第14--杂环化合物.pptx

第一节第一节 芳香杂环化合物芳香杂环化合物一、杂环化合物的分类和命名按英文的读音，用同音汉字加上按英文的读音，用同音汉字加上“口口”字旁命字旁命名名,见表见表12121 1。杂环上原子的编号，一般从杂。杂环上原子的编号，一般从杂原子开始（个别例外，），顺环编号，并注明原子开始（个别例外，），顺环编号，并注明取代基的位置、数目和名称取代基的位置、数目和名称.1.1.含一个杂原子的杂环，杂原子的编号为含一个杂原子的杂环，杂原子的编号为1 1。有。有时以希腊字母编号，与杂原子相邻的碳原子为时以希腊字母编号，与杂原子相邻的碳原子为位，依次为位，依次为位、位、位。位。2-氨基噻吩氨基噻吩 3-甲基吡啶甲基吡啶 2,3,4,5-四溴吡咯四溴吡咯 (氨基噻吩氨基噻吩)()(甲基吡啶甲基吡啶)()(,-四溴吡咯四溴吡咯)2.2.环上有两个或两个以上相同的杂原子时，应环上有两个或两个以上相同的杂原子时，应使杂原子位次之和最小，并将连有氢原子或取使杂原子位次之和最小，并将连有氢原子或取代基的杂原子编号定为代基的杂原子编号定为1 1。如环上有不同杂原子。如环上有不同杂原子时，按时，按O O、S S、-NH-NH-和和-N=-N=的顺序编号。的顺序编号。4-4-乙基咪唑乙基咪唑 N-N-甲基甲基-2-2-巯基咪唑巯基咪唑 5-5-乙基噻唑乙基噻唑 2,4-2,4-二羟基嘧啶二羟基嘧啶 3.3.有特定名称的稠杂环，其固定的编号顺序通有特定名称的稠杂环，其固定的编号顺序通常是从一端开始，依次编号一周（公用碳一般常是从一端开始，依次编号一周（公用碳一般不编号），并尽可能使杂原子的编号小（如喹不编号），并尽可能使杂原子的编号小（如喹啉啉 、吲哚）；也有一些稠杂环按相应的环烃编、吲哚）；也有一些稠杂环按相应的环烃编号，此时，杂原子的编号较大（如异喹啉、吖号，此时，杂原子的编号较大（如异喹啉、吖啶）；尤其值得注意的是嘌呤，不仅公用碳参啶）；尤其值得注意的是嘌呤，不仅公用碳参与编号，且编号的顺序很特殊。与编号，且编号的顺序很特殊。2-2-甲基喹啉甲基喹啉 6-6-氨基嘌呤（腺嘌呤）氨基嘌呤（腺嘌呤）2-2-氨基氨基-6-6-氧嘌呤氧嘌呤(鸟嘌呤鸟嘌呤)4.标氢；某些杂环可能有互变异构现象，标氢；某些杂环可能有互变异构现象，为区别各异构体，需用大写为区别各异构体，需用大写斜体斜体“H H”及其位及其位置编号标明一个或多个氢原子所在的位置。置编号标明一个或多个氢原子所在的位置。4 4H H-吡喃吡喃 2 2H H-吡喃吡喃 5 5此外，还可以将杂环作为取代基，以官能团此外，还可以将杂环作为取代基，以官能团侧链为母体进行命名。侧链为母体进行命名。N,N-N,N-二乙基二乙基-3-3-吡啶甲酰胺吡啶甲酰胺 4-4-嘧啶甲酸嘧啶甲酸 3-3-吲哚乙酸吲哚乙酸 2-2-呋喃甲醛呋喃甲醛(糠醛糠醛)N,N-N,N-二乙基二乙基-3-3-吡啶吡啶 -吡啶甲酸吡啶甲酸 -吡啶甲酸吡啶甲酸 甲酰胺甲酰胺 (烟酸烟酸)()(异烟酸异烟酸)二二 含氮六元杂环含氮六元杂环(一)吡啶 1.1.