《有机化学》第11章杂环化合物和生物碱

有机化学主讲：xxx目录1绪论2链烃3环烃4卤代烃5醇、酚和醚6醛、酮和醌8取代羧酸9对映异构10含氮、磷、硫的有机化合物11杂环化合物和生物碱12糖类化合物13脂类、萜类及甾族化合物14氨基酸和蛋白质7羧酸及其衍生物15实验实训第11章杂环化合物和生物碱11.1杂环化合物11.2生物碱章节导航本章导读此外，人工合成的各种杂环化合物还可用于制作药物、杀虫剂、除草剂、染料、塑料等。本章将介绍杂环化合物的结构、分类、命名、性质等，并重点介绍一类较重要的杂环化合物——生物碱。杂环化合物广泛存在于自然界中，它是与生物学有关的重要化合物。杂环化合物核酸维生素抗生素激素色素生物碱学习目标【知识目标】熟悉杂环化合物的结构。熟悉杂环化合物及生物碱的分类和命名。掌握杂环化合物及生物碱的性质。了解杂环化合物及生物碱的主要代表物。学习目标【素质目标】激发爱党、爱国、爱社会主义的热情。树立客观、严谨、细致的工作作风。培养勤于思考、探索未知、不怕困难的科学精神。【技能目标】掌握常见杂环化合物、生物碱的鉴别方法。11.1杂环化合物想一想咪唑类衍生物（如甲硝唑）、吡啶类衍生物（如十六烷基溴化吡啶）、噻唑、咪唑啉、三嗪衍生物、异噻唑啉酮、聚季噻嗪、聚吡啶、聚喹啉、氯己定等杀菌剂都是杂环化合物。这些杂环化合物主要通过杂环上的活性部分，与细菌体内的脱氧核糖核酸（以下简称DNA）的碱基形成氢键，破坏细菌的DNA结构，使之失去复制能力而死亡。哪些原子可以构成杂环化合物的环状结构？十六烷基溴化吡啶噻唑咪唑啉异噻唑啉酮指构成环的原子除碳原子外，还至少含有一个杂原子（如氧、硫、氮等）的结构杂环结构指分子中含有杂环结构的有机化合物杂环化合物杂环化合物呋喃噻吩吡咯吡啶重要的杂环化合物，下面以这4类化合物为例，介绍杂环化合物的结构。11.1.1杂环化合物的结构11.1.1杂环化合物的结构

吡啶、吡咯、呋喃、噻吩的结构11.1.2杂环化合物的分类和命名按照分子中环的大小和环的数目不同，可对杂环化合物进行如下分类，如图所示。1．杂环化合物的分类11.1.2杂环化合物的分类和命名杂环化合物的命名比较复杂，通常采用音译法，有时也根据相应的碳环化合物名称来类比命名。2．杂环化合物的命名1）音译法音译法是根据IUPAC推荐的通用名称，按外文名词音译而来，用带“口”字旁的同音汉字命名。例如：furanthiophene

pyrrole

pyridinepyran

呋喃

噻吩

吡咯

吡啶

吡喃11.1.2杂环化合物的分类和命名使用音译法应注意以下几点。（1）按照环中杂原子位次为1，开始依次用阿拉伯数字2、3、4……编号；也可以从与杂原子相邻的碳原子开始，用希腊字母α、β、γ……编号。2．杂环化合物的命名1）音译法（2）当杂环上有多个相同杂原子时，应使它们的位次编号之和最小。（3）当杂环上有多个不同杂原子时，则按O、S、NH、N的先后顺序编号。通常，如果将杂环视为主体，则用阿拉伯数字编号；如果将杂环视为取代基，则用希腊字母编号。提示11.1.2杂环化合物的分类和命名（4）某些杂环的编号是固定的。例如：2．杂环化合物的命名1）音译法11.1.2杂环化合物的分类和命名（5）若杂环上有取代基，可先确定杂环母体的标号和名称，然后按次序规则将取代基的位次、数目、名称写在杂环母体的名称前。例如：2．杂环化合物的命名1）音译法当杂环上连有—COOH、—CHO、—SO3H等基团时，应将杂环作为取代基，上述基团作为母体命名。例如：2-溴噻吩

3-氨基吡啶

3-甲基吲哚3-呋喃甲醛

3-吡啶甲酰胺

3-吡喃磺酸即学即练用音译法命名下列化合物。a．d．b．c．e．f．11.1.2杂环化合物的分类和命名根据相应的碳环化合物名称对杂环化合物进行类比命名，即将杂环看成是相应碳环中的碳原子被杂原子置换而形成的。例如，呋喃、噻吩、吡咯可分别看成是茂（也称环戊二烯）的碳环中一个碳原子被氧原子、硫原子、氮原子置换而形成的，因此称之为氧茂、硫茂、氮茂，即2．杂环化合物的命名2）根据相应的碳环化合物名称类比命名氮茂茂氧茂硫茂11.1.2杂环化合物的分类和命名2．杂环化合物的命名2）根据相应的碳环化合物名称类比命名例如，吡啶可看成是苯环上的一个碳原子被氮原子置换而形成的，因此称之为氮苯；另外，与音译法类似，如果杂环结构上有多个相同杂原子，应使它们的位次编号之和最小。即

