有机化学 Organic Chemistry 延安大学化工学院 有机化学教研室.

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1 有机化学 Organic Chemistry 延安大学化工学院 有机化学教研室

2 第 二十 章 杂环化合物 (Heterocyclic compounds) 一.吡啶 二.喹啉、异喹啉 三.吡 咯 、呋喃、噻吩 四.吲 哚
　　　　　杂环化合物 (Heterocyclic compounds) 一.吡啶 二.喹啉、异喹啉 三.吡 咯 、呋喃、噻吩 四.吲 哚 五.含两个以上杂原子的五元杂环 六. 嘌呤

3 概述： 杂环 杂环化合物 来源、用途 杂环化合物分类： 第一类：无芳香性的杂环化合物 例： 四氢呋喃 丁二酸酐 四氢吡咯 六氢吡啶 第二类：具有一定程度的芳香性的杂环化合物 呋喃 吡咯 吡啶

4 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。
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。 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“口”字旁的同音汉字表示。 1. 五元杂环 β 4 3 β α α 5 2 1 thiophene pyrrole furan 呋喃 噻吩 吡咯

5 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。
例： imidazole pyrazole thiazole oxazole 咪唑 吡唑 噻唑 噁唑 2. 六元杂环 pyridine pyrimidine pyridazine pyrazine 吡啶 嘧啶 哒嗪 吡嗪

6 3. 稠杂环 quinoline isoquinoline purine indole 喹啉 异喹啉 吲哚 嘌呤

7 一. 吡啶 1. 结构和物理性质 N：sp2杂化 氮上还有一对电子未参与共轭，易接受质子，具有碱性。 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，如乙醇、乙醚等混溶，是良好的溶剂。 2. 化学性质 碱性 亲电取代 氮上未成键电子对 芳环 亲核性 亲核取代

8 1). 吡啶环上氮的碱性及亲核性 + 应用： + + 2). 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，它不能进行傅氏烷基化和酰基化反应。

9 亲电取代位置在3-或5-位进行，为什么？ 3-溴吡啶 3-吡啶磺酸 3-硝基吡啶

10 3). 吡啶环上亲核取代反应 + + + + + + 啶环 2位上的负氢离子能被取代。
吡啶环上2位的负氢离子被亲核性极强的氨基负离子取代，同时有氢气放出，称齐齐巴宾（Chichibabin）反应。 + +

11 Hantzsch（汉栖）合成法：β-酮酸酯、醛和氨缩合。
4）还原 六氢吡啶（哌啶） 3. 吡啶环合成 Hantzsch（汉栖）合成法：β-酮酸酯、醛和氨缩合。

12 第一步： β-酮酸酯和醛发生羟醛缩合 + 第二步：发生迈克加成 +

13 第三步：关环，生成二氢吡啶环 第四步：二氢吡啶环脱氢，生成吡啶衍生物

14 二. 喹啉、异喹啉 isoquinoline quinoline 异喹啉 喹啉 喹啉、异喹啉的性质与吡啶相似，具有弱碱性。 喹啉 pKa=4.94 异喹啉 Ka=5.40 1. 喹啉及其衍生物的合成 Skraup（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、氧化铁等）一起加热，即可得喹啉及其衍生物。

15 + 反应过程： ①. 甘油在浓硫酸（或磷酸）作用下脱水生成丙烯醛， 也可直接用α，β-不饱和醛或酮。

16 ②. 苯胺与丙烯醛发生迈克加成 + ③. 质子化的醛对苯环进行亲电取代反应

17 ④. 1, 2-二氢喹啉氧化 + 例： （85-88%） + （73%）

18 （83%） 2. 反应 1). 亲电取代反应 亲电取代反应主要发生在碳环的5位和8位。 + 5-硝基喹啉（52%） 8-硝基喹啉（48%）

19 喹啉环上2位和4位，异喹啉环上1位的氯原子容易被亲核试剂取代。
+ 10% 90% 2). 亲核取代反应 亲核取代反应主要发生在吡啶环上。 喹啉环上2位和4位，异喹啉环上1位的氯原子容易被亲核试剂取代。

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21 三. 吡咯、呋喃和噻吩 1. 结构特点 呋喃 噻吩 吡咯 平面结构 环上的原子均为sp2杂化 闭环共轭体系 亲电取代反应活性： 吡咯、呋喃、噻吩大于苯

