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第十八章杂环化合物学习要求：1、掌握杂环化合物的分类和命名；2、掌握五元杂环化合物的结构和化学性质，了解它们的制法；3、掌握糠醛的性质，了解一些含五元杂环化合物的用途；4、掌握毗咤的结构和化学性质，了解一些含六元杂环化合物的用途；5、了解生物碱的一般性质和提取方法。杂环化合物是指组成环的原子中含有除碳以外的原子（杂原子一一常见的 是N、0、S等）的环状化合物。非芳香杂环如 Q，4二0 ' CNH杂环化合物U1芳杂环（符合休克尔规那么的杂环）如。，Q 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:本章我们只讨论芳香族杂环化合物。杂环化合物是一大类有机物，占有机物的三分之一。杂环化合物在自 然界分布很广、功用很多。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；部 分维生素，抗菌素；一些植物色素、植物染料、合成染料都含有杂环。此咤的环外有一对未作用的孤对电子，具有碱性，易接受亲电试剂而成盐。毗咤的碱性小于氨大于苯胺。CH3NH2 NH3pKb 3.384.7608.809.42口比咤易与酸和活泼的卤代物成盐。毗咤三氧化硫络合物是常用的缓和磺化剂此反响常用于 在反响中吸收 生成的气态酸R制取烷基毗咤的一种方法2.亲电取代反响毗咤环上氮原子为吸电子基，故毗咤环属于缺电子的芳杂环，和硝基苯相似。其亲电取代反响很不活泼，反响条件要求很高,不起傅-克烷基化和酰基化反响。亲电取代 反响主要在位上。300 Cl2, AlCb 100 Br2,浮石催化 300 气相浓 H2so4 AHgS04催化，220 混酸3-氯毗咤3-澳毗咤3一硝基毗噬N此咤一3一磺酸3.氧化还原反响（1）氧化反响毗咤环对氧化剂稳定,一般不被酸性高锯酸钾、酸性重铭酸钾氧化，通常是侧链煌基被氧化成竣酸。CH3NCOOHKMnO4 / FTN0一毗咤甲酸（烟酸）Nhno3L0°Ha一毗咤甲酸叱咤易被过氧化物（过氧乙酸、过氧化氢等）氧化生成氧化眦咤。CH3aoOHq-氧化叱咤在有机合成中用于合成4-取代叱咤化合物。、 HNO3no2 no2PC1N + H2so4 90 N +6-d-+ POCI3N（2）还原反响叱咤比苯易还原，用钠加乙醇、催化加氢均使毗咤还原为六氢叱咤（即胡椒咤）。4.亲核取代由于毗咤环上的电荷密度降低，且分布不均，故可发生亲核取代反响。例如:二甲苯胺中回流NaNH2h2oHNa N N”第11页，共18页尿喀咤（U）胸腺嗦咤（T）胞喀咤（C）uracilthyminecytosine二、喀咤及其衍生物喀咤本身不存在于自然界，其衍生物在自然界分布很广，胭喀咤、胞喀咤、 胸腺喀咤是遗传物质核酸的重要组成局部，微生素B,也含有喀咤环。合成药物 的磺胺嚓咤也含这种结构。OH0H§184稠杂环化合物稠杂环化合物是指苯环与杂环稠合或杂环与杂环稠合在一起的化合物。常见的有唾琳、口即朵和喋吟。喳咻(Quioline)口引口朵（indole ）喋吟(Purine)一、喝|跺口那朵是白色结晶，熔点52.5CO极稀溶液有香味，可用作香料，浓的口引噪溶液有粪臭味。素馨花、柑桔花中 含有口引味。口引噪环的衍生物广泛存在于动植物体内，与人类的生命、生活有密 切的关系。ch2-ch-cooh nh2色氨酸构成蛋白质的重要成分I分解尸ch3厂甲基口引口朵（粪臭素） 很稀时有茉莉香味ch2ch2nh25-羟基色氨动物激素，参与神经思维的物质。Melatonine脑白金CH2COOH 0一口引咪乙酸植物激素，少量能调节植物生长，量大那么杀伤植物。如在侧链多一个一CH2一就失去生理效能。CH2COOH 0一口引咪乙酸植物激素，少量能调节植物生长，量大那么杀伤植物。