苯

氮苯

1，3-二氮苯11.1.3杂环化合物的性质杂环化合物可进行亲电取代反应、氧化还原反应等，且不同的杂环化合物可表现出不同的酸碱性。1．亲电取代反应亲电取代反应主要发生在α位上，β位较少。提示亲电取代反应是呋喃、噻吩、吡咯的典型反应，如卤代、硝化、磺化、乙酰化等反应。由于呋喃、噻吩、吡咯各自环上的电子云密度比苯大，因此它们比苯容易发生亲电取代反应。同时，杂环稳定性比苯差，需要在较温和的条件下反应，以避免氧化、开环或聚合等副反应的发生。1）卤代反应杂环化合物的氢原子可被卤素原子取代，发生卤代反应。例如：1．亲电取代反应2）硝化反应杂环化合物的氢原子可被硝基取代，发生硝化反应。例如：硝酸乙酰脂

2-硝基呋喃11.1.3杂环化合物的性质3）磺化反应杂环化合物的氢原子可被磺基取代，发生磺化反应。例如：1．亲电取代反应4）乙酰化反应呋喃、噻吩、吡咯可与乙酸酐发生酰化反应。例如：

2-吡咯磺酸

2-噻吩磺酸

2-乙酰吡咯吡啶不发生乙酰化反应。提示11.1.3杂环化合物的性质呋喃、噻吩、吡咯的杂环结构易被氧化开环。吡啶的杂环结构在氧化剂作用下比较稳定，比苯难氧化，但是氧化剂可氧化吡啶杂环结构上的取代烃基生成羧酸类化合物。例如，高锰酸钾氧化α-苯基吡啶，得到的是α-吡啶甲酸，而不是苯甲酸；β-甲基吡啶被氧化可得到β-吡啶甲酸，即2．氧化还原反应1）氧化反应11.1.3杂环化合物的性质α-吡啶甲酸β-吡啶甲酸（又称烟酸）与氧化反应相反，呋喃、噻吩、吡咯比苯易发生加氢还原反应，在催化加氢条件下或使用还原剂都可以使其发生还原反应。例如：2．氧化还原反应2）还原反应11.1.3杂环化合物的性质下面以吡咯和吡啶为例，介绍杂环化合物的酸碱性。吡咯的结构可看成是环状仲胺，其碱性远低于仲胺，有微弱的酸性，可发生以下反应。3．酸碱性11.1.3杂环化合物的性质吡啶分子中的氮原子为杂sp2化，氮原子中的孤对电子可接受H+，因此吡啶显弱碱性，可发生以下反应。1．呋喃及其衍生物11.1.4重要的杂环化合物及其衍生物呋喃存在于松焦油中，在常温下为具有醚类香味的液体，不溶于水而溶于乙醇、乙醚遇盐酸浸过的松木片显绿色，该过程称为呋喃的松木片反应α-呋喃甲酸加热脱羧，可生成呋喃α-呋喃甲醛是重要的呋喃衍生物。在工业上，可通过甘蔗渣、花生壳、棉籽壳、高粱秆、燕麦壳和玉米芯等农副产品与稀硫酸共热蒸馏制取α-呋喃甲醛。这些原料中的一种碳水化合物——多缩戊糖，在酸的作用下，先生成戊醛糖，再进一步脱水生成α-呋喃甲醛，即1．呋喃及其衍生物11.1.4重要的杂环化合物及其衍生物α-呋喃甲醛最初是通过米糠与稀酸共热制得的，因此也称糠醛。知识角常见的由α-呋喃甲醛制成的药品有呋喃妥因（也称痢特灵）、呋喃唑酮（见图）等。1．呋喃及其衍生物11.1.4重要的杂环化合物及其衍生物α-呋喃甲醛纯净的α-呋喃甲醛在常温下为无色液体，易被空气氧化而略带黄色或棕色遇苯胺醋酸盐溶液呈深红色，此反应可用于α-呋喃甲醛的定性鉴别重要的化工原料，可用于制作酚醛树脂、农药、药品等2．吡咯及其衍生物11.1.4重要的杂环化合物及其衍生物吡咯存在于煤焦油和骨焦油中，在常温下为具有氯仿气味的无色液体，在空气中会被迅速氧化而变黑在微量无机酸的作用下易聚合成暗红色树脂状物少量的吡咯蒸气遇盐酸浸过的松木片显红色，该过程称为吡咯的松木片反应吡咯吡咯的衍生物广泛分布于自然界中，其中最重要的为卟啉化合物。卟啉化合物都具有相同的基本骨架——卟吩环（见图）。卟吩环是由4个吡咯环的α-碳原子通过次甲基（即—CH==）交替连接起来的、含有18个π电子的大芳香体系。11.1.4重要的杂环化合物及其衍生物2．吡咯及其衍生物卟吩环是否符合休克尔规则？谈一谈常见的卟啉化合物有叶绿素、血红素和维生素B12等。叶绿素、血红素的分子结构如下。11.1.4重要的杂环化合物及其衍生物2．吡咯及其衍生物维生素B12存在于动物的肝脏中，为暗红色结晶体，是抗恶性贫血的药物。作为络合物，维生素B12分子中的中心原子为钴，因此维生素B12又称钴胺素。