吡啶的结构吡啶的结构 环上的碳原子以环上的碳原子以spsp2 2杂化，氮原子以不等性杂化，氮原子以不等性spsp2 2杂化，每个原子上还有一个未参与杂化杂化，每个原子上还有一个未参与杂化的的p p轨道（含有一个轨道（含有一个p p电子）垂直于环平面，电子）垂直于环平面，相互重叠形成一个相互重叠形成一个6 6原子原子6 6电子的闭合共轭电子的闭合共轭体系，符合体系，符合H Hckelckel规则有芳香性。氮原子规则有芳香性。氮原子上还有一对孤对电子处于一未参与成键的上还有一对孤对电子处于一未参与成键的spsp2 2杂化轨道上，伸向环平面外侧，未参与杂化轨道上，伸向环平面外侧，未参与共轭，可结合质子，因此吡啶具有弱碱性。共轭，可结合质子，因此吡啶具有弱碱性。吡啶的分子轨道示意图吡啶的分子轨道示意图 电子云的电子云的交替极化交替极化 吡啶环上电子云密度的分布不平均，氮原吡啶环上电子云密度的分布不平均，氮原子上的电子云密度较大，碳原子的电子云子上的电子云密度较大，碳原子的电子云密度较低，尤其是氮原子邻位、对位的电密度较低，尤其是氮原子邻位、对位的电子云密度降低得比间位多，子云密度降低得比间位多，所以吡啶的亲所以吡啶的亲电取代反应比苯难，并且主要发生在间位电取代反应比苯难，并且主要发生在间位（即（即位）上位）上。像吡啶这类环碳上的。像吡啶这类环碳上的 电电子云密度比苯低的芳杂环亦称为子云密度比苯低的芳杂环亦称为“缺缺”芳芳杂环杂环。吡啶是一个极性分子；氮原子的诱。吡啶是一个极性分子；氮原子的诱导效应和共轭效应的方向一致。导效应和共轭效应的方向一致。2.2.吡啶的性质吡啶的性质 碱性和亲核性碱性和亲核性 吡啶呈碱性，能与强酸和吡啶呈碱性，能与强酸和LewisLewis酸酸结合成盐。结合成盐。吡啶的碱性比氨和脂肪族叔胺弱得多吡啶的碱性比氨和脂肪族叔胺弱得多.吡啶盐酸盐吡啶盐酸盐 吡啶三氧化硫吡啶三氧化硫 可与水混溶可与水混溶,但环上引入羟基或氨基后但环上引入羟基或氨基后,水溶性显著水溶性显著降低降低.吡吡啶啶与与三三氧氧化化硫硫生生成成的的吡吡啶啶三三氧氧化化硫硫是是缓缓和和的的磺磺化化剂剂，可可用用于于对对酸酸敏敏感感的的化化合合物物，如吡咯的磺化反应中。如吡咯的磺化反应中。吡啶与叔胺相似，氮原子上的孤电子吡啶与叔胺相似，氮原子上的孤电子对可以进攻卤代烷中缺电子的中心碳原子，对可以进攻卤代烷中缺电子的中心碳原子，反应生成季铵盐，因此吡啶具有良好的亲反应生成季铵盐，因此吡啶具有良好的亲核性。核性。溴化溴化N-N-甲基吡啶甲基吡啶 芳环上的亲电取代反应芳环上的亲电取代反应 吡啶的亲电取代反应比苯难，取代基多进入吡啶的亲电取代反应比苯难，取代基多进入-位。位。吡啶不能发生吡啶不能发生Friedel-CraftsFriedel-Crafts反应。反应。（3-3-硝基吡啶）硝基吡啶）20%20%（3-3-吡啶磺吡啶磺 酸）酸）70%70%（3-3-溴吡啶）溴吡啶）30%30%亲核取代反应亲核取代反应吡啶环作为一个缺吡啶环作为一个缺芳杂环芳杂环,较易进行亲核取较易进行亲核取代代,主要生成主要生成-取代产物取代产物.当吡啶的当吡啶的2-位位(或或4-位位)有较优良的离去基团有较优良的离去基团(如如卤素卤素)时时,较弱的亲核试剂较弱的亲核试剂(如如NH3,H2O)就能反就能反应应.侧链上的氧化反应侧链上的氧化反应 吡啶比苯难氧化吡啶比苯难氧化.由于吡啶环碳电子云密由于吡啶环碳电子云密度降低度降低,故难失去电子被氧化故难失去电子被氧化.