第十四章芳香杂环化合物

Ａromaticｈeterocyclesandvitamin

第十四章

芳香杂环化合物和维生素

第一节芳香杂环化合物一分类和命名二芳香六元杂环三芳香五元杂环四稠杂环化合物*第二节维生素一维生素概述二脂溶性维生素三水溶性维生素教学要求：掌握常见的五员与六员杂环的电子结构、芳香性、反应特征。了解一些重要的衍生物。教学内容：

芳香杂环化合物的概念、分类和命名方法。五员杂环（吡咯、呋喃、噻吩）的结构特征和化学性质，如酸碱性、亲电取代反应，简介咪唑的结构和功能。以吡啶为代表，介绍六员杂环化合物的电子结构、芳香性和化学性质。简单介绍嘧啶及稠合的稠杂环化合物。

在环状有机化合物中除了C原子外，还有其他原子如O、S、N等环状有机化合物，称为杂环化合物.O、S、N等原子称为杂原子．依据上述定义，杂环化合物应该包括酸酐、内酯、环内酰胺等。但由于它们的环很容易打开，在性质上也与相应的链状化合物相似，所以杂环化合物中一般不讨论这些化合物；而只将环系比较稳定，且具有不同程度芳香性的杂环化合物(简称为芳香杂环化合物)及其氢化产物作为研究对象。酸酐内酯内酰胺杂环化合物是有机化合物中极为重要的一类。它们广泛分布于自然界，不但种类多、数量大，而且其衍生物中有不少是具生理活性的物质。例如，细胞的重要成分核酸，人和动物血液中的血红素，植物体内的叶绿素、生物碱，还有许多酶等。许多药物结构中也含有杂环第一节、分类和命名ClassificationandNomenclature一.分类１．杂环化合物一般可分为单环（又分为五元杂环和六元杂环）和稠环（又分为芳香稠杂环和稠杂环）二类。２．依据环中的杂原子数目分为一个，二个或多个杂原子的杂环化合物二.命名１．音译法外文谐音加“口”字。Furan呋喃Pyrrole

吡咯Thiophene

噻吩Imidazole

咪唑Thiazole

噻唑Pyridine

吡啶Pyridazine

哒嗪Pyrimidine

嘧啶Indole

吲哚Quinoline

喹啉注意：a.杂环上有取代基时,取代基的位次从杂原子开始，依次用1,2,3,4,…..或a,b,g,…..编号。2,5-二甲呋喃a,a’-二甲呋喃3-甲基噻吩b-甲基噻吩2-乙酰基吡咯a-乙酰基吡咯b.若杂环上有两个以上不同杂原子时，则从O、S、N的顺序编号；若有两个相同杂原子时，应从连有H原子或取代基的开始编号。编号时取杂原子位次之和最小。4-甲基噻唑2,4,二甲基咪唑4-氨基嘧啶２．系统命名法:依据相应的碳环来命名。如五元环相应碳环为“茂”,六元环相应是苯。氧杂茂氮杂茂硫杂茂氮杂苯第二节芳香六元杂环化合物六元杂环化合物中最重要的是吡啶和嘧啶.一、吡啶（一）结构与苯相似,N原子的一个sp2杂化轨道上有一对孤电子对,孤电子对不参与共轭!结构参数与电荷分布

数据表明：吡啶环中因N原子电负性较大，其电荷分布不均匀，键长没有完全平均化。又因氮原子上电子云密度大而具有碱性。共轭效应和诱导效应都是吸电子的（二）性质1、水溶性

吡啶是极性分子，氮原子上有一对孤对电子能与水形成氢键，所以吡啶能与水互溶。但吡啶环上引入氨基或羟基后，水溶性显著降低。反应性：碱性较强。环不易发生亲电取代反应但易发生亲核取代反应。发生亲电取代反应时，环上N起间位定位基的作用。发生亲核取代反应时，环上N起邻对位定位基的作用。吡啶不仅能与水以任意比例混溶,又能溶解大多数极性或非极性有机化合物,甚至许多无机盐类,是一个良好的溶剂。2、碱性及其成盐吡啶N是sp2杂化，孤电子对不参与共轭，可以与质子结合或给出电子，显弱碱性。吡啶＞吡咯三甲胺＞吡啶＞苯胺

