第15章杂环化合物.ppt

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1、第第1页页第十五章第十五章 杂环化合物杂环化合物15.1 杂环化合物的分类和命名杂环化合物的分类和命名15.2 五元杂环化合物五元杂环化合物15.3 六元杂环化合物六元杂环化合物15.4 生物碱简介生物碱简介Chapter 15 Hethocyclic compoud第第2页页 构成环的原子除碳原子外还有构成环的原子除碳原子外还有O O、S S、N N、P P等杂原子的一类等杂原子的一类环状化合物称为环状化合物称为杂环化合物杂环化合物。90%90%以上以上药物药物和和60%60%以上的有机化合物为杂环化合物；以上的有机化合物为杂环化合物；杂环化合物在现实生活中的地位极其重要：杂环化合物在现实生

2、活中的地位极其重要：正是由于其存在，自然万物才有了正是由于其存在，自然万物才有了勃勃生机勃勃生机。碳水化合物碳水化合物（它为生命提供能量）；（它为生命提供能量）；叶绿素叶绿素（它为植物提供绿色）；（它为植物提供绿色）；血红素血红素(它赋予血液以鲜红的颜色它赋予血液以鲜红的颜色)都是杂环化合物。都是杂环化合物。核酸核酸中的杂环（嘧啶和嘌呤）部分对中的杂环（嘧啶和嘌呤）部分对DNADNA的复制起着至关重的复制起着至关重要的作用并使生命得以代代相传。要的作用并使生命得以代代相传。杂环化合物通常是杂环化合物通常是酶酶和和辅酶辅酶中催化生化反应的活性部位。中催化生化反应的活性部位。第第3页页H3CNSH

3、CH3H3CCH3OHCH3H3COOOOOHR19931993年被发现的一年被发现的一种高效抗癌种高效抗癌物质物质Epothilone A(R=H)B(R=CH3)；ONH2NHNH HOSCOOHCH3H2O头孢氨苄头孢氨苄(先锋霉素先锋霉素IV)IV)第第4页页H3CH3COOCCH2CH2OOCH3CHHONNNNCH=CH2C2H5HCH3MgRR叶绿素叶绿素a(R=CH3)叶绿素叶绿素b(R=CHO)R=(CH3)2CHCH2CH2(CH2CHCH2CH2)CH2C=C CH2CH3CH3第第5页页（1）非芳香性杂环）非芳香性杂环OOONHNH四氢呋喃四氢呋喃1,4-1,4-二氧六

4、环二氧六环四氢吡咯四氢吡咯六氢吡啶六氢吡啶1-1-氧氧-4-4-氮杂环己烷氮杂环己烷(吗啡啉吗啡啉)奎宁环奎宁环NONH15.115.1 杂环化合物的分类和命名杂环化合物的分类和命名杂环杂环非芳香性杂环非芳香性杂环 芳香性杂环芳香性杂环 第第6页页（2）芳香性杂环）芳香性杂环（A）分类）分类（B）命名）命名（a）母体化合物）母体化合物音译法音译法 采用国际通用英文名称的音译，在同音汉字的左边加一采用国际通用英文名称的音译，在同音汉字的左边加一“口口”旁，以表示是杂环化合物。旁，以表示是杂环化合物。分类分类单杂环单杂环稠杂环稠杂环五元杂环五元杂环六元杂环六元杂环OSNHNNNNNH第第7页页OS

5、NHNNHNNHNONS单环芳香性五元杂环化合物：单环芳香性五元杂环化合物：呋喃呋喃Furan 噻吩噻吩 Thiophene 吡咯吡咯Pyrrole 吡唑吡唑 Pyrazole 咪唑咪唑 Idmiazole 噁唑噁唑Oxazole 噻唑噻唑Thiazole 第第8页页稠环芳香性五元杂环化合物：稠环芳香性五元杂环化合物：OSNH 苯并呋喃苯并呋喃Benzofuran 苯并噻吩苯并噻吩Thionaphthene 吲哚（苯并吡咯吲哚（苯并吡咯）IndoleSNONNNH 苯并噁唑苯并噁唑 Benzoxazole 苯并噻唑苯并噻唑Benzothiazole 苯并咪唑苯并咪唑Benzoimidazole

6、第第9页页 吡啶吡啶Pyridine NN 喹啉喹啉 Quinoline 异喹啉异喹啉Isoquinoline NNNNNN 哒嗪哒嗪 Pyridazine 嘧啶嘧啶 Pyrimidine 吡嗪吡嗪Pyrazine 芳香性六元杂环化合物：芳香性六元杂环化合物：N12345678第第10页页（b）定编号）定编号 一般从杂原子编起，含多个杂原子时按一般从杂原子编起，含多个杂原子时按O O，S S，N N的次序编号的次序编号。4-4-甲基甲基-2,3-2,3-二溴呋喃二溴呋喃5-5-甲基噻唑甲基噻唑只含一个杂原子的杂环，可把靠近杂原子的位置叫做只含一个杂原子的杂环，可把靠近杂原子的位置叫做位，位，其

