1、第十四章 杂环化合物和维生素 “杂环杂环”就是组成环的原子除C外，还含有其它元素的原 子，这些非碳原子统称为杂原子杂原子。原则上二价以上的元素都可 以成为杂原子，但最常见的是O、S和N。 前面学过的内酯、环氧化合物、内酰胺、环状酸酐等: 因其性质与相应的脂肪族化合物较相似，因此并 入脂肪族化合物中讨论，而不列为杂环化合物。 N-H 本章讨论的杂环化合物主要指环系较稳定，包 括杂原子在内的环是平面型平面型，环内有4n+2个p电子 处于环闭共轭体系中，统称为芳香杂环化合物。 吡啶 呋喃 噻吩 吡咯 哌啶 四氢呋喃 S 一、分类一、分类 杂稠杂环： 单杂环 稠杂环 杂环 （按环数目）（按环数目） 六
2、元杂环： 五元杂环： O S N 苯稠杂环： 第一节第一节 分类和命名分类和命名 O S S N 呋喃 噻吩 吡咯 噻唑 furan thiophene pirrole thiazole O N 咪唑 吡唑 噁唑 Imidazole pyrozole oxazole 五五 元元 杂杂 环环 二、命名二、命名 音译法：译音“口”旁 吡啶 嘧啶 哒嗪 吡喃 pyridine pyrimidine pyridazine pyran 稠杂环 喹啉 异喹啉 吲哚 嘌呤 quinoline isoquinoline indole purine 六六 元元 杂杂 环环 呋喃 吡啶 吡咯 N CH3 O CH
3、O 呋喃-2-甲醛 a a-呋喃甲醛 3-溴吡啶 b b-溴吡啶 1-甲基吡咯 4 4 3 3(b)(b) 5 1 25 1 2(a)(a) 4 4 3 3(b)(b) 5 1 25 1 2(a)(a) 5 5 3 3(b)(b) 6 1 26 1 2(a)(a) 4 4(g)(g) Br O 1. 对单杂环对单杂环(含一个杂原子含一个杂原子)编号从杂原子开始编编号从杂原子开始编。 杂环的编号规则杂环的编号规则： 4 3 5 1 2 4 3 5 1 2 4 3 5 1 2 S N O N 2. 有多个杂原子时，按有多个杂原子时，按O、S、NH、N 顺序编号顺序编号。 CH3 5 3 6 2 1
4、 4 3 5 1 2 2-巯基-5-氯咪唑 1-甲基吡唑 C2H5 2-乙基嘧啶 Cl SH 噻唑 噁唑 3. 有特定名称的稠杂环母环的编号有特定名称的稠杂环母环的编号，大都按照稠芳环大都按照稠芳环 规则编号规则编号，但个别的另有编号顺序但个别的另有编号顺序（如嘌呤如嘌呤）。 5 4 6 3 7 2 8 1 5 4 6 3 7 2 8 1 OH 喹啉 异喹啉 吲哚 嘌呤 4 5 3 6 1 2 7 CO2H Br 8-羟基 -3-羧酸 6-溴 6-氨基 第二节第二节 芳香六元杂环芳香六元杂环 六元杂环化合物包括环中有1个杂原子的六元 杂环(如吡啶吡啶等)；环中有两个杂原子的六元杂环 (如嘧啶等
5、)。 吡啶存在于煤焦油、骨焦油中，其衍生物广泛 存在于自然界。工业上主要从煤焦油的轻油部分提 取吡啶。 吡啶是具有特殊臭味的无色液体吡啶是具有特殊臭味的无色液体，bp115.5， 可与水可与水、乙醇乙醇、乙醚等混溶乙醚等混溶。 一、吡啶一、吡啶(C5H5N)的结构和性质 环中的N和C都 以sp2杂化轨道相互 以s s 键相连。每个原 子余下的p轨道相互 平行重叠，形成环 闭共轭体系，p电子 数为6，具有芳香性。 H H H H H N原子的处于sp2杂化 轨道上的一对未共 用电子，与环共平面， 未参与环的共轭体系. 吡啶分子式为吡啶分子式为C5H5N，结构似苯结构似苯， 也是平面六边形分子也是
