第十一章杂环化合物和生物碱

1、第十一章第十一章 杂环化合物和生物碱杂环化合物和生物碱 杂环化合物和生物碱广泛存在于自然界中，在动植物体内起着重要的生理作用。 第一节第一节 杂环化合物杂环化合物 环 状有机化合物中，构成环的原子除碳原子外还含构成环的原子除碳原子外还含有其它原子，且这种环具有芳香结构，把这种环状化合有其它原子，且这种环具有芳香结构，把这种环状化合物叫做杂环化合物。物叫做杂环化合物。 组成杂环的原子，除碳以外的其它原子都叫做杂原子。常见的杂原子有氧、硫、氮杂原子有氧、硫、氮等。 环醚、内酯、内酐和内酰胺等，不属杂环化合物。 天然杂环化合物对生物体的生长、发育、遗传和衰亡过程都起着关键性的作用。 一、杂环化合物的

2、分类和命名一、杂环化合物的分类和命名 1. 分类 (1) 根据杂环母体所含的环的数目根据杂环母体所含的环的数目分为分为单杂环单杂环和稠杂环和稠杂环单杂环稠杂环 (2) 单杂环根据环上原子数分为单杂环根据环上原子数分为五元杂环和六元五元杂环和六元杂环杂环五五 元元 杂杂 环环六元杂环六元杂环（4） 稠杂环又分为芳环并杂环和杂环并杂环芳环并杂环和杂环并杂环 （3）单杂环根据杂原子的数目不同又分为含一个杂原子、含两个杂原子的单杂环等芳环并杂环芳环并杂环杂环并杂环杂环并杂环 2. 命名命名 译音命名法译音命名法: 按外文名称的译音来命名，并用带“口”旁的同音汉字来表示环状化合物。呋喃 噻吩 吡咯 咪唑

3、 噻唑 (furan) (thiophene) (pyrrole) (imidazole) (thiazole)吡喃 吡啶 嘧啶 (pyran) (pyridine) (pyrimidine) 吲哚 喹啉 嘌呤(indole) (quinoline) (purine)HNN6NNNN12345789H （1）杂环上有-R、-X、-NO2、-OH、-NH2、 等取代基时，以杂环为母体。环编号时一般从杂原子开始。 2,5-二甲基呋喃 杂环上有取代基时命名原则OCH3H3C123452-羟基呋喃NC H3C2H5H123452-甲基-5-乙基吡咯NCHC H3O2-乙酰基吡咯 （2） 含有两个或两个

4、以上相同杂原子的单杂环编号时，把连有氢原子的杂原子编号为1，并使其余杂原子的位次尽可能小 。NN H1234CH3 4 甲基咪唑 （3）如果环上有多个不同杂原子时，按氧、硫、氮的顺序编号 NSH3CH3C543214,5二甲基噻唑 (4 ) 当只有1个杂原子时，也可用希腊字母编号，靠近杂原子的第一个位置是-位，其次为-位、-位等。 -甲基呋喃 -甲基吡啶NCH3OCH3 (5) 当环上连有-COOH、-SO3H、-CHO 、CH2OH等基团时，将这些基团作母体，将杂环当作取代基来命名。环编号仍从杂原子开始，并使作母体的基团的位次尽可能的低。4-吡啶甲酸-5-硝基-2-呋喃甲醛OC HOO2N1

5、234534521OCH2OH2-呋喃甲醇- (6) 稠杂环的编号一般和稠环芳烃相同，但有少数稠杂环有特殊的编号顺序。嘌呤 2,6,8-三羟基嘌呤 8654321N7H7654321N吲哚 异喹啉98798654321HNNNN7654321HNNHOOHNNOH 系统命名法系统命名法 根据相应的碳环为母体而命名，把杂环化合物看根据相应的碳环为母体而命名，把杂环化合物看作相应碳环中的碳原子被杂原子取代后的产物。命名作相应碳环中的碳原子被杂原子取代后的产物。命名时，把杂原子名称写在母体名称前，二者之间加一时，把杂原子名称写在母体名称前，二者之间加一“杂杂”字，字，称为“某杂某某杂某”。OSNH茂

