医学有机化学--第十一章杂环化合物

1、医学有机化学-第十一章杂环化合物 90% 90%以上药物和以上药物和60%60%以上的有机化合物为杂环化合物。以上的有机化合物为杂环化合物。 叶绿素（它为植物提供绿色）叶绿素（它为植物提供绿色） 血红素血红素( (它赋予血液以鲜红的颜色它赋予血液以鲜红的颜色) ) 花色素使得鲜花呈现五彩缤纷的色彩，它们都是杂环化合物花色素使得鲜花呈现五彩缤纷的色彩，它们都是杂环化合物 核酸中的杂环（嘧啶和嘌呤）部分对核酸中的杂环（嘧啶和嘌呤）部分对DNADNA的复制起着至关重要的复制起着至关重要的作用并使生命得以代代相传，基因代代延续；的作用并使生命得以代代相传，基因代代延续； 杂环化合物通常是酶和辅酶中催化

2、生化反应的活性部位。杂环化合物通常是酶和辅酶中催化生化反应的活性部位。 正是由于其存在，自然万物才有了勃勃生机正是由于其存在，自然万物才有了勃勃生机 。杂环化合物杂环化合物 定义：成环原子中除碳原子外还含有非碳原子的有定义：成环原子中除碳原子外还含有非碳原子的有机化合物。机化合物。杂原子：环中的非碳原子。常见的杂原子有：杂原子：环中的非碳原子。常见的杂原子有：O O、S S、N N。非芳香杂环：环醚、内酯、交酯、环状酸酐、内酰胺等。如：非芳香杂环：环醚、内酯、交酯、环状酸酐、内酰胺等。如：OOOOOOO18-冠-6OOROOOORRCOCOONCH3OH芳香杂环：芳香杂环：第一节第一节 杂环化

3、合物的分类和命名杂环化合物的分类和命名杂环化合物分为芳香杂环和非芳香杂环两类杂环化合物分为芳香杂环和非芳香杂环两类一、杂环化合物的分类一、杂环化合物的分类NONNNNNN呋喃（呋喃（furan)噻吩（噻吩（thiophene)吡咯（吡咯（pyrrole)吡唑吡唑咪唑咪唑噁唑噁唑噻唑噻唑含多个杂原子含多个杂原子含一个杂原子含一个杂原子六元环六元环含多个杂原子含多个杂原子含一个杂原子含一个杂原子五元环五元环单杂环单杂环吡啶（吡啶（pyridine)-吡喃吡喃哒嗪哒嗪嘧啶嘧啶吡嗪吡嗪O12345S12345NH12345NNH12345NNH12345NO12345NS123456123451234

4、56杂环稠杂环杂环稠杂环苯稠杂环苯稠杂环稠杂环稠杂环二、命名：二、命名：音译法：音译法：“口口”字旁字旁+英文译音。英文译音。喹啉喹啉异喹啉异喹啉吲哚吲哚嘌呤嘌呤N1234567887654321NNH1234567NNNNH1234567891、当环上有取代基时：一般以杂环为、当环上有取代基时：一般以杂环为“母体母体”。编号原则：含一个杂原子时：把杂原子作编号原则：含一个杂原子时：把杂原子作1号，沿着使取代号，沿着使取代基编号最小的方向用阿拉伯数字给环编号；或用希腊字母编号，基编号最小的方向用阿拉伯数字给环编号；或用希腊字母编号，与杂原子相连的碳为与杂原子相连的碳为-位，依次为位，依次为-

5、，-位。位。2-甲基呋喃甲基呋喃-甲基呋喃甲基呋喃3-硝基吡咯硝基吡咯 -硝基吡咯硝基吡咯NCH2CH2CH34-丙基吡啶丙基吡啶-丙基吡啶丙基吡啶NCH3123456783-甲基异喹啉甲基异喹啉CH3O12345NHNO2含多个杂原子时：按含多个杂原子时：按 O，S，NH，N 的顺序使杂原子的的顺序使杂原子的 编号最小。有固定编号的例外。编号最小。有固定编号的例外。 NN456123CH3SN45213OH34521NNHNH24-甲基嘧啶2-羟基噻唑2-氨基咪唑NNNNHNH213457696-6-氨基嘌呤氨基嘌呤2 2、当侧链为羧基、磺酸基、醛基等时：一般把杂环作取代基。、当侧链为羧基、