6、平面六边形分子(但不是正六边但不是正六边 形形)，6个原子个原子，6个个p p电子。 由于由于N的电负性大于的电负性大于C， p p电子云 向N原子转移，使N原子电子云密度原子电子云密度 升高升高，C原子电子云密度降低原子电子云密度降低（比苯比苯 低低）， 性质上：性质上：（1）N能给出其未共用能给出其未共用 电子对电子对，具有一定程度的碱性具有一定程度的碱性，可成可成 盐盐。（2）芳香性比苯差芳香性比苯差。（表现在表现在 亲电取代变难亲电取代变难，亲核取代变易亲核取代变易，氧化氧化 变难变难，还原变易还原变易） 0.84 1.43 1.01 0.87 (二二) 碱性碱性： + HCl Cl
7、- H 碱性比较：脂肪胺、氨碱性比较：脂肪胺、氨 苯胺苯胺 Kb： 10-5 2.10-9 3.610-10 二二. 吡啶的化学性质吡啶的化学性质 (一一)水溶性水溶性:与水混溶与水混溶,因因N上的电子对与水形成氢键上的电子对与水形成氢键。 吡啶的亲电取代比苯难得多，与硝基苯相似。在强 烈条件下，亲电取代主要发生在b-位上，产量也较低。 卤代：Br2 300 Br 3-溴吡啶(33%) 浓HNO3+浓H2SO4 300，1d NO2 (20%) 浓或发烟H2SO4 HgSO4，220 SO3H 吡啶-3-磺酸 (71%) (三) 亲电取代反应亲电取代反应 吡啶亲核取代较易。用强碱（NaNH2、
8、RLi 等)， 能在吡啶的a-位直接发生亲核取代。 (四) 亲核取代反应亲核取代反应 N NaNH2 H2 100 N NHNa H2O N NH2 NaOH 当吡啶当吡啶2位或位或4位具有优良的离去基团时，较弱位具有优良的离去基团时，较弱 的亲核（如的亲核（如NH3、H2O等）就能反应。等）就能反应。 N Cl +NH3 N NH2 NH4Cl + 180200 + N Br NOH H2O NaOH NaBr 回流 吡啶环对氧化作用较苯环稳定，而对还原剂比苯活泼。 CH3 HNO3或 KMnO4，D CO2H b-吡啶甲酸(烟酸) (5) 氧化与还原氧化与还原 氧化 Na + C2H5OH
9、 H 六氢吡啶(哌啶) (95%) H2 / Pt ,乙酸 H 还原 二、嘧啶二、嘧啶(pyrimidine C4H4N2)及其衍生物 5 4 3 6 1 2 嘧啶的结构式嘧啶的结构式 了解了解胞嘧啶、尿嘧啶、胸腺嘧啶胞嘧啶、尿嘧啶、胸腺嘧啶 NH2 HO H NH2 O 胞嘧啶 H O O H OH HO 尿嘧啶 H OH HO CH3 O O H CH3 胸腺嘧啶 目前临床上使用的药物有许多含嘧啶结构的， 如磺胺药、抗肿瘤药。 CH3O CH3O CH3O CH2 N N NH2 H2N 甲氧苄氨嘧啶 （磺胺增效剂） HN N O F O H 5氟尿嘧啶 （抗肿瘤药） 第三节第三节 芳香五
10、元杂环芳香五元杂环 一、吡咯、呋喃、噻吩的结构一、吡咯、呋喃、噻吩的结构 所有成环原子都以sp2杂化轨道重叠形成s s键键；碳原子 未参加杂化的p轨道有1个电子，杂原子则有2个p电子，p轨 道互相平行重叠形成6电子环状共轭大大p p键键。 与苯环的6原子 共6p p电子比，呋喃、噻吩、吡咯为5原子共用6个p p电子，碳 原子电子云密度增大，易发生亲电取代。 呋喃 噻吩 吡咯 O S 1. 结构结构 呋 喃 环中的杂 原 子 O (噻吩中为 S) 的 1 个 sp2杂 化 轨道上有 一对未共 用电子对。 环状离域的大大p p 键键, 5个原子共用 6个电子,为 富p p电子体系。 sp2 S 吡
11、咯环 N 的1个sp2杂 化轨道上有1个电子 与 H 的1s电子配对 形成NH s s 键。 吡咯、呋喃和噻吩的 芳香性都比苯差。 (一一) 吡咯的酸碱性吡咯的酸碱性 吡咯N上孤对电子因参与环的共轭，故碱性极弱，比 苯胺还弱得多。另一方面，N原子上电子云密度降低，N- H键极性增加，使得吡咯N上的上的H却有微弱的酸性。 因此，吡咯同时具有弱碱性和弱酸性。 二二. 化学性质化学性质 在无水条件下，吡咯能与固体在无水条件下，吡咯能与固体KOH加热生成盐：加热生成盐： K+ + KOH(s) + H2O （二）吡咯、呋喃、噻吩的亲电取代反应二）吡咯、呋喃、噻吩的亲电取代反应 吡咯、呋喃、噻吩能进行卤
