第十三章 杂环化合物和生物碱

1. 第十三章 杂环化合物和生物碱

2. 主要内容 • §13.1 杂环化合物的分类和命名 • §13.2 杂环化合物的结构和性质 • §13.3 生物碱

3. §13.1 杂环化合物的分类和命名 • 一、杂环化合物的分类 • 根据含环的数目分： • 单杂环和稠杂环两大类。 • 据单杂环按环的大小分： • 五元环和六元环。 • 稠杂环按稠合环的形式分： • 苯稠杂环化合物和杂环稠杂环化合物。

4. §13.1 杂环化合物的分类和命名 • 二、杂环化合物的命名 • 杂环化合物的名称包括杂环母环和环上取代基两方面。取代基的命名原则与前述基本一致。杂环母环的命名采用译音命名法。

5. §13.1 杂环化合物的分类和命名 • 二、杂环化合物的命名 • 1、杂环母环的命名采用译音命名法。 呋喃 咪唑 吡啶 嘌呤 furan imidazole pyridine purine

6. §13.1 杂环化合物的分类和命名 • 二、杂环化合物的命名 • 2、杂环上有取代基时，以杂环为母体，将环编号以注明取代基的位次，编号一般从杂原子开始。含有两个或两个以上相同杂原子的单杂环编号时，把连有氢原子的杂原子编为1，并使其余杂原子的位次尽可能小；如果环上有多个不同杂原子时，按氧、硫、氮的顺序编号。 2,5-二甲基呋喃 4,5–二甲基噻唑

7. §13.1 杂环化合物的分类和命名 • 二、杂环化合物的命名 • 3、当只有1个杂原子时，也可用希腊字母编号，靠近杂原子的第一个位置是α-位，其次为β-位、γ-位等。 α-呋喃甲醛 γ-甲基吡啶

8. §13.1 杂环化合物的分类和命名 • 二、杂环化合物的命名 • 4、当环上连有不同取代基时，编号根据顺序规则及最低系列原则。结构复杂的杂环化合物是将杂环当做取代基来命名。 4-吡啶甲酸 5-硝基-2-呋喃甲醛

9. §13.1 杂环化合物的分类和命名 • 二、杂环化合物的命名 • 5、稠杂环的编号一般和稠环芳烃相同，但有少数稠杂环有特殊的编号顺序 。 异喹啉 2,6,8-三羟基嘌呤 吲哚 嘌呤

10. 噻吩 吡咯 呋喃 S O N H O:1s22s22p4 N:1s22s22p3 S:1s22s22p63s23p4 §13.2 杂环化合物的结构和性质 • 一、五元杂环化合物的结构与芳香性

11. §13.2 杂环化合物的结构和性质 • 一、五元杂环化合物的结构与芳香性 三种五元杂环化合物的结构均符合休克尔规则。但由于环上存在一定差异的且电负性较大的杂原子，所以与苯不同，共轭体系中各原子电子密度只是趋向于平均化，芳香性比苯小。 三种五元杂环化合物的芳香性次序为： 苯 > 噻吩 > 吡咯 > 呋喃

12. N 吡啶 N §13.2 杂环化合物的结构和性质 • 二、六元杂环化合物的结构与芳香性 在吡啶分子中，因氮原子的电负性比碳大，使吡啶环上碳原子的电子云密度相对降低，因此环中碳原子的电子云密度相对地小于苯中碳原子的电子云密度，所以此类杂环称为缺电子共轭体系。

13. §13.2 杂环化合物的结构和性质 • 三、五元杂环化合物的性质 （一）溶解性 有机化合物的水溶性与其分子的极性和与水形成氢键的能力有关。分子的极性越大，在水中的溶解度越大。 吡咯、呋喃和噻吩在水中溶解度都不大，而易溶于有机溶剂。溶解1份吡咯、呋喃及噻吩，分别需要17、35、700份的水。

14. §13.2 杂环化合物的结构和性质 • 三、五元杂环化合物的性质 （二）酸碱性 吡咯：呈弱酸性,可与碱金属、氢氧化钾或氢氧化钠作用生成盐。 呋喃：无碱性，不易与无机强酸反应。 噻吩：无碱性。

15. §13.2 杂环化合物的结构和性质 • 三、五元杂环化合物的性质 （三）取代反应 多电子共轭体系能发生取代反应。其亲电取代反应主要发生在电子云密度更为集中的α-位上，而且比苯容易。 1．卤代反应 呋喃、噻吩、吡咯比苯活泼

16. 二氧六环 乙醚 + Br2 + Br2 ＋HBr ＋HBr B r Br 0 ℃ 0 ℃ S O O S §13.2 杂环化合物的结构和性质 • 三、五元杂环化合物的性质 （三）取代反应 1．卤代反应