PKb4.28.89.4

苯胺分子中的氮原子上的未共用的电子对和苯环产生p-π，使N原子上的电子云密度减小，而吡啶分子中N原子上的未共用的电子对，不参与环上的共轭体系，所以吡啶的碱性比苯胺强。由于吡啶分子中氮原子的未共用的电子对处于sp2杂化轨道上，而脂肪胺分子中氮原子的未共用的电子对处于sp3杂化轨道上。sp2杂化轨道s成份大于sp3杂化轨道s成份，离核近，电子更靠近核，不容易与质子结合，所以吡啶的碱性比脂肪胺弱。

3、亲电取代比苯难··进入吡啶环的β位···H+介质对亲电取代不利4、亲核取代比苯容易··进入α位

5、氧化吡啶环对氧化剂稳定

-吡啶甲酸(烟酸)6、还原较苯容易（三）来源和制备吡啶又称氮杂苯。最初由干馏动物的骨骼得到，其衍生物广泛存于自然界，例维生素PP、维生素B6。辅酶Ⅰ及辅酶Ⅱ也含有吡啶环。工业上从煤焦油提取吡啶和甲基吡啶。一些生物碱中常含有吡啶或氢化吡啶环。烟碱新烟碱古柯碱(可卡因)

吡啶的重要衍生物有维生素、异烟肼（抗结核药物）等。

烟酸烟酰胺异烟肼(雷米封)二、嘧啶及其衍生物嘧啶嘧啶性质①

无色结晶，熔点22℃，易溶于水。②

碱性比吡啶弱得多。③

亲电取代反应比吡啶困难。④

亲核取代反应比吡啶容易。尿嘧啶(U)胞嘧啶(C)胸腺嘧啶(T)

­­——吡咯、呋喃、噻吩第三节芳香五元杂环化合物一、结构1、经典结构

2、分子结构现代物理方法证明：①呋喃、吡咯、噻吩是一个平面结构。②环上的C原子和杂原子都是以SP2杂化轨道成键的。③五个没有杂化的P轨道垂直于环平面，形成闭合共轭体系。④杂原子上的孤对电子参与共轭形成共轭体系，属于富电子芳环（5原子6电子体系）。⑤环形π电子分布于杂环平面的上、下两方。3．芳香性①符合休克尔规则，π电子数为6。②芳香性比较（易取代、难加成、难氧化）：苯＞噻吩＞吡咯＞呋喃（O、S、N原子电负性比C大，杂环上的π电子云密度不像苯环那样均匀）③环的稳定性：苯＞

噻吩＞

吡咯＞呋喃

饱和化合物键长：（一）物理性质A.呋喃：无色液体，存于松木焦油中,b.p.31.36oC.遇盐酸浸湿的松木片呈绿色。B.噻吩：无色有特殊气味的液体，存于煤焦油中,b.p.84.16oC.与吲哚醌在硫酸作用下显兰色。C.吡咯：无色液体，存于煤焦油和骨焦油中,b.p.130~131oC.遇盐酸浸湿的松木片呈红色。

（二）化学性质都能溶于有机溶剂,水溶解度都小于六元杂环吡啶溶解度顺序为：吡咯﹥呋喃﹥噻吩

五元杂环化合物是5原子6电子的体系，环上电子云密度比苯环上的大,故比苯更容易发生亲电取代反应，且一般发生在a-位上。总的反应活性吡咯>呋喃>噻吩>苯二、五元杂环化合物的性质（1）弱酸性吡咯N原子上的H原子都有微弱的酸性酸性比较：苯酚＞吡咯＞乙醇

Ka1.3*10-1010-1510-18

1、吡咯的弱酸、弱碱性（2）弱碱性苯胺＞吡咯

Kb3.8*10-102.5*10-14缓A、亲电取代反应的活性：吡咯＞呋喃＞噻吩＞＞苯2、亲电取代反应卤代：B、亲电基团一般进入杂原子的邻位α-位上的电子云密度较其它位大。硝化：

乙酰硝酸酯是较为温和的试剂，用时临时制备。磺化：

噻吩在室温下可直接磺化，生成溶于水的α-噻吩磺酸。这个反应常用来除去粗苯中的噻吩。吡咯和呋喃对酸敏感，吡咯在酸性条件下易聚合；呋喃遇酸要开环，故需与吡啶三氧化硫为磺化剂。三、吡咯衍生物吡咯的衍生物广泛存在于自然界。例如，血红素、叶绿素和维生素B12等都是具有重要生理作用的物质。雷族化合物