R为CHO时是叶绿素b，R为CH3时是叶绿素a

血红素噻唑的分子是含有一个硫原子和一个氮原子的五元杂环，其分子结构如下。11.1.4重要的杂环化合物及其衍生物3．噻唑及其衍生物噻唑在常温下为无色、有吡啶臭味的液体，易与水互溶，有弱碱性。在维生素B1和青霉素G中含有噻唑结构，即

维生素B1

青霉素G知识角维生素B1又称硫胺素，在常温下为白色晶体，易潮解，溶于水，稍溶于乙醇，其分子中含有一个噻唑环和一个嘧啶环。维生素B1普遍存在于米糠、麦麸、瘦猪肉、花生、黄豆及酵母中。人体缺乏维生素B1时，会引起脚气病、心血管疾病及多发性神经炎等。咪唑的分子是含有两个氮原子的五元杂环，其分子结构如下。11.1.4重要的杂环化合物及其衍生物4．咪唑咪唑在常温下为无色固体，熔点为90℃，易溶于水，碱性较噻唑强。咪唑分子中3号位上的氮原子能与氢离子结合，因此咪唑可与强酸生成稳定的盐，例如：咪唑还有微弱的酸性，与吡咯类似，—NH—中的H原子可被碱金属原子置换，从而生成盐类化合物。咪唑环比噻唑环较容易发生亲电取代反应，如卤代、硝化和磺化等。11.1.4重要的杂环化合物及其衍生物5．吲哚及其衍生物吲哚吲哚由吡咯环与苯环稠和而成的，存在于煤焦油中纯吲哚的稀溶液很香，可用于制作茉莉香精在常温下为无色片状晶体，有粪便气味，与β-甲基吲哚（也称粪臭素）共存于粪便中11.1.4重要的杂环化合物及其衍生物5．吲哚及其衍生物β-吲哚乙酸吲哚的重要衍生物，广泛存在于植物幼芽中，能刺激植物生长，可作为植物生长素在常温下为无色晶体，微溶于水，易溶于乙醇、乙醚等有机溶剂简述音译法。简述呋喃和吡咯的松木片反应。课堂检测课堂小结杂环化合物杂环化合物的结构杂环化合物的分类和命名杂环化合物的分类杂环化合物的命名杂环化合物的性质杂环化合物的性质氧化还原反应酸碱性杂环化合物的性质呋喃及其衍生物吡咯及其衍生物噻唑及其衍生物咪唑吲哚及其衍生物11.2生物碱想一想生物碱是一种主要从植物中萃取的有机化合物，通常是由氧、氢、碳和氮等元素组成。有些生物碱有毒，有些生物碱具有一定的医疗意义。我们在日常生活中经常会遇到生物碱，例如，咖啡、巧克力等物质中都含有生物碱。生活中还有哪些物质中含有生物碱？11.2.1生物碱概述生物碱一般为结构比较复杂的多环有机化合物，且分子中大多存在含氮的杂环。它存在于生物体内，并对人和动物有强烈的生理作用。但是生物碱毒性大，适量能治病，量大时会使人中毒，甚至死亡。由于生物碱主要存在于植物中，因此又称植物碱。吗啡碱有镇痛作用麻黄碱有止咳平喘作用喹啉碱能治疗疟疾知识角生物碱是人们研究最早和最广泛的一类中草药有效成分。从各种植物和极少数动物中分离出的生物碱有数千种，许多生物碱的结构已经确定，其中具有良好疗效并投产的生物碱有100多种。生物碱的分类方法很多，常见的方法如下。1．生物碱的分类11.2.2生物碱的分类和命名生物碱根据生物碱分子结构的不同，即根据分子中杂环种类的不同有机胺类吡咯衍生物类咪唑衍生物类吡啶衍生物类嘌呤衍生物类异喹啉衍生物类吲哚衍生物类莨菪烷类喹唑酮类甾体类生物碱大多根据其来源命名。例如，从麻黄中提取的生物碱称为麻黄碱。2．生物碱的命名11.2.2生物碱的分类和命名例如，从长春花中分离出的生物碱称为长春碱。知识链接生物碱在生物体内的存在形式多种多样。在提取时，应考虑生物碱的性质和存在形式，以选择适宜的提取溶剂和方法。