6、磺酸基、醛基等时：一般把杂环作取代基。OCHO2-2-呋喃甲醛（糠醛）呋喃甲醛（糠醛）NCOOH3-吡啶甲酸吡啶甲酸N45361782CH33-3-甲基异喹啉甲基异喹啉第二节第二节 五元杂环化合物五元杂环化合物一、吡咯、呋喃和噻吩的结构一、吡咯、呋喃和噻吩的结构NHOS吡咯、呋喃和噻吩这三个化合物都是平面型分子。碳原子与杂原子均以吡咯、呋喃和噻吩这三个化合物都是平面型分子。碳原子与杂原子均以sp2杂化，并以杂化，并以键相互连接构成五元环。每个碳原子和杂原子都剩下一个未参与键相互连接构成五元环。每个碳原子和杂原子都剩下一个未参与杂化的杂化的p轨道，互相平行。碳原子的轨道，互相平行。碳原子的p轨道

7、有一个轨道有一个p电子，而杂原子的电子，而杂原子的p轨道有轨道有2个个p电子，形成了一个环型封闭的电子，形成了一个环型封闭的6电子共轭体系，电子共轭体系，电子数符合休克尔电子数符合休克尔（Hckel）规则。因此，呋喃、噻吩、吡咯都表现出与苯相似的芳香性。）规则。因此，呋喃、噻吩、吡咯都表现出与苯相似的芳香性。 OSNH 在呋喃、噻吩、吡咯分子中，由于杂原子的未共用在呋喃、噻吩、吡咯分子中，由于杂原子的未共用电子对参与了共轭（电子对参与了共轭（6个个电子分布在由电子分布在由5个原子组成的个原子组成的分子轨道中），使环上的电子云密度增加，因此环中分子轨道中），使环上的电子云密度增加，因此环中碳原子

8、的电子云密度相对地大于苯中碳原子的电子云碳原子的电子云密度相对地大于苯中碳原子的电子云密度，所以此类杂环称为富电子芳杂环或多密度，所以此类杂环称为富电子芳杂环或多电子芳杂电子芳杂环。比苯环。比苯容易进行亲电取代。容易进行亲电取代。 由于杂原子氧、硫、氮的电负性比碳原子大，使得由于杂原子氧、硫、氮的电负性比碳原子大，使得环上电子云密度分布不象苯环那样均匀，所以呋喃、环上电子云密度分布不象苯环那样均匀，所以呋喃、噻吩、吡咯分子中各原子间的键长并不完全相等，因噻吩、吡咯分子中各原子间的键长并不完全相等，因此其芳香性比苯差。由于杂原子的电负性强弱顺序是：此其芳香性比苯差。由于杂原子的电负性强弱顺序是：

9、氧氮硫，所以芳香性强弱顺序如下：苯噻吩氧氮硫，所以芳香性强弱顺序如下：苯噻吩吡咯呋喃。吡咯呋喃。v 呋喃存在于松木焦油中，其蒸气遇到浸过盐呋喃存在于松木焦油中，其蒸气遇到浸过盐酸的松木片时呈绿色，叫做松木片反应。此现象酸的松木片时呈绿色，叫做松木片反应。此现象可用来鉴定呋喃。可用来鉴定呋喃。v 噻吩存在于煤焦油的粗苯及石油中，在浓硫噻吩存在于煤焦油的粗苯及石油中，在浓硫酸存在下，与吲哚醌一同加热显示蓝色，反应灵酸存在下，与吲哚醌一同加热显示蓝色，反应灵敏。可用来检验噻吩。敏。可用来检验噻吩。v 吡咯存在于煤焦油和骨焦油中，其蒸气或其吡咯存在于煤焦油和骨焦油中，其蒸气或其醇溶液能使浸过盐酸的松木

