雜環(huán)化合物合成課件

雜環(huán)化合物的合成

SynthesisofHeterocyclicCompounds

概述

從天然物質(zhì)中分離出的化合物和合成的化合物總數(shù)的2/3為雜環(huán)化合物；主要是含N、O、S和P雜原子的環(huán)化物；這些雜原子替換了原有環(huán)化物中的C原子后，使環(huán)化物的物理、化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化。

本章主要介紹一些含N芳香雜環(huán)化合物的合成。第一節(jié)環(huán)合策略和環(huán)合反應(yīng)原理

1、環(huán)合策略

結(jié)構(gòu)剖析-逆向分析-環(huán)合方式選擇-確定合成路線.2、環(huán)合反應(yīng)原理(環(huán)合方法學(xué))

1)環(huán)合中最常用的反應(yīng)類型—縮合反應(yīng)呋喃2)環(huán)加成反應(yīng)

(1)分子內(nèi)環(huán)加成—電環(huán)化反應(yīng)即分子內(nèi)的周環(huán)反應(yīng)(PericyclicReactions)，發(fā)生鍵的協(xié)同重組，這一反應(yīng)在雜環(huán)化合物的合成中有所使用，有必要了解。補(bǔ)充復(fù)習(xí)知識(shí):

分子軌道的對(duì)稱性4n個(gè)-電子體系4n+2個(gè)-電子體系M1面的對(duì)稱性環(huán)丁烯C2軸的對(duì)稱性分子軌道對(duì)稱性的意義對(duì)m1的對(duì)稱性：對(duì)稱、反對(duì)稱、對(duì)稱、反對(duì)稱…..對(duì)C2的對(duì)稱性：反對(duì)稱、對(duì)稱、反對(duì)稱、對(duì)稱……對(duì)稱性交替變化的規(guī)律，對(duì)于討論周環(huán)反應(yīng)過程的立體化學(xué)選擇規(guī)則和特點(diǎn)十分重要。分子軌道必須具有對(duì)稱性，不能用非對(duì)稱的分子軌道。前線軌道理論1952年，福井謙一，前線電子，前線軌道，前線軌道理論。Highestoccupiedmolecularorbital

(HOMO)——最高已占軌道Lowestunoccupiedmolecularorbital

(LUMO)——最低未占軌道Frontiermolecularorbitals前線軌道——

HOMO,LUMO前線軌道理論要點(diǎn)前線電子的作用類似于單個(gè)原子中的價(jià)電子。前線軌道在分子反應(yīng)中起著主要作用。HOMO對(duì)電子的束縛較松弛，具有電子供體的性質(zhì)。LUMO對(duì)電子的親和力較強(qiáng)，具有電子受體的性質(zhì)。(+)4n個(gè)電子體系軌道對(duì)稱性加熱

光照4n+2個(gè)電子體系軌道對(duì)稱性加熱

光照電環(huán)化反應(yīng)的規(guī)律4n個(gè)-電子體系——

加熱：順旋，對(duì)稱性允許光照：對(duì)旋，對(duì)稱性允許4n+2個(gè)-電子體系——加熱：對(duì)旋，對(duì)稱性允許光照：順旋，對(duì)稱性允許

雖然用上述規(guī)律與方法進(jìn)行反應(yīng)的解釋過于粗略與簡(jiǎn)單，但這問題不大，因?yàn)槲覀兊玫搅苏_的結(jié)果：對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)；根據(jù)原料結(jié)構(gòu)，應(yīng)用不用條件，得到目標(biāo)產(chǎn)物。b.分子間環(huán)加成的過程不管那種環(huán)加成都可概括成兩種途徑，下面以1,3-環(huán)加成為例說明這兩途徑：c.環(huán)加成反應(yīng)的理論基礎(chǔ)：Woodward-Hoffmann規(guī)則和前線軌道理論2、吡啶衍生物的合成(RingSynthesisofPyridines)

1)From1,5-dicarbonylcompounds(直接環(huán)合法)

常用1,5-戊二醛衍生物作起始物舉例：也可以戊烯二酮(醛)作起始物：1,5-二醛類化合物制備不易，工業(yè)上常用1,5-二羧酸作原料，但僅能制得2,6-二羥基吡啶類化合物，如：2)HantzschSynthesis