如在侧链多一个一CH2一就失去生理效能。口即朵的性质与此咯相似，也可发生亲电取代反响，取代基进入B -位。见P563。第13页，共18页二、喳咻唾琳存在于煤焦油中，为无色油状液体，放置时逐渐变成黄色，沸点 238. 05,有恶臭味，难溶于水。能与大多数有机溶剂混溶，是一种高沸点溶 剂。1.唾咻的性质(1)取代反响喳琳是有毗咤稠合而成的，由于毗咤环的电 子云密度低于与之并联的苯环，所以喳咻的亲电 取代反响发生在电子云密度较大的苯环上，取代 基主要进入5或8位。而亲核取代那么主要发生在 毗咤环的2或4位。NH2(2)氧化还原反响唾咻用高镒酸钾氧化时，苯环发生破裂，用钠和乙醇还原是其毗咤环被还 原，这说明在唾咻分子中叱咤环比苯环难氧化，易还原。COOHCOOH2. fi奎琳环的合成法斯克劳普（Skraup）法：喳啾的合成方法有多种，常用的是斯克劳普法。是用苯胺与甘油、浓硫酸 及一种氧化剂如硝基苯共热而生成。CH2-CH-CH2H2so4 -+ & OH 0H 硝基苯 18491 %其反响过程见P57I。3. U奎琳的衍生物喳琳的衍生物在自然界存在很多，如奎宁、氯喳、 /tCH=CH2HO-CH-人奎宁（金鸡钠碱）存在于金鸡钠树皮中罂粟碱、吗啡等。,有抗疟疾疗效ho-ch-（ch2）3-nC5 NH 02H5氯唾（合成抗疟疾约）CH3 i/N? （3： 吗啡CH3O%/N OCHg CH2-）-OCH3罂栗碱含一个被还原了的异喳咻环，是从 鸦片中提取出来的。吗啡的盐酸盐是很强的镇痛药，能 持续6小时，也能镇咳，但易上瘾。将羟基上的氢换成乙酰基，即为 海洛因，不存在于自然界。海洛因比吗 啡更易上瘾，可用来解除晚期癌症患者 的痛苦。第15页，共18页(I ) 9H- 1票吟（H）7H-喋吟喋吟为无色晶体，m. p216217,易溶于水，其水溶液呈中性，但能与酸或碱成盐。纯喋吟环在自然界不存在，喋吟的衍生物广泛存在于动植物体内。1.尿酸 存在于鸟类及爬虫类的排泄物中，含量很多，人尿中也含少量。2.黄喋吟存在于茶叶及动植物组织和人尿中。3.咖啡碱、茶碱和可可碱三者都是黄喋吟的甲基衍生物，存在于茶叶、枢作用，其中以咖啡碱的作用最强。CH 丁 N IX JO NCH3n-ch3 n"oCHrN>SNHo人4人n)ch3咖啡和可可中，它们有兴奋中O-N-CH3CH3咖啡碱茶碱可可碱4.腺喋吟和鸟口票吟是核蛋白中的两种重要碱基。腺喋吟(A)腺喋吟(A)鸟喋吟(G)§ 18-5 生物碱一、生物碱的一般性质1 .游离生物碱一般是无色固体(黄连素例外、烟碱为液体)。有苦味。2 .能与无机酸或有机酸结合成盐。3 .沉淀反响：生物碱常遇到一些沉淀试剂能发生沉淀，可检查生物碱在中 草药的存在。常用的沉淀试剂有：碘化汞、碘化铀钾、碘-碘化钾、10%苦味酸、 磷铝酸、硅鸨酸、丹宁酸等。4 .颜色反响：生物碱与以下一些浓酸试剂能呈现出各种颜色，其颜色随各 种生物碱而各有特征，利用这点可作生物碱的鉴别。常用的试剂有：1%钢酸锈浓硫酸溶液、1%铝酸钠的浓硫酸溶液、少量甲醛 的浓硫酸溶液、浓碘酸、浓硝酸等。二、生物碱的提取方法1 .有机溶剂提取法：(有机实验中的方法)2 .稀酸提取法：植物细粉用稀酸水溶液浸泡或加热提取。三、几种重要的生物碱见表18-3几种重要生物碱表解。补充：1.长期吸烟者对烟碱的忍受能力约为8mg,据分析一支烟含烟碱10-15 mg,其中80%随烟吐出体外，留在人体约20%,即2-3第17页，共18页mg,留在人体的烟碱80%被肝脏分解，10%从尿排出，真正为人体吸收造成 危害的为10%,即0.2-0. 3 mgo因此每天吸烟高限为27-40支,这对不吸烟者来说，已能产生头痛、呕吐、意识模糊等严重病症。2.香烟燃烧过程中，能产生微量的强致癌物一一 a -苯并花和各种醛类等。 