杂环化合物与生物碱课件

1、杂环化合物与生物碱第十四章第十四章 杂环化合物与生物碱杂环化合物与生物碱杂环化合物与生物碱本章讲解：本章讲解：u1、杂环化合物的分类与命名掌握u2、杂环化合物的结构理解u3、杂环化合物的化学性质理解u4、生物碱了解杂环化合物与生物碱14.1 14.1 杂环化合物的分类与命名杂环化合物的分类与命名 “杂环杂环”就是组成环的原子除就是组成环的原子除C外，还含有其它元素的原外，还含有其它元素的原子，这些非碳原子统称为子，这些非碳原子统称为杂原子杂原子。原则上二价以上的元素都。原则上二价以上的元素都可以成为杂原子，但最常见的是可以成为杂原子，但最常见的是O、S和和N。但不包括极易开环的含杂原子的环状化

2、合物：但不包括极易开环的含杂原子的环状化合物： 因其性质与相应的脂肪族化合物较相似，因此并入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。脂肪族化合物中讨论，而不列为杂环化合物。N-HCCOOO杂环化合物与生物碱14.1 14.1 杂环化合物的分类与命名杂环化合物的分类与命名 本章讨论的杂环化合物主要环内有本章讨论的杂环化合物主要环内有4n+2个个电子处于电子处于环闭共轭体系中，环闭共轭体系中，统称为统称为芳芳(香香)杂环化合物杂环化合物。吡啶吡啶 呋喃呋喃 噻吩噻吩 吡咯吡咯 其它不具芳香性的杂环化合物，统称为其它不具芳香性的杂环化合物，统称为非芳香非芳

3、香杂环化合物或杂脂环化合物。杂环化合物或杂脂环化合物。 哌啶哌啶 四氢呋喃四氢呋喃S杂环化合物与生物碱常见的杂环化合物如下：常见的杂环化合物如下： 杂环化合物与生物碱常见的杂环化合物如下：常见的杂环化合物如下： 杂环化合物与生物碱14.1 14.1 杂环化合物的分类与命名杂环化合物的分类与命名 杂环的命名杂环的命名常用音译法常用音译法，是按外文名词音译，是按外文名词音译成带成带“口口”字旁的同音汉字。字旁的同音汉字。NHOSNNN(pyrrole)(furan)(thiophene)(pyridine)(pyrimidine)NNNNHNNH(quinoline)(indole)(purine

4、)吡咯呋喃噻吩吡啶嘧啶喹啉吲哚嘌呤杂环化合物与生物碱ONSNNNNHN123451234512345123456 咪唑咪唑 噻唑噻唑 噁唑噁唑 嘧啶嘧啶 编号从杂原子开始。遇两相同杂原子编号从杂原子开始。遇两相同杂原子, 则则由带取代基由带取代基(或或H)的杂原子开始。含多个不同的杂原子开始。含多个不同杂原子杂原子, 则按则按 O、S、 N-R、NH、N 顺序编号。顺序编号。杂环化合物与生物碱14.2 14.2 杂环化合物的结构杂环化合物的结构一、呋喃、噻吩、吡咯一、呋喃、噻吩、吡咯 呋喃、噻吩、吡咯分子中所有的原子呋喃、噻吩、吡咯分子中所有的原子共平面共平面，具有，具有与苯环类似的结构。与苯

5、环类似的结构。 吡咯吡咯( )： sp2杂化轨道psp2轨道p轨道s轨道N Np轨道H HN:2s 2p23N-H杂环化合物与生物碱14.2 14.2 杂环化合物的结构杂环化合物的结构环状离域的大环状离域的大键键, 5个原子共用个原子共用6个电子个电子,为为富富电子体系。电子体系。杂环化合物与生物碱14.2 14.2 杂环化合物的结构杂环化合物的结构呋喃呋喃( )： OO:2s 2p24杂化轨道p轨道p轨道s轨道p轨道sp2sp2O O杂化轨道sp2噻吩噻吩( )具有与呋喃相似的结构。具有与呋喃相似的结构。 S杂环化合物与生物碱14.2 14.2 杂环化合物的结构杂环化合物的结构 呋 喃呋 喃