四个吡咯环和四个次甲基交替相连组成的大环叫卟吩，是卟啉化合物的母体，是一个大共轭体系。叶绿素血红素四、噻唑与咪唑1、噻唑:又称1,3-硫氮杂茂,其衍生物广泛存于自然界中.如VB1噻唑是稳定的环，可看做噻吩3位的CH被氮原子取代而生成的杂环化合物。5个成环原子均为SP2杂化成键，5个成环原子均提供一个P电子，形成环状闭合大π键，π电子数6，具有芳香性。

噻唑为无色有吡啶气味的液体，b.p.117oC,与水混溶.环上的氮原子有碱性,化学性质稳定，不易发生亲电取代反应。2、咪唑：是吡唑的同分异构体，又称1,3-二氮杂茂。许多重要的天然产物是咪唑的衍生物，如组氨酸：a-氨基-b-(4-咪唑基)丙酸青霉素G中四元环内酰胺很不稳定，对酸、碱都很敏感，特别容易被酸水解。口服后在胃中水解，β内酰胺的四元环打开而失效，现口服青霉素就是将其中-CH2C6H5换为咪唑可看做吡咯3位的CH被氮原子取代而成的杂环化合物。3位氮原子与1位氮原子不同，1位氮以一对P电子参与共轭，而3位氮以一个P电子参与共轭，形成环壮闭合大π键，π电子数6，符合休克尔规则，有芳香性。性质：1、碱性比噻唑，吡咯强。（3位氮原子上孤对电子）可与强酸生成稳定的盐。

咪唑因分子间可形成氢键,故熔点、沸点较高，且与水互溶.同时分子具有碱性，化学性质稳定，有互变异构现象。

2、有微弱的酸性

3、

易发生亲电取代反应4、互变异构现象4-甲基咪唑与5-甲基咪唑是同一化合物!自然界中的咪唑环

第四节稠杂环化合物稠杂环又分为芳香稠杂环和稠杂环。常见的稠杂环吲哚、喹啉、嘌呤等。1、吲哚:又称氮杂茚或称苯并吡咯。其衍生物在自然界中分布很广.吲哚色氨酸b-吲哚乙酸

吲哚为结晶固体，能溶于热水.纯吲哚有臭味,但稀释10000倍后则具有香味,可用于香料。粪臭素重要代表物：b-羟基吲哚和靛蓝(即植物染料)，靛蓝是我国古代重要的兰色染料。靛蓝b-羟基吲哚吲哚2、喹啉喹啉异喹啉

又名氮杂萘,存于煤焦油中。具有抗癌作用的喜树碱分子中就含有喹啉环。喜树碱：抗癌、治疗肠癌、胃癌、白血病。喹啉本身具有抗疟疾作用。性质:无色油状液体,有特殊气味，b.p.238oC,不溶于水。弱减性，亲电取代反应进入苯环，亲核取代反应进入吡啶环。9H-嘌呤7H-嘌呤3、嘌呤由嘧啶环和咪唑环稠合而成。

嘌呤为无色晶体，m.p216~217℃，易溶于水，其水溶液呈中性，但能与酸或碱成盐，嘌呤是一对互变异构体的平衡体系。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。尿酸：存在于鸟类及爬虫类的排泄物中，含量很多，人尿中也含少量。尿酸在体内以盐的形式存在，溶解度较大，由尿排出，健康人每天排泄量0.5-1g。嘌呤代谢发生障碍时，血和尿中尿酸量增加，严重时形成尿结石。血中尿酸含量过多，可沉积在关节处，严重者导致痛风病！黄嘌呤：

存在于茶叶及动植物组织和人尿中。咖啡碱、茶碱和可可碱：

三者都是黄嘌呤的甲基衍生物，存在于茶叶、咖啡和可可中，它们有兴奋中枢作用，其中以咖啡碱的作用最强。腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）次黄嘌呤黄嘌呤尿酸腺嘌呤和鸟嘌呤均为核酸的碱基。次黄嘌呤、黄嘌呤和尿酸是腺嘌呤与鸟嘌呤在体内的代谢产物，存在于动物肝、血和尿中。*维生素一、维生素概述1.定义维持正常生命活动所必需的一类小分子有机化合物2.特点既不供给能量，也不构成组织成分体内不能合成或合成甚微，必须由食物供给需要量很少(μg—mg/d),但不可缺少3.功能参与体内物质代谢与调节参与辅酶组成4.分类

