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1、第十六章 杂环化合物第一页，共四十三页。概述：概述：杂环杂环杂环化合物杂环化合物来源、用途来源、用途杂环化合物分类：杂环化合物分类：第一类：无芳香性的杂环化合物第一类：无芳香性的杂环化合物例：例：四氢呋喃四氢呋喃丁二酸酐丁二酸酐四氢吡咯四氢吡咯六氢吡啶六氢吡啶第二类：具有一定程度的芳香性的杂环化合物第二类：具有一定程度的芳香性的杂环化合物呋喃呋喃吡咯吡咯吡啶吡啶第二页，共四十三页。分类和命名分类和命名芳杂环的数目很多，可根据环大小、杂原子的多少以及芳杂环的数目很多，可根据环大小、杂原子的多少以及单环和稠环来分类。单环和稠环来分类。常见的杂环为五元、六元的单杂环及稠杂环。常见的杂环为五元、六元的
2、单杂环及稠杂环。稠杂环是由苯环及一个或多个单杂环绸合而成。稠杂环是由苯环及一个或多个单杂环绸合而成。命名：采用外文名的音译，用带命名：采用外文名的音译，用带“口口”字旁的同音汉字表示。字旁的同音汉字表示。1. 五元杂环五元杂环呋喃呋喃furan12345thiophene噻吩噻吩pyrrole吡咯吡咯第三页，共四十三页。五元环中含两个或两个（至少有一个氮原子）以上的杂原子的体五元环中含两个或两个（至少有一个氮原子）以上的杂原子的体系称唑。系称唑。例：例：imidazole咪唑咪唑pyrazole吡唑吡唑thiazole噻唑噻唑oxazole噁唑噁唑2. 六元杂环六元杂环pyridinepyri
3、midinepyridazinepyrazine吡啶吡啶嘧啶嘧啶哒嗪哒嗪吡嗪吡嗪第四页，共四十三页。3. 稠杂环稠杂环quinolineisoquinolineindolepurine喹啉喹啉异喹啉异喹啉吲哚吲哚嘌呤嘌呤第五页，共四十三页。一一. 吡啶吡啶1. 结构和物理性质结构和物理性质N：sp2杂化杂化氮上还有一对电子未参与共轭，易氮上还有一对电子未参与共轭，易接受质子，具有碱性。接受质子，具有碱性。碱性：脂肪胺吡啶芳香胺碱性：脂肪胺吡啶芳香胺吡啶是一个无色有恶臭的液体，与水及许多有机溶剂，如吡啶是一个无色有恶臭的液体，与水及许多有机溶剂，如乙醇、乙醚等混溶，是良好的溶剂。乙醇、乙醚等混溶
4、，是良好的溶剂。2. 化学性质化学性质芳环芳环亲电取代亲电取代亲核取代亲核取代氮上未成键电子对氮上未成键电子对碱性碱性亲核性亲核性第六页，共四十三页。1). 吡啶环上氮的碱性及亲核性吡啶环上氮的碱性及亲核性+应用：应用：+2). 吡啶环上亲电取代反应吡啶环上亲电取代反应与苯环比较吡啶环是缺电子的芳香杂环，性质类似于硝基苯，与苯环比较吡啶环是缺电子的芳香杂环，性质类似于硝基苯，它不能进行傅氏烷基化和酰基化反应。它不能进行傅氏烷基化和酰基化反应。第七页，共四十三页。3-溴吡啶溴吡啶3-吡啶磺酸吡啶磺酸3-硝基吡啶硝基吡啶亲电取代位置在亲电取代位置在3-或或5-位进行，为什么？位进行，为什么？第八页
5、，共四十三页。啶环啶环 2位上的负氢离子能被取代。位上的负氢离子能被取代。+3). 吡啶环上亲核取代反应吡啶环上亲核取代反应+吡吡啶啶环环上上2位位的的负负氢氢离离子子被被亲亲核核性性极极强强的的氨氨基基负负离离子子取取代代，同同时时有有氢氢气气放放出出，称齐齐巴宾（称齐齐巴宾（Chichibabin）反应。）反应。+第九页，共四十三页。 4）还原）还原六氢吡啶（哌啶）六氢吡啶（哌啶）3. 吡啶环合成吡啶环合成Hantzsch（汉栖）合成法：（汉栖）合成法：-酮酸酯、醛和氨缩合。酮酸酯、醛和氨缩合。第十页，共四十三页。第一步：第一步： -酮酸酯和醛发生羟醛缩合酮酸酯和醛发生羟醛缩合+第二步：发
6、生迈克加成第二步：发生迈克加成+第十一页，共四十三页。第四步：二氢吡啶环脱氢，生成吡啶衍生物第四步：二氢吡啶环脱氢，生成吡啶衍生物第三步：关环，生成二氢吡啶环第三步：关环，生成二氢吡啶环第十二页，共四十三页。二二. 喹啉、异喹啉喹啉、异喹啉quinolineisoquinoline喹啉喹啉异喹啉异喹啉喹啉、异喹啉的性质与吡啶相似，具有弱碱性。喹啉、异喹啉的性质与吡啶相似，具有弱碱性。喹啉喹啉 pKa=4.94异喹啉异喹啉 Ka=5.40 Skraup（斯克洛浦）合成法：将芳香族伯胺与甘油同（斯克洛浦）合成法：将芳香族伯胺与甘油同硫酸和一种氧化剂（如：硝基苯、五氧化二砷、氧硫酸和一种氧化剂（如：