6、环中的杂环中的杂原子原子O O ( (噻噻吩中为吩中为S S) )的的1 1个个spsp2 2杂化轨道杂化轨道上有一对上有一对未共用电未共用电子对。子对。环状离域的大环状离域的大键键, 5个原子共用个原子共用6个电子个电子,为为富富电子体系。电子体系。sp2S杂环化合物与生物碱 五元杂环为五元杂环为 56 共轭体系，电荷密度比苯大，如共轭体系，电荷密度比苯大，如以苯环上碳原子的电荷密度为标准（作为以苯环上碳原子的电荷密度为标准（作为1），则五），则五元杂环化合物的有效电荷分布为（以吡咯为例）：元杂环化合物的有效电荷分布为（以吡咯为例）： 五元杂环有芳香性，五元杂环有芳香性，但其芳香性不如苯环，

7、因但其芳香性不如苯环，因环上的环上的电子云密度比苯环大，且分布不匀电子云密度比苯环大，且分布不匀，它们，它们在亲电取代反应中的速率也比要苯快得多。在亲电取代反应中的速率也比要苯快得多。OSNH000000+ 0.1- 0.03- 0.02+ 0.20- 0.06- 0.04+ 0.32- 0.10- 0.06111111NH0.681.101.06富电子芳杂环富电子芳杂环杂环化合物与生物碱二、二、 吡啶的结构吡啶的结构吡啶中氮原子采取吡啶中氮原子采取不等性不等性sp2杂化杂化： 结果是：Nsp2psp2pN 由于吡啶环中有由于吡啶环中有6中心中心6电子的大电子的大键，符合休克尔键，符合休克尔4

8、n+2规则，所以吡啶环亦有芳香性。但由于键长未完全规则，所以吡啶环亦有芳香性。但由于键长未完全平均化，其平均化，其芳香性不及苯芳香性不及苯。 杂环化合物与生物碱14.2 14.2 杂环化合物的结构杂环化合物的结构HHHHH由于吡啶环中氮原子上的一对孤对电子与苯环共由于吡啶环中氮原子上的一对孤对电子与苯环共平面（填入平面（填入sp2轨道中），不参与环状共轭体系，所以轨道中），不参与环状共轭体系，所以这一对孤对电子很容易给出去从而表现出这一对孤对电子很容易给出去从而表现出碱性碱性。杂环化合物与生物碱111111N1.430.841.010.87电荷分布亲电取代亲核取代N ，位位1.580.850.

9、950.82电子云向电负性较大的电子云向电负性较大的N原子转移，使原子转移，使吡啶环上的电吡啶环上的电荷分布也是不均匀的。荷分布也是不均匀的。电子云出现的几率密度如下：电子云出现的几率密度如下：吡啶环中吡啶环中C上上 电子云比苯低，这类电子云比苯低，这类芳杂环亦称为芳杂环亦称为“缺电子芳杂环缺电子芳杂环”。在性质上，亲电取代、氧化变难，亲核取代、还原变易；在性质上，亲电取代、氧化变难，亲核取代、还原变易；另外另外 N 能给出其未共用电子对，能给出其未共用电子对，具有具有一定程度的一定程度的碱性碱性，可成盐。，可成盐。杂环化合物与生物碱14.3 14.3 杂环化合物的化学性质杂环化合物的化学性质

10、1 1、呋喃、噻吩、吡咯的反应、呋喃、噻吩、吡咯的反应芳香性芳香性 ( (环的稳定性环的稳定性) )：苯：苯 噻吩噻吩 吡咯吡咯 呋喃呋喃 杂环中的杂环中的p p电子云分布不象苯环那样均匀，环的稳定电子云分布不象苯环那样均匀，环的稳定性因而不如苯。性因而不如苯。O的电负性的电负性(3.5)较大，故呋喃环较大，故呋喃环p p电子共轭电子共轭程度较弱，芳香性最小。程度较弱，芳香性最小。S的电负性的电负性(2.5)在三者中为最小，在三者中为最小，且且S为第三周期元素，原子半径较大，原子核对共轭为第三周期元素，原子半径较大，原子核对共轭p p电子电子的吸引力较小，故噻吩环的吸引力较小，故噻吩环p p电

