12 杂环化合物 Heterocyclic Compounds

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1 12 杂环化合物 Heterocyclic Compounds
有机化学 12 杂环化合物 Heterocyclic Compounds 返回

2 基本内容和重点要求 杂环化合物的分类和命名； 杂环化合物的结构和芳香性； 五元杂环化合物的化学性质； 六元杂环化合物的化学性质； 生物碱简介
重点要求掌握芳香性；五元、六元杂环化合物的化学性质，杂环化合物的亲电取代反应的活性及规律；酸碱性规律。 返回

3 12 杂环化合物 12.1 杂环化合物的分类和命名 12.2 五元杂环化合物 12.3 六元杂环化合物 12.4 生物碱 返回

4 杂环化合物一般采用音译法命名，根据化合物的英文读音，选用同音汉字，并以“口”字旁表示杂环化合物。
12.1 杂环化合物的分类和命名 杂环化合物的成环规律和碳环一样，最稳定和最常见的也是五元环和六元环。有的环只有一个杂原子，有的环含有多个或多种杂原子。杂环化合物一般按环的大小分成五元环、六元环，单杂环、稠杂环等。 杂环化合物一般采用音译法命名，根据化合物的英文读音，选用同音汉字，并以“口”字旁表示杂环化合物。 返回

5 常见杂环的结构和名称 返回 杂环母环 中文名称 英文名称 呋喃 （furan） 吡啶 （pyridine） 噻吩 （thiophene）
　常见杂环的结构和名称 杂环母环 中文名称 英文名称 呋喃 （furan） 吡啶 （pyridine） 噻吩 （thiophene） 哒嗪 （pyridazine） 吡咯 （pyrrole） 嘧啶 （pyrimidine） 噻唑 （thiazole） 吡嗪 （pyrazine） 咪唑 （imidazold） 喹啉 （quinoline） 吲哚 （indole） 异喹啉 （isoquinoline） 苯并呋喃 （benzlfuran） 嘌呤 （purine） 返回

6 单杂环 五员杂环 含1个杂原子 碳环母核 呋喃 噻吩 吡咯 furan thiophene pyrrole (氧茂) (硫茂) (氮茂)
呋喃 噻吩 吡咯 furan thiophene pyrrole (氧茂) (硫茂) (氮茂) 含2个杂原子 环戊二烯 茂 口恶唑 噻唑 咪唑 oxazole thiazole imidazole (1,3-氧氮茂) (1,3-硫氮茂) (1,3-二氮茂) 返回

7 单杂环 六员杂环 碳环母核 吡啶 pyridine (氮苯) 苯 吡喃(无芳香性) Pyran (氧芑) 环己二烯 芑 返回

8 稠杂环 碳环母核 茚 苯并呋喃 苯并噻吩 吲哚 benzofuran thionaphthene indol (氧茚) (硫茚) (氮茚)
苯并呋喃 苯并噻吩 吲哚 benzofuran thionaphthene indol (氧茚) (硫茚) (氮茚) 返回

9 稠杂环 碳环母核 萘 喹啉 异喹啉 quinoline isoquinoline (1-氮萘) (2-氮萘) 返回

10 环上有取代基的杂环化合物，命名时以杂环为母体，从杂原子开始将环上的原子编号。
2-呋喃甲醛 甲基吡咯 噻吩磺酸 8-羟基喹啉 上页 下页 返回 退出

11 2,5-二甲基呋喃 吡啶甲酸 (α,α’-二甲基呋喃) (γ-吡啶甲酸) 返回

12 嘧啶 嘌呤 pyrimidine purine 2,4,6-三羟基嘌呤 (尿酸) 返回

13 12.2.1 呋喃、噻吩和吡咯的结构 12.2.2 呋喃、噻吩和吡咯的性质 12.2.3 五元杂环化合物的衍生物 12.2 五元杂环化合物
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14 呋喃、噻吩和吡咯的结构 呋喃、噻吩和吡咯组成环的五个原子都位于同一平面上，四个碳原子和一个杂原子都为sp2杂化状态，彼此以σ键相连接；每个碳原子还有一个电子在p轨道上，杂原子的未共用电子对也是在p轨道上，这五个p轨道垂直于环所在的平面并相互重叠形成闭合共轭体系。这个共轭体系是由五个原子上的六个p电子组成的，其p电子数符合休克尔4n＋2规则。因此具有芳香性。 返回

