理学杂环化合物学习资料

1、理学杂环化合物杂环化合物是指组成环的原子中含有除碳以外的原子杂环化合物是指组成环的原子中含有除碳以外的原子(杂原子杂原子常见的是常见的是N、O、S等等)的环状化合物。的环状化合物。 杂环化合物不包括极易开环的含杂原子的环状化合物，例如：杂环化合物不包括极易开环的含杂原子的环状化合物，例如： 杂环化合物非芳香杂环芳杂环（符合休克尔规则的杂环）如如OONHNNHO,NHO,OOOOOO 一一.分类和命名分类和命名 杂环大体可分为：单杂环和稠杂环两类。杂环大体可分为：单杂环和稠杂环两类。稠杂环是由苯环与单杂环或有两个以上单杂环稠并而成。稠杂环是由苯环与单杂环或有两个以上单杂环稠并而成。 命名命名：按

2、外文名词译音，并以口做偏旁，表示环状化合物。按外文名词译音，并以口做偏旁，表示环状化合物。 例如：呋喃，读作例如：呋喃，读作“夫南夫南” 杂环编号：杂环编号： 单杂环编号时单杂环编号时,总是以杂原子为总是以杂原子为”1”位位. 环中有相同的原子则由带取代基的一个杂原子开始环中有相同的原子则由带取代基的一个杂原子开始. (或从离取代基最近的一个杂原子开始或从离取代基最近的一个杂原子开始.) 如果环中有两个或几个不同的杂原子如果环中有两个或几个不同的杂原子,则按照则按照 O-S-N的顺序编号的顺序编号. 例如例如:五元环五元环: NHOSNNHNNHNS 呋喃 噻吩 吡咯 咪唑 吡唑 噻唑五元环中

3、含多个杂原子的五元环中含多个杂原子的,其中有一个为氮原子的叫做唑其中有一个为氮原子的叫做唑. 六元环六元环: ON621345NN621345NN621345 吡喃 吡啶 咪啶 吡嗪 稠杂环稠杂环 NHNNNNHO111222333444555666777889 吲哚 嘌呤 苯并吡喃NNNNNN111222333444555666777888 喹啉 异喹啉 喋啶二二.几种重要环系的结构与性质几种重要环系的结构与性质 1.呋喃、噻吩、吡咯、吡啶的结构呋喃、噻吩、吡咯、吡啶的结构呋喃、噻吩、吡咯在结构上具有共同点，即构成环的五个呋喃、噻吩、吡咯在结构上具有共同点，即构成环的五个原子都为原子都为sp

4、2杂化，故成环的五个原子处在同一平面，杂原杂化，故成环的五个原子处在同一平面，杂原子上的孤对电子参与共轭形成共轭体系，其子上的孤对电子参与共轭形成共轭体系，其电子数符合电子数符合休克尔规则（休克尔规则（电子数电子数 = 4n+2），所以，它们都具有芳香性。），所以，它们都具有芳香性。 OSNHSONH56为共轭体系电子= 6符合4n + 2具有芳性富电子芳环NNNH上的孤电子对在 轨道上，参与环内共轭，为富电子芳环。上的孤电子对在 轨道上，在环外未参与环内共轭。成环原子共平面体系C_ sp2N_ sp2 66NPsp2N吡啶的结构吡啶的结构由于吡啶环的由于吡啶环的N上在环外有一孤对电子，故吡啶

5、环上的电荷分上在环外有一孤对电子，故吡啶环上的电荷分布不均。布不均。 N1.430.841.010.87电荷分布亲电取代亲核取代N ，位位2.呋喃、噻吩、吡咯、吡啶的性质呋喃、噻吩、吡咯、吡啶的性质（1）亲电取代反应亲电取代反应 NH+4I2NHIIII+4HI同芳环一样同芳环一样, ,可以发生某些亲电取代反应。例如可以发生某些亲电取代反应。例如吡咯与碘的吡咯与碘的碘化钾溶液作用，得到四碘代吡咯，而不是一元取代产物。碘化钾溶液作用，得到四碘代吡咯，而不是一元取代产物。噻吩在室温就能与浓硫酸发生磺化反应：噻吩在室温就能与浓硫酸发生磺化反应：S+H2SO4SSO3H+H2O由煤焦油所得的粗苯中总含