17. §13.2 杂环化合物的结构和性质 • 三、五元杂环化合物的性质 （三）取代反应 2．硝化反应

18. H2SO4 95% N+ SO3- SO3H SO3H S S 250C N N H 1000C H §13.2 杂环化合物的结构和性质 • 三、五元杂环化合物的性质 （三）取代反应 3．磺化反应 2-噻吩磺酸 2-吡咯磺酸

19. §13.2 杂环化合物的结构和性质 • 三、五元杂环化合物的性质 （三）取代反应 4．傅克反应 α-乙酰基呋喃 α-乙酰基吡咯

20. H H / P / d P d H / P d 2 2 2 高温高压 O O N 高温高压 高温高压 S S N H H 四氢呋喃 四氢噻吩 四氢吡咯 §13.2 杂环化合物的结构和性质 • 三、五元杂环化合物的性质 （四）氢化反应

21. §13.2 杂环化合物的结构和性质 • 四、六元杂环化合物的性质 （一）溶解性 吡啶分子中氮原子上的未共用电子对不参与形成闭合的共轭体系，氮原子可与水分子形成分子间氢键，加之吡啶是极性分子，所以吡啶在水中的溶解度比吡咯和苯大得多，吡啶能与水混溶。

22. §13.2 杂环化合物的结构和性质 • 四、六元杂环化合物的性质 （二）酸碱性 吡啶氮原子上的未共用电子对不参与环的共轭体系，它能与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。

23. §13.2 杂环化合物的结构和性质 • 四、六元杂环化合物的性质 （三）氧化反应 吡啶对氧化剂相当稳定，比苯还难氧化。当吡啶环带有侧链时，侧链被氧化，生成吡啶甲酸。

24. H N O + H S O NO2 3 2 4 浓H2SO4 2300C SO3H 1h 3000C N N N N §13.2 杂环化合物的结构和性质 • 四、六元杂环化合物的性质 （四）取代反应 难发生亲电取代反应，且一般发生在β-位上。

25. §13.2 杂环化合物的结构和性质 • 四、六元杂环化合物的性质 （五）氢化反应

26. §13.2 杂环化合物的结构和性质 • 五、重要的杂环化合物 1．呋喃及其衍生物 呋喃是无色易挥发的液体，具有与氯仿相似的气味，不溶于水，易溶于乙醇、乙醚等有机溶剂。 它与盐酸浸湿的松木片作用呈绿色，称松木片反应，可用于定性检验呋喃。

27. §13.2 杂环化合物的结构和性质 • 五、重要的杂环化合物 1．呋喃及其衍生物 呋喃甲醛又叫糠醛。化学性质与苯甲醛相似，能发生银镜反应；遇苯胺醋酸溶液呈深红色，此反应用以鉴定糠醛；糠醛遇盐酸浸过的松木片显绿色。

28. §13.2 杂环化合物的结构和性质 • 五、重要的杂环化合物 2．吡咯及其衍生物 • 吡咯存在于煤焦油和骨焦油中，为无色液体，不溶于水而易溶于有机溶剂。吡咯的衍生物广泛存在于自然界中，如血红素、叶绿素、维生素B12等都是吡咯的衍生物。吡咯的蒸气能使盐酸浸湿过的松木片变红，以此来鉴别吡咯。

29. §13.2 杂环化合物的结构和性质 • 五、重要的杂环化合物 2．吡咯及其衍生物 • 卟吩由四个吡咯和四个次甲基(=CH)交替相连组成的共轭体系。卟吩呈平面结构，环中间的空隙里四个氮原子可分别以共价键、配价键与不同的金属离子结合。 • （1）叶绿素 中心离子为Mg2+ • （2）血红素 中心离子为Fe2+ • （3）维生素B12中心离子为Co2 +

30. §13.2 杂环化合物的结构和性质 • 五、重要的杂环化合物 3．吡啶及其衍生物 • (1)烟酸和烟酰胺 • β-吡啶甲酸(烟酸)，β-吡啶甲酸胺(烟酰胺)，它们合称为维生素PP，烟酸能促进细胞的新陈代谢，并有扩张血管的作用，临床上主要用于防治癞皮病及类似的维生素缺乏症。烟酰胺是辅酶的组成成分，作用与烟酸相似。 烟酸 烟酰胺

31. §13.2 杂环化合物的结构和性质 • 五、重要的杂环化合物 3．吡啶及其衍生物 吡哆醇 • (2)维生素B6 • 维生素B6包括吡哆醇、吡哆醛和吡哆胺三种化合物。由于最初分离出来的是吡哆醇，因此一般以它作为维生素B6的代表。 吡哆醛 吡哆胺

32. §13.2 杂环化合物的结构和性质 • 五、重要的杂环化合物 4．嘧啶及其衍生物 • 嘧啶很少存在于自然界中，其衍生物在自然界中普遍存在。例如核酸和维生素B1中都含有嘧啶环。组成核酸的重要碱基：胞嘧啶（Cytsine，简写C）、尿嘧啶（Ｕracil，简写Ｕ）、胸腺嘧啶（Thymine，简写T）都是嘧啶的衍生物，它们都存在烯醇式和酮式的互变异构体。

