chapter 18 Heterocyclic compounds杂环化合物

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杂环化合物的合成与应用

杂环化合物的合成与应用

杂环化合物的合成与应用杂环化合物(heterocyclic compounds)是由不同原子构成的环状有机化合物,其中至少有一个原子是碳以外的其他原子,常见的异原子有氮、氧和硫等。

这类化合物具有广泛的应用领域,例如医药、农药和材料科学等。

本文将介绍杂环化合物的合成方法以及其在不同领域中的应用。

一、杂环化合物的合成方法杂环化合物的合成方法多种多样,常用的方法包括以下几种:1. 环形反应(circular reactions):杂环形成的一种重要方法是环形反应。

这类反应包括环加成、环缩合和环开链等,通过将碳链或碳环上的特定位置反应生成杂环。

其中一种常见的环形反应是Diels-Alder 反应,在该反应中,二烯和二烯酮之间的[4+2]环加成反应可以有效地合成具有杂环结构的化合物。

2. 催化合成(catalytic synthesis):催化合成是合成杂环化合物的常用方法之一。

通过引入合适的催化剂,催化合成可以在较温和的条件下进行,提高反应的选择性和产率。

例如,过渡金属催化的C-H官能团化反应可以有效地合成杂环化合物。

3. 原子经济合成(atom-economic synthesis):原子经济合成是一种绿色合成策略,旨在最大限度地利用反应中的原子。

该方法通过选择具有高原子利用率的起始物质和催化剂,以及最小化副产物的生成,实现杂环化合物的高效合成。

以上仅为杂环化合物合成的几种常用方法,实际上还有其他多种合成途径,如环状代谢(cyclic metabolism)和串联反应(tandem reactions)等。

合成方法的选择取决于目标化合物的具体结构和功能需求。

二、杂环化合物的应用领域杂环化合物由于其多样的结构和丰富的性质,在各个领域具有广泛的应用。

以下是几个常见的应用领域:1. 药物合成:杂环化合物被广泛应用于药物合成领域。

许多常见的药物和天然产物中都含有杂环结构,如噻唑啉(thiazolidine)、吡咯(pyrrole)和噻吩(thiophene)等。

杂环化合物的分类

杂环化合物的分类
杂环化合物
——杂环化合物的分类
杂环化合物的定义:
杂环化合物(Heterocyclic compounds)是分 子中含有杂环结构的有机化合物。构成环的原子 除碳原子外,还至少含有一个杂原子。是数目最 庞大的一类有机化合物。杂环化合物普遍存在于 药物分子的结构之中。
在有机化学中,将非碳原子统称为杂原子( hetero-atom),最常见的杂原子是N原子、S原 子、O原子。
芳香性的判断:
休克尔规则: π电子数为4n+2(n为0、1、2、3、· · · · · · 、n的 正整数)
杂环化合物的分类:
按碳原子数进行分类
பைடு நூலகம்五元环
单杂环 六元环 杂环 苯环与单杂环的稠和杂环(苯并杂环) 稠杂环 两个或两个以上单杂环的稠和杂环
杂环化合物的分类:
按芳香特征进行分类 脂杂环:没有 芳香特征的杂 环化合物 芳杂环:具有 芳香特征的杂 环化合物 举例 单杂环 芳香性 的判断
杂环
稠环:由苯环 与单杂环或两 个或多个单杂 环稠并而成的

十二 杂环化合物

十二 杂环化合物

(二) 喹啉
N
重要的衍生物
OH CH3O N CH3 CH(CH2)3N(C2H5)2 N N HO O O O
扑疟喹啉
10-羟基喜树碱
1 喹啉的碱性
.
. . . . . . . . . .N
.
.
PKb
N 9.1
N 8.8
喹啉的碱性与吡啶相当
2 亲电取代
6
5 8
4
N
活化环 7
3 2
1
钝化环
有利于亲核取代生, 且主要发生在2位
CH2CHCOOH N H 色氨酸 OH HO O NH2 N H 色胺 O O CH OH OH S O 硫靛蓝 S CH2CH2NH2
(一) 吲哚
[试分析] 亲电取代发生在苯环还是杂环上?
3
..
并指出具体位置。
亲电取代主要发生在杂环3位
N H
N N C6H5 N H + C6H5N
+
N ClN H
综上所述:亲电取代主要发生在吡啶环的β位,、位 不发生反应。
Br2
300℃ HNO3, H 2SO4 300℃ H2SO4, HgSO4 220℃
Br N NO2 N S O3H N
N
吡啶环也象硝基苯一样,不能发生傅克烷基化和酰基化反应
3、 亲核取代反应
吡啶环容易发生亲核取代反应。 、位,以位为主。
C6H5Li
+ LiH N C6H5
N
CH3ONa
N
Cl
Cl CH3OH
N
OCH3
NH2
+ NH3 N N
+ HCl
4、 氧化
CH3