6、有噻吩，由于噻吩与苯的沸点由煤焦油所得的粗苯中总含有噻吩，由于噻吩与苯的沸点相近，很难用分馏的方法除去，利用噻吩比苯容易磺化的相近，很难用分馏的方法除去，利用噻吩比苯容易磺化的特点，可以与苯分离，这是制备无噻吩苯的常用方法。特点，可以与苯分离，这是制备无噻吩苯的常用方法。 杂原子具有杂原子具有+C效应，活化杂环。效应，活化杂环。 亲电取代反应活性顺序：亲电取代反应活性顺序： 吡咯吡咯 呋喃呋喃 噻吩噻吩 苯。苯。试试推断呋喃、吡咯、噻吩发生亲电取代反应，比苯容易发生推断呋喃、吡咯、噻吩发生亲电取代反应，比苯容易发生 还是难发生还是难发生？ 位比位比 位活泼。亲电取代主要发生在位活泼。亲电取代主

7、要发生在 位。位。 亲亲电取代发生在电取代发生在 位还是位还是 位位？吡啶比苯难于发生亲电反应，使吡啶硝化需要吡啶比苯难于发生亲电反应，使吡啶硝化需要300 以上以上的高温。取代基主要进入的高温。取代基主要进入位：位：N+ HNO3H2SO4370NNO2由于吡啶环上的电子密度低，所以吡啶容易发生亲核的由于吡啶环上的电子密度低，所以吡啶容易发生亲核的取代或加成反应。取代或加成反应。（2）氧化氧化NNKMnO4HOOC呋喃、噻吩、吡咯非常活波，容易发生氧化反应，在空气中呋喃、噻吩、吡咯非常活波，容易发生氧化反应，在空气中就能被氧化。而就能被氧化。而 吡啶稳定难于氧化如以高锰酸钾氧化吡啶稳定难于氧

8、化如以高锰酸钾氧化苯基吡啶，得到得是苯基吡啶，得到得是吡啶甲酸，而不是苯甲酸。吡啶甲酸，而不是苯甲酸。由此说明吡啶环比苯环还要难于被氧化。由此说明吡啶环比苯环还要难于被氧化。（3）还原还原吡咯、呋喃、噻吩容易被还原，产物为饱和环系。吡咯、呋喃、噻吩容易被还原，产物为饱和环系。 ONHSH2, PdH2,PdH2, NiONHS四氢呋喃四氢吡咯( THF )不能用 催化因噻吩能使 中毒PdPd噻吩在化学还原剂的作用下，可被部分还原为二氢衍生物，如：噻吩在化学还原剂的作用下，可被部分还原为二氢衍生物，如：SNa +C2H5OHSS+吡啶在催化氢化时，得到六氢吡啶：吡啶在催化氢化时，得到六氢吡啶：H

9、2, PdNNH(4).(4).吡咯与吡啶的碱性吡咯与吡啶的碱性 吡咯：弱酸性吡咯：弱酸性 原因：共轭给电子作用。原因：共轭给电子作用。可与可与NaOH，KOH成盐，而不与成盐，而不与HCl及弱酸成盐。及弱酸成盐。 吡啶：显碱性吡啶：显碱性 原因：诱导吸电子作用。原因：诱导吸电子作用。可与酸成盐（相当于叔胺）可与酸成盐（相当于叔胺） 三三.与生物有关的杂环及其衍生物与生物有关的杂环及其衍生物1.1. 呋喃及呋喃及-呋喃甲醛呋喃甲醛 H2SO4稀CHO呋喃甲醛CHO(CHOH)3CH2OH+3H2O呋喃是一种无色易挥发的液体，沸点为呋喃是一种无色易挥发的液体，沸点为32，不溶于水，易，不溶于水，

10、易溶于乙醇、乙醚等有机溶剂。溶于乙醇、乙醚等有机溶剂。-呋喃甲醛俗名叫做糠醛，是呋喃甲醛俗名叫做糠醛，是由米糠、玉米芯、花生壳等农产品废料进行酸性水解得到。由米糠、玉米芯、花生壳等农产品废料进行酸性水解得到。鉴别反应：苯胺醋酸盐与糠醛作用，显深红色，可以用于糠鉴别反应：苯胺醋酸盐与糠醛作用，显深红色，可以用于糠醛或戊糖的鉴别。醛或戊糖的鉴别。2.吡咯吡咯 、叶绿素、血红素及维生素、叶绿素、血红素及维生素B B1212 鉴别：少量的吡咯蒸汽遇到蘸有盐酸的松木片，显红色，鉴别：少量的吡咯蒸汽遇到蘸有盐酸的松木片，显红色，称为松木片反应。称为松木片反应。（1）.吡咯吡咯 吡咯存在于煤焦油和骨焦油中，