33. §13.2 杂环化合物的结构和性质 • 五、重要的杂环化合物 4．嘧啶及其衍生物 胞嘧啶（C） 尿嘧啶（U） 胸腺嘧啶（T）

34. §13.2 杂环化合物的结构和性质 • 五、重要的杂环化合物 5．吲哚及其衍生物 吲哚存在于煤焦油中，是无色片状结晶，不溶于冷水，可溶于热水、乙醇及乙醚中，具有粪臭味。但吲哚溶液在浓度极稀时，有花的香味，可做香料。 β-吲哚乙酸 吲哚

35. §13.2 杂环化合物的结构和性质 • 五、重要的杂环化合物 6．嘌呤及其衍生物 嘌呤是一个嘧啶环和一个咪唑环稠合而成的稠杂环化合物。嘌呤也有互变异构体，但在生物体内多以（Ⅱ）式存在。 （Ⅰ）7-氢嘌呤 （Ⅱ）9-氢嘌呤

36. §13.2 杂环化合物的结构和性质 • 五、重要的杂环化合物 6．嘌呤及其衍生物 生物体内组成核酸的嘌呤碱基是嘌呤的重要衍生物有：腺嘌呤和鸟嘌呤。 6-氨基嘌呤（腺嘌呤A） 2-氨基-6-羟基嘌呤（鸟嘌呤G）

37. §13.3 生物碱 • 一、生物碱概述 生物碱——是一类存在于生物体内具有明显生理活性的含氮碱性有机物。由于生物碱主要是从植物中得到的，所以又称植物碱。 生物碱的分类； 根据结构分为：有机胺类、吡咯衍生物类、喹啉类衍生物类等。 根据来源分为：如石蒜生物碱、长春花生物碱等。

38. §13.3 生物碱 • 二、生物碱的一般性质 （一）生物碱的一般性状 多数由C、H、O、N元素组成，极少数还含有Cl、S等元素。多数生物碱为无色或白色的结晶性固体，只有少数在常温下为液体（如烟碱、毒芹碱）或有颜色。多数生物碱味苦。生物碱一般难溶于水，易溶于乙醇、乙醚、丙酮等有机溶剂。其盐类多数溶于水，不溶于有机溶剂。

39. §13.3 生物碱 • 二、生物碱的一般性质 （二）旋光性 大多数生物碱分子中因含有手性碳原子而具有旋光性，生物碱的旋光性易受pH、溶剂等因素的影响。如中性条件下，烟碱、北美黄连碱呈左旋光性，但在酸性条件下，则变为右旋光性，但其盐酸盐则呈右旋光性。生物碱的左旋体常有很强的生物活性，自然界存在的生物碱一般是左旋体。

40. §13.3 生物碱 • 二、生物碱的一般性质 （三）生物碱的碱性 生物碱分子中因氮原子上有未共用的电子对，有一定接受质子的能力而具有碱性，大多数生物碱能与酸反应生成易溶于水的生物碱盐。生物碱盐在遇强碱时又游离出生物碱，利用这一性质可以提取和精制生物碱。临床上用的生物碱药物均制成其盐类（如硫酸阿托品、盐酸黄连素等）。

41. §13.3 生物碱 • 二、生物碱的一般性质 （四）生物碱的沉淀反应 生物碱或其盐的水溶液能与某些试剂生成难溶性的盐或配合物而沉淀。能与生物碱生成沉淀的试剂称为生物碱沉淀剂。 生物碱沉淀剂有： 碘化铋钾试剂，生成红棕色沉淀。 苦味酸试剂，生成黄色沉淀。 鞣酸试剂，生成棕黄色沉淀。 磷钨酸，生成黄色沉淀。

42. §13.3 生物碱 • 二、生物碱的一般性质 （五）生物碱的显色反应 生物碱能与一些试剂反应呈现不同的颜色，并且因其结构不同而显示不同的颜色。这些能使生物碱发生颜色反应的试剂被称为生物碱显色剂。常用的生物碱显色剂有钒酸铵的浓硫酸溶液、钼酸钠和甲醛的浓硫酸溶液等。 例如: 吗啡遇甲醛-浓硫酸溶液显现紫色 可待因遇甲醛-浓硫酸溶液显现蓝色 茛菪碱遇钒酸铵-浓硫酸溶液呈现红色

43. §13.3 生物碱 • 三、医学上常见的生物碱 （一）烟碱（尼古丁） （二）麻黄碱(麻黄素)

44. §13.3 生物碱 • 三、医学上常见的生物碱 （三）茛菪碱 （四）咖啡碱(咖啡因)

45. §13.3 生物碱 • 三、医学上常见的生物碱 （五）小檗碱 （六）吗啡、可待因和海洛因