15 呋喃、噻吩和吡咯的原子轨道示意图： 杂原子为sp2杂化 芳香性大小： 苯>噻吩>吡咯>呋喃 返回

16 呋喃、噻吩和吡咯的结构 动画 上页 下页 返回 退出

17 环上电子云密度2、5 (α位)的电子云密度大于3、4位(β位)：
离域能 /kJ·mol-1 67 88 117 150 > S的电负性最小,S对π电子云吸引力最小，噻吩环中电子云密度较均匀，故有较强的芳香性。 N的电负性介于O与S之间，故吡咯的芳香性也介于呋喃与噻吩之间。 O的电负性最大,故O对π电子云吸引力最大，削弱了电子的离域化，故芳香性最小，并表现出共轭二烯的性质。 返回

18 芳香性杂环化合物中的环电流效应 二氢呋喃 呋喃 δHa＝6.30ppm δHa＝7.30ppm δHb＝4.903ppm
有芳香性 二氢呋喃 δHa＝6.30ppm δHb＝4.903ppm 无芳香性 返回

19 三个五员杂环化合物的键长数据 化合物 键长(nm) X-C2 C2 –C3 C3 –C4 呋喃 0.1371 0.1354 0.1440
吡咯 0.1383 0.1429 噻吩 0.1718 0.1352 0.1455 比较 C-O C-N C-S C=C C-C 键长(nm) 0.143 0.147 0.182 0.133 0.154 返回

20 呋喃、噻吩和吡咯的物理性质 呋喃是无色液体，沸点32℃，具有类似氯仿的气味，微溶于水，易溶于乙醇、 乙醚等有机溶剂。呋喃能使盐酸浸过的松木片显绿色,此现象可检验呋喃的存在。 噻吩与苯共存于煤焦油中， 噻吩是无色而有特殊气味的液体，沸点84℃。噻吩和靛红(吲哚满二酮)在硫酸作用下呈蓝色，此现象可检验噻吩的存在。 吡咯存在于煤焦油和骨焦油中，是无色液体,沸点131℃，有弱的苯胺的气味。其蒸气遇盐酸浸湿的松木片则呈红色，可检验吡咯的存在。 返回

21 (1)对氧化剂、酸及碱的稳定性 (2)环上的亲电取代反应 (3)加成反应 (4)吡咯的弱碱性和弱酸性 (5)呋喃的共轭二烯性
呋喃、噻吩和吡咯的化学性质 (1)对氧化剂、酸及碱的稳定性 (2)环上的亲电取代反应 (3)加成反应 (4)吡咯的弱碱性和弱酸性 (5)呋喃的共轭二烯性 返回

22 (1)对氧化剂、酸及碱的稳定性 呋喃和吡咯对氧化剂不稳定，特别是呋喃可被氧化成树脂状物，但噻吩对氧化剂比较稳定。
三种杂环化合物对碱是稳定的，但对酸的稳定性则不同，噻吩对酸较稳定，吡咯与浓酸作用可聚合成树脂状物。呋喃对酸很不稳定，稀酸就可使其破坏生成不稳定的二醛，然后聚合成树脂状物。 返回

23 (2)环上的亲电取代反应 呋喃、噻吩和吡咯环中的杂原子上的未共用电子对参与了环的共轭体系，使环上的电子云密度增加，故它们都比苯容易发生亲电取代反应，取代通常发生在α位上。 磺 化 硝 化 卤 代 付-克反应 返回

24 磺 化 呋喃、吡咯必须用吡啶的三氧化硫加合物作为磺化剂，噻吩可直接用硫酸磺化。 返回

25 硝 化 呋喃、噻吩和吡咯必须在特殊的条件下硝化，一般用醋酐和硝酸(生成硝酸乙酰酯)在低温下进行硝化，生成相应的α-硝基化合物。 返回

26 卤 代 呋喃、噻吩和吡咯的卤代反应都比苯容易。 返回

27 付-克反应 返回

28 (3)加成反应 呋喃、噻吩和吡咯都可被催化加氢生成相应的四氢化物。 返回

29 (4)吡咯的弱碱性和弱酸性 从结构上看，吡咯似环状仲胺，但因其氮原子上的共用电子对参与了环的共轭体系，使氮原子的电子云密度降低，减弱了对氢离子的结合能力。故吡咯的碱性比胺类化合物弱得多。又由于这种共轭作用，使氮上的氢容易离解成氢离子，故吡咯呈弱酸性，酸性比胺类化合物要强。 返回