长期吸烟者肺癌的发病率是不吸烟者的二十多倍，慢性咽炎、慢性支气管炎， 心率不齐及肠胃道病症的发病率更是大大高于不吸烟者。吸烟者夹烟的手指甲 和皮肤变为褐色，不是“烟熏”的，而是褐色烟碱与它作用的结果。§18-1杂环化合物的分类和命名分类单杂环j杂环I稠杂环单杂环j杂环I稠杂环五元环Q Q Q H六元环0苯环与单杂环的稠合杂环（苯并杂环）两个或两个以上单杂环的稠合杂环NlNN N命名命名杂环的命名常用音译法,是按外文名词音译成带“口”字旁的同音汉字。(pyrimidine)喀咤(quinoline)喳琳(pyridine) 毗咤(thiophene)口引噪(purine)喋吟当环上有取代基时,取代基的位次从杂原子算起依次用1,2, 3,（或Q, B,Y）编号。如杂环上不止一个杂原子时，那么从0、S、N顺序依次编号。编号时杂原子的 位次数字之和应最小。2-氨基-4-甲基睡嗖1-甲基咪11 坐§ 18-2五元杂环化合物含一个杂原子的典型五元杂环化合物是吠喃、嚷吩和毗咯。含两个杂原子的 有睡睡、咪嗖和叱n坐。本节重点讨论吠喃、睡吩和毗咯，简单介绍一下睡陛、 咪哇和此噪。一、吠喃、嚷吩、毗咯杂环的结构吠喃、曝吩、毗咯在结构上具有共同点，即构成环的五个原子都为SR?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轨形成共辄体系, 其口电子数符合休克尔规那么（口电子数=4n+2）,所以，它们都具有芳香性。为口；共貌体系71电子=6符合4n + 2具有芳性富电子芳环二、吠喃、睡吩、口比咯的性质（一）存在与物理性质（二）光谱性质（三）化学性质1.亲电取代反响从结构上分析，五元杂环为口56共软体系，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）,那么五元杂环化合物的有效电荷分布为：第3页，共18页0jn - ().06k J -0.10Pj +0.32五元杂环有芳香性，但其芳香性不如苯环，因环上的n电子云密度比苯环大, 且分布不匀，它们在亲电取代反响中的速率也比要苯快得多。亲电取代反响的活性为：毗咯吠喃 > 噫吩 >苯，主要进入a-位。五元杂环毗咯、吠喃、睡吩的反响实例见P555556说明：毗咯、吠喃、噫吩的亲电取代反响，对试剂及反响条件必须有所选择 和控制。卤代反响不需要催化剂，要在较低温度和进行。硝化反响不能用混酸硝化，一般是用乙酰基硝酸酯(CH3COONO2)作硝化试剂，在低温下进行。磺化反响 吠喃、口比咯不能用浓硫酸磺化，要用特殊的磺化试剂一一此 咤三氧化硫的络合物，睡吩可直接用浓硫酸磺化。H2, Ni or Pd A ( J四氢吠喃(THF) oH2, Ni or Pd A j 四氢叱咯7H2j NiH» 不能用Pd催化因睡吩能Pd使中毒3.吠喃、哦咯的特性反响内式(90%)内式(90%)(1)吠喃易起D-A反响此咯、睡吩要在特定条件下才能发生D-A反响。(2)毗咯的弱酸性和弱碱性毗咯虽然是一个仲胺，但碱性很弱。2.5x IO-14 2x IO-4& 3.8X W10原因：N上的未共用电子对参与了环的共甄体系， 减弱了与中的结合力。此咯具有弱酸性，(其酸性介与乙醇和苯酚之间。lx 1O15CH3cH20Hlx IO-18故此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而生成毗 咯卤化镁。0 +KOH+H2OH 固体'+V +RMgX 三口 + H20HMgX毗咯钾盐和毗咯卤化镁都可用来合成毗咯衍生物。第5页，共18页RMgX干乙醛RCOCINMgXRCORCOR三、重要的五元杂环衍生物（一）糠醛（a -吠喃甲醛）HO-CHCH-OHI Ich2 ch-choI IOH OH戊糖HO-CHCH-OHI Ich2 ch-choI IOH OH戊糖稀 H2SO4CHO吠喃甲醛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%H2sO,水蒸气多聚戊糖2.