第十六章杂环化合物（ Heterocyclic Compounds ）

第十六章杂环化合物（Heterocyclic Compounds）

◇含有O、S、N等杂原子的环称为杂环，含杂环的化合物称为杂环化合物。◇含有O、S、N等杂原子的环称为杂环，含杂环的化合物称为杂环化合物。 ◇ 许多杂环化合物存在于自然界中，并在生命体系中起着重要作用（如血红素、叶绿素、青霉素、核酸中的嘧啶碱和嘌呤碱,等等）。 ◇ 杂环化合物主要分为两大类：无芳性：如 : (四氢呋喃) (二噁烷) 有芳性：如 : (吡咯) (吡啶) ◇命名：主要用音译法。

一、吡咯、呋喃和噻吩 1. 结构 Xsp2，形成6π电子5中心共轭体系，符合Hückel 4n+2规则（n=1），为富电子的芳香杂环。吡咯的共振式为：有共振能数据如下：吡咯（pyrrole）呋喃（furan）噻吩（thiophene）（X= NH，O，S）

RE/kJ·mol-1： 150 90.4 68 122 故，芳香性：另外，有亲电取代活性：

2. 物理性质 ◇吡咯存于煤焦油和骨焦油中，无色液体，b.p.131℃，在空气中迅速变色。 ◇呋喃为无色液体，b.p.32℃。 ◇噻吩存在于煤焦油中，b.p.84℃（和苯沸点相近），从煤焦油得到的粗苯中常含有噻吩。

3. 吡咯的化学反应 3.1 N上的取代反应吡咯为一弱酸： 3.2 C上的取代反应亲电取代主要发生在2位（α位）。

4. 呋喃的化学反应 ◇ 亲电取代呋喃的芳香性比吡咯小，与亲电试剂往往得到加成产物，即便得到取代产物，也可能是由于加成产物转变而来。例：又例： ◇D-A加成呋喃表现出共轭二烯性质

5. 噻吩的化学反应 ◇ 亲电取代 ◇D-A反应

6. 吡咯、呋喃、噻吩的制法 ◇Knorr吡咯环合成法： ◇Paal-Knorr合成法：

7. 吡咯、呋喃和噻吩衍生物 ◎ 吡咯衍生物如：血红素和叶绿素a中均含卟啉环（见教材P605）。卟啉环由四个吡咯环组成,为芳环。 ◎ 呋喃衍生物如：糖醛（为一工业产品） ◎ 噻吩衍生物如：（含四氢噻吩环）生物素（维生素H，是微生物生长所必需的物质）

二、吲哚 吲哚由吡咯环与苯环稠合而成，结构的共振式如下： 1. 化性吲哚的亲电取代反应在3-位进行。例1：磺化亲电试剂进攻3-位苯环上共轭体系被破坏，能量高，贡献小。

例2：溴化 2. 吲哚环的合成 ◎Fischer合成法通式：例：

3. 吲哚衍生物 ◇色氨酸是人体所必需的一种氨基酸。蛋白质降解时，其中的色氨酸组分变成了吲哚和β-甲基吲哚，它们残留于粪便中，是粪便的臭气成分: 吲哚 β-甲基吲哚（粪臭素）为粪便中的臭气成分

吲哚为片状结晶，具粪臭，但纯吲哚的极稀溶液则有香味，用于制造茉莉香精。吲哚为片状结晶，具粪臭，但纯吲哚的极稀溶液则有香味，用于制造茉莉香精。 ◇3-吲哚乙酸是一种植物生长激素（植物生长调节剂），最初由尿中取得，少量可促进植物生长，量大时对植物有杀伤作用。 3-吲哚乙酸

三、含两个以上杂原子的五元杂环 ◇母体例子： ◇实例： ◎组氨酸和组胺----含咪唑环系 ◎青霉素----含四氢噻唑及β-内酰胺环系血内含有～11%的组氨酸，故可从牛血中提取组氨酸组氨酸（蛋白质中）组胺（为降血压药）工业产品为青霉素G (R=CH2C6H5) 青霉素能治疗由于葡萄球菌、链球菌引起的疾病，如肺炎、脑炎等。

四. 吡啶 1. 结构 ◇Nsp2,环内形成6p电子6中心共轭体系，符合Hückel 4n+2规则（n=1），有芳性;但电负性N >C，π电子云并不象苯环上均匀分布，相当于硝基苯，故芳性：亲电取代活性：，亲核取代活性： Pyridine 吡啶 b.p.=115℃

◇N上的孤电子对在sp2杂化轨道上，不参与环内π电子共轭，故有弱碱性，也有亲核性。◇N上的孤电子对在sp2杂化轨道上，不参与环内π电子共轭，故有弱碱性，也有亲核性。 ◇吡啶的共振式： ◇吡啶有较大的偶极距，为极性分子。亲核取代发生于2，6（α）位和4（γ）位，亲电取代发生于3，5（β）位。

2. 碱性和亲核性 ◇弱碱性（与强酸成盐） ◇亲核性： ◎N-烷基化： ◎N-酰基化：在反应中加入吡啶，可加速反应并提高收率，因吡啶起了双重作用，一是催化剂，二是缚酸剂。

为良好酰化剂，酰化活性大于原酰氯 ▲催化作用机理： ▲缚酸作用机理： N-酰基吡啶鎓盐不让HX与Nu结合，失去亲核性

◇吡啶环比苯环稳定，不易被氧化。 例： N-氧化吡啶（有用中间体）

3. 吡啶环上的亲电取代 ◇吡啶的亲电取代活性相当于硝基苯，只有苯的百万分之一：亲电取代活性： ◇吡啶的亲电取代定位效应也相当于硝基苯（进3，5-位，即β位）。例:

4. 吡啶环上的亲核取代反应 ◇亲核取代易发生于2-位(α－)和4-位(γ－)。 ◇机理：先加成，后消去（中间体与Meisenheimer络合物相似）例：

◇再例： 5. 吡啶环的合成 Hantzsch合成法：

6. 吡啶衍生物 2-甲基-N-甲基吡啶鎓离子，2-甲基上的H有较强酸性 2-羟基吡啶 2-吡啶酮烟碱（尼古丁）烟酸烟酰胺 B族维生素之一，肝内含量很多，可预防癞皮病能促进组织的新陈代谢

Rimifon（雷米封，异烟酰肼），可医治结核病 五、喹啉和异喹啉维生素B6（维持蛋白质正常代谢必要的维生素。鼠类缺少这个维生素即患皮肤病）

1. 化性 1.1 亲电取代喹啉或异喹啉分子中的苯环电子云密度比吡啶环中的要高，或者可把含N的环视为硝基苯，则亲电取代反应发生于另一环（苯环）的两个α位（5位，8位）上。

1.2 亲核取代 亲核取代发生在电子云密度较小的含N环，且在NO2(虚)邻位或对位（2或4位）。

1.3 氧化 喹啉、异喹啉被强氧化剂氧化时都是苯环破裂。

2.合成 2.1 Skraup合成法反应：机理（可能）： 2.2 Doebner-Miller合成法

3. 衍生物 奎宁（Quinine）抗疟药 ◇天然植物罂粟=>鸦片（棕黑色膏状混合物，最早用于止痛、止泻、止咳等，但很快使人成瘾中毒）吗啡（白色结晶，毒性比鸦片强十多倍）海洛因（吗啡的二乙酰衍生物，毒性比吗啡还强几倍，极易使人上瘾且无任何医疗作用，成为毒性之王，俗称白粉）吗啡（Morphine） R=R’=H 海洛因（Heroin） R=R’=Ac

六、含氧的六元杂环 ◇苯并含氧六元杂环：维生素E对人的生理作用是能使易患流产的妇女可以正常生育；还是强抗氧剂，用于保护食物不受氧化，在体内可作为油脂的抗氧化剂。维生素E、生育素（酚）

苯并吡喃鎓离子黄珜离子 2-苯基-3-羟基苯并吡喃环系花色素均含此环系（花果的蓝色和红色是由花色素引起的）色酮黄酮 3-羟基黄酮（许多植物色素含此环系）一种有用的抗凝血药香豆素 Warfarin（杀鼠灵）

七、含两个以上氮杂原子的六元杂环 1. 二嗪和三嗪 ◇含两个氮杂原子的六元杂环叫二嗪（diazines）如： ◇含三个氮杂原子的六元杂环叫三嗪（triazines）

2. 嘧啶 尿嘧啶、胸腺嘧啶和胞嘧啶是遗传物质核酸的组成部分。核酸是个重要的生物高分子，它起着储存遗传信息与合成蛋白质的功能。 3. 嘌呤尿嘧啶（uracil）胸腺嘧啶（thymine）胞嘧啶（cytosine）腺嘌呤（adenine）鸟嘌呤（guanine）嘌呤（purine）一个嘧啶环与一个咪唑环稠合而成腺嘌呤和鸟嘌呤也是核酸的组成成分2006/11/29

课堂练习 一、写出下列化合物的构造式： 1） α-呋喃甲醇 2） α,β’-二甲基噻吩 3）溴化N,N-二甲基四氢吡咯 4） 2-甲基-5-乙烯基吡啶 5） 2,5-二氢噻吩答： 1） 2） 3） 4） 5）

二、命名下列化合物 2. 1. 3. 解： 4-吡啶甲酰肼（又名异烟酰肼，俗名雷米封） N-甲基-4-苯基-4-乙氧羰基六氢吡啶（俗名杜冷丁） 6-氯吲哚-3-乙酸 5. 4. 香豆素 8-氯-5-溴喹啉烟酸 6. 尼古丁 7.

三、完成下列反应，写出主要有机产物 ？ 1. 2. 3. 4. 5 ？？？？

？ 6. 7. 8. 9. 10. ？？？？

四、古液碱A（C8H15NO）是存在于古柯植物中的一种生物碱，它不溶于NaOH而能溶于HCl，与苯磺酰氯成盐，与苯肼能生成相应的苯腙，与I2-NaOH作用生成黄色沉淀和一种羧酸B，B的分子式为C7H13NO2，后者被CrO3强烈氧化，则变为古液酸C(C6H11NO2)，C为N-取代-α-氢化吡咯甲酸，试推测A、B和C的结构。四、古液碱A（C8H15NO）是存在于古柯植物中的一种生物碱，它不溶于NaOH而能溶于HCl，与苯磺酰氯成盐，与苯肼能生成相应的苯腙，与I2-NaOH作用生成黄色沉淀和一种羧酸B，B的分子式为C7H13NO2，后者被CrO3强烈氧化，则变为古液酸C(C6H11NO2)，C为N-取代-α-氢化吡咯甲酸，试推测A、B和C的结构。（不饱和度Ω=X-Y/2+Z/2+1）解： A： B： C：

第十六章杂环化合物（ Heterocyclic Compounds ）