大学有机化学 杂环化合物和维生素word版本.ppt

第十四章杂环化合物与维生素,第一节芳香杂环化合物,*第二节维生素,一分类和命名,二芳香六元杂环,三芳香五元杂环,四稠杂环化合物,一维生素概述,二脂溶性维生素,三水溶性维生素,“杂环”就是组成环的原子除C外，还含有其它元素的原子，这些非碳原子统称为杂原子。原则上二价以上的元素都可成为杂原子,但最常见的是O、S和N。,前面学过的环氧化合物、环状酸酐、内酯、内酰胺等:,因其性质与相应的脂肪族化合物较相似，因此并入脂肪族化合物中讨论,而不列为杂环化合物。,第十四章杂环化合物和维生素,第十四章杂环化合物和维生素,上页,下页,首页,本章讨论的杂环化合物主要指环系较稳定，包括杂原子在内的环是平面型，环内有4n+2个p电子处于环状共轭体系中，统称为芳(香)杂环化合物。,呋喃噻唑嘧啶嘌呤,其它不具芳香性的杂环化合物，统称为非芳香杂环化合物或脂杂环化合物。,脂杂环,第十四章杂环化合物和维生素,上页,下页,首页,一、分类和命名,六元杂环:,五元杂环:,第一节芳香杂环化合物,第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（一、分类和命名）,上页,下页,首页,命名原则：译音“口”旁,第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（一、分类和命名）,FuranThiophenePyrroleThiazole,ImidazolePyrazoleOxazole,呋喃,噻吩,吡咯,噻唑,咪唑吡唑噁唑,上页,下页,首页,PyridinePyrimidinePyridazine吡啶嘧啶哒嗪,QuinolineIsoquinoline喹啉异喹啉,IndolePurine吲哚嘌呤,第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（一、分类和命名）,上页,下页,首页,1.单杂环的编号从杂原子开始。,杂环的编号规则：,第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（一、分类和命名）,呋喃吡啶吡咯,43(b)512(a),43(b)512(a),2-甲基呋喃,3-硝基吡咯,4-乙基吡啶,(-甲基呋喃)(-硝基吡咯)(-乙基吡啶),上页,下页,首页,2.有多个杂原子时,按O、S、N(N-R;N-H;N)顺序编号,第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（一、分类和命名）,4-甲基咪唑,5-甲基噻唑,4-甲基嘧啶,1-甲基吡唑,3.稠杂环的编号一般和稠环芳烃相同,但少数有例外,喹啉吖啶嘌呤,上页,下页,首页,芳香六元杂环包括环中有1个杂原子的六元杂环(如吡啶)和环中有多个杂原子的六元杂环(如嘧啶)。,吡啶是具有特殊臭味的无色液体。存在于煤焦油、骨焦油中,其衍生物广泛存在于自然界。工业上主要从煤焦油的轻油部分提取吡啶。,（一）吡啶(C5H5N)的结构,二、芳香六元杂环,第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（二、六元杂环）,上页,下页,首页,N的p轨道含1个电子,组成环闭共轭体系,孤电子对占据sp2杂化轨道,5C1N共面,均为sp2杂化;都有一个垂直于分子平面的p轨道,侧面交叠形成环闭大键。,吡啶的结构模型,第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（二、六元杂环）,上页,下页,首页,电子云向电负性较大的N原子转移,使N带部分负电荷,C带部分正电荷,电子云出现的几率密度如下：,吡啶环中C上p电子密度比苯低，这类芳杂环亦称为“缺p芳杂环”。表现在性质上，亲电取代变难，亲核取代变易；氧化变难，还原变易；另外sp2杂化N上的孤电子对具有一定程度的碱性，可成盐。,亲电试剂进攻位点,1.00,139pm,0.84,1.43,1.01,0.87,134pm,139pm,140pm,亲核试剂进攻位点,？,第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（二、六元杂环）,上页,下页,首页,(二)吡啶的性质,1.水溶性解释下列吡啶类化合物的水溶性现象？,水溶度：1:11:1微溶,答:吡啶能与水形成氢键。羟基或氨基取代的吡啶因分子间氢键的形成而降低了水溶度。