第12章+杂环化合物和生物碱.ppt

天然产物化学 天然产物化学是研究动物 植物 昆虫 海洋生物及微生物等天然产物化学成分的学科 它甚至包括人与动物体内许多内源性成分的化学研究 值得一提的是 中国有丰富的中医药宝库 其中不乏有独特生物活性的产物 以此作为探针研究它们在生命过程中的作用机制也正是中国化学家得天独厚 大有作为的领域 在分子水平上揭示自然奥秘的重要学科 exit 11 1杂环化合物的分类 命名和结构一 分类二 命名三 杂环化合物的结构 11 2杂环化合物的性质一 物理性质二 化学性质 11 3重要杂环化合物 内容提要 11 4生物碱一 生物碱的种类及其生理活性二 生物碱的一般性质三 生物碱的提取与分离 杂环化合物 在环状化合物成环的原子中 除了碳原子外 还有其它杂原子 O N S等 前几章讨论过的环醚 内酯 交酯 内酐等 成环的原子中也有杂原子 但这些化合物的性质与相应的开链化合物类似 所以一般不将这些化合物归入杂环化合物中讨论 例如 第十一章杂环化合物和生物碱HeterocycliccompoundandAlkaloid 本章主要讨论具有芳香性的杂环化合物 这类化合物属于芳香族 芳香族 芳香烃 杂环化合物 苯系芳烃非苯系芳烃 四氢呋喃 四氢吡咯 戊内酯 11 1杂环化合物的分类 命名和结构一 分类 单环稠环 五元环六元环 二 命名1 环的名称及成环原子的编号杂环化合物多采用音译命名法 即将其英文名称译成同音汉字 并用 口 字旁作为杂环的标志 重要的杂环化合物结构和音译名列举如下 呋喃 furan 噻吩 thiophene 吡咯 pyrrole 咪唑 imidazole 吡啶 pyridine 嘧啶 pyrimidine 吲哚 indole 嘌呤 purine 喹啉 quinoline 异喹啉 isoquinoline 2 成环原子的编号 1 环上若有一个杂原子 则以杂原子的位次为最小 在此基础上再使带有取代基的碳原子位次尽可能小 2 环上若有一个以上相同的杂原子 则从连有取代基或氢原子的杂原子开始编号 并使所有杂原子的位次总和为最小 3 环上若有一个以上不相同的杂原子 则按O S N的次序编号 并使所有杂原子的编号尽可能小 2 命名类似于芳香烃 1 以杂环为母体 2 5 二甲基呋喃 1 甲基吡咯 4 氨基 2 羟基嘧啶 胞嘧啶 2 4 二羟基嘧啶 尿嘧啶 5 甲基 2 4 二羟基嘧啶 胸腺嘧啶 6 氨基嘌呤 腺嘌呤 2 6 8 三羟基嘌呤 尿酸 8 羟基喹啉 2 以杂环为取代基 2 呋喃甲醛 5 硝基 2 呋喃甲醛 4 甲基 2 吡啶甲酸 3 吲哚乙酸 三 杂环化合物的结构 呋喃O sp2 噻吩S sp2 吡咯N sp2 1 结构与芳香性 1 五元杂环化合物以上三种五元杂环化合物的结构均符合休克尔规则 都有一定程度的芳香性和较高的热力学稳定性 但由于环上存在电负性较大的杂原子 所以与苯不同 共轭体系中各原子电子密度不是平均分布 键长也不是完全相等 只是趋向于平均化 芳香性比苯小 热力学稳定性也小于苯 其共轭能 kJ mol 数据如下 苯噻吩吡咯呋喃150 6117 590 466 9从共轭能的大小可以看出 三种五元杂环化合物的稳定性次序为 苯 噻吩 吡咯 呋喃 吡啶N sp2 2 六元杂环化合物吡啶的结构也符合休克尔规则 和以上三种五元杂环化合物类似 也有一定程度的芳香性和较高的热力学稳定性 但氮原子上电子的排布与吡咯不同 孤电子对处于sp2杂化轨道 没有参与共轭 2 结构与性质五元和六元杂环化合物偶极矩方向及数值 10 30C m 如下 5 76 2 33 6 33 1 70 5 25 6 03 3 90 7 41 在五元杂环化合物中 由于杂原子2p轨道上的孤电子对与4个碳原子的2p轨道形成共轭体系 电子离域的结果使环上碳原子周围 电子密度增加 大大超过苯环 其中呋喃和噻吩杂原子的 C效应部分抵消了 I效应 从而使偶极矩数值明显下降 而吡咯杂原子的 C效应大于 I效应 所以偶极矩的方向也发生改变 同时 杂原子的 C效应又使共轭体系内部两个 位 杂原子的邻位 的电子密度高于两个 位 杂原子的间位 因而亲电取代反应优先发生在两个 位 在六元杂环化合物中 由于电负性大的氮原子的孤电子对没有参与共轭 因而 C和 I效应的叠加 二者方向一致 