脂溶性维生素：A、D、E、K。此类维生素因排泄效率不高，过多摄入会在体内蓄积而导致中毒

水溶性维生素：B族、维生素C、维生素P等

5.命名

按生理功能和发现先后：A、B、C、D等

根据化学结构：初发现时以为是一种，以后证实是几种维生素的混合物，则根据化学结构的不同在字母右下方注以1、2、3等，如A1

二、脂溶性维生素（一）维生素A1.结构维生素A1

维生素A2

2.功能

构成视觉细胞内感光物质维持上皮组织结构的完整,促进上皮细胞糖蛋白的合成参与皮质激素、性激素合成及骨组织形成，促进生长发育防癌作用：刺激体液及细胞免疫

VA缺乏：粘膜干燥，干眼病；VA过量:恶心、头痛、皮疹

3.来源动物性食品：肝、蛋黄、奶油植物性食品：类胡萝卜素（维生素A原—本身不具 有VA活性，但在体内可转变为VA的物质）（二）维生素E（生育酚）1.结构

-生育酚

2.功能参与多种酶活动，维持和促进生殖机能

天然抗氧化剂、抗衰老、防癌及增强免疫作用3.来源

植物油.麦胚,硬果,种子类,豆类,谷类（三）维生素K

1.结构维生素K1

维生素K2

2、功能促进凝血因子形成，加速血液凝固。

维生素K缺乏会导致凝血功能障碍,出现全身多部位出血甚至颅内出血。3.来源深绿色蔬菜,富含乳酸菌的食品及肉、蛋等三、水溶性维生素水溶性维生素包括B族维生素和维生素C、维生素P等。B族维生素包括维生素B1、维生素B2、烟酸和烟酰胺、泛酸、维生素B6、生物素、叶酸和维生素B12等。水溶性维生素在组织内浓度恒定,构成辅酶成分，参与物质代谢。无中毒症,过多即随尿排出。（一）维生素B1

（硫胺素）1.结构

含S、-NH2盐酸硫胺素2.功能

参与糖的代谢；促进能量代谢；维持神经与消化系统的正常功能。长期摄入不足会出现周围神经炎、浮肿、心肌变性、情绪急躁、精神惶恐、健忘等3.来源

谷类、豆类、酵母、干果、动物内脏、蛋类、瘦肉、乳类、蔬菜、水果等

（二）维生素B2（称核黄素，riboflavin）

1.结构2.功能促进糖、脂肪和蛋白质的代谢；维持皮肤、粘膜、视觉的正常机能。B2缺乏可引起口角炎、舌炎、口腔炎、眼结膜炎、脂溢性皮炎和视觉模糊等3.来源

奶类、动物肝肾、蛋黄、鱼，胡萝卜、香菇、紫菜、芹菜、柑、橘等（三）维生素PP（预防癞皮病因子）

1.结构烟酸烟酰胺2.功能脱氢酶的辅酶;参与糖、脂类、丙酮酸代谢、及高能磷酸键的形成等。维pp缺乏可致癞皮病。3.来源

动物肝肾、瘦肉、鱼、卵、麦制品、花生、梨、枣、无花果等（四）泛酸(pantothenicacid)

1.结构2.功能参与辅酶A的形成，是酶的转酰基辅因子。

轻度缺乏可致疲乏、食欲差、消化不良等。重度缺乏可致肌肉协调性差;肌肉及胃肠痉挛等

3.来源肉类、动物肾脏与心脏、谷类、麦芽、绿叶蔬菜、啤酒酵母、坚果、糖蜜等

（五）维生素B61.结构吡哆醇吡哆醛吡哆胺2.功能转氨酶及脱羧酶的辅酶,镇吐。缺乏时可致呕吐、中枢神经兴奋等

3.来源牛乳、肉、肝、蛋黄、谷物和蔬菜等

（六）生物素1.结构2.功能羧化酶的辅酶，脂肪和蛋白质正常代谢不可缺少的物质。

缺乏时可致发育缓慢、皮