N，S等）。 前几章讨论过的环醚，内酯，交酯，内酐等，成环的原子中也有杂原子，但这些化合物的性质与相应的开链化合物类

2、似，所以一般不将这些化合物归入杂环化合物中讨论。例如：,第十七章 杂环化合物和核酸 Heterocyclic compound,四氢呋喃,四氢吡咯,-戊内酯,本章主要讨论具有芳香性的杂环化合物，这类化合物属于芳香族。,芳香族,芳香烃,杂环化合物,苯系芳烃 非苯系芳烃,17-1 杂环化合物的分类和命名 一、分类,单环 稠环,五元环 六元环,二、命名 1.环的名称 杂环化合物多采用音译命名法，即将其英文名称译成同音汉字，并用“口”字旁作为杂环的标志。重要的杂环化合物结构和音译名列举如下：,呋喃 (furan),噻吩 (thiophene),吡咯 (pyrrole),咪唑 (imidazole),噻

3、唑 (thiazole),吡啶 (pyridine),嘧啶 (pyrimidine), -吡喃 ( - pyran),吲哚(indole),嘌呤 (purine),喹啉(quinoline),异喹啉(isoquinoline),2.成环原子的编号 (1)环上若有一个杂原子，则以杂原子的位次为最小，在此基础上再使带有取代基的碳原子位次尽可能小。 (2)环上若有一个以上相同的杂原子，则从连有取代基或氢原子的杂原子开始编号，并使所有杂原子的位次总和为最小。 (3)环上若有一个以上不相同的杂原子，则按OSN的次序编号，并使所有杂原子的编号尽可能小。,3.命名 类似于芳香烃 (1)以杂环为母体,2,5-

4、二甲基呋喃,1-甲基吡咯,5-甲基咪唑,4-甲基-5-(2-羟乙基)噻唑,4-氨基-2-羟基嘧啶 （胞嘧啶）,2,4-二羟基嘧啶 （尿嘧啶）,5-甲基-2,4-二羟基嘧啶 （胸腺嘧啶）,6-氨基嘌呤 （腺嘌呤）,2,6,8-三羟基嘌呤 （尿酸）,8-羟基喹啉,(2)以杂环为取代基,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,17-2 杂环化合物的结构和物理性质 一、结构与芳香性,呋喃 O：sp2,噻吩 S：sp2,吡咯 N：sp2,1.五元杂环化合物 以上三种五元杂环化合物的结构均符合休克尔规则，都有一定程度的芳香性和较高的热力学稳定性。,但由于环上存在电负性较

5、大的杂原子，所以与苯不同，共轭体系中各原子电子密度不是平均分布，键长也不是完全相等，只是趋向于平均化，芳香性比苯小。热力学稳定性也小于苯，其共轭能（kJ/mol)数据如下： 苯 噻吩 吡咯 呋喃 150.6 117.5 90.4 66.9 从共轭能的大小可以看出，三种五元杂环化合物的稳定性次序为： 苯 噻吩 吡咯 呋喃,吡啶 N：sp2,2.六元杂环化合物 吡啶的结构也符合休克尔规则，和以上三种五元杂环化合物类似，也有一定程度的芳香性和较高的热力学稳定性。但氮原子上电子的排布与吡咯不同，孤电子对处于sp2杂化轨道，没有参与共轭。,二、结构与性质 五元和六元杂环化合物偶极矩方向及数值（10-30

6、 C m）如下：,5.76,2.33,6.33,1.70,5.25,6.03,3.90,7.41,在五元杂环化合物中，由于杂原子2p轨道上的孤电子对与4个碳原子的2p轨道形成共轭体系，电子离域的结果使环上碳原子周围电子密度增加，大大超过苯环。其中呋喃和噻吩杂原子的+C效应部分抵消了-I效应，从而使偶极矩数值明显下降。而吡咯杂原子的+C效应大于-I效应，所以偶极矩的方向也发生改变。 同时， 杂原子的+C效应又使共轭体系内部两个位（杂原子的邻位）的电子密度高于两个位（杂原子的间位），因而亲电取代反应优先发生在两个位。,在六元杂环化合物中，由于电负性大的氮原子的孤电子对没有参与共轭，因而- C 和-