10、片呈红色，此反应可醇溶液能使浸过盐酸的松木片呈红色，此反应可用来鉴定吡咯。用来鉴定吡咯。二二 、吡咯呋喃和噻吩的性质、吡咯呋喃和噻吩的性质、吡咯的酸碱性、吡咯的酸碱性 吡咯是一种很弱的碱（吡咯是一种很弱的碱（pKb=13.6) 原因：原因：N上的一对电子参与了共轭。上的一对电子参与了共轭。吡咯具有一定的酸性（吡咯具有一定的酸性（pKa=17.5)原因：原因：N 的给电子共轭效应，使得的给电子共轭效应，使得N上的电子云上的电子云密度降低，密度降低，N-H键的极性增加。键的极性增加。NH+ KOHH2ONK+-+、亲电取代反应、亲电取代反应亲电取代反应的位置：主要是亲电取代反应的位置：主要是位。位

11、。原因：原因： 位的电子云密度高。位的电子云密度高。SNOH溴代反应的相对活性溴代反应的相对活性 3 310 610 610 510 510 110 1188111)1)卤化卤化 吡咯、呋喃、噻吩的卤代不需要催化剂，在较低温度吡咯、呋喃、噻吩的卤代不需要催化剂，在较低温度下就能进行。下就能进行。NHBr2/乙醇0NHBrBrBrBrBrOBr2/二氧六环0O80%BrSBr2/乙醇0S78%2)2)硝化硝化 吡咯、呋喃、噻吩遇强酸及氧化剂很容易使环破坏，吡咯、呋喃、噻吩遇强酸及氧化剂很容易使环破坏，所以其硝化反应需要在比较温和的条件下进行所以其硝化反应需要在比较温和的条件下进行CH3COONO

12、2HNNaOH/Ac2O/5HNHNNO2NO283%+7%CH3COONO2-5-30NO2OO35%CH3COONO2NO2S70%SAc2O/0+HN3)3)磺化磺化 呋喃、吡咯必须用吡啶的三氧化硫加合物作为磺呋喃、吡咯必须用吡啶的三氧化硫加合物作为磺 化剂，噻吩可直接用硫酸磺化。化剂，噻吩可直接用硫酸磺化。100 CoNSO3+-90%HNSO3H+OOSO3HNSO3+-二二氯氯乙乙烷烷HClSSSO3H95%H2SO469%76%4)4)傅傅- -克酰化反应克酰化反应 呋喃、吡咯和噻吩用酸酐或酰氯在傅呋喃、吡咯和噻吩用酸酐或酰氯在傅氏催化剂作用下发生酰基化反应。氏催化剂作用下发生酰

13、基化反应。N150200HHAc2OCOCH3N60%OAc2OCOCH3OBF375%92%SAc2OCOCH3S94%H3PO4（三）、加成反应（三）、加成反应H2/NiOO四四氢氢呋呋喃喃（THF）H2/PdNHHN 四四氢氢吡吡咯咯（吡吡咯咯烷烷）SSH2/MoS2三、吡咯的衍生物三、吡咯的衍生物 吡咯存在于煤焦油和骨油中，无色液体，有弱吡咯存在于煤焦油和骨油中，无色液体，有弱的苯胺味。的苯胺味。其衍生物广泛存在于自然界中。如：血红素、叶绿素、其衍生物广泛存在于自然界中。如：血红素、叶绿素、VB12及各种生物碱。及各种生物碱。NNNNHH卟卟吩吩卟吩环是卟啉化合物的母体，具有芳香性。叶

14、绿卟吩环是卟啉化合物的母体，具有芳香性。叶绿素和血红素都是卟啉化合物。素和血红素都是卟啉化合物。CH=CH2R1CH2CH3CH3ROOCCH2CH2H3CH3C2+NNNNMgOCH3OOCR= Me2CH(CH2)3CH(CH2)3CH(CH2)3C=CHCH2MeMeMeR1= CH3R1= CHO叶绿素a叶绿素 b（蓝绿色）（黄绿色）铜可取代镁，仍显绿色，且更稳定。常用来浸制铜可取代镁，仍显绿色，且更稳定。常用来浸制植物标本。植物标本。 CH=CH2CH3CH=CH2CH3CH2CH2COOHHOOCCH2CH2H3CH3CNNNNFe+Cl-血红素血红素COCO与血红蛋白配合的能力比