7、次为其次为位。位。O12345 N123456 OCH3BrBr12345NS12345CH3第第11页页（1）呋喃、吡咯和噻吩的结构）呋喃、吡咯和噻吩的结构（A）符合）符合Huckel规则具有芳香性规则具有芳香性 每个碳原子的每个碳原子的p p轨道有一个电子，杂原子的轨道有一个电子，杂原子的p p轨道有二个电子。轨道有二个电子。这五个这五个p p轨道都垂直于分子所在平面，侧面相互交盖，形成轨道都垂直于分子所在平面，侧面相互交盖，形成（4n+24n+2）电子共轭体系。电子共轭体系。构成环的原子都是构成环的原子都是spsp2 2杂化，五个原子在同一平面内。杂化，五个原子在同一平面内。OSN H符

8、合符合Huckel规则：规则：15.2 15.2 五元杂环化合物五元杂环化合物第第12页页NHHHHHsp2 杂化杂化参与大参与大键生成键生成的的p p轨道中的电子轨道中的电子 吡咯的轨道结构吡咯的轨道结构 NH第第13页页具有芳香性具有芳香性:易发生亲电取代反应。易发生亲电取代反应。有较高的离域能，具特殊的稳定性。有较高的离域能，具特殊的稳定性。键长：有平均化的倾向。键长：有平均化的倾向。呋喃、噻吩、吡咯及环戊二烯的键长呋喃、噻吩、吡咯及环戊二烯的键长/nmXC1(单键单键)C2C3 C3C4 呋喃呋喃 0.1362(0.143)0.1361 0.1430 噻吩噻吩 0.1714(0.182

9、)0.1370 0.1423 吡咯吡咯 0.1370(0.147)0.1382 0.1417 环戊二烯环戊二烯 0.1502 0.1341 0.1455 XX=O,S,NH,CH2CCCC键长键长/nm0.1540.134第第14页页（B）芳香性的比较）芳香性的比较离域能离域能（kJ/mol）呋喃、吡咯和噻吩都是典型的芳香体系，呋喃、吡咯和噻吩都是典型的芳香体系，电子离域，具有电子离域，具有离域能。但由于杂原子不同，离域能不同。离域能。但由于杂原子不同，离域能不同。ONH67 88 117 S芳香性：芳香性：150.5原因原因？ONHS第第15页页 三种杂环具有一定程度的三种杂环具有一定程度的

10、芳香性芳香性，杂杂原子原子电负性电负性大小：大小：芳香性芳香性与与稳定性稳定性:OSNH电负性电负性 ,对外层电子对外层电子吸引力吸引力 ,孤电子离域孤电子离域 ,故故芳香性芳香性 。O(3.5)N(3.0)S(2.5)第第16页页 由于由于呋喃呋喃、噻吩噻吩、吡咯吡咯都是都是五中心六电子五中心六电子，属于属于富电子环富电子环电子密度电子密度：杂环杂环 苯环苯环稳稳 定定 性性：杂环杂环 苯环苯环芳芳 香香 性性：杂环杂环 苯环苯环反反 应应 活活 性性：杂环杂环 苯环苯环第第17页页（2）五元杂芳化合物的化学性质）五元杂芳化合物的化学性质结构与性质结构与性质呋喃、吡咯和噻吩具有芳香性呋喃、吡

11、咯和噻吩具有芳香性,容易进行亲电取代反应容易进行亲电取代反应.特点特点:它们的亲电取代反应都比苯活泼它们的亲电取代反应都比苯活泼(吡咯吡咯 呋喃呋喃 噻吩噻吩 苯苯)，其，其活泼性同苯酚、苯胺相似。活泼性同苯酚、苯胺相似。溴化反应溴化反应 相对速率相对速率亲电反应活性次序亲电反应活性次序吡咯吡咯 呋喃呋喃 噻吩噻吩 苯苯 31018 610 11 510 9 1给电子共轭效应给电子共轭效应：N O S第第18页页亲电取代反应的位置：在亲电取代反应的位置：在位位2 2进进攻攻位位3 3进进攻攻位位X=O,S,NHXEXHEEXH中间体稳定中间体稳定 由于它们的高度活泼性以及呋喃和吡咯对于无机强酸