但吡啶环上但吡啶环上的烷基侧链，在强氧化剂如的烷基侧链，在强氧化剂如KMnOKMnO4 4作用下，作用下，容易被氧化，侧链被氧化成羧基，保留吡容易被氧化，侧链被氧化成羧基，保留吡啶环，生成吡啶甲酸。啶环，生成吡啶甲酸。-吡啶甲酸吡啶甲酸（烟酸）（烟酸）还原反应还原反应 吡啶比苯易还原吡啶比苯易还原，对还对还原剂较苯活泼，室温下，用原剂较苯活泼，室温下，用PtPt作催化剂，作催化剂，吡啶就能与氢反应生成六氢吡啶，后者具吡啶就能与氢反应生成六氢吡啶，后者具有脂环仲胺的结构，碱性比吡啶强。有脂环仲胺的结构，碱性比吡啶强。3.3.吡啶的衍生物吡啶的衍生物 维生素维生素PP(Vitamin PP)PP(Vitamin PP)烟酸（烟酸（-吡啶甲酸）和烟酰胺（吡啶甲酸）和烟酰胺（-吡吡啶甲酰胺）统称为维生素啶甲酰胺）统称为维生素PPPP。烟酸烟酸 烟酰胺烟酰胺 （-吡啶甲酸）吡啶甲酸）-吡啶甲酰胺）吡啶甲酰胺）异烟肼异烟肼 (Isoniazide)(Isoniazide)：又称为雷米封又称为雷米封(Remifon)(Remifon)，为白色针状结晶或粉末，熔，为白色针状结晶或粉末，熔点点170170 173173 C,C,易溶于水和乙醇，是抗结核易溶于水和乙醇，是抗结核的良药，对维生素的良药，对维生素PPPP有拮抗作用，长期服有拮抗作用，长期服用，应补充维生素用，应补充维生素PPPP。异烟肼异烟肼（雷米封（雷米封,-,-吡啶甲酰肼）吡啶甲酰肼）二嘧啶及其衍生物二嘧啶及其衍生物 嘧啶是含有两个氮原子的六元杂环化合嘧啶是含有两个氮原子的六元杂环化合物，易溶于水，物，易溶于水，碱性比吡啶弱得多碱性比吡啶弱得多，其水，其水溶液呈中性；溶液呈中性；嘧啶难于起亲电取代反应嘧啶难于起亲电取代反应，环上如有致活基团，则能发生亲电取代反环上如有致活基团，则能发生亲电取代反应，取代基一般进入应，取代基一般进入5-5-位。位。（一）（一）尿嘧啶尿嘧啶(Uracil)(Uracil)：2 2，4-4-二氧嘧啶二氧嘧啶被称为尿嘧啶（缩写符号为被称为尿嘧啶（缩写符号为U U），存在于），存在于RNARNA中，具有酮型和烯醇型互变异构现象，中，具有酮型和烯醇型互变异构现象，在生理在生理pHpH环境下以酮式为主：环境下以酮式为主：酮型酮型 烯醇型烯醇型 5-5-氟尿嘧啶氟尿嘧啶 （5-5-FUFU）（二）（二）胞嘧啶胞嘧啶：2-2-氧氧-4-4-氨基嘧啶氨基嘧啶(4-(4-amino-2-oxypyrimidine)amino-2-oxypyrimidine)被称为胞嘧啶被称为胞嘧啶（C C），存在于），存在于RNARNA和和DNADNA中，也具有酮型中，也具有酮型和烯醇型互变异构现象：和烯醇型互变异构现象：（三）（三）胸腺嘧啶胸腺嘧啶(Thymine)(Thymine)：2 2，4-4-二氧二氧-5-5-甲基嘧啶甲基嘧啶(5-methyl-2,4-(5-methyl-2,4-dioxypyrimidine)dioxypyrimidine)称为胸腺嘧啶（称为胸腺嘧啶（T T），），存在于存在于DNADNA中，其酮型和烯醇型互变异构中，其酮型和烯醇型互变异构现象如下现象如下：三三 含氮五元杂环含氮五元杂环 一、吡咯（一）吡咯的结构（一）吡咯的结构 吡咯分子呈平面构型，碳原子与氮原子吡咯分子呈平面构型，碳原子与氮原子均以均以spsp2 