11、是无色液体，沸点吡咯存在于煤焦油和骨焦油中，是无色液体，沸点131，难溶与水，易溶于乙醇，乙醚、苯等有机溶剂。易被氧化，难溶与水，易溶于乙醇，乙醚、苯等有机溶剂。易被氧化，在空气中即可在空气中即可 被氧化，而变为褐色。被氧化，而变为褐色。（2）.吡咯的重要衍生物吡咯的重要衍生物 最重要的吡咯衍生物是含有四个吡咯环和四个次甲基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。其取代物称为卟啉族化合物。交替相连组成的大环化合物。其取代物称为卟啉族化合物。12345678NHNHNN卟啉族化合物广泛分布于自然界。血红素，叶绿素都是含卟吩环卟啉族化合物广泛分布于自然

12、界。血红素，叶绿素都是含卟吩环的卟啉族化合物。在血红素中卟吩环络合的是的卟啉族化合物。在血红素中卟吩环络合的是Fe，叶绿素中卟吩，叶绿素中卟吩环络合的是环络合的是Mg。 叶绿素与蛋白质结合存在于植物的叶和绿色的茎中。植叶绿素与蛋白质结合存在于植物的叶和绿色的茎中。植物光合作用时，叶绿素吸收太阳能转变为化学能，是植物光合作用时，叶绿素吸收太阳能转变为化学能，是植物进行光合作用时必需的催化剂。自然界的叶绿素不是物进行光合作用时必需的催化剂。自然界的叶绿素不是一个单纯的化合物，而是由两种叶绿素组合而成，即蓝一个单纯的化合物，而是由两种叶绿素组合而成，即蓝绿色的叶绿素绿色的叶绿素a（熔点：（熔点：11

13、7120 ）和黄绿色的叶绿）和黄绿色的叶绿素素b（熔点：（熔点：120130 ） ，两者的比例为：，两者的比例为：3：1。血红素血红素血红素是高等动物体内输送氧的物质，它与蛋白质结合成血血红素是高等动物体内输送氧的物质，它与蛋白质结合成血红蛋白而存在于红血球中，以盐酸水解血红蛋白，即得氯化红蛋白而存在于红血球中，以盐酸水解血红蛋白，即得氯化血红素。血红素。维生素维生素B12 也是含有类似于卟吩环的复杂分子，它是天然产也是含有类似于卟吩环的复杂分子，它是天然产物中结构最复杂的化合物之一，但不属于高分子化合物。物中结构最复杂的化合物之一，但不属于高分子化合物。维生素维生素B12 又名钴胺素，存在于

14、动物肝脏中，为暗红色针状又名钴胺素，存在于动物肝脏中，为暗红色针状结晶，是抗恶性贫血的药物。结晶，是抗恶性贫血的药物。NNONH2NNNHHONH2NH2OCH3CH3HCH3CH3ONNCH3OHNH2ONH2OOPOCH3CH3HHHCH3CH3HCH3OHCH3CH3OHHOHOOCoCN维生素维生素B12的结构的结构3.吡啶吡啶、 维生素维生素PP、 维生素维生素B6以及雷米封以及雷米封吡啶存在于煤焦油页岩油和骨焦油中，吡啶衍生物广泛存在吡啶存在于煤焦油页岩油和骨焦油中，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，于自然界，例如，植物所含的生物碱不少都具有吡

15、啶环结构，维生素维生素PP、维生素、维生素B6、雷米封也含有吡啶环。吡啶是重要、雷米封也含有吡啶环。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。成催化剂。 维生素维生素PP是是B族维生素之一，它参与机体的氧化还原过程，族维生素之一，它参与机体的氧化还原过程，能促进组织新陈代谢，降低血中胆固醇，体内缺乏维生素能促进组织新陈代谢，降低血中胆固醇，体内缺乏维生素PP时能引起糙皮病，所以维生素时能引起糙皮病，所以维生素PP也叫抗糙皮病维生素。也叫抗糙皮病维生素。维生素维生素PP包括包括-吡啶甲酸及吡啶甲酸及-吡啶甲酰胺两种