15、氧大与血红蛋白配合的能力比氧大200200倍！倍！ HNONSOOHOHRENH2HNOHNSOOHOHRNHEHNONSOOHOHRHNOHNSOOHOHROH青青霉霉素素酶酶活性酶活性酶无活性酶无活性酶青霉素青霉素四、青霉素四、青霉素第二节第二节 芳香六元杂环芳香六元杂环一、吡啶的结构一、吡啶的结构N1.430.841.010.87未参与共轭未参与成键sp2N N. 环中的五个碳原子和一个氮原子均以环中的五个碳原子和一个氮原子均以sp2杂化轨道相互重叠形成杂化轨道相互重叠形成键，每键，每个原子提供一个个原子提供一个p轨道相互平行形成大轨道相互平行形成大键。键。符合符合H Hckelckel

16、规则，具有规则，具有芳香性芳香性。在吡啶的分子中，由于氮原子电负性大于碳原子，电子云向氮原子偏移，使得在吡啶的分子中，由于氮原子电负性大于碳原子，电子云向氮原子偏移，使得环上的电子云密度分布不均，所以其芳香性比苯差，由于氮原子的吸电子作用，环上的电子云密度分布不均，所以其芳香性比苯差，由于氮原子的吸电子作用，使吡啶环上碳原子的电子云密度相对降低，因此环中碳原子的电子云密度相对使吡啶环上碳原子的电子云密度相对降低，因此环中碳原子的电子云密度相对地小于苯中碳原子的电子云密度，所以此类杂环称为地小于苯中碳原子的电子云密度，所以此类杂环称为缺电子芳杂环。缺电子芳杂环。二、吡啶的性质二、吡啶的性质(一一

17、)水溶性水溶性原因：原因：N上的孤电子对未参加共轭。上的孤电子对未参加共轭。碱性顺序：脂肪胺氨气吡啶苯胺吡咯碱性顺序：脂肪胺氨气吡啶苯胺吡咯 能与水互溶（其氮原子上的一对未公用电子能与水互溶（其氮原子上的一对未公用电子对能与水形成氢键）对能与水形成氢键）(二二) ) 碱性碱性NHCl+NHCl-+N HCl 或吡啶盐酸盐(三三) )、亲电取代与亲核取代反应、亲电取代与亲核取代反应亲电取代反应位置：亲电取代反应位置：位。位。 原因：原因： 位电子云密度较大。位电子云密度较大。1 1亲电取代亲电取代发烟 H2SO4250（71%）NSO3H -吡吡啶啶磺磺酸酸NKNO3，300HNO3，H2SO4

18、（20%）NNO2N -硝硝基基吡吡啶啶300（33%）NBrBr2-溴溴吡吡啶啶N2 2、亲核取代反应、亲核取代反应当当和和位有好的离去基团（卤素，硝基等）时，弱的位有好的离去基团（卤素，硝基等）时，弱的亲核试剂（亲核试剂（NHNH3 3，H H2 2O O等）就能反应。等）就能反应。亲核取代反应的位置：亲核取代反应的位置：位和位和位，特别是位，特别是位。位。原因：原因： 位和位和位电子云密度低位电子云密度低NNNH2NaNH2100NNaOH,H2ONClOH4-羟基吡啶(四四)、氧化与还原、氧化与还原NCH3NCOOHKMnO4吡啶环比苯环难氧化吡啶环比苯环难氧化 ，环上连有烃基时，侧链可被，环上连有烃基时，侧链可被氧化氧化吡啶还原后生成饱和的仲胺哌啶吡啶还原后生成饱和的仲胺哌啶N+ 3H2PtNH三、嘧啶及其衍生物三、嘧啶及其衍生物NN无色固体，熔点无色固体，熔点22，易，易溶于水，有弱碱性。溶于水，有弱碱性。胞嘧啶（胞嘧啶（C）（）（4-氨基氨基-2-羟基嘧啶）羟基嘧啶）存在于存在于DNA中中NH2HONNNH2ONNHOHHONNONNOHH尿嘧啶（尿嘧啶（U）（）（2，4-二羟基嘧啶）二羟基嘧啶）存在于存在于RNA中中OHHONNONNOHHCH3CH3胸腺嘧啶