7、I效应的叠加（二者方向一致），使环上碳原子周围电子密度大大减小，低于苯环。共轭体系内部电子密度极性交替的结果，又使氮原子的邻对位电子密度下降的更为明显。所以吡啶比苯难发生亲电取代反应，且一般发生在间位（ -位）；易发生亲核取代反应，一般发生在-位。亲电取代反应的活性次序： 吡咯 呋喃 噻吩 苯 吡啶,其次，吡咯和呋喃遇强酸时，杂原子能发生质子化，破坏大 键，从而呈现共轭二烯烃的性质：易聚合，易被氧化。而吡啶则比苯更难氧化。 正因为如此，吡咯和呋喃不能直接用强酸进行硝化、磺化等反应，要采用较温和的非质子性试剂。 另外，吡啶和吡咯虽然都含有氮原子，但前者孤电子对没有参与成键，能接受质子而显碱性，是

8、良好的亲核试剂；后者的孤电子对参与共轭，不但不能接受质子，而且表现出一定的弱酸性。,三、物理性质 五元和六元杂环结构上的差异，使它们在物理性质上也有很大的区别。 上述四种化合物中，吡啶的极性最大，且氮原子没有参与成键的孤电子对不仅能与水形成氢键，还能与一些金属离子形成配位键。所以，吡啶与水能以任何比例互溶，又能溶解大多数极性和非极性有机物（例如乙醇和乙醚），甚至能溶解某些无机盐类。,三个五元杂环化合物在水中的溶解度均小于吡啶，这是因为它们的孤电子对参与了共轭，杂原子的电子密度降低。 17-3 五元杂环化合物 一、化学性质 1.亲电取代反应 (1)卤化,乙醇，0,二氧六环, 0,乙酸，室温,(2

9、)硝化 五元杂环化合物硝化反应常用的硝化试剂是硝酸乙酰基酯：CH3COONO2,-30 -5,5,-10,(3)磺化 五元杂环化合物中的吡咯和呋喃的磺化反应常用C6H5N+-SO3为试剂。遇浓硫酸不发生质子化反应的噻吩，可在室温下直接与浓硫酸进行磺化反应。利用该性质能分离苯和噻吩，分离出的2-噻吩磺酸水解后又可得到噻吩。,100,室温,室温,(4)酰基化,150200,2.加成反应 (1)催化加氢,四氢吡咯,四氢噻吩,四氢呋喃,兰尼镍,噻吩中的硫对钯有毒化作用，需使用不被毒化的催化剂。,环稳定性最小的呋喃表现出共轭二烯烃的性质。例如：在低温下能与溴或硝酸等亲电试剂发生1,4-加成反应，能与顺丁

10、烯二酸酐发生D-A反应。,外向型(热力学控制) 内向型(动力学控制) 3,6-内型氧桥-4-四氢化邻苯二甲酸酐,25,主要产物,(2)D-A反应,100 P,主要产物,吡咯,3.吡咯的弱酸性,或K+NH2-/NH3,4.鉴别 (1)呋喃 呋喃蒸气 + 盐酸浸渍的松木片 绿色 (2)吡咯 吡咯蒸气 + 盐酸浸渍的松木片 红色 (3)噻吩 噻吩 + 浓硫酸 + 靛红 蓝色,17-4 六元杂环化合物 一、吡啶的化学性质 1.吡啶的碱性和亲核性 (1)含氮杂环化合物的酸碱性,碱性次序： 脂肪族胺氨吡啶芳香族胺吡咯 例：,(2)吡啶的亲核性,+SO3-,碘化N-甲基吡啶,300 ,350,2.吡啶环上的

11、亲电取代反应,3.吡啶环上的亲核取代反应 (1)H被取代 最常见的是烷基化、芳基化和氨化反应。,(2)卤代吡啶X被取代 反应机理与硝基氯苯的亲核取代反应类似：先加成后消除。,8,220,六氢吡啶,4.加成反应 催化加氢,5.氧化反应 五元杂环尤其是呋喃和吡咯对氧化剂十分敏感，例如吡咯在空气中放置，颜色很快变深。但吡啶比苯更难氧化。,发烟,6.甲基吡啶的侧链反应 -甲基吡啶和-甲基吡啶侧链甲基可提供活泼氢原子，与羰基化合物发生缩合反应,二、喹啉和异喹啉的化学性质 1.碱性 异喹啉吡啶喹啉 2.亲电取代反应 碳环的电子密度大，亲电取代反应主要生成5-位和8-位取代物。例如：硝化反应。,3.亲核取代