(fromaldehyde,twomolesofβ-dicarbonylcompounds)由Hantzsch于1882年發(fā)明的，主要用于對(duì)稱性吡啶衍生物的合成。Hantzsch法近一個(gè)世紀(jì)后成為合成Dipine類[二氫吡啶(DHP)類鈣通道調(diào)節(jié)劑]抗高血壓、心絞痛與心衰藥物的首選方法，如硝苯地平的合成：3)UnsymmetricalpyridineSynthesis，又稱：Hantzsch變易法，或Guareschi-ThorpepyridineSynthesis上式常被稱為：Bohlmann-RahtzpyridineSynthesis上式亦常被稱為：KroehnkepyridineSynthesis4)ByAza-Diels-AlderReaction合成吡啶方法歸納

第三節(jié)喹啉衍生物的合成

1、概述2、常用合成方法

常用苯胺衍生物為原料，進(jìn)行環(huán)合得喹啉。合成法設(shè)計(jì)可分為五大類(見下圖)，I和II類合成法應(yīng)用較多。3、喹啉衍生物的合成(SynthesisofQuinolines)

1)Fromarylaminesand1,3-dicarbonylcompounds

a)TheCombesSynthesis(I類合成法)b)Conrad-Limpach-KnorrSynthesis(I類合成法)

以β-酮酸酯代替a)中的1,3-二羰基衍生物與苯胺反應(yīng)：氯喹中間體Kineticcontrolvs.thermodynamiccontrolLow

T-----kinetic

controlHigh

T-----thermodynamic

control2)Fromarylaminesandα,β-unsaturated

carbonylcompounds(I類合成法)

a)TheSkraupSynthesis（斯克洛浦-合成法）：將芳香族伯胺與甘油同硫酸和一種氧化劑（如：硝基苯、五氧化二砷、氧化鐵等）一起加熱，甘油首先脫水形成丙烯醛，再與芳胺縮合，經(jīng)芳構(gòu)化(氧化)得喹啉及其衍生物。反應(yīng)過程見下頁(yè)CH2-OHCH2-OHCH-OH第1步：+H2SO4△-H2OCH-OHCH2-OHCHHC=OCH2-OHCH2重排HC=OCH2CH-H2OH2SO4,△丙烯醛第2步：NH2+CHCH2CHO第3步：NH2CHCH2CH=+NO2N-2H+NH2+NH2CHCH2CH=關(guān)環(huán)-H2O1,4-加成NH2HO-CHCH2CH=1234芳構(gòu)化(氧化)濃H2SO4硝基苯，△NCH3OCH2-OHCH2-OHCH-OH+NH2OCH3濃H2SO4硝基苯，△NCH2-OHCH2-OHCH-OH+NH2b)TheDoebner-VonMillerVariation

α,β-unsaturatedaldehydesorketonesareusedinplaceofglycerolina).原始的Doebner-VonMillerMethode如下，反應(yīng)中應(yīng)用了兩分子苯胺，其中一個(gè)與醛基反應(yīng)成亞胺，以利環(huán)合：3)FromOrtho-acylanilines(II類合成法)

a)TheFriedl?nderSynthesise.g.:b)ThePfitzingerSynthesis4)V類型的喹啉合成法

喹諾酮類抗菌藥物常用該法合成，我國(guó)汪敦佳等人合成環(huán)丙沙星的路線如下：合成喹啉方法歸納第四節(jié)吲哚衍生物的合成

(RingSynthesisofIndols)

1、吲哚的化學(xué)合成1)Fischer吲哚合成法(1883年)

---用醛或酮的芳腙制備2)用鄰-(2-氧代烷基)苯胺制備3)用α-芳氨基羰基化合物制備4)用N-烯丙基鄰鹵芳胺制備HeckReaction:第五節(jié)嘧啶衍生物的合成

(RingSynthesisofPyrimidines)