30 弱碱性 pKb 弱酸性 返回

31 返回

32 (5)共轭双烯性 返回

33 五元杂环化合物的衍生物 (1) 糠醛 糠醛是无色透明的液体，沸点162℃，熔点-36.5℃，相对密度1.160。在空气中放置时逐渐变为黄色至棕色，能溶于水中，并与乙醇、乙醚混溶。 制备： 糠 醛 戊醛糖 返回

34 显色反应 下面的显色反应可用来定性检验糠醛： 返回

35 催化加氢 返回

36 氧化反应 返回

37 康尼扎罗反应 糠醛没有α-氢，与苯甲醛相似，可以发生康尼扎罗反应。 返回

38 柏琴反应 返回

39 脱羰反应 糠醛和水蒸气混合物在高温时通过混合催化剂，糠醛可脱去羰基生成呋喃。 返回

40 糠醛的用途 化工原料 溶剂 酚糠醛树脂 糠醛树脂 制造玻璃钢 胶合剂 防腐剂 制造增塑剂 防腐涂料 返回

41 (2) 血红素 血红素和血球蛋白质结合而成血红蛋白质，血红蛋白质是高等动物血液输送氧及二氧化碳的主要物质。1853年首次拿到结晶，1929年由H.Fischer等人人工合成。 血红素 返回

42 (3) 叶绿素 叶绿素a(红色的甲基换成醛基即为叶绿素b)
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43 (4) 青霉素 青霉素F R=CH2CH=CHCH2CH3 青霉素G R=CH2C6H5 青霉素X R=CH2C6H5OH(对)
青霉素K R=CH2(CH2)5CH3 青霉素V R=CH2OH2C6H5 (人工合成) 青霉素内含有四氢噻唑与β-内酰胺环系，是最常用的抗生素之一，毒性小，药效远胜过磺胺药。1928年英国细菌学家弗莱明首先发现。二战末期青霉素拯救了数以千万人的生命。因这项伟大发明，弗洛里和弗莱明、钱恩分享了1945年的诺贝尔生物及医学奖。 返回

44 12.3 六元杂环化合物 吡啶的结构和性质 喹啉的结构和性质 返回

45 (1)吡啶的结构 12.3.1 吡啶的结构和性质 sp2杂化 p轨道与环平面垂直，相互重叠形成六个原子在内的闭合共轭体系
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46 吡啶的结构 动画 返回

47 吡啶和吡咯的结构比较 孤对电子在p轨道上 孤对电子在sp2杂化轨道上 返回

48 核磁共振信号 相对电子云密度

49 课堂练习 下列化合物哪些具有芳香性？ 返回

50 弱 碱 性 氧 化 取代反应 还 原 (2)吡啶的性质 12.3.1 吡啶的结构和性质 吡啶存在于煤焦油、页岩油和骨焦油中。
吡啶是具有特殊臭味的无色液体，沸点115℃，熔点42℃，相对密度0.982。 吡啶可与水、乙醇和乙醚等混溶，是一种很好的溶剂，能溶解多种有机物和无机物。 弱 碱 性 氧 化 取代反应 还 原 返回

51 弱碱性 pKb＝8.8 吡啶环上的氮原子的一对未共用电子对处于sp2杂化轨道上，它并不参与环上的共轭体系，因此能与质子结合，吡啶具有弱碱性。
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52 吡啶可与卤代烷或酰卤结合生成相当于季胺盐的产物。
良好的酰化剂 返回

53 取代反应 氮原子的电负性比碳原子大，所以氮原子附近电子密度较高，环上碳原子的电子密度有所降低。因此，吡啶与硝基苯相似，亲电取代比苯困难，并且主要发生在β位上，反应条件要求较高。另外，吡啶不能进行付-克反应。 亲电取代 返回

54 吡啶可与强的亲核试剂起亲核取代反应，主要生成α取代产物。
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55 异烟酰肼是一个很好的治疗结核病的药物，商品名为“雷米封”
氧 化 吡啶比苯稳定，不易被氧化，一般都是侧链被氧化，而杂环不被破坏，结果生成吡啶甲酸。 3-吡啶甲酸(烟酸) 4-吡啶甲酸(异烟酸) 异烟酰肼 异烟酰肼是一个很好的治疗结核病的药物，商品名为“雷米封” 返回