2杂化；每个碳原子上还有一个杂化；每个碳原子上还有一个p p电电子在未参与杂化的子在未参与杂化的p p轨道上，氮原子上有轨道上，氮原子上有一对孤对电子处于未杂化的一对孤对电子处于未杂化的p p轨道上，这轨道上，这5 5个个p p轨道均垂直于环平面，相互平行重轨道均垂直于环平面，相互平行重叠形成叠形成6 6个个P P电子分布在电子分布在5 5个原子上的富电个原子上的富电子闭合共轭体系，符合子闭合共轭体系，符合H Hckelckel规则，具规则，具有芳香性。有芳香性。吡咯的分子轨道示意图吡咯的分子轨道示意图 吡咯环的封闭共轭体系中，环上吡咯环的封闭共轭体系中，环上 电子云分电子云分布是不均匀的，因此布是不均匀的，因此吡咯环没有苯环稳定吡咯环没有苯环稳定.此外，吡咯的封闭式大此外，吡咯的封闭式大 键不同于苯和吡啶，键不同于苯和吡啶，它是在它是在5 5个个p p轨道上分布着轨道上分布着6 6个个 电子，电子电子，电子离域的结果使氮原子上的离域的结果使氮原子上的 电子云密度降低，电子云密度降低，而环上碳原子的电子云密度升高，其中而环上碳原子的电子云密度升高，其中-位电子云密度比位电子云密度比-位高。故吡咯的亲电取位高。故吡咯的亲电取代反应比苯容易进行，且代反应比苯容易进行，且-位上易取代。位上易取代。像吡咯这类碳环上的像吡咯这类碳环上的 电子云密度比苯高的电子云密度比苯高的芳杂环亦称为芳杂环亦称为“多多 ”芳杂环。芳杂环。吡咯为极吡咯为极性分子。性分子。(二二)吡咯的化学性质吡咯的化学性质 吡咯易发生亲电取代反应，易氧化，在空吡咯易发生亲电取代反应，易氧化，在空气中因氧化而迅速变黑，不易发生加成反气中因氧化而迅速变黑，不易发生加成反应。浓盐酸浸过的松木片遇到吡咯的蒸气应。浓盐酸浸过的松木片遇到吡咯的蒸气时显红色时显红色,可用于吡咯及其衍生物的检验。可用于吡咯及其衍生物的检验。1 1酸、碱性：酸、碱性：碱性极弱碱性极弱（其共轭酸的（其共轭酸的 pKpKa a=-3.8=-3.8），），比比苯胺还要弱得多苯胺还要弱得多，显示显示弱酸性弱酸性（pKpKa a =17.5=17.5），），能与固体氢氧化钾共热成盐能与固体氢氧化钾共热成盐：2 2芳环上的亲电取代反应芳环上的亲电取代反应 吡咯吡咯(呋喃呋喃,噻吩噻吩)比苯更容易发生卤代、硝比苯更容易发生卤代、硝化、磺化反应，也能进行化、磺化反应，也能进行Friedel-CraftsFriedel-Crafts反应，取代基主要进入反应，取代基主要进入-位。吡咯和呋喃位。吡咯和呋喃不能直接用强酸进行硝化、磺化等反应，不能直接用强酸进行硝化、磺化等反应，而需要采用较温和的非质子性试剂进行反而需要采用较温和的非质子性试剂进行反应。应。小结：小结：碱碱性性：季季铵铵碱碱脂脂肪肪胺胺氨氨吡吡啶啶苯胺吡咯苯胺吡咯亲电取代反应：吡咯苯吡啶亲电取代反应：吡咯苯吡啶 3、咪唑、噻唑及其衍生物、咪唑、噻唑及其衍生物 含有两个杂原子的五元杂环称为唑。咪唑是含含有两个杂原子的五元杂环称为唑。咪唑是含有两个氮原子的五元杂环，噻唑是含有一个氮有两个氮原子的五元杂环，噻唑是含有一个氮原子和一个硫原子的五元杂环，它们都是平面原子和一个硫原子的五元杂环，它们都是平面型分子，结构式如下：型分子，结构式如下：咪唑咪唑 噻唑噻唑 咪唑咪唑3-3-位上的氮原子能与质子结合，而显碱性位上的氮原子能与质子结合，而显碱性，能与强酸生成稳定的盐。