,第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（二、六元杂环）,上页,下页,首页,2.碱性,pKb：34.58.89.3,第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（二、六元杂环）,上页,下页,首页,3.亲电取代与亲核取代反应,由于氮原子的电负性大,吡啶环上碳原子的电子云密度较苯低，尤其与质子或Lewis酸结合使N带正电荷后，环上C的电子云密度更低。吡啶的亲电取代反应要比苯难得多，与硝基苯相似，亲电取代反应主要进入位。,-硝基吡啶,-溴吡啶,-吡啶磺酸,第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（二、六元杂环）,上页,下页,首页,亲核取代比苯容易，主要发生在位上。,当或位上有易离去基时，较弱的亲核试剂就能发生亲核取代反应。,第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（二、六元杂环）,上页,下页,首页,4.氧化与还原,吡啶环对氧化剂较苯环稳定,而对还原剂比苯活泼。,-吡啶甲酸(烟酸),六氢吡啶(哌啶),六氢吡啶(pKb=2.8),碱性较吡啶强106倍。为什么？,第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（二、六元杂环）,上页,下页,首页,（三）嘧啶(C4H4N2)及其衍生物,543612,嘧啶(Pyrimidine),由于两个N的强吸电子作用,使嘧啶的碱性(pKb11.3)比吡啶(pKb8.8)弱得多，也比吡啶难于发生亲电取代反应，而亲核取代反应则比吡啶容易；嘧啶难以被氧化。,第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（二、六元杂环）,上页,下页,首页,嘧啶的衍生物分布范围广，如维生素、生物碱、核酸、蛋白质及许多药物都含有嘧啶结构。,胞嘧啶(cytosine),胸腺嘧啶(thymine),尿嘧啶(uracil),这些嘧啶衍生物存在酮式和烯醇式互变异构:,5-氟尿嘧啶(抗肿瘤药),第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（二、六元杂环）,上页,下页,首页,三、芳香五元杂环,(一)呋喃、噻吩、吡咯的结构,4C1O共面；6电子环状共轭大键,与苯环比较,呋喃、噻吩、吡咯为5原子共用6个电子,故环上电子云密度比苯环大,属于“富芳杂环”。,第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（三、五元杂环）,上页,下页,首页,这些化合物键长的平均化程度远不如苯(苯环上的碳碳键均为139pm)，环的稳定性不如苯。在化学性质上,既有与苯相似之处,又有一些差别。,共轭能：117(Kjmol-1)8867(苯环150),第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（三、五元杂环）,上页,下页,首页,芳香性(环的稳定性):苯噻吩吡咯呋喃,（二）吡咯、呋喃和噻吩的性质,1吡咯的酸碱性,吡咯N上孤电子对因参与环的共轭,故碱性极弱,比苯胺还弱得多,不能与酸形成稳定的盐。,pKb:3.74.79.613.6,第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（三、五元杂环）,上页,下页,首页,另一方面，吡咯N上的H却有微弱的酸性(pKa=17.5),与醇相当，而比酚弱。吡咯在无水条件下可以与固体氢氧化钾加热生成钾盐。,第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（三、五元杂环）,上页,下页,首页,2.亲电取代反应,由于环上的电子云密度比苯大，因此吡咯、呋喃和噻吩亲电取代反应比苯容易发生。吡咯的活泼度与苯胺或苯酚相当。亲电取代反应主要发生在位。,第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（三、五元杂环）,上页,下页,首页,吡咯和呋喃遇强酸时,杂原子能质子化,使芳香大键破坏,所以不能用强酸进行硝化和磺化反应,需选用较温和的非质子性试剂。例如吡咯硝化需用硝酸乙酰基酯。,第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（三、五元杂环）,上页,下页,首页,（三）吡咯衍生物,吡咯衍生物在自然界分布很广，植物中的叶绿素和动物中的血红素都是吡咯衍生物。