除个别具有挥发性或升华性的生物碱（如麻黄碱）可用水蒸气蒸馏法提取外，大多数生物碱用溶剂提取法。生物碱的提取方法常见的溶剂提取法酸水液提取法醇类溶剂提取法亲脂性有机溶剂提取法知识链接1）酸水液提取法酸水液提取法适用于能溶解于水的生物碱。采用偏酸性的水溶液作为溶剂，使生物碱与酸反应生成盐，以提高提取效率。在植物体中，碱性较强的生物碱多以盐的形式存在，而弱碱性或中性的生物碱则以不稳定的盐或游离碱的形式存在，因此常用体积分数为0.5%～2%的乙酸、盐酸等作为溶剂进行提取。2）醇类溶剂提取法游离生物碱及其盐一般都能溶于甲醇和乙醇，因此常用它们作为提取生物碱的溶剂。甲醇的极性比乙醇的极性大，对生物碱的溶解性比乙醇好，沸点也比乙醇低，但对视神经的毒性很大，因此通常将乙醇作为提取生物碱的溶剂。生物碱的提取方法知识链接3）亲脂性有机溶剂提取法大多数游离的生物碱都是脂溶性的，因此可用亲脂性有机溶剂作为提取生物碱的溶剂，如氯仿、二氯甲烷或苯等。由于生物碱一般以盐的形式存在于植物细胞中，因此采用亲脂性有机溶剂提取法前，要先使生物碱盐转变为游离碱，该过程称为碱化，方法是用石灰乳、碳酸钠溶液或稀氨水等碱水将植物粉末润湿。在实际生产中，通常采用反复进行醇类溶剂提取法—酸水液提取法—碱化—亲脂性有机溶剂提取法的流程。生物碱的提取方法大多数生物碱在常温下为无色或白色晶体，少数为有颜色的液体，难溶于水，易溶于乙醇、乙醚、氯仿和苯等有机溶剂。生物碱大多数具有旋光性，自然界中存在的生物碱一般为左旋体。1．物理性质11.2.3生物碱的性质2．化学性质1）碱性11.2.3生物碱的性质由于生物碱具有含氮杂环而多呈碱性，能与无机酸或有机酸结合生成盐，这些生物碱盐一般易溶于水。临床上常利用生物碱的这种特性将生物碱类药物制成易溶于水的盐类进行使用，如硫酸阿托品、磷酸可待因等。生物碱盐遇到强碱时，生物碱可以游离出来，利用这一特性可对生物碱进行分离和提纯。2．化学性质2）沉淀反应11.2.3生物碱的性质生物碱与某些化合物反应，可生成不溶性的沉淀，这些化合物称为沉淀试剂。常见的沉淀试剂磷钼酸硅钨酸苦味酸碘化汞钾碘化铋钾沉淀效果最好2．化学性质3）显色反应11.2.3生物碱的性质生物碱与某些化合物可发生显色反应，这些化合物称为显色试剂。重铬酸钾的浓硫酸溶液能使吗啡显绿色；浓硫酸能使秋水仙碱显黄色。知识角常见的显色试剂高锰酸钾重铬酸钾浓硝酸甲醛的浓硫酸溶液利用生物碱的显色反应，可进行色谱分析，以鉴定生物碱的种类。1．小檗碱11.2.4重要的生物碱小檗碱是黄连的主要成分，存在于黄连、黄柏等小檗科植物中，其分子中含有异喹啉环。小檗碱在常温下为黄色晶体，味很苦，易溶于热水和热乙醇中，不溶于乙醚，有很强的抗菌作用，常用于治疗细菌性痢疾、胃肠炎等疾病，其结构简式如下。2．烟碱11.2.4重要的生物碱烟碱又称尼古丁，存在于烟叶中，其分子中含有吡啶环。烟碱在常温下为微黄色液体，沸点为246℃，溶于水。吸烟有害健康！提示有兴奋中枢神经、升高血压的作用少量烟碱会抑制中枢神经系统，使心脏麻痹，甚至导致机体死亡大量烟碱烟碱可用来制作杀虫剂，以杀死蚜虫、蓟马、木虱等害虫。烟碱的结构简式如下。3．麻黄碱11.2.4重要的生物碱麻黄碱晶形似冰，又称冰毒，能成瘾，因此麻黄碱为严格控制的药品。麻黄碱俗称麻黄素，分子中有两个手性碳原子为仲胺，是不含杂环的生物碱，因此不能和沉淀试剂发生沉淀反应。麻黄碱的盐酸盐较麻黄碱稳定在常温下