12、代、硝化、磺化等亲电取代 反应。由于它们碳原子上的电子云密度比苯大，故亲电取代 比苯容易。 吡咯和呋喃遇强酸时，杂原子质子化，破坏大大p p 键键，所以所以进行硝化和磺化反应时，须用缓和的非质子缓和的非质子 性试剂性试剂（如硝乙酐和吡啶磺酸盐如硝乙酐和吡啶磺酸盐）在温和的条件温和的条件下 进行。 亲电取代反应主要进入a -位（2-位）。 溴代溴代: Br2 (或或I2) 乙醇(稀释)/0 Br Br Br Br 产物均为 四卤吡咯 (90%) 吡咯-2-磺酸 磺化：吡啶磺化：吡啶.SO3 100 SO3H 51% 13% 吡咯 硝化硝化: CH3CO2NO2 (硝基乙酰酯)乙酸酐/5 NO2
13、NO2 补充 O 呋喃 溴代溴代：Br2 二噁烷(稀释)/0 O Br (80%) 氯代：氯代：Cl2 -40 O Cl Cl Cl O 产率变迁不定 硝化：硝化：CH3CO2NO2 -5-30 O NO2 (35%) 2-硝基呋喃 磺化：吡啶磺化：吡啶.SO3 ClCH2CH2Cl/室温 O SO3H (41%) 呋喃-2-磺酸 三、吡咯的衍生物（了解） 吡咯衍生物广泛存在于动植物体内，如叶绿素、 血红素、维生素B12、胆红素及许多生物碱中均含有 吡咯环，它们都具有重要的生理活性。 血红素的基本骨架称 为卟吩，它是由4个吡咯 环通过4个次甲基在吡咯 的位相连而成的大环。 成环的原子都在一个平
14、面 上，是一个复杂的共轭体 系，因此相当稳定。 血红素是卟 吩以共价键及配位 键与亚铁原子所形 成的配合物，同时 在吡咯环的-位还 有不同的取代基， 血红素与蛋白质结 合成为血红蛋白， 存在于人和动物的 血红细胞中，是运 输氧气的物质。 二、咪唑二、咪唑 咪唑 表示处于sp2轨道上的电子对. 表示处于p轨道上的电子对，它 参与环状大p p键的形成. 处于N的sp2杂化轨 道上的孤电子对可 作为质子受体，能 形成氢键，可增加 化合物的碱性及水 溶性。 咪唑的互变异构现象 4 3 5 1 2 5 1 4 3 2 4位和5位等同 4 3 5 1 2 5 1 4 3 2 CH3 CH3 4-甲基咪唑
15、等于等于 5-甲基咪唑 第四节、稠杂环化合物第四节、稠杂环化合物 吲哚吲哚 喹啉喹啉 嘌呤 嘌呤：由嘧啶环和咪唑环稠合而成。 嘌呤在水溶液中可发生酮式-烯醇式互变异构， 两种互变异构体为7H-嘌呤和9H-嘌呤。 1 7 9 3 9H-嘌呤 1 7 3 9 7H-嘌呤 6 1 5 7 2 4 8 3 9 6-氨基嘌呤 (腺嘌呤) 2-氨基-6-羟基嘌呤 (鸟嘌呤) 2,6-二羟基嘌呤 (黄嘌呤) NH2 OH NH2 OH HO 嘌呤衍生物广泛分布于动植物中，如腺嘌呤、鸟嘌 呤均为核酸的碱基。 第二节 维生素 掌握:维生素的分类 P204 本本 1. 杂环的命名 （1）音译法（2）编号（3）取代基位次 2. 吡咯、呋喃、噻吩 结构：5原子6电子环p键（富p芳杂环） 性质：吡咯同时具有弱酸性和弱碱性 亲电取代比苯容易，主要在a位取代 (缓和的试剂,温和的条件) 亲电取代活性：吡咯亲电取代活性：吡咯 苯苯吡啶 3. 吡啶 结构： 6原子6电子环p键（缺p芳杂环） 性质：亲电取代(多在b位)比苯难；亲核取代(多在 a位)比苯易;氧化变难;还原变易；有弱碱性 4. 某些杂环的互变异构 咪唑、嘌啉等的衍生物 章章 要要 点点 THE ENDTHE END 作作 业业 P200 3 (1)(2)(4)(5)(7)(8), 5, 6, 8, 9.
