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1、第十八章杂环化合物教学目的：掌握杂环化合物的分类和命名及掌握五元单杂环、六元单杂环化合物的化学性 质；理解杂环化合物的结构与芳香性，理解毗咯、毗啶的结构与性质的关系； 了解嘧啶、哇琳、嘌吟及吲噪，了解几种重要生物碱（麻黄素、烟碱、阿托品、 咖啡碱和茶碱）。教学重点：杂环化合物的结构与芳香性、亲电取代反应的活性及所用试剂的选择性。教学难点：杂环化合物的结构与芳香性、化学性质。引言杂环化合物是指组成环的原子中含有除碳以外的原子（杂原子一一常见的是N、O、S等）的环状化合物。非芳香杂环如，0一0 , C3NH 杂环化合物-O芳杂环（符合休克尔规则的杂环）如 咿，：.H N杂环化合物不包括极易开环的含
2、杂原子的环状化合物，例如：V，3,茸0本章我们只讨论芳香族杂环化合物。在具有生物活性的天然化合物中，大多数是杂环化合物。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；一些维生素、抗菌素、植物色素、植物染料、 合成染料都含有杂环。一、杂环化合物的分类1.分类杂环从结构上大体分为:单杂环和稠杂环两类。二、命名杂环化合物的命名比较复杂，现在一般通用的有两种类型的命名方法。种是按照化合物的西文名称音译，另一种是根据相应的碳环化合物名称类比命 名。杂环的命名常用音译法，是按外文名称的音译，并加口字旁，表示为环状 化合物。1. 单杂环的
3、命名方法 写出杂环化合物的基本名称，如下:furanpyrrole thiopheneimidazole oxazole吠喃thiazole 噻唑毗咯噻吩pyridine毗啶咪唑嗯唑吡喃pyrimidine pyrazine嘧啶 毗嗪 将杂环上每个环节原子编号，并使杂原子处在最小号数位置，如果一个环 上有两个或多个不同种类的杂原子时，则规定按O, S，N，.顺序使其位号由 小到大。例如：两个或多个不同种类的杂原子时，则规定按O, S，N，顺序使其位号由小到大。例如: 当环上有取代基时，先将取代基的名称放在杂环基本名称（或称主体环名称） 的前面，并把主体环的位号写在取代基名称的前面，以表示取代基
4、在主体环上 的位置。如果杂环分子上有两个或两个以上取代基时，则按照最低系列原则编3甲基毗啶1,3一二甲基毗咯（不是1,4一二甲基毗咯） 对于不同程度饱和的杂环化合物，命名时不但要标明氢化（饱和）的程度， 而且要标示出氢化的位置，用中文数字标明其数目，用阿拉伯数字标明其位置， 全氢化物可只标明数目。例如：四氢吠喃六氢吠喃2,3二氢毗咯2,厂二氢毗咯2. 稠杂环命名方法 对于一些简单的稠杂环，可以直接采用与单杂环相同的命名方法，例如:indolequinolinepurinecarbazole咔唑 对于大多数稠杂环的命名方法，是确定稠杂环中的主体环（当然必须是分子 中的杂环部分），并以它的名字作为
5、整个稠环分子的基本名称，其它与之骈合的 环的名字都看成是这个专主体环的前缀而放在主体环名称的前面，如下式所示。benzothiazole 苯骈噻唑当稠环中的主体环和骈合环具有非专一位置时，则要标明用以骈合的主体环的 边号。边序号是用a,b,c,d,*的，并规定1-2位间的键（边）为a,2-3位间者 为b等，按顺序标记。最后把骈合边的边序号放在骈合环和主体环的名称之间， 并以方括号括起来。例如：苯喹琳苯骈g喹琳第二节五元杂环化合物一、吠喃、噻吩、毗咯杂环的结构吠喃、噻吩、毗咯在结构上具有共同点，即构成环的五个原子都为Sp2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
6、系， 其n电子数符合休克尔规则（n电子数=4n+2），所以，它们都具有芳香性。为n 6共轭体系n电子=6符合4n + 2具有芳性富电子芳环二、吠喃、嚏吩、吡咯的性质吠喃、噻吩和毗咯中，碳原子和杂原子均以Sp2杂化轨道互相连接成。健， 并且在一个平面上，每个碳原子及杂原子上均有一个p轨道互相平行，在碳原 子的p轨道中有一个p电子，在杂原子的p轨道中有两个p电子，形成一个环 形的封闭的n电子的共轭体系。这与休克尔的4n+2规则相符，因此这些杂环或 多或少的具有与苯类似的性质，故称之为芳香杂环化合物。芳香性大小，试验结果表明:1. 亲电取代反应从结构上分析，五元杂环为/共轭体系，电荷密度比苯大，如以
7、苯环上碳 原子的电荷密度为标准（作为0），则五元杂环化合物的有效电荷分布为：00000ri 0.02、C - 0-03+ 0.11n - 0.04S - 0.06+ 0.20- 0.06n - 0.10H + 0.32强调: 五元杂环有芳香性，但其芳香性不如苯环，因环上的n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：毗咯 吠喃 噻吩 苯，主要进入。-位。 毗咯、吠喃、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。卤代反应：不需要催化剂，要在较低温度和进行；硝化反应：不能用混酸 硝化，一般是用乙酰基硝酸酯（CH3COONO 2）作硝
