第十章 杂环化合物和生物碱

1、第十章 杂环化合物和生物碱第一节 杂环化合物分子中含有由碳原子和其它原子共同组成的环的化合物称为杂环化合物。杂环中的非碳原子称为杂原子，最常见的杂原子有N、O、S等。象环醚、内酯、环酐及内酰胺等似乎也应属于杂环化合物。但是，由于这些环状化合物容易开环形成脂肪族化合物，其性质又与相应的脂肪族化合物类似，因此，一般不放在杂环化合物中讨论。一.杂环化合物的分类和命名(一)分类 根据环数的多少分为单杂环和多杂环；单杂环又可根据成环原子数的多少分为五元杂环及六元杂环等；多杂环可分为稠杂环、桥杂环及螺杂环，其中以稠杂环较为常见。(二)命名杂环化合物的名称包括杂环母体及环上取代基两部分。杂环母环的命名有音译

2、法和系统命名法2种。1.音译法 音译法是用外文谐音汉字加“口”偏旁表示杂环母环的名称。如呋喃、吡咯等. 呋喃 噻吩 吡咯 噻唑 吡唑 咪唑吡啶 哒嗪 嘧啶 吡嗪 吡喃 喹啉 异喹啉 吲哚2.系统命名法系统命名法是把杂环看作杂原子转换了相应碳环中的碳原子，命名时以相应的碳环为母体，在碳环名称前加上杂原子的名称，称为“某（杂）某”。如吡啶称为氮（杂）苯，喹啉称为1-氮（杂）萘。 氧杂茂(呋喃) 硫杂茂(噻吩) 氮杂苯(吡啶) 氮杂茂(吡咯)杂环上有取代基时,应标明取代基的位次. 杂环母环的编号规则:(1)含1个杂原子的杂环，从杂原子开始用阿拉伯数字或从靠近杂原子的碳原子开始用希腊字母编号。(2)如

3、有几个不同的杂原子时，则按O、S、-NH-、-N=的先后顺序编号，并使杂原子的编号尽可能小。(3)有些稠杂环母环有特定的名称和编号原则。 2-硝基吡咯 4-甲基吡啶 2-甲基-5-苯基噻唑 (-硝基吡咯) (-甲基吡啶) 3-甲基-8-羟基喹啉 1-甲基-7-氯异喹啉 1-甲基-2-巯基咪唑 2-呋喃甲醛（糠醛） 2-噻吩磺酸 3-吡啶甲酰胺(-呋喃甲醛) (-噻吩磺酸) (-吡啶甲酰胺)二. 杂环化合物的结构和性质(一) 杂环化合物的结构 五元环中的呋喃、吡咯、噻吩和六元环中的吡啶是具有代表性的杂环母核,在结构上存在一些共同的特点:1.环上的C原子和杂原子都是以SP2杂化轨道相重叠,形成键的

4、,各原子处在同一平面上.2.环内原子中未参加杂化的P-轨道,均垂直于环的平面,且相互重叠,形成闭合的大键. 电子数符合休克尔规则(4n+2),所以表现出与苯相似的芳香性. 但由于环中杂原子的电负性大小不同，电子云密度平均化程度也不同，所以芳香性强弱有所差异。其中氧原子的电负性较大，不易提供电子参与共轭体系，因此呋喃环上电子云密度平均化程度较小，芳香性也较弱。硫原子电负性在三者中最小，参与共轭的双是一对3P电子，电子受核约束力较小容易供出，因此噻吩环上电子云密度平均程度较大，芳香性较强。除吡啶外,它们的芳香性都小于电子云密度高度平均化的苯环. 芳香性: 吡啶 > 苯 > 噻吩 >

5、; 吡咯 > 呋喃(二) 杂环化合物的性质1.亲电取代呋喃、吡咯和噻吩的分子中杂原子提供了2个电子参与环的共轭，使环碳原子电子云密度有所增大，因而亲电取代反应比苯容易进行，且主要发生在位上;而吡啶的亲电取代比苯难,且主要发生在位上.亲电取代反应的活性顺序为: 呋喃 > 吡咯> 噻吩 > 苯> 吡啶(1)卤代反应 呋喃、噻吩、吡咯比苯活泼，一般不需催化剂就可直接卤代. -溴代呋喃 -溴代噻唑吡咯极易卤代，例如与碘-碘化钾溶液作用，生成的不是一元取代产物，而是四碘吡咯。 2,3,4,5-四碘吡咯吡啶的卤代反应比苯难，不但需要催化剂，而且要在较高温度下进行。 -溴代吡啶