第十八章 杂环化合物 Heterocyclic compounds

第十八章 杂环化合物 Heterocyclic compounds

N
异喹啉 isoquinoline
NN
喋啶
第二节 五元杂环化合物
一杂五环
O
Furan
S
thiophene
一、结构特点:
N H
pyrrole
p sp2
O
sp2 NH
p sp2
S
呋喃:π6 5 有一对孤电子参与π-π共轭,有另一对孤对电子参与环上π-π共轭 吡咯:π6 5 N上有一对孤对电子参与环上π-π共轭 噻吩:π 6 5 S上有一对孤对电子参与环上π -π 共轭,另一对孤对电子未共轭
N N
O
吡喃 pyriane
N
嘧啶 pyrimidine
N
吡嗪 pyrozine
N N
哒嗪 pyridazine
按环的形成
单杂环
五杂环
一杂五环 二杂五环
O
S
N
H
Furan thiophene pyrrole
N
N
N N H
吡唑 pyrazole
N H
咪唑 imidazole
S
噻唑 thiazole
一杂六环
Cl2
Cl
Cl
Cl
Cl
S
S
ROOC-C C-COOR
△ (Diels-Alder)
COOR
S
COOR
COOR COOR
[H]
[H]
Ni
H
H
Ni
N H
N H
CHCl3 KOH
N H N H
Cl
Cl
N H
CHCl2
N H
CHO
HN
4.吡咯弱碱性和弱酸性
弱碱性:

杂环化合物

杂环化合物

3.1 呋喃、噻吩和吡咯的结构
呋喃、噻吩和吡咯组成环的五个原子都位于 同一平面上,四个碳原子和一个杂原子都为sp2 杂化状态,彼此以σ键相连接;每个碳原子还有 一个电子在p轨道上,杂原子的未共用电子对也 是在p轨道上,这五个p轨道垂直于环所在的平面 并相互重叠形成闭合共轭体系。这个共轭体系是 由五个原子上的六个p电子组成的,其p电子数符 合休克尔4n+2规则。因此具有芳香性。
N N 四四 puinoline S 四甲 thiazole
N N H 甲甲 imidazole N 吲吲 indole
环上有取代基的杂环化合物,命名时以杂环为母体,从杂原子开始 将环上的原子编号。当环上含有两个或两个以上相同杂原子时,应使杂原 子所在位次的数字最小。当环上的杂原子不同时,按O、S、N的次序编号。
- 封封 I 300℃ N . HI
+
CH3 N . HI
+
N
C6H5COCl
石石石 -20℃ N+
Cl
-
良好的酰 化剂
COC6H5
取代反应
氮原子的电负性比碳原子大,所以氮原子附近电子 密度较高,环上碳原子的电子密度有所降低。因此,吡 啶与硝基苯相似,亲电取代比苯困难,并且主要发生在 β位上,反应条件要求较高。另外,吡啶不能进行付氏 反应。
维生素B 维生素 6是蛋白质代谢过程中的必需物质
1 杂环化合物的分类 2 杂环化合物的命名 3 五元杂环化合物 4 六元杂环化合物 5 生物碱
1 杂环化合物的分类
杂环化合物的成环规律和碳环一样,最 稳定和最常见的也是五元环和六元环。有的 环只有一个杂原子,有的环含有多个或多种 杂原子。杂环化合物一般按环的大小分成五 元环和六元环两大类。