1、引言

含單獨(dú)嘧啶環(huán)和含有嘧啶環(huán)的化學(xué)或生物合成的，以及從天然產(chǎn)物中分離的藥物在所有藥物中占有的數(shù)量為最多，同時(shí)幾乎復(fù)蓋所有的藥物種類，如其中包括：抗菌的磺胺嘧啶類，鎮(zhèn)靜和催眠用的巴比土酸類，抗病毒和抗腫瘤的嘧啶及其核苷，抗瘧、降壓的嘧啶類藥物，以及維生素類(如VB6)等，所以，掌握合成嘧啶類化合物的方法與原理極為重要。Trimethoprim(三甲氧基芐二氨基嘧啶)抗菌藥Pyrimethamine(乙胺嘧啶)抗瘧藥2、嘧啶的化學(xué)合成

根據(jù)逆向合成分析法，嘧啶母核分子的合成法可歸納為下列三種類型，最好的嘧啶合成路徑為類型Ⅰ，事實(shí)上也是類型Ⅰ最常用，它是由N-C-N和C-C-C兩部分參與縮合。1)類型Ⅰ的合成法

對(duì)于類型Ⅰ的縮合，常采用1,3-二功能化的三碳化合物與N-C-N胺類化合物為原料，在縮合過程中，可發(fā)生氨基對(duì)羰基、羧基、酯基、酰氯或烯醇醚中缺電子碳原子的親核進(jìn)攻，進(jìn)行脫水、脫醇或脫HX的縮合；也可發(fā)生氨基直接親核加成到腈基或極性的雙鍵上。其反應(yīng)通式如下：式中：A=H,烷基,芳基,OH,OR,SH,NH2,NHR,NR2……；

E,E‘=CHO,COR,COOR,CN,CH(OR)2,CH(SR)2等；X,X'=H,烷基,芳基,OH,NH2,SH……

上式為這一類型嘧啶合成法的總結(jié)，式中的E,E‘可以同時(shí)為相同功能基團(tuán)，即E=E’。這樣的三碳化合物有如：1,3-二醛、1,3-二酮、1,3-二酯、1,3-二腈等。E和E’也可分別為不同的功能基團(tuán)，即E≠E’，這樣的三碳原料有如：1,3-醛酮、1,3-醛酯、1,3-酮酯、1,3-醛腈、1,3-酮腈等。

總之，

是帶有兩個(gè)缺電子碳中心的三碳化合物。當(dāng)

中的中間碳上有取代基Y時(shí)，則環(huán)合后嘧啶環(huán)的C-5位上存在該取代基Y(≠H)，這是合成某些5-取代嘧啶的常用方法。

從以上圖可知，當(dāng)E=E',必有X=X'；當(dāng)E≠E'時(shí)，則產(chǎn)物中的X≠X'。上式中A可為不同的基團(tuán)，而使連在同一碳原子上的二氨基化合物為不同的原料，如有：脲、硫脲、脒和胍等，這些化合物中氨基的親核程度對(duì)反應(yīng)條件的選擇很有影響。

二氨基化合物的反應(yīng)活性可由它們的堿性強(qiáng)弱來衡量，四種二氨基化合物的相對(duì)反應(yīng)活性順序?yàn)椋弘遥倦撸玖螂澹倦?，這可從A組份的供電性來評(píng)判。

選擇不同的A組份，可使環(huán)合后的嘧啶環(huán)C-2位上具有不同的基團(tuán)：羥基、巰基、氨基或烴基等。

通過以上分析可知：只要選擇不同的原料，便可以合成得到設(shè)計(jì)所要求的二取代、三取代或四取代的嘧啶化合物。a.堿性催化環(huán)合制備嘧啶

巴比妥酸類衍生物都是以丙二酸二酯和二氨基化合物在以上介質(zhì)中加熱獲得：

注：在分子內(nèi)互變異構(gòu)方面，巴比妥酸是一個(gè)很特別的例子，它有五種互變異構(gòu)的可能性：

根據(jù)X-光結(jié)構(gòu)測(cè)定，巴比妥酸晶體以V式為主要存在形式，故巴比妥酸有5，5-二烷基化衍生物。但巴比妥酸具有酸性，故它也常以IV形式出現(xiàn)。IIIIIIIV

V值得注意的是，在以取代胍作二氨基化合物，環(huán)合成嘧啶衍生物的反應(yīng)中，有同分異構(gòu)現(xiàn)象存在。如最簡(jiǎn)單的甲基胍和乙酰乙酸乙酯反應(yīng)，可能有三種不同的環(huán)合方式，故有三種不同的同分異構(gòu)產(chǎn)物形成，但實(shí)驗(yàn)中，僅分離到前兩種產(chǎn)物(這里存在一個(gè)Dimroth重排過程)：