6、 (2)硝化反应 在强酸作用下, 呋喃与吡咯很容易开环而形成聚合物,因此,不能像苯一样用一般方法进行硝化,而必须用特殊硝化剂. 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（CH3COONO2）和在低温度下进行，硝基主要进入-位.吡啶的硝化反应需在浓酸和高温下才能进行，硝基主要进-位。 (3)磺化反应呋喃、吡咯对酸很敏感，强酸能使它们开环聚合，因此常用温和的非质子磺化试剂，如用吡啶与三氧化硫的加合物作为磺化剂进行反应.-呋喃磺酸 -吡咯磺酸噻吩对酸比较稳定，室温下可与浓硫酸发生磺化反应。 -噻吩磺酸吡啶在硫酸汞催化和加热的条件下才能发生磺化反应。 -吡啶磺酸 (4)酰化反应酰化反应

7、常采用较温和的催化剂如SnCl4、BF3等，对活性较大的吡咯可不用催化剂，直接用酸酐酰化。吡啶一般不进行酰化反应。 -乙酰基呋喃 -乙酰基吡咯 2.氧化反应 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。吡啶对氧化剂相当稳定，比苯还难氧化。例如，吡啶的烃基衍生物在强氧化剂作用下只发生侧链氧化，生成吡啶甲酸，而不是苯甲酸. -吡啶甲酸 -吡啶甲酸 ,- 吡啶二甲酸3.还原反应 呋喃、噻吩、吡咯均可进行催化加氢反应，产物是失去芳香性的饱和杂环化合物. 吡啶比苯易还原，如金属钠和乙醇就可使其氢化. 四氢呋喃 四氢噻吩 四氢吡咯（吡咯烷） 六氢吡啶喹啉催化加氢，氢加在杂环上

8、，说明杂环比苯环易被还原。 四氢喹啉 4.吡咯和吡啶酸碱性含氮化合物的碱性强弱主要取决于氮原子上未共用电子对与H+的结合能力。在吡咯分子中，由于氮原子上的未共用电子对参与环的共轭体系，使氮原子上电子云密度降低，吸引H+的能力减弱。另一方面，由于这种p-共轭效应使与氮原子相连的氢原子有离解成H+的可能，所以吡咯不但不显碱性，反而呈弱酸性，可与碱金属、氢氧化钾或氢氧化钠作用生成盐。吡啶氮原子上的未共电子对不参与环共轭体系，能与H+结合成盐，所以吡啶显弱碱性，比苯胺碱性强，但比脂肪胺及氨的碱性弱得多。三.重要的杂环化合物及其衍生物(一) 呋喃及其衍生物 呋喃存在于松焦油中,是具有醚类香味的液体,不溶

9、于水而易溶于酒精及乙醚.把- 呋喃甲酸加热脱羧,则生成呋喃, 呋喃遇盐酸浸湿过的松木片显绿色,称松木片反应.- 呋喃甲醛(俗名糠醛)由农副产品如甘蔗杂渣、花生壳、高粱杆、棉子壳等用稀酸加热蒸煮制取. 糠醛是良好的溶剂，常用作精练石油的溶剂，以溶解含硫物质及环烷烃等。可用于精制松香，脱出色素，溶解硝酸纤维素等。糠醛是有机合成的重要原料,广泛用于制造油漆、树脂、农药及医药等。 呋喃唑酮(痢特灵)(二) 吡咯及其衍生物 吡咯存在于煤焦油和骨焦油中,是具有氯仿气味的无色液体.少量吡咯蒸气遇盐酸浸湿过的松木片显红色. 最重要的吡咯衍生物是含有四个吡咯环和四个次甲基(-CH= )交替相连组成的大环化合物称

10、为卟吩环.其取代物称为卟啉族化合物. 卟啉族化合物广泛分布与自然界。血红素，叶绿素都是含 环的卟啉族化合物。在血红素中环络合的是Fe，叶绿素环络合的是Mg.(三) 吡啶及其衍生物 吡啶为有特殊臭味的无色液体，沸点115.5，相对密度0.982，可与水、乙醇、乙醚等任意混和。吡啶存在于煤焦油和骨焦油中，吡啶衍生物广泛存在于自然界，例如，植物所含的生物碱不少都具有吡啶环结构，维生素PP、维生素B6、辅酶及辅酶也含有吡啶环。吡啶是重要的有机合成原料（如合成药物）、良好的有机溶剂和有机合成催化剂。 维生素PP包括-吡啶甲酸和-吡啶甲酰胺. 维生素B6包括吡哆醇、吡哆醛与吡哆胺.存在于蔬菜、鱼、肉、蛋类