16、物质，二者吡啶甲酰胺两种物质，二者的生理作用相同。它们都是白色结晶，对酸的生理作用相同。它们都是白色结晶，对酸、碱、热都比较、碱、热都比较稳定，存在于肉类、肝、肾、花生、米糠以及酵母等中。稳定，存在于肉类、肝、肾、花生、米糠以及酵母等中。NCOOHNCONH2-吡啶甲酸() -吡啶甲() -吡啶甲酰胺是辅酶吡啶甲酰胺是辅酶及辅酶及辅酶 中的一个重要组成部分，中的一个重要组成部分，辅酶辅酶是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，简称是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，简称NAD:NAD:在酶的作用下，在酶的作用下，NAD+的正碳离子的特定面与乙醇的正碳离子的特定面与乙醇C1位上的位上的H接接近，进攻正碳离子将乙醇近，进攻正

17、碳离子将乙醇C1位上的氢以负氢（位上的氢以负氢（H-）形式移去，）形式移去，NAD+被还原为被还原为NADH，乙醇正碳离子去质子化即氧化成乙醛。，乙醇正碳离子去质子化即氧化成乙醛。此反应过程正如下式所示此反应过程正如下式所示：维生素维生素B6包括吡哆醇包括吡哆醇、吡哆醛、与吡哆胺。、吡哆醛、与吡哆胺。维生素维生素B6在自在自然界分布很广，存在于蔬菜、鱼、肉、谷物、蛋类等中，然界分布很广，存在于蔬菜、鱼、肉、谷物、蛋类等中，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。要的维生素。NCH2OHCH2OHHOH3CNCH2OHCHO

18、HOH3CNCH2OHCH2NH2HOH3C 吡哆醇 吡哆醛 吡哆胺NCONHNH2异烟酰肼雷米封是异烟酰肼的俗名，是抗结核药物，雷米封的结构雷米封是异烟酰肼的俗名，是抗结核药物，雷米封的结构与与-吡啶甲酰胺相似，其作用是干扰结核菌正常利用吡啶甲酰胺相似，其作用是干扰结核菌正常利用-吡吡啶甲酰胺而使其不能生长繁殖。啶甲酰胺而使其不能生长繁殖。4.维生素维生素B1维生素维生素B1 （盐酸硫胺素）（盐酸硫胺素）维生素维生素B1是嘧啶的重要衍生物之一，在医药上叫做硫胺素。是嘧啶的重要衍生物之一，在医药上叫做硫胺素。维生素维生素B1是维持糖的正常代谢必需的物质，体内缺乏维生素是维持糖的正常代谢必需的物

19、质，体内缺乏维生素B1时，可引起多发性神经炎、脚气病及食欲不振等。维生素时，可引起多发性神经炎、脚气病及食欲不振等。维生素B1存在于米糠、麦麸、瘦肉、花生、豆类、酵母等中。存在于米糠、麦麸、瘦肉、花生、豆类、酵母等中。5.吲哚及吲哚及-吲哚乙酸吲哚乙酸-吲哚乙酸是植物激素，少量能调节植物生长，量大则杀伤植物。吲哚乙酸是植物激素，少量能调节植物生长，量大则杀伤植物。NHCH2COOH吲哚乙酸吲哚是白色结晶，熔点吲哚是白色结晶，熔点52.5。极稀溶液有香味，可用作香料，。极稀溶液有香味，可用作香料，浓的吲哚溶液有粪臭味。素馨花、柑桔花中含有吲哚。吲哚和浓的吲哚溶液有粪臭味。素馨花、柑桔花中含有吲哚

20、。吲哚和吡咯相似，有弱酸性及红色的松片反应。吡咯相似，有弱酸性及红色的松片反应。6.花色素花色素花色素是一类重要的植物色素，它们与糖结合成苷存在于花色素是一类重要的植物色素，它们与糖结合成苷存在于花或果实中，叫做花色苷。花色素具有花或果实中，叫做花色苷。花色素具有2-苯基苯并吡喃的苯基苯并吡喃的骨架，在骨架，在3- ，5- ，7-，3-,4-,5- 等处常常代有羟基。等处常常代有羟基。O2-苯基苯并吡喃花色苷的颜色随介质的花色苷的颜色随介质的pH及环境中不同金属离子而改变。及环境中不同金属离子而改变。颜色的改变是由于在不同介质中结构发生变化所致。颜色的改变是由于在不同介质中结构发生变化所致。O