56 还 原 吡啶比苯易被还原，经催化氢化或用乙醇和钠还原，可得六氢吡啶。 六氢吡啶 返回

57 喹啉是无色油状液体，有特殊气味，沸点238℃，相对密度1.095，难溶于水，易溶于有机溶剂，如乙醚等。它在空气中放置逐渐变成黄色。
喹啉的结构和性质 喹啉是苯环与吡啶环稠合而成的化合物，存在于煤焦油和骨焦油中，可用稀硫酸提取，也可用合成方法制得。 喹啉是无色油状液体，有特殊气味，沸点238℃，相对密度1.095，难溶于水，易溶于有机溶剂，如乙醚等。它在空气中放置逐渐变成黄色。 返回

58 (1)制　取 斯克洛浦(skraup)法 返回

59 若其他芳胺或不饱和醛代替苯胺或丙烯醛，便可制得各种喹啉的衍生物。
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60 (2)化学性质 弱 碱 性 氧 化 取代反应 还 原 返回

61 弱碱性 喹啉与吡啶很相似，也具有弱碱性（pKb＝9.1）。喹啉与酸作用生成盐，例如它与重铬酸形成难溶于水的复盐。 可用此法精制喹啉。 返回

62 取代反应 喹啉与吡啶一样，也能发生亲核取代反应，取代基进入吡啶环(2或4位)。 亲核取代 返回

63 由于吡啶环难发生亲电取代反应，所以喹啉发生亲电取代反应取代基多进入苯环(5、8位)。
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64 氧 化 　 喹啉对氧化剂较稳定，用强氧化剂如高锰酸钾氧化时，通常是苯环破裂，生成2,3-吡啶二甲酸。 返回

65 还 原 　 用锡和盐酸或金属钠和乙醇作还原剂，加氢得1,2,3,4-四氢喹啉。用更活泼的催化剂得十氢喹啉。 返回

66 课堂练习 写出下列反应的主要产物 返回

67 12.4 生物碱 　 生物碱是一类存在于生物体内含氮的碱性有机化合物，主要存在于植物中。大多数生物碱的氮原子形成杂环体系，一般按其结构的类型分类。 生物碱是人们研究得最早和最多的一类中草药有效成份。由于生物碱类化合物大多具有生物活性，又具有复杂的结构，所以生物碱一直吸引着有机化学家们的兴趣。生物碱的分离、结构解析和全合成是天然产物有机化学家们的重要研究领域。 返回

68 生物碱大多都有旋光性，自然界中存在的一般都是左旋体。左旋体和右旋体的生理作用往往差别很大。
生物碱的物理性质 　 生物碱一般为无色或白色结晶形固体，少数是有颜色的液体，难溶于水，易溶于乙醇、乙醚、氯仿和苯等有机溶剂。 生物碱大多都有旋光性，自然界中存在的一般都是左旋体。左旋体和右旋体的生理作用往往差别很大。 返回

69 生物碱的化学性质 (1)弱碱性 生物碱分子中的氮原子一般结合在环状结构中，以仲胺、叔胺和季铵碱3种形式存在，显弱碱性。能与酸作用生成盐。其盐一般易溶于水、乙醇，难溶于其他有机溶剂。 (水中析出) (溶于水中) 返回

70 (2)氧化反应 烟碱 烟酸 咖啡碱 返回

71 (3)沉淀和颜色反应 许多试剂能与生物碱作用，生成不溶性的沉淀或产生颜色反应，这些试剂称为生物碱试剂。可用这些试剂来检验生物碱的存在。 尿酸
红紫酸铵(紫红色) 许多试剂能与生物碱作用，生成不溶性的沉淀或产生颜色反应，这些试剂称为生物碱试剂。可用这些试剂来检验生物碱的存在。 返回

72 12.4.3 生物碱的分类 类型 结构特征 举例 吡啶型 含吡啶 烟碱、蓖麻碱、毒芹碱、 石榴碱、莨菪碱 吲哚型 含吲哚
生物碱的分类 类型 结构特征 举例 吡啶型 含吡啶 烟碱、蓖麻碱、毒芹碱、 石榴碱、莨菪碱 吲哚型 含吲哚 马钱子碱、利血平、长春碱 喹啉型 含喹啉 金鸡纳碱、吗啡碱、喜树碱 嘌呤型 含黄嘌呤 茶碱、可可碱和咖啡碱 苯乙胺型 含苯乙胺 麻黄碱、肾上腺素 颠茄型 含杂桥环 颠茄碱和古柯碱 返回