使环上碳原子周围电子密度大大减小 低于苯环 共轭体系内部电子密度极性交替的结果 又使氮原子的邻对位电子密度下降的更为明显 亲电取代反应一般发生在间位 位 亲电取代反应的活性次序 吡咯 呋喃 噻吩 苯 吡啶 其次 吡咯和呋喃遇强酸时 杂原子能发生质子化 破坏大 键 从而呈现共轭二烯烃的性质 易聚合 易被氧化 而吡啶则比苯更难氧化 正因为如此 吡咯和呋喃不能直接用强酸进行硝化 磺化等反应 要采用较温和的非质子性试剂 另外 吡啶和吡咯虽然都含有氮原子 但前者孤电子对没有参与成键 能接受质子而显碱性 后者的孤电子对参与共轭 不但不能接受质子 而且表现出一定的弱酸性 11 2杂环化合物的性质一 物理性质五元和六元杂环结构上的差异 使它们在物理性质上也有很大的区别 上述四种化合物中 吡啶的极性最大 且氮原子没有参与成键的孤电子对不仅能与水形成氢键 还能与一些金属离子形成配位键 所以 吡啶与水能以任何比例互溶 又能溶解大多数极性和非极性有机物 例如乙醇和乙醚 甚至能溶解某些无机盐类 三个五元杂环化合物在水中的溶解度均小于吡啶 这是因为它们的孤电子对参与了共轭 杂原子的电子密度降低 二 化学性质1 亲电取代反应 1 卤代 乙醇 0 二氧六环 0 乙酸 室温 300 2 硝化五元杂环化合物进行硝化反应时 常用的硝化试剂是硝酸乙酰基酯 CH3COONO2 30 5 5 10 3 磺化五元杂环化合物中的吡咯和呋喃的磺化反应常用C6H5N SO3为试剂 遇浓硫酸不发生质子化反应的噻吩 可在室温下直接与浓硫酸进行磺化反应 利用该性质能分离苯中所含的少量噻吩 室温 100 室温 350 4 酰基化 由于五元杂环发生亲电取代反应的活性很强 很难得到一烷基取代产物 所以傅克烷基化反应没有实际应用价值 吡啶则不能发生傅 克烷酰化反应 2 加成反应 四氢呋喃 四氢吡咯吡咯啶 四氢噻吩 六氢吡啶 芳香性最小的呋喃表现出共轭二烯烃的性质 能与顺丁烯二酸酐发生D A反应 3 6 内型氧桥 4 四氢化邻苯二甲酸酐 3 氧化反应五元杂环 苯 吡啶五元杂环尤其是呋喃和吡咯对氧化剂十分敏感 例如吡咯在空气中放置 颜色很快变深 而吡啶只能发生侧链的氧化反应 例如 4 含氮杂环化合物的酸碱性碱性次序 脂肪族胺 氨 吡啶 芳香族胺 吡咯 例 SO3 5 吡啶的亲核取代反应 6 鉴别 1 呋喃呋喃蒸气 盐酸浸渍的松木片 绿色 2 吡咯吡咯蒸气 盐酸浸渍的松木片 红色 3 噻吩噻吩 浓硫酸 靛红 蓝色 10 3重要的杂环化合物 p314 一 呋喃衍生物二 吡咯衍生物三 三唑类衍生物四 吡啶衍生物五 吲哚衍生物六 苯并吡喃衍生物 七 嘧啶衍生物 尿嘧啶互变异构 亚胺醇式 酰胺式 胞嘧啶互变异构 胸腺嘧啶互变异构 腺嘌呤 鸟嘌呤互变异构 八 嘌呤衍生物 12 11 4生物碱生物碱是具有强烈生理作用的含氮碱性化合物 广泛存在于多种植物中 属次生代谢产物 除少数结构比较简单的生物碱 分子中的氮原子不在环内 绝大多数是结构复杂的杂多环化合物 在植物体内 生物碱常与酸结合成盐 许多中草药如 当归 麻黄 黄连等的有效成分都属于生物碱类 到目前为止 已发现的生物碱超过6000种 一 生物碱的种类及生理活性 p322 二 生物碱的一般性质 p321 1 物理形状一般情况下 生物碱的分子是不对称分子 且多为左旋体 2 碱性大多数生物碱显碱性 结构不同 碱性强弱不同 3 溶解性多数游离的仲 叔胺型生物碱为脂溶性 碱性生物碱可溶于酸性水溶液 4 沉淀反应大部分生物碱都能与某些酸类 重金属盐及相对分子质量大的配合物盐反应 生成单盐 配合物盐或不溶性复合物沉淀 这类反应可用于预示植物体内生物碱的存在 能与生物碱反应生成沉淀的试剂称为生物碱沉淀试剂 常见的生物碱试剂有 碘 碘化钾 碘化铋钾 磷钼酸和苦味酸等 5 显色反应能与生物碱发生显色反应的试剂称为生物碱显色试剂 常用于鉴别某些生物碱 例如 吗啡 1 钒酸铵 浓硫酸 棕色 四 生物碱的提取和分离 p322 利用生物碱在植物中的存在形式 选择不同的提取分离方法 1 H2O H 适用于游离生物碱的提取 2 醇类溶剂适用于游离生物碱和盐类 3 有机溶剂适用于游离生物碱和盐类 例如 原料细粉 碱化 过滤 游离生物碱 氯仿 二氯甲烷等 游离生物碱及脂溶性杂质 酸化 水层 生物碱的盐 有机层 脂溶性杂质 有机