7、硝基苯、五氧化二砷、氧化铁等）一起加热，即可得喹啉及其衍生物。化铁等）一起加热，即可得喹啉及其衍生物。1. 喹啉及其衍生物的合成喹啉及其衍生物的合成第十三页，共四十三页。+反应过程：反应过程：. 甘油在浓硫酸（或磷酸）作用下脱水生成丙烯醛，甘油在浓硫酸（或磷酸）作用下脱水生成丙烯醛， 也可直接用也可直接用，-不饱和醛或酮。不饱和醛或酮。第十四页，共四十三页。. 苯胺与丙烯醛发生迈克加成苯胺与丙烯醛发生迈克加成+. 质子化的醛对苯环进行亲电取代反应质子化的醛对苯环进行亲电取代反应第十五页，共四十三页。. 1, 2-二氢喹啉氧化二氢喹啉氧化+例：例：（85-88%）+（73%）第十六页，共四十三页
8、。（83%）2. 反应反应1). 亲电取代反应亲电取代反应亲电取代反应主要发生在碳环的亲电取代反应主要发生在碳环的5位和位和8位。位。+8-硝基喹啉（硝基喹啉（48%） 5-硝基喹啉（硝基喹啉（52%）第十七页，共四十三页。+10%90%2). 亲核取代反应亲核取代反应亲核取代反应主要发生在吡啶环上。亲核取代反应主要发生在吡啶环上。喹啉环上喹啉环上2位和位和4位，异喹啉环上位，异喹啉环上1位的氯原子容易被亲核试剂位的氯原子容易被亲核试剂取代。取代。第十八页，共四十三页。第十九页，共四十三页。三三. 吡咯、呋喃和噻吩吡咯、呋喃和噻吩1. 结构特点结构特点呋喃呋喃噻吩噻吩吡咯吡咯平面结构平面结构环
9、上的原子均为环上的原子均为sp2杂化杂化闭环共轭体系闭环共轭体系亲电取代反应活性：亲电取代反应活性：吡咯、呋喃、噻吩大于苯吡咯、呋喃、噻吩大于苯电子密度电子密度-络合物络合物第二十页，共四十三页。五元环亲电取代反应的主要产物：五元环亲电取代反应的主要产物： 取代取代+芳香性：苯噻吩吡咯呋喃芳香性：苯噻吩吡咯呋喃2. 性质性质1). 吡咯吡咯第二十一页，共四十三页。a. 吡咯的弱酸性（与碱性试剂的反应）吡咯的弱酸性（与碱性试剂的反应）它的它的pKa=16.5，比酚弱，比醇强，可与强碱（，比酚弱，比醇强，可与强碱（NaNH2， KNH2、RMgX）或金属作用。）或金属作用。+吡咯钾吡咯钾第二十二页
10、，共四十三页。-吡咯甲酸吡咯甲酸N-甲基吡咯甲基吡咯N-乙酰基吡咯乙酰基吡咯-吡咯甲醛吡咯甲醛 第二十三页，共四十三页。b. 亲电取代反应亲电取代反应 主要产物为主要产物为 取代产物。取代产物。吡咯环的稳定性较差，遇酸容易聚合，因此进行亲电取吡咯环的稳定性较差，遇酸容易聚合，因此进行亲电取代反应要用较温和的试剂。代反应要用较温和的试剂。例：磺化试剂：例：磺化试剂：硝化试剂：硝化试剂：2 吡咯磺酸吡咯磺酸第二十四页，共四十三页。2硝基吡咯硝基吡咯2乙酰基吡咯乙酰基吡咯2吡咯甲醛吡咯甲醛+第二十五页，共四十三页。c. 加成反应加成反应+2). 呋喃呋喃a. 亲电取代反应亲电取代反应 呋喃的稳定性较
11、吡咯小，与亲电试剂往往得到加成产物，呋喃的稳定性较吡咯小，与亲电试剂往往得到加成产物，即使得到取代产物，也是由加成产物转化来的。即使得到取代产物，也是由加成产物转化来的。第二十六页，共四十三页。b. 加成反应加成反应呋喃与亲双烯体迅速发生狄尔斯呋喃与亲双烯体迅速发生狄尔斯-阿德尔反应。阿德尔反应。+25+第二十七页，共四十三页。2, 5己二酮己二酮呋喃遇浓酸聚合，遇稀酸呋喃水解为二醛：呋喃遇浓酸聚合，遇稀酸呋喃水解为二醛：丁二醛丁二醛第二十八页，共四十三页。3). 噻吩噻吩a. 亲电取代反应亲电取代反应应用：把粗苯中的噻吩除去。应用：把粗苯中的噻吩除去。第二十九页，共四十三页。b. 加成反应加
12、成反应+100高压高压+3. 合成合成a. 呋喃的工业制备呋喃的工业制备聚戊糖聚戊糖戊糖戊糖第三十页，共四十三页。b. 取代吡咯、呋喃、噻吩的合成取代吡咯、呋喃、噻吩的合成400吡咯环的合成：吡咯环的合成：第三十一页，共四十三页。. Knorr（克诺耳）合成法：（克诺耳）合成法：+ 氨基酮氨基酮 二羰基化合物二羰基化合物第三十二页，共四十三页。. Paal-Knorr（帕尔（帕尔-克诺耳）合成法：克诺耳）合成法：+ + 2, 5-己二酮己二酮. Hantzsch（汉栖）合成法：（汉栖）合成法：+第三十三页，共四十三页。+呋喃环和噻吩环的合成：呋喃环和噻吩环的合成： 第三十四页，共四十三页。4.
