1、 第十七章 杂环化合物一、教学目的及要求1. 了解一些常见的重要杂环化合物化学性质二、教学重点与难点2. 杂环化合物化学性质三、教学方法启发式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(杂原子常见的是N、O、S 等)的环状化合物。 ONHNNHO ,- -, ,杂环化合物不包括极易开环的含杂原子的环状化合物，例如： NHO , ,O OO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
2、。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。一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. 单杂环的命名方法 写出杂环化合物的基本名称，如下： furanpyrrole thiophene imidazole oxazole 呋喃 吡咯 噻吩 咪唑 噁唑 thiazole pyran pyridine pyrimidinepyrazine 噻唑 吡喃 吡啶 嘧啶 吡嗪 将杂环上每个 “环节
3、“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号。例如：3甲基吡啶 1,3二甲基吡咯(不是 1,4二甲基吡咯) 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
4、，用阿拉伯数字标明其位置，全氢化物可只标明数目。例如： 四氢呋喃 六氢呋喃 2,3二氢吡咯 2,5二氢吡咯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：indole quinoline purine carbazole吲哚 喹啉 嘌啉 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
5、号是用 a,b,c,d,表示的，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 喹啉 苯骈g喹啉第二节 五元杂环化合物一、呋喃、噻吩、吡咯杂环的结构呋喃、噻吩、吡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系，其 电子数符合休克尔规则（ 电子数 = 4n+2） ，所以，它们都具有芳香性。OSNH SONH 56 = 64n + 2二、 呋喃、噻吩、吡咯的性质呋喃、噻吩和吡咯中，碳原子和杂原子均以 sp2 杂化
6、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 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 56 共轭体系，电荷密度比苯大，如以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：O S NH000000 + 0.1- 0.3- 0.2 + 0.2- 0.6- 0.4 + 0.32- .10
7、- 0.6强调： 五元杂环有芳香性，但其芳香性不如苯环，因环上的 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： 吡咯 呋喃 噻吩 苯，主要进入 -位。 吡咯、呋喃、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(CH 3COONO2)作硝化试剂，在低温下进行；磺化反应：呋喃、吡咯不能用浓硫酸磺化，要用特殊的磺化试剂吡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 ONHSH2, Ni or PdH2, Ni or PdH2, Ni
8、ONHS( THF ) Pd3呋喃、吡咯的特性反应 呋喃易起 D-A 反应OO+ 30OO OO+ (90%)吡咯、噻吩要在特定条件下才能发生 D-A 反应。 吡咯的弱酸性和弱碱性吡咯虽然是一个仲胺，但碱性很弱。 NHNHNH2Kb3.8 10-1 2 10-42.5 10-14- NH吡咯具有弱酸性，其酸性介于乙醇和苯酚之间。 NHOHKa =1.3 10-1 1 0-181 0-15CH32OH故吡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 而生成吡咯卤化镁。 NH+ KOH NK+ H2ONH+ RMgXN+ H2OMgX吡咯钾盐和吡咯卤化镁都可用来合成吡咯衍生物。 NH
9、NK RCOlRI NCORNRNHCORNHR KOHNH NMgX RCOlRI NCORNRNHCORNHR RMgX三、糠醛（- 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。 (C5H8O4)n35%H2SO4HOCHCHO2OHOHH2SO4 CHO 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或甲醛相似。（1）氧化还原反应 OCHOCuO, Cr2O3150,V2O5 -MoO320,2, OCH2OOCOHO+ CO2 + H2O KMnO410MPa（2）歧化反应 OCHO OCH2OOCOH+（3）羟醛缩合反应 OCHO OCH
10、=CHO+ CH3O（4）安息香缩合反应 OCHO OCHKOH OO四、吡咯的重要衍生物最重要的吡咯衍生物是含有四个吡咯环和四个次甲基(-CH= )交替相连组成的大环化合物。其取代物称为卟啉族化合物。12 345678NHHN卟啉族化合物广泛分布与自然界。血红素，叶绿素都是含 环的卟啉族化合物。在血红素中 环络合的是 Fe，叶绿素 环络合的是 Mg。维生素 B12,是含钴的类似卟啉环化合物。但其卟啉环在 位少一个碳原子，它具有强的医治贫血的功能。叶绿素 已经被合成（1960 年） 叶绿素 的结构 五、噻唑和咪唑1噻唑噻唑是含一个硫原子和一个氮原子的五元杂环，无色，有吡啶臭味的液体，沸点 117，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。SNCHONCROHOC3CH3R =CH2CH2OCHCH2SCH3R =R = GVO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，噻吩，吡咯的制备1. 呋喃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：