73 几种重要的生物碱 (1)吗啡(Morphine)——吗啡是鸦片中最主要的生物碱（含量约10-15%），属于异喹啉衍生物类。1806年法国化学家F·泽尔蒂纳首次从鸦片中分离出来，1847年确定分子式，1925年确定分子结构。为白色有丝光针状晶体或结晶粉末，无臭，味苦，有毒！易溶于水，溶于热乙醇、甘油，不溶于氯仿或乙醚。有镇痛、镇静、镇咳和抑制肠蠕动的作用，对呼吸中枢有强大抑制效果。 返回

74 (喹啉型) 吗啡(Morphine) 海洛因是吗啡的二乙酰基衍生物，(即两个乙酰基分别取代吗啡分子中两个羟基的氢原子)。 鸦片罂粟 返回

75 (2)咖啡因——是从茶叶、咖啡果中提炼出来的一种生物碱，适度地使用有祛除疲劳、兴奋神经的作用，临床上用于治疗神经衰弱和昏迷复苏。但是，大剂量或长期使用也会对人体造成损害，特别是它也有成瘾性，一旦停用会出现精神萎顿、浑身困乏疲软等各种戒断症状，虽然其成瘾性较弱，戒断症状也不十分严重。但由于药物的耐受性而导致用药量不断增加时，咖啡因就不 咖啡因 (嘌呤型) 仅作用于大脑皮层，还能直接兴奋延髓，引起阵发性惊厥和骨骼震颤，损害肝、胃、肾等重要内脏器官，诱发呼吸道炎症、妇女乳腺瘤等疾病，甚至导致吸食者下一代智能低下，肢体畸形。因此也被列入受国家管制的精神药品范围。 返回

76 (3)可卡因—是从古柯树叶提取的一种生物碱，又叫古柯碱，属莨菪烷型，1860年德国化学家尼曼(Alert Niemann)从古柯叶中分离出来。属于中枢神经兴奋剂，其盐类呈白色晶体状，无气味，味略苦而麻，易溶于水和酒精，兴奋作用强，也是一种局部麻醉剂。 古柯叶 (颠茄型) 返回

77 (4)麻黄碱—是一种从中草药麻黄中提取的生物碱，麻黄碱可用于支气管哮喘、百日咳、枯草热及其他过敏性疾病，还能对抗脊椎麻醉引起的血压降低、扩大瞳孔，也用于重症肌无力、痛经等疾患，还可作中枢神经系统兴奋剂。服用麻黄碱后可以明显增加运动员的兴奋程度，但对运动本人有极大的副作用，属国际奥委会严格禁止的兴奋剂。　 草麻黄 (苯乙胺型) 麻黄碱 返回

78 (5) 小檗碱—小檗碱是黄连的主要组成部分，存在于黄连、黄柏等小檗科植物中。分子中含有异喹啉环。它是黄色结晶，味很苦，易溶于热水和热乙醇中，但不溶于乙醚。有清热解毒很强的抗菌作用，常用于治疗菌痢、胃肠炎等疾病。 黄 连 小檗碱 返回

79 (6)烟碱—又称尼古丁，存在于烟叶中。分子中含有吡啶环。微黄色液体，沸点246℃溶于水。有毒，40mg能使人致死。少量有兴奋中枢神经、升高血压的作用；大量则能抑制中枢神经系统，使心脏麻痹致死，危害健康。烟碱可用作杀虫剂，杀死蚜虫、蓟马、木虱等害虫。 返回

80 (7)奎宁(Quinine) —继吗啡后研究最早的生物碱之一。1810西班牙医生Gomes将KOH放于金鸡纳树皮的酒精溶液中，分离到结晶性物质，奎宁又称金鸡纳碱。1944年由Woodward完成其合成。熔点172.8°C，白色粉末，味极苦。易溶于乙醇、氯仿，溶于苯、乙醚，微溶于水。用于治疗和预防各种疟疾。 金鸡纳树 金鸡纳碱 返回

81 长春花 (8)长春新碱——为夹竹桃科植物长春花中提取的有效成分，是一种良好的抗癌药物。 (双吲哚型)
CHO 长春新碱(醛基长春碱，Vincristine) (双吲哚型) 返回

82 (9)喜树碱——喜树碱是从喜树（Camptothecaacuminata)中提取的一中生物碱。喜树为珙桐科植物，又名旱莲木、千张树、南京梧桐等，它是我国特有的植物，广泛分布于长江、川南等地区，1966年从该植物中提取。喜树碱具有显著的抗癌活性。 喜 树 (喹啉型) 喜树碱 上页 返回 退出