13、 吡咯、呋喃和噻吩的重要衍生物吡咯、呋喃和噻吩的重要衍生物1). 糠醛糠醛是一种无色液体是一种无色液体,沸点沸点162，在空气中易变黑。，在空气中易变黑。是一种良好的溶剂。它不含是一种良好的溶剂。它不含-H，性质类似于苯甲醛。，性质类似于苯甲醛。+醇溶液醇溶液+第三十五页，共四十三页。四四. 吲哚吲哚吲哚为白色结晶，熔点吲哚为白色结晶，熔点52.5。具有极臭的气味，但纯粹。具有极臭的气味，但纯粹的吲哚在极稀时有香味，可作香料。的吲哚在极稀时有香味，可作香料。可发生亲电取代反应，活性位置在第可发生亲电取代反应，活性位置在第3位。位。3-溴吲哚溴吲哚3-硝基吲哚硝基吲哚3-吲哚甲醛吲哚甲醛第三十六
14、页，共四十三页。3-吲哚磺酸吲哚磺酸含吲哚的生物碱广泛存在于植物中，如麦角碱、马钱子碱、含吲哚的生物碱广泛存在于植物中，如麦角碱、马钱子碱、利血平等。利血平等。-吲哚乙酸（植物生长调节剂）吲哚乙酸（植物生长调节剂）色氨酸（蛋白质组分）色氨酸（蛋白质组分）第三十七页，共四十三页。5-羟基色胺（哺乳动物及人脑中思维活羟基色胺（哺乳动物及人脑中思维活动的重要物质）动的重要物质）吲哚环的合成：吲哚环的合成：Fischer（费歇尔）吲哚合成法：将醛、酮、酮酸、酮（费歇尔）吲哚合成法：将醛、酮、酮酸、酮酸酯或二酮的芳基取代腙在氯化锌、聚磷酸、三氟化酸酯或二酮的芳基取代腙在氯化锌、聚磷酸、三氟化硼等路易斯酸
15、存在下加热。硼等路易斯酸存在下加热。苯乙酮苯腙苯乙酮苯腙1002-苯基吲哚苯基吲哚第三十八页，共四十三页。环己酮苯腙环己酮苯腙65四氢咔唑四氢咔唑机理：相当于联苯胺重排。机理：相当于联苯胺重排。3). 卟啉环系化合物卟啉环系化合物卟啉环系是由四个吡咯和四个次甲基交替相联组成的共轭体系。卟啉环系是由四个吡咯和四个次甲基交替相联组成的共轭体系。卟啉环呈平面结构，环的中间空隙以共价键、配位键和不同的卟啉环呈平面结构，环的中间空隙以共价键、配位键和不同的金属结合。金属结合。第三十九页，共四十三页。卟啉环卟啉环血红素血红素胆红素胆红素 a第四十页，共四十三页。叶绿素叶绿素 a第四十一页，共四十三页。五五
16、. 含两个以上杂原子的五元杂环含两个以上杂原子的五元杂环咪唑咪唑噻唑噻唑吡唑吡唑属吡咯系杂环属吡咯系杂环噁唑噁唑1. 结构和性质结构和性质1). 弱碱性弱碱性新增加的一个氮原子上的孤电子新增加的一个氮原子上的孤电子对在环平面上，与环内的对在环平面上，与环内的电子电子不共轭，提供了接受质子的位置，不共轭，提供了接受质子的位置，因此吡咯系杂环的碱性都比吡咯因此吡咯系杂环的碱性都比吡咯强。强。第四十二页，共四十三页。吡咯系杂环中除咪唑是中等强度的碱外，其它为弱碱，吡咯系杂环中除咪唑是中等强度的碱外，其它为弱碱，因为：因为：+的酸性大于的酸性大于为什么？为什么？咪唑分子间可形成氢键：咪唑分子间可形成氢键：吡唑通过氢键可缔合成二聚体：吡唑通过氢键可缔合成二聚体：第四十三页，共四十三页。