糠醛的性质同有a-H的醛的一般性质。(1)氧化还原反响CuO,OCH。OCH。150 , 10MPaKMnCU弱碱性/ou-ch2ohCOOHV2O5 - MoOO2, 320 ,V2O5 - MoOO2, 320 ,4- CO2 + H2O(2)(2)歧化反响LoJ-CHO浓碱» tQXcOOH+ tQXcH2OH羟醛缩合反响CHOCHO+ ch3chodTJCH=CHCHO（4）安息香缩合反响口 CH。KOH-咏 y.cH-?-y3.糠醛的用途糠醛是良好的溶剂，常用作精练石油的溶剂，以溶解含硫物质及环烷烧等。可用于精制松香，脱出色素，溶解硝酸纤维素等。糠醛广泛用于油漆及树脂工 业。（二）fl比咯的重要衍生物最重要的毗咯衍生物是含有四个叱咯环和四个次甲基（-CH二）交替相连组成 的大环（）化合物。叶琳族化合物广泛分布与自然界。血红素，叶绿素都是含 环的口卜琳族化合 物。在血红素中环络合的是Fe,叶绿素环络合的是Mg。血红素的功能是运载输送氧气（P564）叶绿素是植物光合作用的能源。1964年，Woodward用55步合成了叶绿素。1965年接着合成VBi2,用XX年 时间完成了全合成。Woodward 一生人工合成了 20多种结构复杂的有机化合物, 是当之无愧的有机合成大师。Woodward 20岁获博士学位，30岁当教授，48岁时（1965年）获诺贝尔化 学奖。四、嚷噗和咪噗第7页，共18页1.曝嚏噫噗是含一个硫原子和一个氮原子的五元杂环，无色，有吐咤臭味的液体, 沸点117C,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嘎嘎结构，如青霉素、维生素&等。青霉素是一类抗菌素的总称，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噫建环和B-内酰胺环。HOOC-iN-C=0CHJ-CH-NH-C-R c/sR = -CH2>为青霉素g、r=-ch2-o->为青霉素V '常用青霉素r = -ch=ch-ch2-s-ch3 为青霉素0)青霉素具有强酸性(pKa-2. 7),在游离状态下不稳定(青霉素0例外)，故常将它们变成钠盐、钾盐或有机碱盐用于临床。维生素B1(VBDJJH3CI -JJH3CI -cr+CNN厂 C H2Nn- C H3J4CH2cH20H 5对糖类的新陈代谢有 显著的影响，人体缺 乏时可以引起脚气病曝嗖环§18-3六元杂环化合物六元杂环化合物中最重要的有此咤、喀咤和毗喃等。毗咤喀咤毗喃n比嚏是重要的有机碱试剂，喀咤是组成核糖核酸的重要生物碱母体。一、口比咤（一）来源、制法和应用毗咤存在于煤焦油页岩油和骨焦油中，毗咤衍生物广泛存在于自然界，例如, 植物所含的生物碱不少都具有此咤环结构，维生素PP、维生素B6、辅酶I及辅 酶II也含有毗咤环。毗咤是重要的有机合成原料（如合成药物）、良好的有机溶 剂和有机合成催化剂。毗咤的工业制法可由糠醇与氨共热（500）制得，也可从乙焕制备（P565 ）o 毗咤为有特殊臭味的无色液体，沸点115.5,相对密度0. 982,可与水、乙醇、乙醛等任意混和。C-sp2、 N- sp2 成环原子 共平面N上的孤电子对在 sp2轨道上，在环外 未参与环内共加。系 体 66n（二）哦咤的结构Dn-hN上的孤电子对在 P轨道上，参与 环内共钝，为富 电子芳环。1.010.841.43由于此咤环的N上在环外有一孤对电子，故眦咤环上的电荷分布不均。电荷分布N>p >a >Y亲电取代p位亲核取代a , Y位（三）毗陡的性质1.碱性与成盐第9页，共18页