杂环化合物的命名

杂环化合物的命名
4 5 6 N 1 3 N2
5 6 N 1 4 N3 2
5 6
4 N N 1
3 2
哒嗪 (pyridazine)
嘧啶 (pyrimidine)
吡嗪 (pyrazine)
(三)、常见的杂环母核
稠杂环化合物 1. 吲哚 吲哚是白色结晶,熔点52.5℃。极稀溶液有香味, 可用作香料,浓的吲哚溶液有粪臭味。素馨花、柑桔 花中含有吲哚。吲哚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。
噻唑
N
N H
咪唑
N N N H
O
N
N
pyran
吡喃
pyridine pyrimidine
吡啶 嘧啶
6
indole
吲哚
purine
嘌呤
NH
NH
N
哌嗪
NH S 吩噻嗪
哌啶
N N
吡唑
N N
喋啶
2.系统命名法 把杂环看作杂原子置换了相应碳环中的碳原子, 命名时以相应的碳环为母体,在碳环名称前加上杂 原子的名称,称为“某杂某”。
4. S 7. N H SO3H
5. COOH
N CH2COOH
OH
5、γ -吡啶甲酸 6、 8 -羟基喹啉 7、β-吲哚乙酸
27
(五)无特定名称的稠杂环的命名
1.基本环与附加环的确定 把稠杂环视为二个单杂环并合在一起,一个为 基本环(母体);另一个为附加环(取代环)。基 本环的名称作为“词尾”,附加环的名称作为词首; 中间加一个“并”字及方括号,并在方括号内标明 稠合原子的编号及稠合边的位置。
N
N
1 , 3-二氮(杂)苯 嘧啶 10
1 , 2-二氮(杂)苯

Heterocyclic Compounds(杂环化合物)

Heterocyclic Compounds(杂环化合物)
体现各自功能团的性质
Aromatic Heterocycles 芳香杂环化合物
O
O
N
O
H
O
O
NO H
一 .Classification & Nomenclature:
按环的大小
Five-membered ring Six-membered ring
按杂原子的数目
一个杂原子杂环 两个杂原子杂环 多个杂原子杂环
2. Physical properties
(1) (偶极矩) Dipole moment
= 7.4110-38 c.m

3.90 10-38 c.m
I
方向一致
C
(2) Solubility: 吡啶可以与水以任意比例互溶
Six-membered Heterocyclic compounds
Classification & Nomenclature
取代杂环的命名: 编号原则:单杂环、稠杂环;最小编号和优先顺序法则
5 6
7 8
4 3
N2
1
iso-quinoline* 异 喹啉
6
7
1N
5N
8
2
N
3
4
N H
9
PurinLeabharlann * 嘌呤Classification & Nomenclature
非特定稠环
基本环
附加环
稠合边的表示
b d
a 1
SO 5 2
呋喃并[2, 3-b] 噻吩
3
4
c
a
4
S
5 3
HN
1
2
c