它们都具有重要的生理活性。,卟吩(Porphin),血红素(Heme),第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（三、五元杂环）,上页,下页,首页,(四)咪唑的结构与功能,咪唑可以看作是吡咯3位的CH被氮原子取代而生成的杂环化合物。,咪唑1位和3位N均取sp2杂化。不同的是,1-N以一对p电子参与共轭,而3-N则以1个p电子参与共轭,形成环状闭合大键,电子数为6,符合Hckel规则,有一定芳香性。,第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（三、五元杂环）,上页,下页,首页,咪唑中N上的氢可以转移到另一个氮原子上,因而存在互变异构.这种情况在环上有取代基时很容易辨别。,3512,5132,5-甲基咪唑4-甲基咪唑,甲基咪唑可发生下列互变异构:,第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（三、五元杂环）,上页,下页,首页,咪唑的碱性比吡咯强（pKb=6.8），这是由于引入的氮原子的孤对电子没有参加共轭体系，因而较易与质子结合。水溶度也较吡咯大。,在组氨酸分子中含有一个咪唑基,其pKa值接近生理pH(7.35)，它既是一个弱酸，又是一个弱碱，能起到质子传递的作用。组氨酸中的咪唑环是构成酶活性中心的重要基团，使酶能催化生物体内酯和酰胺的水解。,第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（三、五元杂环）,上页,下页,首页,四、稠杂环化合物,第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（四、稠杂环）,杂环与杂环稠合或苯环与杂环稠合而成的化合物总称为稠杂环化合物。常见的稠杂环化合物有嘌呤、吲哚、喹啉等。嘌呤可看成是由一个嘧啶环和一个咪唑环共用2个碳原子稠合而成。,嘌呤（purine）,上页,下页,首页,嘌呤为白色固体，熔点216217，易溶于水，水溶液呈中性，但可分别与酸或碱生成盐。嘌呤是两个互变异构的平衡体系,在生物体内平衡偏向于9H形式。,9H-嘌呤,7H-嘌呤,第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（四、稠杂环）,上页,下页,首页,嘌呤衍生物广泛分布在动植物中，如腺嘌呤、鸟嘌呤均为核酸的碱基。,腺嘌呤(Adenine),鸟嘌呤(Guanine),第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（四、稠杂环）,上页,下页,首页,次黄嘌呤、黄嘌呤和尿酸是腺嘌呤与鸟嘌呤在体内的代谢产物,存在于动物肝脏、血和尿中。,次黄嘌呤黄嘌呤尿酸,烯醇式酮式,第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（四、稠杂环）,上页,下页,首页,磺胺类药物(sulfadrug)是继青霉素之后使用的一类化学抗菌药，基本结构是对-氨基苯磺酰胺。,对-氨基苯磺酰胺本身就有抑菌作用。当N1上的H原子被某些基团取代时，抗菌作用增强；若N4上的H被取代，则抗菌能力降低甚至丧失。因为具有N4游离氨基的磺胺与细菌繁殖所需的对氨基苯甲酸结构极为相似，使酶难以识别而达到抑菌作用。,*磺胺类药物,如N4上的取代基易在体内分解而恢复成-NH2时，则仍具有原来的抗菌作用。,第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物,上页,下页,首页,大多数磺胺类药物是不同杂环取代了磺胺的N1位上的一个H原子。,磺胺嘧啶SD,磺胺甲基异噁唑SMZ,第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物,上页,下页,首页,第十四章杂环化合物和维生素第二节维生素（一、维生素概述）,*第二节维生素,一、维生素概述,1.定义,维持正常生命活动所必需的一类小分子有机化合物,2.特点,既不供给能量，也不构成组织成分体内不能合成或合成甚微，必须由食物供给需要量很少(gmg/d),但不可缺少,参与体内物质代谢与调节参与辅酶组成,3.功能,上页,下页,首页,脂溶性维生素：A、D、E、K。