6、氧杂茂 硫杂茂 氮杂茂 1,3-二氮杂茂 1-硫-3-氮杂茂 芑 氧杂芑 苯 氮杂苯 1,3-二氮杂苯6NNNN12345789HNH 氮杂茚 1,3,7,9-四氮杂茚1-氮杂萘 2-氮杂萘 两种命名方法虽然并用，但译音法在文献中更为普遍。萘NN1234567812 二、杂环化合物的结构二、杂环化合物的结构1.五元杂环五元杂环ONHS呋喃吡咯噻吩ONHS 呋喃、噻吩、吡咯呋喃、噻吩、吡咯电子数（电子数（6）符合休克）符合休克尔规则（尔规则（4n+2），），因此具有芳香性因此具有芳香性。 在呋喃、噻吩、吡咯呋喃、噻吩、吡咯分子中，是由5个原子，6个电子组成的共轭体系，使环上碳原子的电子云密度增加

7、，所以称为富电子芳杂环称为富电子芳杂环或多电子芳杂环。 呋喃、噻吩、吡咯分子中各原子间的键长并不完全相等，因此芳香性比苯差芳香性比苯差。 电负性强弱顺序是：氧氮硫， 芳香性强弱顺序是：苯噻吩吡咯呋喃。N 2. 六元杂环六元杂环 N原子为sp2杂化吡啶N. 吡啶吡啶电子数（电子数（6）符合休克尔规则，具有芳香）符合休克尔规则，具有芳香性。性。 吡啶分子中，氮原子的电负性比碳大，使吡啶环上碳原子的电子云密度相对降低，所以此类杂环称为缺电子芳杂环或缺电子芳杂环。 吡啶的芳香性不如苯。 三、杂环化合物的化学性质三、杂环化合物的化学性质 1. 亲电取代反应亲电取代反应 富电子芳杂环富电子芳杂环, 亲电取

8、代反应比苯容易亲电取代反应比苯容易,而且而且主要发生在主要发生在-位上；位上；缺电子芳杂环，亲电取代反缺电子芳杂环，亲电取代反应比苯难应比苯难,而且主要发生在而且主要发生在-位上。位上。（1）卤代反应+HBrBrHAcBr+SS24NIIIIHKII2HN4+HI 2,3,4,5-四碘吡咯 -溴代吡啶 吡啶溴代反应比苯难，不但需要催化剂，而且要在较高温度下进行。 （2）硝化反应+CH3COONO2CH3COOH+(CH3CO)2ONHNHc5.-NO2 五元杂环的硝化，一般用比较温和的非质子硝化剂-乙酰基硝酸酯，乙酰基硝酸酯，并在低温下进行，硝基主要主要进入进入-位。位。 吡啶的硝化反应需在浓

9、酸和高温下才能进行，硝基主要进硝基主要进-位位。（3）磺化反应 NNNO2H2SO4300浓+HNO3H2O 噻吩比苯容易磺化，因此可在室温下用噻吩比苯容易磺化，因此可在室温下用浓硫酸洗去苯中含的少量噻吩。浓硫酸洗去苯中含的少量噻吩。 吡啶在硫酸汞催化和加热的条件下才能发生磺化反应。（4）傅-克反应OOCOCH3BF3CH3COOH+ (CH3CO)2OSnCl4SCOCH3SCH3COOH+ (CH3CO)2OHHNCOCH3NCH3COOH(CH3CO)2O+200。c+吡啶一般不进行傅氏酰基化反应。吡啶一般不进行傅氏酰基化反应。 吡啶是缺电子芳杂环，不易发生亲电取代反应。在一定条件下有利