12、的敏感由于它们的高度活泼性以及呋喃和吡咯对于无机强酸的敏感性，其亲电取代反应需要比较温和的条件。性，其亲电取代反应需要比较温和的条件。第第19页页（A）呋喃）呋喃O亲电取代反应：亲电取代反应：Br2二氧六环OBrCH3COONO2低低温温ONO2N SO3OSO3H(CH3CO)2O BF3OCCH3O第第20页页OHCl140,0.4MPaCl(CH2)4ClNaCNNC(CH2)4CNH2OHOOC(CH2)4COOHH2，Ni制造尼龙制造尼龙6666的原料的原料催化加氢：催化加氢：OH2，Ni催催化化加加氢氢OH2N(CH2)6NH2第第21页页O加成反应：加成反应：Diels-Alde

13、r反反应应30CCOOO，OOOOOOHHOO 呋喃的芳香性比较弱呋喃的芳香性比较弱,除进行亲电取代反应外除进行亲电取代反应外;还容易进行还容易进行Diels-AlderDiels-Alder反应反应和和亲电加成亲电加成。Br2OCH3COOKCH3OHOHBrHBrCH3OHOHHOCH3OCH31 1，4 4加成加成第第22页页（B）噻吩噻吩S亲电加成亲电加成Cl2H2SO4SSO3H(CH3CO)2OH3PO4SCCH3OH2，Ni催催化化加加氢氢SSSClClCl煤焦油中提取的苯煤焦油中提取的苯含含0.5%0.5%噻吩。这是噻吩。这是制取无噻吩苯的一制取无噻吩苯的一种方法种方法室温室温

14、第第23页页碱性极弱碱性极弱（C）吡咯）吡咯NH酸碱性酸碱性因为氮原子上未公用电子对参与了共轭体系。因为氮原子上未公用电子对参与了共轭体系。HNH2 NH3N呈弱酸性KOHNK亲电取代亲电取代乙乙醇醇，0 0Br2NHBrBrBrBrCH3COONO2NHNO2N SO3NHSO3HH2/Ni催催化化加加氢氢，200HN四氢吡咯，吡咯烷，具脂肪族仲胺的性质四氢吡咯，吡咯烷，具脂肪族仲胺的性质pKa=17.5第第24页页氧化还原氧化还原（D D）糠醛（）糠醛（-呋喃甲醛）呋喃甲醛）OCHO浓NaOHCannizarro反应OCOOHOCH2OHKMnO4HOCOOH400ZnO Cr2O3 Mn

15、O2O第第25页页（3 3）呋喃、噻吩、吡咯、糠醛的制备）呋喃、噻吩、吡咯、糠醛的制备PaalKnorr（帕尔（帕尔-诺尔）诺尔）合成法合成法:二羰基化合物在酸催化下脱水或与氨或硫化物作用二羰基化合物在酸催化下脱水或与氨或硫化物作用 OOCH3H3CTsOH甲甲苯苯,OH3CCH3P2S5170 NH3甲甲苯苯,SH3CCH3NH3CCH3H第第26页页ZnOC Cr2O3C MnO2O(C5H8O4)nH+,H2OCHO(CHOH)3CH2OH3H2OOCHOHCl/聚戊糖聚戊糖 戊糖戊糖 糠醛糠醛 第第27页页（4 4）一些具有生理活性五元杂环化合物）一些具有生理活性五元杂环化合物OCH=

16、O2NN NOOO2NOCH=CHCNHCH(CH3)2O呋喃唑酮呋喃唑酮（痢特灵）（痢特灵）呋喃丙胺呋喃丙胺（抗血吸虫药）（抗血吸虫药）第第28页页卟吩胆色素原卟吩胆色素原:通过生物体内特定酶的作用可转变成卟啉、叶通过生物体内特定酶的作用可转变成卟啉、叶绿素和维生素绿素和维生素B B1212等重要生物活性物质等重要生物活性物质.3-3-吲哚乙酸吲哚乙酸(植物生长促进剂植物生长促进剂)HHOOCCH2CH2NCH2COOHCH2NH2NCH2COOHH第第29页页长春碱长春碱(R=CH3);长春新碱长春新碱(R=CHO);抗癌药抗癌药NH3COOCNOHC2H5HOCOCH3COOCH3NC2H5HH3CONRHO第第30页页H3CNH2NNCH2SNCH3CH2CH2OH+Cl-维生素维生素B1 1 PhCH2CONHNSOHCH3COOHCH3HH青霉素青霉素G G第第31页页15.3 15.3 六元杂环化合物六元杂环化合物（A A）吡啶结构）吡啶结构 吡啶是一种典型芳香性杂环化合物，具有和苯非常相似的吡啶是一种典型芳香性杂环化合物，具有和苯非常相似的骨架结构和骨架结构和电子结构。