22 五元环亲电取代反应的主要产物：α– 取代 + 芳香性：苯＞噻吩＞吡咯＞呋喃 2. 性质 1). 吡咯

23 它的pKa=16.5，比酚弱，比醇强，可与强碱（NaNH2， KNH2、RMgX）或金属作用。
吡咯钾 + +

24 α-吡咯甲酸 △ N-甲基吡咯 △ N-乙酰基吡咯 α-吡咯甲醛

25 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。
b. 亲电取代反应 主要产物为α– 取代产物。 吡咯环的稳定性较差，遇酸容易聚合，因此进行亲电取代反应要用较温和的试剂。 例：磺化试剂： 硝化试剂： 2 – 吡咯磺酸

26 2–硝基吡咯 2–乙酰基吡咯 2–吡咯甲醛 +

27 c. 加成反应 + 2). 呋喃 a. 亲电取代反应 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。

28 b. 加成反应 呋喃与亲双烯体迅速发生狄尔斯-阿德尔反应。 25℃ + +

29 呋喃遇浓酸聚合，遇稀酸呋喃水解为二醛： 丁二醛 2, 5–己二酮

30 3). 噻吩 a. 亲电取代反应 应用：把粗苯中的噻吩除去。

31 b. 加成反应 100℃ 高压 + + 3. 合成 a. 呋喃的工业制备 聚戊糖 戊糖

32 400℃ b. 取代吡咯、呋喃、噻吩的合成 吡咯环的合成：

33 ①. Knorr（克诺耳）合成法： + α– 氨基酮 β– 二羰基化合物

34 ②. Paal-Knorr（帕尔-克诺耳）合成法：
△ + 2, 5-己二酮 △ + ③. Hantzsch（汉栖）合成法： +

35 + 呋喃环和噻吩环的合成： △

36 是一种良好的溶剂。它不含α-H，性质类似于苯甲醛。
4. 吡咯、呋喃和噻吩的重要衍生物 1). 糠醛 是一种无色液体,沸点162℃，在空气中易变黑。 是一种良好的溶剂。它不含α-H，性质类似于苯甲醛。 + + 醇溶液 +

37 吲哚为白色结晶，熔点52.5℃。具有极臭的气味，但纯粹的吲哚在极稀时有香味，可作香料。
四. 吲哚 吲哚为白色结晶，熔点52.5℃。具有极臭的气味，但纯粹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3位。 3-溴吲哚 3-硝基吲哚 3-吲哚甲醛

38 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。
3-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、利血平等。 β-吲哚乙酸（植物生长调节剂） 色氨酸（蛋白质组分）

39 5-羟基色胺（哺乳动物及人脑中思维活动的重要物质）
吲哚环的合成： Fischer（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、三氟化硼等路易斯酸存在下加热。 100℃ 苯乙酮苯腙 2-苯基吲哚

40 65℃ 环己酮苯腙 四氢咔唑 机理：相当于联苯胺重排。 3). 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。

41 血红素 卟啉环 胆红素　Ⅸ a

42 叶绿素 a

43 新增加的一个氮原子上的孤电子对在环平面上，与环内的π电子不共轭，提供了接受质子的位置，因此吡咯系杂环的碱性都比吡咯强。
五. 含两个以上杂原子的五元杂环 属吡咯系杂环 咪唑 噻唑 噁唑 吡唑 1. 结构和性质 1). 弱碱性 新增加的一个氮原子上的孤电子对在环平面上，与环内的π电子不共轭，提供了接受质子的位置，因此吡咯系杂环的碱性都比吡咯强。

44 吡咯系杂环中除咪唑是中等强度的碱外，其它为弱碱，因为：
+ 为什么？ 的酸性大于 咪唑分子间可形成氢键： 吡唑通过氢键可缔合成二聚体：

45 吡咯系杂环的亲电取代反应活性小于吡咯、呋喃和噻吩。
2). 亲电取代反应 吡咯系杂环的亲电取代反应活性小于吡咯、呋喃和噻吩。 吡唑 异噻唑 异噁唑 咪唑 噻唑 噁唑 六.嘌呤 （见书433页）

46 六. 嘌呤 9H-嘌呤 7H-嘌呤 嘌呤是一对互变异构体的平衡体系 尿嘧啶(U) 胞嘧啶(C) 胸腺嘧啶(T)

47 嘌呤的两个重要衍生物 腺嘌呤(A) 鸟嘌呤(G) (6-氨基嘌呤) (2-氨基-6-羟基嘌呤) 本章结束