8、化试剂，在低温下进行；磺化 反应：吠喃、毗咯不能用浓硫酸磺化，要用特殊的磺化试剂一一毗啶三氧化硫 的络合物，噻吩可直接用浓硫酸磺化。2 .加氢反应H2, Ni or PdCn HH2, Ni or PdH2, Ni四氢吠喃（THF ）四氢毗咯不能用Pd催化因噻吩能Pd使中毒3. 吠喃、毗咯的特性反应吠喃易起D-A反应毗咯、噻吩要在特定条件下才能发生D-A反应。毗咯的弱酸性和弱碱性毗咯虽然是一个仲胺，但碱性很弱。Kb3.8X 10-102.5x 10-14原因：*N上的未共用电子对H参与了环的共轭体系，2 x 10-4减弱了与H的结合力。毗咯具有弱酸性，其酸性介于乙醇和苯酚之间。OHCH3CH2
9、OHKa = I 10-101X 10-151X 10-18故毗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而生成毗咯卤化镁。+KOH热八、固体K十+ H0H+ RMgX -干乙B O + h2oIMgX毗咯钾盐和毗咯卤化镁都可用来合成毗咯衍生物。HKOH （固体）K+RCOClnFrRMgX干乙醚 MgXRCOCl三、糠醛（0-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。多聚戊糖35%H2SO*水蒸气HO-CHCH-OHI ICH2 C*CHOOH OH戊糖稀 h2so4CHO呋喃甲醛2. 糠醛的性质糠醛具有一般醛基的性质，其化学性质与苯甲醛
10、或甲醛相似。(1)氧化还原反应KOCHOCuO, Cr2O3 一150 p,10MPaKMnO4弱碱性一2 + H2OV2O5 - MoOO2, 320 C,KO/CH2OH(2)歧化反应CHO浓碱:ICOOH + OCH2OH(3)羟醛缩合反应CHO + CH3CHO 稀碱-CH=CHCHO(4)安息香缩合反应QLcho koh一醇溶%H-C-%四、吡咯的重要衍生物最重要的毗咯衍生物是含有四个毗咯环和四个次甲基（-CH二）交替相连组成 的大环化合物。其取代物称为卟琳族化合物。1584P57 Y 6卟琳族化合物广泛分布与自然界。血红素，叶绿素都是含环的卟琳族化合物。在血红素中环络合的是Fe，叶
11、绿素环络合的是Mg。钻的类似卟琳环化合物。但其卟琳环在6位少一个碳原子，维生素B伐是含12它具有强的医治贫血的功能。叶绿素a（I960 年）已经被合成ch=ch2叶绿素a的结构五、噻唑和咪唑1.噻坐嚏唑是含一个硫原子和一个氮原子的五元杂环，无色，有毗啶臭味的液体，沸点117C，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B1等。青霉素是一类抗菌素的总称，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。-内酰胺环。HOOC NC=OCHs CH-NH-g-RCH3oR = CH2、为青霉素G、R = -CH2-O3为青
12、霉素V ”常用青霉素R = -CH=CH-CH2-SCH3 为青霉素O，青霉素具有强酸性(pKa2.7),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。六、呋喃，嚏吩，吡咯的制备1.吠喃(C5HsOn +rH20 皆 改34一 成MidS|I水解加热加热-3H2O戊多糖戊糖糠醛ZrO or C心,400 虹映喃2.噻吩噻吩也可用琥珀酸钠盐与五硫化二磷一起加热反应制得:3. 帕尔克诺尔(C.PaalL.Knorr)合成法：1, 4一二羰基化合物常在无水的酸性条件下，得到呋喃及其衍生物。1, 4 二羰基化合物与氨或硫化合物反应，可制备噻吩，毗咯及他们的衍生物，这
13、个 方法称为帕尔一克诺尔合成法：第三节六元杂环化合物六元杂环化合物中最重要的有毗啶、嘧啶和毗喃等。毗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。毗啶嘧啶毗喃一、毗啶1.来源、制法和应用毗啶存在于煤焦油页岩油和骨焦油中，毗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毗啶环结构，维生素PP、维生素b6、辅酶I及辅 酶II也含有毗啶环。毗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。毗啶的工业制法可由糠醇与氨共热（500C ）制得，也可从乙炔制备（P216）。 毗啶为有特殊臭味的无色液体，沸点115.5C，相对密度0.982，可与水、乙醇、乙醚
14、等任意混和。2.毗啶的结构-HN上的孤电子对在C_sp2N_sp2成环原子 共平面sp2轨道上，在环外 未参与环内共轭。体系N上的孤电子对在P轨道上，参与 环内共轭，为富 电子芳环。由于毗啶环的N上在环外有一孤对电子，故毗啶环上的电荷分布不均。电荷分布亲电取代P位亲核取代a， Y3.毗啶的性质碱性与成盐毗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。毗啶的碱性小于氨大于苯胺。CH3NH2NH3N8.809.42NH2pKb3.384.76毗啶易与酸和活泼的卤代物成盐。3一氯毗啶3一漠毗啶3 一硝基毗啶毗啶一 3磺酸NSO3H亲电取代反应毗啶环上氮原子为吸电子基，故毗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