大学化学--杂环化合物的命名规则

大学化学--杂环化合物的命名规则

基本环各边用英文 字母表示。1,2原 子之间为a,2,3原 子之间为b …
3e d
aN
N
2
cb
N
1
吡啶并[2,3-d] 嘧啶
35
附加环 附加环
4
3
c b
d
5
2ae
SO
1
噻吩并[2,3-b]呋喃
3 a NH
b
O2 c
1 呋喃并 [3,2-b]吡咯
36
基本环
基本环
数字走向与基 本环一致
1N H
4 3cN
(pyridazine)
4
5
N3
6
2
N
1
嘧啶
(pyrimidine)
4 5N 3
6
2
N
1
吡嗪
(pyrazine)
(三)、常见的杂环母核
稠杂环化合物 1. 吲哚
吲哚是白色结晶,熔点52.5℃。极稀溶液有香味, 可用作香料,浓的吲哚溶液有粪臭味。素馨花、柑桔 花中含有吲哚。吲哚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。
d 5e
b
N2aN1N
HH
4c
d 5e
b NaN
H
咪唑并[4,5-d]吡唑
5 4
1
5
N 2b Na
c S
d e4
1
N 2b
c
d
N aSeLeabharlann 33咪唑并[2,1-b]噻唑
37
3.环周边编号方法 为了标示稠杂环上的取代基、官能团或氢原子的
位置,需要对整个稠杂环的环系进行编号,称为周边 编号或大环编号。 (1)尽可能使所含的杂原子编号最低,在保证编号 最低的前提下,再考虑按O、S、NH、N的顺序编号。
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The reaction takes place at C-2 and C-4
2013-8-12
chapter 18
21
If the leaving groups at C-2 and C-4 are different, the incoming nuclophile will preferentially substitute for the weak base(the better leaving group). For example
2013-8-12
chapter 18
19
Why reactions take place at C-3?
2013-8-12
chapter 18
20
Pyridine is more reactivity toward nucleophilic aromatic substitution than benzene. Mechanism for nucleophilic aromatic substitution
Thiophene, with the least electronegative heteroatom, has the greatest resonance energy While furan has the smallest resonance energy. Relative resonance energies of some aromatic compounds
2013-8-12
chapter 18
5
Unsaturated five-membered-ring heterocycles
Pyrrole, furan, and thiophene are five-memberedring heterocycles.Pyrrole, furan, and thiophene are aromatic because they are cyclic and planar, every carbon in the ring has a p orbital, and the π cloud contains three pairs of π electrons.
2013-8-12
chapter 18
14
Indole, benzofuran, and benzothiophene Electrophilic substitution: indole undergoes electrophilic substitution primarily at C-3, benzofuran primarily at C-2, and Benzothiophene about equally well at C-2 and C-3. For example,
2013-8-12
chapter 18
15
Unsaturated six-membered-ring heterocycles Pyridine When one of the carbons of a benzene ring is replaced by a nitrogen,the resulting compound is called pyridine.
chapter 18
13
Ring- open reaction Usually, pyrrole does not undergo this reaction, but it is unstable in strong acidic solutions because of polymerization. Furan is easily hydrolyzed in acidic aqueous solution. Thiophene can be reduced to alkane under Ni Catalyst by H2.
2013-8-12
chapter 18
12
The relative reactivities of them are reflected in the Lewis acid required to catalyze a Friedel-Crafts Acylation reaction.
2013-8-12
2013-8-12 chapter 18 11
The oxygen of furan is more electronegative than the nitrogen of pyrrole, so the oxgen is not as effective as nitrogen in donating electrons into the ring.
2013-8-12
chapter 18
8
Dipole moment of five-member-ring heterocycles
2013-8-12
chapter 18
9
Electrophilic aromatic substitution
more reactive than benzene,Substitution occurs preferentially at C-2, if both positions adjacent to the heteroatom are occupied, substitution will take place at C-3.
pounds
eterocycles include valium, a synthetic tranquilizer, and serotonin, a neurotransmitter.
2013-8-12
chapter 18
4
Saturated heterocycles
Chapter 18 Heterocyclic compounds
2013-8-12
chapter 18
1
Heterocyclic compounds ,or heterocycles, are cyclic compounds in which one or more of the atom of the ring are heteroatoms. A variety of atoms can be incorporated into ring structures. In this chapter, we will only consider the hetroatoms N, O,S. Almost all the compounds we know as drugs, most vitamins, and many other natural products are heterocycles.
Thiophene is less reactive than furan, because sulfur’s p electrons are in 3p orbital, which overlaps less effectively than the 2p orbital of Nitrogen or oxygen with the 2p orbital of carbon.
2013-8-12 chapter 18 2
natural product is a compound synthesized by a plant or an animal. Alkaloids are natural products containing one or more nitrogen heteroatoms that are found in the leaves, bark, roots, or seeds of the plants.
2013-8-12
chapter 18
22
Substituted pyridines undergo many of the side-chain reactions that substituted benzenes undergo. When 2-or 4-aminopyridine is diazotized,α-pyridone or γ-pyridone is formed
2013-8-12
chapter 18
24
Quinolline and isoquinoline
Quinoline and isoquinoline are known as benzopyridines,because they have both benzene and pyridine rings. They Are aromatic compounds
2013-8-12
chapter 18
17
Because it is aromatic, pyridine undergoes electrophilic substitution. Pyridine’s electron-withdrawing nitrogen causes the ring carbons to have significantly less electron density than the ring carbons of benzene. Relative reactivity toward electrophilic substitution
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chapter 18
6
These electrons are part of the π cloud
2013-8-12
chapter 18
These electrons are in a sp2 orbital
7
Pyrrole is an extremely weak base .
2013-8-12
chapter 18
23
The electron-withdrawing nitrogen causes the αHydrogens of alkyl groups attached to the 2- and 4positions of the pyridine ring to have about the same acidity as the α-hydrogens of ketones.
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