此类维生素因排泄效率不高，过多摄入会在体内蓄积而导致中毒水溶性维生素：B族、维生素C、维生素P等,按生理功能和发现先后：A、B、C、D等,5.命名,4.分类,根据化学结构：初发现时以为是一种，以后证实是几种维生素的混合物，则根据化学结构的不同在字母右下方注以1、2、3等，如A1,第十四章杂环化合物和维生素第二节维生素（一、维生素概述）,上页,下页,首页,第十四章杂环化合物和维生素第二节维生素（二、脂溶性维生素）,维生素A1,维生素A2,二、脂溶性维生素,（一）维生素A,1.结构,上页,下页,首页,2.功能构成视觉细胞内感光物质维持上皮组织结构的完整,促进上皮细胞糖蛋白的合成参与皮质激素、性激素合成及骨组织形成，促进生长发育防癌作用：刺激体液及细胞免疫VA缺乏：粘膜干燥，干眼病；VA过量:恶心、头痛、皮疹,3.来源动物性食品：肝、蛋黄、奶油植物性食品：类胡萝卜素（维生素A原本身不具有VA活性，但在体内可转变为VA的物质）,第十四章杂环化合物和维生素第二节维生素（二、脂溶性维生素）,上页,下页,首页,（二）维生素E（生育酚）,1.结构,参与多种酶活动，维持和促进生殖机能天然抗氧化剂、抗衰老、防癌及增强免疫作用,2.功能,3.来源植物油.麦胚,硬果,种子类,豆类,谷类,-生育酚,第十四章杂环化合物和维生素第二节维生素（二、脂溶性维生素）,上页,下页,首页,维生素K1,维生素K2,（三）维生素K,1.结构,2、功能,促进凝血因子形成，加速血液凝固。维生素K缺乏会导致凝血功能障碍,出现全身多部位出血甚至颅内出血。,3.来源深绿色蔬菜,富含乳酸菌的食品及肉、蛋等,第十四章杂环化合物和维生素第二节维生素（二、脂溶性维生素）,上页,下页,首页,第十四章杂环化合物和维生素第二节维生素（三、水溶性维生素）,水溶性维生素包括B族维生素和维生素C、维生素P等。B族维生素包括维生素B1、维生素B2、烟酸和烟酰胺、泛酸、维生素B6、生物素、叶酸和维生素B12等。,三、水溶性维生素,水溶性维生素在组织内浓度恒定,构成辅酶成分，参与物质代谢。无中毒症,过多即随尿排出。,上页,下页,首页,（一）维生素B1（硫胺素）,1.结构含S、-NH2,盐酸硫胺素,2.功能参与糖的代谢；促进能量代谢；维持神经与消化系统的正常功能。长期摄入不足会出现周围神经炎、浮肿、心肌变性、情绪急躁、精神惶恐、健忘等,3.来源谷类、豆类、酵母、干果、动物内脏、蛋类、瘦肉、乳类、蔬菜、水果等,第十四章杂环化合物和维生素第二节维生素（三、水溶性维生素）,上页,下页,首页,（二）维生素B2（称核黄素，riboflavin）,1.结构,2.功能促进糖、脂肪和蛋白质的代谢；维持皮肤、粘膜、视觉的正常机能。B2缺乏可引起口角炎、舌炎、口腔炎、眼结膜炎、脂溢性皮炎和视觉模糊等,3.来源奶类、动物肝肾、蛋黄、鱼，胡萝卜、香菇、紫菜、芹菜、柑、橘等,第十四章杂环化合物和维生素第二节维生素（三、水溶性维生素）,上页,下页,首页,（三）维生素PP（预防癞皮病因子）,1.结构,烟酸,烟酰胺,2.功能脱氢酶的辅酶;参与糖、脂类、丙酮酸代谢、及高能磷酸键的形成等。维pp缺乏可致癞皮病。,3.来源动物肝肾、瘦肉、鱼、卵、麦制品、花生、梨、枣、无花果等,第十四章杂环化合物和维生素第二节维生素（三、水溶性维生素）,上页,下页,首页,1.结构,2.功能参与辅酶A的形成，是酶的转酰基辅因子。轻度缺乏可致疲乏、食欲差、消化不良等。重度缺乏可致肌肉协调性差;肌肉及胃肠痉挛等,3.来源肉类、动物肾脏与心脏、谷类、麦芽、绿叶蔬菜、啤酒酵母、坚果、糖蜜等,（四）泛酸(pantothenicacid),第十四章杂环化合物和维生素第二节维生素（三、水溶性维生素）,上页,下页,首页,1.结构,2.功能转氨酶及脱羧酶的辅酶,镇吐。缺乏时可致呕吐、中枢神经兴奋等,3.来源牛乳、肉、肝、蛋黄、谷物和蔬菜等,（五）维生素B6,吡哆醇吡哆醛吡哆胺,第十四章杂环化合物和维生素第二节维生素（三、水溶性维生素）,上页,下页,首页,（六）生物素,1.结构,2.功能羧化酶的辅酶，脂肪和蛋白质正常代谢不可缺少的物质。缺乏时可致发育缓慢、皮肤损伤、体内蛋白质和脂肪代谢紊乱,3.来源分布广泛，如牛奶、水果、啤酒酵母、牛肝、蛋黄、动物肾脏、糙米等,第十四章杂环化合物和维生素第二节维生素（三、水溶性维生素）,上页,下页,首页,（七）叶酸,1.结构,2.功能蛋白质和核酸合成的必需因子；参与血红蛋白结构中卟啉基的形成、红细胞和白细胞的快速增生；体内多种氨基酸的转化、大脑中长链脂肪酸如DHA的代谢；肌酸、肾上腺素及胆碱的合成等。叶酸是最容易缺乏的维生素之一