當(dāng)N原子上的取代基越大，這種重排進(jìn)行得越快，因?yàn)橹嘏诺慕Y(jié)果緩解了取代基和其相鄰氨基的斥力。Dimroth重排(1909年)

分為兩種類型：1)稠環(huán)系統(tǒng)中的雜原子的移位(translocation,Type1)；

2)雜環(huán)上雜原子的環(huán)外和環(huán)內(nèi)的移位(Type2)。

一般地，Type2多于Type1。Dimroth重排機(jī)理b.酸性條件下制備嘧啶

(i)以四烷氧基丙烷作三碳化合物時(shí)

與尿素可在溫和條件下，得到高收率嘧啶衍生物：

當(dāng)四乙氧基丙烷和甲酰胺反應(yīng)制備嘧啶時(shí)，需在濃硫酸作用下，加熱到208℃(強(qiáng)烈條件下)才可順利環(huán)合：

(ii)以蘋果酸及其衍生物作原料時(shí)

需注意的是三碳化合物上的氰基,在酸性條件下先轉(zhuǎn)為酰胺,后再環(huán)合;若在堿性條件下,則氰基常無變化地保存在產(chǎn)物中：

下面是特別的例子，三分子乙腈在堿性條件下可縮合成一個(gè)嘧啶分子，與上頁(yè)例有相似的過程：例：胞嘧啶是以氰基乙醛的縮醛和脲素為原料縮合而得，首先在丁醇中或異丙醇中將以上兩原料在金屬鈉的作用下,回流1~3小時(shí),得到?jīng)]環(huán)合的中間體，后再用10%硫酸加熱處理，可得產(chǎn)率為75-85%的胞嘧啶：2)類型Ⅲ的合成法a．Remfry-Hull合成法

Hull簡(jiǎn)化了Remfry-Hull合成法，仍以丙二酰胺為丙二胺衍生物，應(yīng)用甲酰胺或甲酸酯類作一碳化合物，此法進(jìn)一步發(fā)展，是將丙二酰胺的任一端酰胺改用脒替代，如下例：b.丙二亞胺類衍生物合成法其反應(yīng)通式表述如下：

式中:X,X’=OR’,SR’,NHR’；

Y=Cl，OCOR'',OR''R',R''為H，烷基，芳基等。以1,3-丙二亞胺作原料與甲酸衍生物環(huán)合生成嘧啶。

丙二亞胺法（III類型合成法）發(fā)展變化較大，改用氰基衍生物代替甲酸類化合物，制得2-氨基嘧啶類化合物，氰基衍生物有氯化氰，氰酸酯類，氰胺等：3)其它合成法

a.丙二腈/氰胺法(Ⅱ類型合成法)

b.由均三嗪與炔/烯的環(huán)加成得嘧啶c.類型II合成法合成嘧啶

從3-乙氧基丙烯酰異氰酸酯和伯胺/氨合成嘧啶d.Biginelli反應(yīng)合成3,4-二氫嘧啶(DHPM)

1893年，Biginelli報(bào)道了上述反應(yīng)，以脲、醛和β-酮酯為原料，縮合得DHPM，該反應(yīng)缺點(diǎn)是反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，收率不高，僅在20%~50%。

Hantzsch反應(yīng)與Biginelli反應(yīng)都屬于多組分反應(yīng)(MulticomponentReaction,MCR)，兩反應(yīng)有很多相似之處，因DHPM與DHP有相似的藥理學(xué)性質(zhì)，才引發(fā)了人們近期對(duì)Biginelli反應(yīng)研究的高潮，達(dá)到每個(gè)月在主流刊物上都有關(guān)于Biginelli反應(yīng)方法改進(jìn)或新結(jié)構(gòu)DHPM論文發(fā)表，含DHPM結(jié)構(gòu)的化合物是現(xiàn)代藥物發(fā)現(xiàn)中最受追捧的化合物之一。近年來，人們嘗試用其它方法來改進(jìn)這一反應(yīng)：

◆首先發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生以上反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、收率低缺點(diǎn)的原因主要集中在催化酸上，用Lewis酸代替HCl可大幅度地提高產(chǎn)率和減少反應(yīng)時(shí)間。如以三氟甲磺酸鹽[M(OTf)n]作催化劑的Biginelli反應(yīng)：式中：X=O,S,NH等；

R：芳烴；

R1,R2,R3為任意烷基，碳環(huán)或雜環(huán)等.