11、子共轭程度较大，芳香性在电子共轭程度较大，芳香性在三者中是最大的。三者中是最大的。N的电负性的电负性(3.0)在在O、S之间，故吡咯的之间，故吡咯的芳香性介于呋喃与噻吩之间。芳香性介于呋喃与噻吩之间。杂环化合物与生物碱五元杂环化合物五元杂环化合物呋喃、噻吩、吡咯的反应呋喃、噻吩、吡咯的反应 为富电子芳杂环，亲电取代比苯容易。为富电子芳杂环，亲电取代比苯容易。亲电取代活性：呋喃、吡咯亲电取代活性：呋喃、吡咯 噻吩噻吩 苯苯 注意：注意：这些杂环进行亲电取代反应时，须用这些杂环进行亲电取代反应时，须用缓和的缓和的试剂试剂在在温和的条件温和的条件下进行下进行（遇强酸及氧化剂很容易（遇强酸及氧化剂很容

12、易使环破坏）。使环破坏）。 亲电取代反应主要在亲电取代反应主要在-位发生位发生；若；若-位位两个位两个位置已有基团存在，则亲电取代在置已有基团存在，则亲电取代在位发生。位发生。杂环化合物与生物碱(1) 亲电取代亲电取代O+卤代Br2OBr+HBr。1,4-二氧六环25 C，75%SBr2乙酸/室温SBrNHBr2乙醇（稀释）/NHBrBrBrBr（四溴吡咯）（2-溴噻吩）卤代卤代杂环化合物与生物碱硝化O+CH3COONO2ONO2CH3COONO2+SNO2S醋酸硝酰 一种弱的硝化试剂，或噻吩开环聚合！不用强酸，否则呋喃乙酰基硝酸酯乙酰基硝酸酯(CH3COONO2)，一种弱的，一种弱的硝化试剂

13、，常在低温下进行硝化试剂，常在低温下进行硝化硝化杂环化合物与生物碱HH！不能用强酸NC5H5N SO3NSO3HOSO3HC5H5N SO3O磺化吡啶三氧化硫，一种温和的磺化剂SSSO3H室温H2SO4浓（苯在室温下不能磺化（苯在室温下不能磺化！）！）2吡咯磺酸吡咯磺酸磺化磺化杂环化合物与生物碱(2)(2)加成加成: :O+H2ONH2+NPdPdHHTHF,重要溶剂吡咯烷，R2NH的性质（）SH2,MoS2200 C,20MPa。S四氢噻吩KMnO4SOO环丁砜，重要溶剂含硫，可使催化剂中毒!+OOOOOCCOOO23411432呋喃环具有共轭双烯的性质！杂环化合物与生物碱(3)(3)傅傅-

14、 -克酰基化反应克酰基化反应: :杂环化合物与生物碱(4) (4) 吡咯的弱碱性和弱酸性吡咯的弱碱性和弱酸性吡咯虽然是一个仲胺，但碱性很弱。吡咯虽然是一个仲胺，但碱性很弱。吡咯具有弱酸性，其酸性介与乙醇和苯酚之间。吡咯具有弱酸性，其酸性介与乙醇和苯酚之间。NHNHNH2Kb3.8 10-102 10-42.5 10-14原因： 上的未共用电子对参与了环的共轭体系，减弱了与 的结合力。NHNHOHKa =1.3 10-101 10-181 10-15CH3CH2OH杂环化合物与生物碱K+ KOH(s)+ H2O吡咯能与固体吡咯能与固体KOH加热生成盐：加热生成盐：Question：吡咯加氢变成四