12、反应,4.加成反应,5.氧化,烟酸,反十氢喹啉 (主要产物),17-5 重要杂环化合物 一、嘧啶衍生物 尿嘧啶互变异构,亚胺醇式,酰胺式,胞嘧啶 互变异构,胸腺嘧啶互变异构,腺嘌呤,鸟嘌呤互变异构,二、嘌呤衍生物,15,在生物体内的DNA和RNA分子链中，上述三种嘧啶类杂环化合物和鸟嘌呤是以酰胺式存在。,17-6 核酸 一、核酸的组成 核酸在不同条件下水解，可得到一系列不同的产物。,核酸,核苷酸,磷酸 核苷,戊糖：D-核糖或D-2-脱氧核糖 碱基：嘧啶和嘌呤类,二、核苷和核苷酸 1.核苷,腺苷（A）,13,鸟苷（G）,胞苷（C）,尿苷（U）,脱氧腺苷（dA),脱氧鸟苷（dG）,H,脱氧胞苷（d

13、C）,脱氧胸苷（dT）,2.核苷酸 核苷酸多指单核苷酸（MP），是核苷3位或5位的羟基与磷酸酯化的产物。,组成RNA的核苷酸,腺苷酸（AMP） 鸟苷酸（GMP） 胞苷酸（CMP） 尿苷酸（UMP）,组成DNA的核苷酸,脱氧腺苷酸（dAMP） 脱氧鸟苷酸（dGMP） 脱氧胞苷酸（dCMP） 脱氧胸苷酸（dTMP）,鸟苷-3-磷酸,脱氧胸苷-5-磷酸,AMP,ADP（二磷酸腺苷）,ATP（三磷酸腺苷）,三、核酸的结构,5端,A,C,G,T,磷酸二酯键的方向： 35 通过一个核苷酸单位 戊糖的3位羟基与另 一个核苷酸单位戊糖 的5 位羟基之间形 成磷酸酯键，将核苷 酸连接在一起，因此 在两个核苷酸之

14、间有 一个磷酸二酯键。,DNA一级结构片段,3端,DNA一级结构片段简化式,RNA和DNA等多聚核苷酸链的特点： RNA和DNA等多聚核苷酸是通过53磷酸二酯键连接而成： 链的一端如果含有一个游离的5-磷酸基，另一端则有一个游离的3-羟基，其基本单位就是5核苷酸，链的方向就是53。 例如，PAPGPCPUPUPAPAOH,链的一端如果含有一个游离的3-磷酸基，另一端则有一个游离的5-羟基，其基本单位就是3核苷酸，链的方向就是35。 例如，HOTPAPTPCPGPTPAPd,多聚核苷酸是由含有不同碱基的核苷酸组成，具有一定的核苷酸顺序，即核酸的碱基顺序。核酸的碱基顺序就是核酸的一级结构，它决定了

15、核酸的基本性质。核酸的碱基顺序具有极其重要的生理意义，DNA的碱基顺序本身就是遗传信息储存的分子形式。,和蛋白质类似，核酸除了一级结构外，还有二级、三级、四级等复杂的空间结构。例如，DNA的二级结构是由两条平行的脱氧核酸链彼此盘结成一个右手螺旋，两条链通过嘧啶碱和嘌呤碱基的氢键两两配对、彼此固定，即所谓DNA的双螺旋模型。但两条链间碱基的配对不是随意的，只能是A和T形成两个氢键，C和G形成三个氢键，这是由于如此配对成氢键时空间因素符合要求所致。这种碱基对称为互补碱基，其配对方式称为碱基互补原则。,5,RNA虽然也能通过碱基互补形成双螺旋，但由于糖基是核酸，其2位上的羟基深入到分子密集的部位，所以RNA二级结构一般不如DNA分子那样有规律。,胸腺嘧啶（T）,腺嘌呤（A）,胞嘧啶（C）,鸟嘌呤（G）,