10、于亲核试剂（如NH2-、OH-、R-）的进攻而发生亲核取代反应，取代基主要进入电子云密度较低的-位。NaOHNaNH2+NNH2N2. 加成反应加成反应Ni2H2OO+HHNNH22Pd+MoS22H2SS 呋喃、吡咯均可进行催化加氢反应，噻吩中的硫能使催化剂中毒，需使用特殊催化剂加氢。 吡啶比苯易还原，用金属钠和乙醇可使吡啶比苯易还原，用金属钠和乙醇可使其还原。其还原。HNNNa+ C2H5OHPtH22HNN+ 喹啉催化加氢，氢加在杂环上，说明杂环比喹啉催化加氢，氢加在杂环上，说明杂环比苯环易被还原苯环易被还原。 呋喃的芳香性最弱，显示出共轭双烯的性质，呋喃的芳香性最弱，显示出共轭双烯的性

11、质，与顺丁烯二酸酐能发生双烯合成反应（狄尔斯与顺丁烯二酸酐能发生双烯合成反应（狄尔斯-阿尔阿尔德反应），产率较高。德反应），产率较高。+25OOOOOOOO 呋喃和吡咯对氧化剂很敏感，在空气中就能被氧化，环被破坏。噻吩相对要稳定些。吡啶对氧化吡啶对氧化剂相当稳定，比苯还难被氧化。剂相当稳定，比苯还难被氧化。 3. 氧化反应氧化反应 4.吡咯和吡啶的酸碱性吡咯和吡啶的酸碱性 N+HClNHCl 吡咯呈弱酸性，吡咯呈弱酸性，可与碱金属、氢氧化钾或氢氧化钠作用生成盐。H2OKNKOHHN+ 吡啶显弱碱性，吡啶显弱碱性，能与H+结合成盐。（吡啶氮原子上的未共电子对不参与环共轭体系，可接受H+ ），碱性

12、比苯胺强，但比脂肪胺及氨的弱得多碱性比苯胺强，但比脂肪胺及氨的弱得多。补充： 含氮碱的碱性强弱次序季铵碱 脂肪胺 NH3 NH2. 四、与生物有关的杂环化合物及其衍生物四、与生物有关的杂环化合物及其衍生物 OCHOnnCHOCHOHHHOCHOHCHCHHO+3nH2O(C5H8O4)n+ nH2OHH-稀稀 呋喃及其衍生物 呋喃存在于松木焦油中，检验呋喃存在可用呋喃存在于松木焦油中，检验呋喃存在可用盐酸浸湿的松木片，呋喃存在时盐酸浸湿的松木片，呋喃存在时显绿色显绿色。制备方法多聚戊糖 戊醛糖 糠醛 糠醛是不含糠醛是不含-氢的醛，能发生康尼查罗反应氢的醛，能发生康尼查罗反应及一些芳香醛的缩合反

13、应，生成许多有用的化合物。2吡咯及其衍生物 吡咯存在于骨焦油中。吡咯蒸汽遇到浓盐酸吡咯存在于骨焦油中。吡咯蒸汽遇到浓盐酸浸过的松木片浸过的松木片显红色显红色，可用来检验吡咯的存在，可用来检验吡咯的存在。 吡咯的衍生物最重要的是卟啉化合物，这类化合物有一个共同的结构，都具有卟吩环（也叫卟啉环），具有芳香性。NNNN卟吩 （porphine ）叶绿素分子结构NNNNMgRCH2CH3CH3CHCH3CH2CH2CH3HOCOOCH3CH2COOR=-CH3为叶绿素aR=-CHO为叶绿素bNNNNFeCH=CH2CH3CHCH3CH2CH2CH2CH3CH2CH2COOHCH3COOH血红素分子结构

14、O-CH3OHHOHHOCH2HHPO2OCH3CHCH2NHCOCH2CH2CH3CH3NNCH3H2NCOCH2CH3CNH2NCOCH2CH3CH2CONH2CH3CH2CH2CONH2CH3CH3H2NCOCH2CH2CH3CH2CH2CONH2CoNNNN维生素B12分子结构 -吡啶甲酸 -吡啶甲酰胺（烟酸或尼克酸） 烟酰胺或尼克酰胺）3吡啶及其衍生物NCOOHNCONH2维生素PP 维生素B6NHOH3CCH2OHCH2NH2NHOH3CCH2OHCHONHOH3CCH2OHCH2OH吡哆醇 吡哆醛 吡哆胺NCONHNH2NCOOH -吡啶甲酸 -吡啶甲酰肼（异烟酸） （异烟酰肼或