同时咪唑也有微弱的能与强酸生成稳定的盐。同时咪唑也有微弱的酸性酸性，N NH H键上的氢原子可被金属置换成盐。键上的氢原子可被金属置换成盐。在生理在生理pHpH（7.47.4）条件下）条件下,咪唑以质子化状态咪唑以质子化状态（酸型）和未质子化的中性状态（中性型）同（酸型）和未质子化的中性状态（中性型）同时存在：时存在：酸型酸型 中性型中性型 组胺组胺(histamine)(histamine)：组氨酸组氨酸(histidine)(histidine)组胺组胺 组胺分子中，三个氮原子的碱性强弱顺组胺分子中，三个氮原子的碱性强弱顺序为：序为：。青霉素青霉素(penicillin)(penicillin)：式中式中R=R=为青霉素为青霉素G G R=R=为氨苄青霉素为氨苄青霉素 四四 稠杂环稠杂环(一一)喹啉及其衍生物喹啉及其衍生物 喹啉由苯和吡啶稠合而成喹啉由苯和吡啶稠合而成。它与吡啶相似，。它与吡啶相似，氮原子上的一对电子可以结合质子，而氮原子上的一对电子可以结合质子，而显显弱碱性弱碱性，可与无机酸成盐，与碘甲烷生成，可与无机酸成盐，与碘甲烷生成季铵盐，也能发生卤代、硝化、磺化反应，季铵盐，也能发生卤代、硝化、磺化反应，取代基主要进入取代基主要进入5-5-位或位或8-8-位位。(二)嘌呤及其衍生物 嘌呤由嘧啶和咪唑稠合而成，本身不存在嘌呤由嘧啶和咪唑稠合而成，本身不存在于自然界中。于自然界中。嘌呤分子中的咪唑环可以互嘌呤分子中的咪唑环可以互变，有两种互变异构体，晶体状态下主要变，有两种互变异构体，晶体状态下主要以以7 7H H-嘌呤的形式存在，在生物体内多以嘌呤的形式存在，在生物体内多以9 9H H-嘌呤的形式存在：嘌呤的形式存在：9 9H H-嘌呤嘌呤 (9(9H-H-purine)7purine)7H H-嘌呤嘌呤(7(7H H-purine)-purine)1.1.腺嘌呤（腺嘌呤（adenineadenine）：）：6-6-氨基嘌呤称为腺嘌呤（氨基嘌呤称为腺嘌呤（A A）。2.2.鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine)(guanine)：2-2-氨基氨基-6-6-氧嘌呤称为鸟嘌呤（氧嘌呤称为鸟嘌呤（G G）。）。2-2-氨基氨基-6-6-氧嘌呤（酮型）氧嘌呤（酮型）2-2-氨基氨基-6-6-羟基嘌呤（烯醇型）羟基嘌呤（烯醇型）3.3.尿酸尿酸(urate)(urate)：2 2，6 6，8-8-三氧嘌呤称为尿三氧嘌呤称为尿酸酸 2，6，8-三氧嘌呤（酮型）三氧嘌呤（酮型）2，6，8-三羟基嘌呤（烯醇型）三羟基嘌呤（烯醇型）2,6,8-trioxypurine 2,6,8-trihydroxypurine2,6,8-trioxypurine 2,6,8-trihydroxypurine 第二节第二节 维生素维生素 维生素维生素是维持人体正常代谢机能不可缺少的微是维持人体正常代谢机能不可缺少的微量有机化合物量有机化合物.脂溶性脂溶性维生素维生素:维生素维生素A、D、K、E水溶性水溶性维生素维生素:B族族 维生素，维生素维生素，维生素C，维生素，维生素P等等