第十四章杂环化合物与维生素.

邓健制作罗美明审校1第十四章杂环化合物与维生素第一节芳香杂环化合物*第二节维生素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一维生素概述二脂溶性维生素三水溶性维生素设计与制作邓健罗美明2目的：学习芳香杂环化合物的分类、结构、命名及化学性质。明确五元芳香杂环、六元芳香杂环的重要性要求：1、掌握芳香杂环化合物的分类、结构、命名。2、熟悉五元芳香杂环、六元芳香杂环的结构和性质。3、了解吡咯衍生物、咪唑的结构与功能，嘧啶及衍生物结构与功能。4、了解芳香杂环药物邓健制作罗美明审校3杂环化合物主要指环系较稳定，包括杂原子在内的平面型环，环符合4n+2个p电子处于环闭共轭体系呋喃噻唑嘧啶嘌呤OSNNNNNNNH第十四章杂环化合物和维生素上页下页首页人民卫生电子音像出版社4一、分类和命名六元杂环:五元杂环:第一节芳香杂环化合物第十四章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）OSNNHNNNNNNNNHNN单杂环稠杂环杂环单杂环稠杂环杂环上页下页首页邓健制作罗美明审校5命名原则：译音＋“口”旁第十四章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）OOSSSNSNONOONFuranThiophenePyrroleThiazoleImidazolePyrazoleOxazole呋喃噻吩吡咯噻唑咪唑吡唑噁唑上页下页首页人民卫生电子音像出版社6PyridinePyrimidinePyridazine吡啶嘧啶哒嗪QuinolineIsoquinoline喹啉异喹啉IndolePurine吲哚嘌呤第十四章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）上页下页首页邓健制作罗美明审校71.单杂环的编号从杂原子开始。杂环的编号规则：第十四章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）呋喃吡啶吡咯43(b)512(a)43(b)512(a)53(b)612(a)4(g)OONCH2CH3OCH3NHNO22-甲基呋喃3-硝基吡咯4-乙基吡啶(a-甲基呋喃)(b-硝基吡咯)(g-乙基吡啶)上页下页首页人民卫生电子音像出版社82.有多个杂原子时,按O、S、N(N-R;N-H;N)顺序编号第十四章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）NHNH3CNSCH3NNCH31234512345123456NN12345CH34-甲基咪唑5-甲基噻唑4-甲基嘧啶1-甲基吡唑3.稠杂环的编号一般和稠环芳烃相同,但少数有例外如嘌呤N12345678NNNHN1234567N1234567891089喹啉吖啶嘌呤上页下页首页人民卫生电子音像出版社9N的p轨道含1个电子,组成环闭共轭体系孤电子对占据sp2杂化轨道吡啶的结构模型第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（二、六元杂环）上页下页首页sp2二、芳香六元杂环（一）吡啶(C5H5N)的结构邓健制作罗美明审校10吡啶环中C上p电子密度比苯低，亦称为“缺p芳杂环”。在性质上，亲电取代变难，亲核取代变易；氧化变难，还原变易；另外sp2杂化N上的孤电子对具有一定程度的碱性，可成盐。亲电试剂进攻位点1.000.841.431.010.87139pm亲核试剂进攻位点？第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（二、六元杂环）上页下页首页人民卫生电子音像出版社111.亲电取代反应吡啶的亲电取代反应比苯难得，与硝基苯相似，亲电取代反应主要进入b位。NKNO3+H2SO4Fe,300oCNNO2b-硝基吡啶300oCNBrBr2b-溴吡啶NH2SO4,SO3230oC,24hNSO3Hb-吡啶磺酸N上页下页首页(二)吡啶的性质邓健制作罗美明审校12碱性比较：脂肪胺NH3≈苯胺pKb：3~4.54.78.89.3第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（二、六元杂环）上页下页首页N+HClNHCl2.碱性人民卫生电子音像出版社133.