15、氢吡咯：吡咯加氢变成四氢吡咯 后，后，碱性为什么大大加强？碱性为什么大大加强？催化加氢催化加氢Kb： 2.510-14 210-4杂环化合物与生物碱2 2、六元杂环化合物、六元杂环化合物吡啶的反应吡啶的反应碱性比较：脂肪胺碱性比较：脂肪胺 苯胺苯胺Kb： 10-5 2.310-9 3.610-10（1）、碱性与成盐）、碱性与成盐 吡啶的环外有一对未作用的孤对电子，吡啶的环外有一对未作用的孤对电子，具有碱性具有碱性，易接受亲电试剂而成盐。吡啶的碱性小于氨大于苯胺。易接受亲电试剂而成盐。吡啶的碱性小于氨大于苯胺。Question：吡啶、吡咯、苯胺、哌啶四种化合物碱性强弱顺序？吡啶、吡咯、苯胺、哌啶

16、四种化合物碱性强弱顺序？ NNHNH2NH碱性：杂环化合物与生物碱+N+ HClNCl-+H吡啶盐酸盐）（NNCH3 + CH3II-吡啶季铵盐）（NN+ SO3SO3+-（吡啶三氧化硫，温和磺化剂）杂环化合物与生物碱 比苯难得多，比苯难得多，吡啶不发生傅吡啶不发生傅-克反应克反应。 亲电取代主要发生在亲电取代主要发生在-位上位上。 (2) 亲电取代亲电取代N + Br2以上C。300NBrNN+ H2SO4C。350SO3HNNC。NO2+ 混酸30024h吡啶磺酸溴代吡啶硝基吡啶（产率很低 ）6， 约例：杂环化合物与生物碱吡啶环对氧化作用较苯环稳定，而对还原剂比苯活泼。吡啶环对氧化作用较苯

17、环稳定，而对还原剂比苯活泼。CH3HNO3或或KMnO4，D DCO2H -吡啶甲酸吡啶甲酸(烟酸烟酸)KMnO4，D DCO2H(3) (3) 氧化与还原氧化与还原杂环化合物与生物碱Na + C2H5OHH六氢吡啶六氢吡啶(哌啶哌啶) (95%)H2 / Pt ,乙酸 H杂环化合物与生物碱3 3、稠杂环、稠杂环吲哚吲哚12345671258喹啉喹啉3467苯并吡咯苯并吡啶杂环化合物与生物碱NHCH2COOH吲哚乙酸植物激素，少量能调节植物生长，量大则杀伤植物。如在侧链多一个 就失去生理效能。CH2应用：应用：NCH3OCHHONCH CH2奎宁（金鸡钠碱） 存在于金鸡钠树皮中，有抗疟疾疗效杂

18、环化合物与生物碱嘌呤嘌呤 嘌呤在水溶液中可发生嘌呤在水溶液中可发生酮式酮式-烯醇式互变异构烯醇式互变异构。在晶态时以在晶态时以7H-嘌呤嘌呤存在。存在。 1 7 9 3 9H-嘌呤嘌呤 1 7 3 9 7H-嘌呤嘌呤 6 1 5 7 2 4 8 39有特定的编号有特定的编号6 - 氨基嘌呤氨基嘌呤NNNHNH2N杂环化合物与生物碱嘌呤的取代衍生物嘌呤的取代衍生物: :6-6-氨基嘌呤氨基嘌呤( (腺嘌呤腺嘌呤) )2-2-氨基氨基-6-6-羟基嘌呤羟基嘌呤( (鸟嘌呤鸟嘌呤) )2,6-2,6-二羟基嘌呤二羟基嘌呤( (黄嘌呤黄嘌呤) )NH2OHNH2OHHONH2OHNH2OHHONH2O