以后選擇不同催化劑作反應(yīng)，Lewis酸作催化劑優(yōu)于強(qiáng)質(zhì)子酸HCl，以稀土金屬的三氟甲(基)磺酸鹽[M(OSO2CF3)n，M(OTf)n]作催化劑收率最高?，F(xiàn)以Ln(OTf)3[三氟甲(基)磺酸鑭]為例，介紹催化反應(yīng)機(jī)理：◆固相合成法即將脲衍生物接枝在固相高分子載體上，再與醛、β-酮酯為原料，縮合得DHPM。此法增加了收率，產(chǎn)品純度高，但反應(yīng)操作復(fù)雜；

◆外加能量場(chǎng)法如以微波、超聲波等外能量場(chǎng)，促進(jìn)Biginelli反應(yīng)，優(yōu)點(diǎn)大大縮短反應(yīng)時(shí)間，污染減少，但受到設(shè)備等因素的限制；

◆離子液體(IL)催化法這是近幾年很活躍的研究熱點(diǎn)，用IL(常用季銨鹽型酸性IL)促進(jìn)了Biginelli反應(yīng)，特點(diǎn)是時(shí)間短、收率高，對(duì)環(huán)境友好，例：Biginelli多組分反應(yīng)的反應(yīng)物分別為醛、CH-酸性羰基化合物和脲類。a.醛組分

b.CH-酸性羰基化合物i.β-羰基酯、β-羰基酰胺

ii.β-二酮

iii.其它CH-酸性羰基化合物

c.取代(硫)脲等

i.取代脲

ii.取代硫脲

iii.胍

第六節(jié)嘌呤衍生物的合成

(RingSynthesisofPurines)

1、概述

嘌呤是核酸中極為重要的堿基部分，三種重要的堿基是：

它們的許多衍生物成為抗病毒、抗腫瘤等方面的化學(xué)藥物?？共《究鼓[瘤2、嘌呤的化學(xué)合成

合成嘌呤的化學(xué)途徑可分為兩類：第一類從嘧啶的衍生物出發(fā)，建立起一個(gè)稠合的咪唑環(huán)；另一類是以咪唑衍生物為原料，環(huán)合起一個(gè)稠合的嘧啶環(huán)；從形式上看，這兩條合成路線均是縮合一個(gè)一碳化合物而成稠環(huán)，只不過所縮合的位置不同而形成區(qū)別，前法是C-8位，后法是C-2位。1)嘧啶衍生物為原料合成嘌呤

a.Traube合成法該法是最常用的方法，起源于Traube的鳥嘌呤合成：Traube合成通式：一碳化合物通式一碳化合物是多種多樣，基本上分為三類：

（i）使合成得到的嘌呤8-位上無取代基的一碳化合物有：甲酸、甲酰胺、N，N-二甲基甲酰胺/POCl3（Vilsmeier-Haack試劑）、原甲酸三乙酯（在乙酸酐存在時(shí)，易得所需的嘌呤），均三嗪和二硫甲酸；

（ii）使嘌呤8-有取代基的一碳化合物：一些酸酐，酰氯，酰氨，腈，二甲基酰胺/POCl3，以及除甲酸以外的其它羧酸；

（iii）其它一碳化合物，如尿素，硫脲，氯甲酸乙酯或CS2/吡啶，可用于制得8-氧-和8-硫-嘌呤衍生物；8-取代的氨基嘌呤衍生物可由溴化氰或甲氧羰基異硫氰酸酯等和4,5-二氨基嘧啶制得。b.Todd合成法該法是Traube合成法的發(fā)展，其特點(diǎn)在于：在4,5-二氨基嘧啶的兩個(gè)氨基上，主要在一個(gè)氨基上引入取代基（供電性為主），以增強(qiáng)環(huán)合能力，達(dá)到可用較溫和的反應(yīng)條件的目的，如下面的例子：

c.改良的Traube法

應(yīng)用還原反應(yīng)將4-氨基-5-亞