11、等中，它们参与生物体中的转氨作用，是维持蛋白质正常代谢必要的维生素. 此外,烟碱(尼古丁)也是吡啶衍生物 (四)吡唑和噻唑的衍生物 1. 噻唑的衍生物噻唑是含一个硫原子和一个氮原子的五元杂环，无色，有吡啶臭味的液体，沸点117，与水互溶，有弱碱性，是稳定的化合物。一些重要的天然产物几合成药物含有噻唑结构，如青霉素、维生素B1等。(1) 维生素B1 (2)青霉素 青霉素(3) 磺胺噻唑(五) 嘧啶及其衍生物嘧啶本身不存在于自然界，其衍生物在自然界分布很广，脲嘧啶、胞嘧啶、胸腺嘧啶是遗传物质核酸的重要组成部分，微生素B1也含有嘧啶环。合成药物磺胺嘧啶也含这种结构。 磺胺嘧啶 磺胺二甲嘧啶 (六)

12、吲哚及其衍生物 吲哚是白色结晶，熔点52.5。极稀溶液有香味，可用作香料，浓的吲哚溶液有粪臭味。吲哚的重要衍生物有-甲基吲哚和-吲哚乙酸等. 吲哚 低浓度的吲哚乙酸能促进植物生长，其主要作用是能加速插技作物的生根，但浓度较高时则抑制作物的生长.第二节 生物碱一.概述(一)定义：有生理作用的含氮碱性化合物.(二)提取方法：1.稀酸提取法将含生物碱的植物捣碎,稀酸浸泡生物碱盐阳离子交换树脂,生物碱阳离子留在交换树脂上稀氢氧化钠溶液洗脱有机溶剂提取,浓缩生物碱结晶.2.有机溶剂提取法将含生物碱的植物捣碎稀碱拌匀研磨使生物碱析出有机溶剂提取,浓缩生物碱结晶.(三)生物碱试剂 凡能与生物碱作用生成沉淀，

13、或产生颜色的试剂，统称为生物碱试剂，1.沉淀试剂沉淀试剂即能与生物碱作用生成沉淀的试剂,如丹宁、苦味酸、硅钨酸、磷钼酸、碘-碘化钾、碘化汞钾（HgI2+KI）等，可以使生物碱由水中沉淀出来。某些生物碱能与碘-碘化钾生成棕红色沉淀;与磷钼酸生成黄褐色或蓝色沉淀;与硅钨酸形成白色沉淀.2.显色试剂 显色试剂即能与生物碱发生显色反应的试剂,它们大多是氧化剂或脱水剂,如高锰酸钾、重铬酸钾、浓硝酸、浓硫酸、钒酸铵及甲醛的浓硫酸溶液等. 重铬酸钾的浓硫酸溶液使吗啡显绿色; 浓硫酸使秋水仙碱显黄色; 钒酸铵的浓硫酸溶液使吗啡显棕色,而使奎宁显淡橙色. 颜色反应可用于生物碱的鉴定.二.重要的生物碱1.烟碱(尼

14、古丁Nicotine) 烟碱是存在于烟草中的生物碱，为无色液体,既溶于水又溶于有机溶剂. 烟碱有剧毒,少量对中枢神经有兴奋作用,能增高血压,大量时可抑制中枢神经,使心脏麻痹而死亡. 烟碱可作农业杀虫剂,能杀死蚜虫等.2.麻黄碱 麻黄碱是含于麻黄中的一种生物碱,俗称麻黄素.是一种不含杂环的生物碱,属仲胺. 麻黄碱为无色晶体,易溶于水和氯仿、酒精和乙醚等有机溶剂. 麻黄碱有兴奋交感神经,增高血压,扩张气管的作用,可用于治疗支气管哮喘等.3.颠茄碱 颠茄碱在医用上叫阿托品,存在于颠茄、曼陀罗、天仙子等植物中,是白色结晶,易溶于氯仿和酒精中,难溶于水,有苦味.医疗上用作抗胆碱药,用于平滑肌痉挛,胃和十

15、二指肠溃疡等.4.秋水仙碱 秋水仙碱是灰黄色针状结晶,可溶于水或酒精中,易溶于氯仿 秋水仙碱毒性较大,具有抗癌作用,临床上用于治疗乳腺癌和皮肤癌等.5.喜树碱 喜树碱是从我国的喜树中提取出的喹啉族生物碱,为白色结晶,有抗白血病及抗癌作用.临床上用于治疗肝癌、胃癌、头颈部肿瘤和白血病. 6.吗啡碱 吗啡碱是鸦片中含量最多的生物碱,属异喹啉族生物碱,是微溶于水的结晶,有苦味. 吗啡对中枢神经有麻醉作用,有极快的镇痛效力,是医药上常用的局部麻醉剂.但它是一种成瘾药物,将羟基上的氢换成乙酰基,即为海洛因,是一种比吗啡更易上瘾的药物,临床上可用来减轻晚期癌症患者的痛苦. 7. 小檗碱 小檗碱是存在于黄柏和黄连中的异喹啉族生物碱,又名黄连素,为黄色结晶,味苦,易溶于水.药用的是黄连素的盐酸盐,是抑制痢疾、杆菌、链球菌及葡萄球菌的抗菌药物.8.可可碱、茶碱和咖啡碱 可可