水溶性水溶度：∞1:11:1微溶NNOHNNH2NOHOH第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（二、六元杂环）上页下页首页邓健制作罗美明审校14亲核取代比苯容易，主要发生在α位上。N＋NaNH2100℃NNHNaH2ONNH2当α或γ位上有易离去基时，较弱的亲核试剂就能发生亲核取代反应。N+2NH3ClN+H2OBrN100-200oCNH2NOHNaOH回流第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（二、六元杂环）上页下页首页4.亲核取代反应人民卫生电子音像出版社154.氧化与还原吡啶环对氧化剂较苯环稳定,而对还原剂比苯活泼。NKMnO4CH3b-吡啶甲酸(烟酸)NKMnO4NNa+C2H5OHorH2/PtNHNCOOHNCO2H六氢吡啶(哌啶)六氢吡啶(pKb=2.8),碱性较吡啶强106倍。为什么？第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（二、六元杂环）上页下页首页邓健制作罗美明审校16（三）嘧啶(C4H4N2)及其衍生物543612嘧啶(Pyrimidine)由于两个N的强吸电子作用,使嘧啶的碱性(pKb11.3)比吡啶(pKb8.8)弱得多，也比吡啶难于发生亲电取代反应，而亲核取代反应则比吡啶容易；嘧啶难以被氧化。第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（二、六元杂环）上页下页首页人民卫生电子音像出版社17胞嘧啶(cytosine)NNHNH2OHNNHOOHNNHOOCH3HNNHOOF胸腺嘧啶(thymine)尿嘧啶(uracil)酮式和烯醇式互变异构:NHHNOONNOHHO(酮式)(烯醇式)5-氟尿嘧啶(抗肿瘤药)第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（二、六元杂环）上页下页首页邓健制作罗美明审校18三、芳香五元杂环(一)呋喃、噻吩、吡咯的结构呋喃、噻吩、吡咯为5原子共用6个π电子,环上π电子云密度比苯环大,属于“富π芳杂环”。第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（三、五元杂环）上页下页首页人民卫生电子音像出版社19芳香性(环的稳定性):吡啶苯噻吩吡咯呋喃呋喃噻吩吡咯第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（三、五元杂环）上页下页首页亲电取代反应活泼性吡啶苯噻吩吡咯呋喃邓健制作罗美明审校20键长的平均化程度远不如苯(苯环上的碳碳键均为139pm)，环的稳定性不如苯。NH143pm137pm138pmHHO144pm137pm135pmHHS145pm135pm172pmHH6.626.157.257.406.307.197.04共轭能：117(Kj·mol-1)8867(苯环150)第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（三、五元杂环）上页下页首页人民卫生电子音像出版社211.亲电取代反应吡咯、呋喃和噻吩的亲电取代反应主要发生在a位。+Br2NNOBr80%0OCOS(69~76%)95%H2SO425oCSO3HS上页下页首页（二）吡咯、呋喃和噻吩的性质邓健制作罗美明审校22+Ac2ONH乙酸酐CH3ONH吡咯和呋喃不能用强酸进行硝化和磺化反应,需选用较温和的非质子性试剂。NH+Ac2ONH+CH3CONO2ONO2NHNO25oC硝酸乙酰基酯a-硝基吡咯(83%)b-硝基吡咯(17%)第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（三、五元杂环）上页下页首页人民卫生电子音像出版社232．