21、OHOOHOOpH78O+OOHOOO-OOHOOpH11OHOH7.嘌呤及核酸嘌呤及核酸嘌呤是嘧啶和咪唑并联的稠环体系，它有两种互变异构体：嘌呤是嘧啶和咪唑并联的稠环体系，它有两种互变异构体：嘌呤为无色晶体，熔点嘌呤为无色晶体，熔点216217，易溶于水，其水溶液，易溶于水，其水溶液呈中性，但能与酸或碱成盐。纯嘌呤环在自然界不存在，呈中性，但能与酸或碱成盐。纯嘌呤环在自然界不存在，嘌呤的衍生物广泛存在于动植物体内，嘌呤的衍生物广泛存在于动植物体内，如如尿酸。尿酸。NNNHNNNNNH( )( )嘌呤嘌呤9H7HHNNHNHNHNNNHNOOOOHHOOH核酸是除蛋白质及多糖以外的又一类有重要

22、生理作用的天然核酸是除蛋白质及多糖以外的又一类有重要生理作用的天然高分子化合物，它们存在于所有细胞的细胞核中。核酸与高分子化合物，它们存在于所有细胞的细胞核中。核酸与植物的生长植物的生长、繁殖繁殖、遗传变异有着极为密切的关系。遗传变异有着极为密切的关系。核酸是由多个核苷酸组成的高分子化合物，核苷酸是由一核酸是由多个核苷酸组成的高分子化合物，核苷酸是由一分子戊糖和一分子含氮杂环组成的氮糖苷（核苷）的磷酸酯。分子戊糖和一分子含氮杂环组成的氮糖苷（核苷）的磷酸酯。含氮杂环是嘌呤或嘧啶的衍生物，如：含氮杂环是嘌呤或嘧啶的衍生物，如：NNNHNNH2NNHNHNNH腺嘌呤NNHONH2胞嘧啶NNNH2H

23、O上述嘌呤及嘧啶的衍生物，都是互变异构体，在生理系统中上述嘌呤及嘧啶的衍生物，都是互变异构体，在生理系统中主要以左方异构体的形式存在。它们与糖形成核苷时，嘌呤主要以左方异构体的形式存在。它们与糖形成核苷时，嘌呤衍生物以衍生物以N9 ，嘧啶衍生物以，嘧啶衍生物以N1分别与糖中的分别与糖中的C1以以糖苷链糖苷链相连，相连， 如：如：NNNNNH2OHO CH2HOOH腺嘌呤ONONHOHO CH2HOOH-吡啶甲酸吡啶甲酸哌啶哌啶(六氢吡啶六氢吡啶)核苷可以看作是糖中半缩醛羟基与杂环中氮原子上的氢核苷可以看作是糖中半缩醛羟基与杂环中氮原子上的氢去水形成的，所以叫做氮糖苷。核糖腺苷酸就是核苷酸去水形

24、成的，所以叫做氮糖苷。核糖腺苷酸就是核苷酸中的一种，它是腺苷的磷酸酯，在生物化学中简称中的一种，它是腺苷的磷酸酯，在生物化学中简称AMP。ONNOCH2HOOHPHOHOONH2NN腺苷-5-磷酸酯AMP核酸就是由多个核苷通过磷酸分别连接两分子糖中核酸就是由多个核苷通过磷酸分别连接两分子糖中C3及及C5形成的高分子化合物，每一种核酸中所含的糖是相同的。形成的高分子化合物，每一种核酸中所含的糖是相同的。所以其中所含的糖将核酸分为核糖核酸（所以其中所含的糖将核酸分为核糖核酸（RNA）及脱氧核）及脱氧核糖核酸（糖核酸（DNA）。）。ONNOC H2OO HPH ON H2NNOOOC H2OO HPH OOOOC H2OO HPH OOOPH OONN HONNN H2OO8.维生素维生素B2及叶酸及叶酸H3CH3C维生素B2维生素维生素B2又名核黄素，在自然界分分布很广，为黄色结又名核黄素，在自然界分分布很广，为黄色结晶，微溶于水和乙醇，水溶液有黄绿色荧光。体内缺乏晶，