第十七章杂环化合物文档格式.docx

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含一个杂原子的典型五元杂环化合物是呋喃、噻吩和吡咯。

含两个杂原子的有噻唑、咪唑和吡唑。

本节重点讨论呋喃、噻吩和吡咯，简单介绍一下噻唑、咪唑和吡唑。

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π电子数符合休克尔规则（π电子数=4n+2），所以，它们都具有芳香性。

二、呋喃、噻吩、吡咯的性质

（一）化学性质

1．亲电取代反应

从结构上分析，五元杂环为Π56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：

五元杂环有芳香性，但其芳香性不如苯环，因环上的π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α-位。

说明：

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（CH3COONO2）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

3．呋喃、吡咯的特性反应

（1）呋喃易起D-A反应

吡咯、噻吩要在特定条件下才能发生D-A反应。

（2）吡咯的弱酸性和弱碱性

吡咯虽然是一个仲胺，但碱性很弱。

吡咯具有弱酸性，（其酸性介与乙醇和苯酚之间。

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。

吡咯钾盐和吡咯卤化镁都可用来合成吡咯衍生物。

三、重要的五元杂环衍生物

（一）糠醛（α-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。

2．糠醛的性质同有α-H的醛的一般性质。

（1）氧化还原反应

（2）歧化反应

（3）羟醛缩合反应

（4）安息香缩合反应

合

3．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烃等。

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）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。

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。

血红素的功能是运载输送氧气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VB12，用11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。

Woodward20岁获博士学位，30岁当教授，48岁时（1965年）获诺贝尔化学奖。

四、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β-内酰胺环。

青霉素具有强酸性（pKa≈2.7）,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。

维生素B1（VB1）：

第三节六元杂环化合物

六元杂环化合物中最重要的有吡啶、嘧啶和吡喃等。

吡啶是重要的有机碱试剂，嘧啶是组成核糖核酸的重要生物碱母体。

一、吡啶

（一）来源、制法和应用

吡啶存在于煤焦油页岩油和骨焦油中，吡啶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吡啶环结构，维生素PP、维生素B6、辅酶Ⅰ及辅酶Ⅱ也含有吡啶环。

吡啶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。

吡啶的工业制法可由糠醇与氨共热（500℃）制得，也可从乙炔制备。

吡啶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、乙醚等任意混和。

（二）吡啶的结构

由于吡啶环的N上在环外有一孤对电子，故吡啶环上的电荷分布不均。

（三）吡啶的性质

1．碱性与成盐

吡啶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。

吡啶的碱性小于氨大于苯胺。

吡啶易与酸和活泼的卤代物成盐。

2．亲电取代反应

吡啶环上氮原子为吸电子基，故吡啶环属于缺电子的芳杂环，和硝基苯相似。

其亲电取代反应很不活泼，反应条件要求很高，不起傅-克烷基化和酰基化反应。

亲电取代反应主要在β-位上。

3．氧化还原反应

（1）氧化反应

吡啶环对氧化剂稳定，一般不被酸性高锰酸钾、酸性重铬酸钾氧化，通常是侧链烃基被氧化成羧酸。

吡啶易被过氧化物（过氧乙酸、过氧化氢等）氧化生成氧化吡啶。

氧化吡啶在有机合成中用于合成4-取代吡啶化合物。

（2）还原反应

吡啶比苯易还原，用钠加乙醇、催化加氢均使吡啶还原为六氢吡啶（即胡椒啶）。

4．亲核取代

由于吡啶环上的电荷密度降低，且分布不均，故可发生亲核取代反应。

例如：

二、嘧啶及其衍生物

嘧啶本身不存在于自然界，其衍生物在自然界分布很广，脲嘧啶、胞嘧啶、胸腺嘧啶是遗传物质核酸的重要组成部分，微生素B1也含有嘧啶环。

合成药物的磺胺嘧啶也含这种结构。

第四节生物碱

生物碱是一类存在于生物体内，对任何动物有强烈生理作用的含氮碱性有机化合物，如烟叶中的主要生物碱组分是：

尼古丁

生物碱在植物体内常于有机酸（果酸，柠檬酸，草酸，琥珀酸，醋酸，丙酸等）结合成盐而存在，也有和无机酸（磷酸，硫酸，盐酸）结合的。

中草药治病有效成分有生物碱，苷等。

生物碱的研究促进有机合成药物的发展，为合成新药提供线索，如古柯碱化学的研究导致局部麻醉剂普鲁卡因的合成。

古柯碱

古柯碱具有局部麻醉的效能，上面结构式中虚线部分代表有效部分。

但古柯碱毒性大，具有易产生毒瘾等缺点，于是进行代用品的研究，药学家合成出许多比古柯碱分子简单而更有效的麻醉药，普鲁卡因等，它是良好的局部麻醉药。

同时归纳出局部麻醉药具有下式的基本结构：

-.生物碱的一般性质

1.游离生物碱物理性质：

一般是无色固体结晶，有色的很少（黄连素黄色），液体也很少（烟碱为液体），有苦味。

分子中含有手征碳原子，具有旋光作用，如天然烟碱（尼古丁）是左旋的。

能溶于氯仿，乙醇，醚等有机溶剂，多半不溶或难溶于水。

能与无机酸或有机酸结合成盐。

这种盐一般易溶于水。

2.化学性质：

（1）生物碱的沉淀反应：

生物碱的中性或酸性水溶液与一些试剂（如10%苦味酸）能发生沉淀。

（2）生物碱的颜色反应：

生物碱与一些浓酸能呈现出各种颜色，其颜色随各种生物碱而各有特征。

二．生物碱的提取方法：

1.有机溶剂提取法

2．稀酸提取法

三..生物碱结构的化学测定。

化学方法通常是先测定其分子式和所含官能团，然后通过降解反应使之成为一些结构的碎片，推测出可能的结构式。

最后用可靠的合成方法加以验证。

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10-15mg，其中80%随烟吐出体外，留在人体约20%，即2-3mg，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0.2-0.3mg。

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、意识模糊等严重症状。

2.香烟燃烧过程中，能产生微量的强致癌物——α-苯并芘和各种醛类等。

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