吡咯的酸性pKb:3.74.79.313.6NHNHNH32NHNHNHNH32NHNHNH32NH第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（三、五元杂环）上页下页首页N邓健制作罗美明审校24NK+H2ONH+KOH第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（三、五元杂环）上页下页首页AcidityOHR—OHKKaa:1.3:1.3××1010--1010~10~10--1515~10~10--1818AcidityOHR—OHKKaa:1.3:1.3××1010--1010~10~10--1515~10~10--18181010--17.517.5AcidityOHR—OHKKaa:1.3:1.3××1010--1010~10~10--1515~10~10--1818AcidityOHR—OHKKaa:1.3:1.3××1010--1010~10~10--1515~10~10--18181010--17.517.5S人民卫生电子音像出版社25（三）吡咯衍生物NHNNHN卟吩(Porphin)NH2C=HCH3CCH3NCH=CH2FeNH3CHO2CCH2CH2CNCH3CH2CH2CO2H血红素(Heme)第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（三、五元杂环）上页下页首页设计与制作邓健罗美明26在血红蛋白中，Fe(Ⅱ)与原卟啉Ⅸ环内的4个吡咯N和环外-邻接组氨酸侧链上的N形成五配位的Fe(Ⅱ)-卟啉，其中Fe(Ⅱ)不在原卟啉Ⅸ环平面内，而是位于平面之上约75pm。磁性测量表明，血红蛋白中的Fe(Ⅱ)(3d6)处于高自旋态。当血红蛋白与O2结合形成氧合血红蛋白(HbO2)之后，Fe(Ⅱ)与O2形成一强的配位键，将Fe(Ⅱ)拉进卟啉环平面，此时Fe(Ⅱ)为六配位。磁性测量表明氧合血红蛋白中的Fe(Ⅱ)处于低自旋态。设计与制作邓健罗美明27人体吸进的氧气在肺内与血红蛋白结合成氧合血红蛋白，氧合血红蛋白进入血液将氧气释放，这一过程在体内时刻不停地进行，满足了人体对氧气的需要。NNNNFe75pmNNPrNNNNFeNNPrO2+O2-O2HOOCHOOCHOOCHOOC邓健制作罗美明审校28(四)咪唑的结构与功能NNH咪唑1位和3位N均取sp2杂化。不同的是,1-N以一对p电子参与共轭,而3-N则以1个p电子参与共轭,形成环状闭合大p键,p电子数为6,符合Hückel规则,有一定芳香性。第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（三、五元杂环）上页下页首页人民卫生电子音像出版社29NNHNHN互变异构35125132NNHH3CNHNH3C5-甲基咪唑4-甲基咪唑第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（三、五元杂环）上页下页首页邓健制作罗美明审校30组氨酸分子中含有一个咪唑基,其pKa值接近生理pH(7.35)，它既是一个弱酸，又是一个弱碱，能起到质子传递的作用。组氨酸中的咪唑环是构成酶活性中心的重要基团，使酶能催化生物体内酯和酰胺的水解。NNH第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（三、五元杂环）上页下页首页人民卫生电子音像出版社31四、稠杂环化合物第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（四、稠杂环）NNNHN123456789嘌呤（purine）上页下页首页邓健制作罗美明审校32嘌呤为白色固体，熔点216~217℃，易溶于水，水溶液呈中性，但可分别与酸或碱生成盐。嘌呤是两个互变异构的平衡体系,在生物体内平衡偏向于9H形式。9H-嘌呤7H-嘌呤第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（四、稠杂环）上页下页首页人民卫生电子音像出版社33NNNHNNH2NNNHNOHH2N腺嘌呤(Adenine)鸟嘌呤(Guanine)第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（四、稠杂环）上页下页首页邓健制作罗美明审校34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,存在于动物肝脏、血和尿中。NNNNOHHNNNNOHHOHNNNNOHHOOHHHNNNHNOHNNHNHNOOHNNHNHNHOOO次黄嘌呤黄嘌呤尿酸烯醇式酮式第十四章杂环化合物和维生素第一节芳香杂环化合物（四、稠杂环）上页下页首页人民卫生电子音像出版社35磺胺类药物(sulfadrug)是继青霉素之后使用的一类化学抗菌药，基本结构是对-氨基苯磺酰胺。对-氨基苯磺酰胺本身就有抑菌作用。当N1上的H原子被某些基团取代时，抗菌作用增强；若N4上的H被取代，则抗菌能力降低甚至丧失。因为具有N4游离氨基的磺胺与细菌繁殖所需的对氨基苯甲酸结构极为相似，使酶难以识别而达