19、HNH2OHHO 嘌呤嘌呤是生物体内的一种重要碱基其在人体内是生物体内的一种重要碱基其在人体内的分解代谢产物就是的分解代谢产物就是尿酸。尿酸。 杂环化合物与生物碱痛风（英语：痛风（英语：gout，学名：，学名：metabolic arthritis）又称）又称“高尿高尿酸血症酸血症”， 是人体内有一种叫作嘌呤的物质的新陈代谢发生是人体内有一种叫作嘌呤的物质的新陈代谢发生了紊乱，尿酸（嘌呤的氧化代谢产物）的合成增加或排出减了紊乱，尿酸（嘌呤的氧化代谢产物）的合成增加或排出减少，造成高尿酸血症，当血尿酸浓度过高时，尿酸即以钠盐少，造成高尿酸血症，当血尿酸浓度过高时，尿酸即以钠盐的形式沉积在关节、软

20、组织、软骨和肾脏中，引起组织的异的形式沉积在关节、软组织、软骨和肾脏中，引起组织的异物炎性反应，就叫痛风。物炎性反应，就叫痛风。杂环化合物与生物碱14.4 14.4 生物碱生物碱 生物碱生物碱是生物体内一类具有一定生理活性的是生物体内一类具有一定生理活性的含氮有机含氮有机化合物化合物。多数属于。多数属于仲胺、叔胺仲胺、叔胺和和季铵类季铵类，少数为，少数为伯胺伯胺，常含常含氮杂环氮杂环结构，且多具有碱性。结构，且多具有碱性。1：烟碱，尼古丁：烟碱，尼古丁(nicotine)CH3存在于烟叶中，有剧毒。少量存在于烟叶中，有剧毒。少量对中枢神经有兴奋作用，大量则对中枢神经有兴奋作用，大量则抑制中枢神

21、经，出现恶心、呕吐抑制中枢神经，出现恶心、呕吐,使心脏麻痹以至死亡。使心脏麻痹以至死亡。1978年美年美国报告，国报告，1支烟含烟碱支烟含烟碱0.052.5mg.含吡啶环及四氢吡咯环含吡啶环及四氢吡咯环几种常见的生物碱几种常见的生物碱:杂环化合物与生物碱例例2：可卡因可卡因(cocain)存在于大麻、鸦片中，存在于大麻、鸦片中，为中枢神经兴奋剂，可为中枢神经兴奋剂，可致欣快症。为成瘾毒物。致欣快症。为成瘾毒物。仲胺仲胺HN CO2 CH3 HHO-C-C6H5 O例例3：吗啡吗啡(morphine) 、可待因、可待因(codein)和海洛因和海洛因(heroin)R=R1=H morphine

22、 R=CH3, R1=H codeinR=R1=CO-CH3 heroinNCH3R OR1 O叔胺叔胺杂环化合物与生物碱 2.生物碱的沉淀反应生物碱的沉淀反应: 生物碱可与生物碱可与生物碱试剂生物碱试剂（如苦（如苦味酸、碘化汞钾等）发生味酸、碘化汞钾等）发生沉淀反应沉淀反应。生物碱的一般性质生物碱的一般性质: 1.一般性状：一般性状：多为无色或白色固体，少数为液体，味苦。多为无色或白色固体，少数为液体，味苦。大都有旋光性，且多为左旋。游离生物碱一般难溶于水易溶大都有旋光性，且多为左旋。游离生物碱一般难溶于水易溶于有机溶剂，亦能溶于稀酸生成盐，生物碱的盐类则易溶于于有机溶剂，亦能溶于稀酸生成盐，生物碱的盐类则易溶于水难溶于有机溶剂。水难溶于有机溶剂。生物碱生物碱生物碱盐生物碱盐H+OH-杂环化合物与生物碱常用的常用的生物碱沉淀试剂生物碱沉淀试剂( (反应通常在酸性介质中进行反应通常在酸性介质中进行) )Dragendorff 碘化铋钾碘化铋钾 BiI3KI BBiI3HI 多为红棕多为红棕色色Hager 试剂试剂 苦味酸苦味酸2,4,6-三硝基苯酚三硝基苯酚 BH+ -O-Ph(NO2)3 晶型晶型Sonnen Schein 磷钼酸磷钼酸 H3PO412MoO3 3BH3PO