15、雷米封）4吲哚及其衍生物 NHCH2COOHNHCH3NH 吲哚 -甲基吲哚 -吲哚乙酸5苯并吡喃及其衍生物854321OO苯并吡喃 2-苯基苯并吡喃 天然色素，如花色素*和黄酮色素*等都含有2-苯基苯并吡喃的基本骨架。 6嘧啶及其衍生物 NNNH2OHNNNH2HO4-氨基-2-羟基嘧啶 4-氨基-2-氧嘧啶 胞嘧啶（C） 嘧啶具有弱碱性，可与强酸成盐，其碱性比吡啶弱。 嘧啶的重要衍生物：NNOHOHH3CNNOHOHH3C5-甲基-2，4-二羟基嘧啶 5-甲基-2，4-二氧嘧啶 胸腺嘧啶（T）2，4-二羟基嘧啶 2，4-二氧嘧啶 尿嘧啶（U）NNOHOHNNOHOHNNNNHHNHNNNN

16、HNH2NNNNOHH2NHNNNNHHH2NO6-氨基嘌呤（腺嘌呤）（A )2-氨基-6-羟基嘌呤 2-氨基-6-氧嘌呤 鸟嘌呤（G）7嘌呤及其衍生物嘌呤及其衍生物第二节第二节 生物碱生物碱 2生物碱的提取方法 一、生物碱的存在及提取方法一、生物碱的存在及提取方法1生物碱的存在 （2）有机溶剂提取法 （1）稀酸提取法 生物碱是一类存在于植物体内，对人和动物有生物碱是一类存在于植物体内，对人和动物有强烈生理作用的含氮碱性有机化合物。强烈生理作用的含氮碱性有机化合物。二、生物碱的一般性质二、生物碱的一般性质 生物碱分子中含有手性碳原子，具有旋光性，自然界中存在的一般是左旋体。 生物碱能与许多试剂

17、生物碱能与许多试剂生成沉淀生成沉淀或或发生颜色反发生颜色反应应，这些试剂叫做，这些试剂叫做生物碱试剂生物碱试剂，用于检验、分离生物碱。生物碱试剂可分两类：1沉淀试剂沉淀试剂 它们大多是复盐、杂多酸和某些有机酸，例如，碘-碘化钾、碘化汞钾、磷钼酸、硅钨酸、氯化汞、苦味酸和鞣酸等。不同生物碱能与不同的沉淀试剂作用不同生物碱能与不同的沉淀试剂作用呈现不同颜色的沉淀呈现不同颜色的沉淀。2显色试剂显色试剂 它们大多是氧化剂或脱水剂，例如，高锰酸钾、重铬酸钾、浓硝酸、浓硫酸、钒酸铵或甲醛的浓硫酸溶液等。它们能与不同的生物碱反应产它们能与不同的生物碱反应产生不同的颜色。生不同的颜色。 显色剂在色谱分析上常作为生物碱的鉴定试剂。三、重要的生物碱举例三、重要的生物碱举例1烟碱（尼古丁）NNCH3 烟碱以苹果酸盐及柠檬酸盐的形式存在烟草中（我国烟草中含14%）。 烟碱能被KMnO4氧化为烟酸；具有弱碱性，可与强酸成盐；与鞣酸、苦味酸等反应生成沉淀；具有毒性，是一种有效的农业杀虫剂。2麻黄碱*CH CH NH CH3OH CH33茶碱、可可碱和咖啡碱HNNOCH3ONNCH3NNOCH3ONHNCH3NNOCH3ONNCH3CH3茶碱