第十一章杂环化合物和生物碱

第十一章杂环化合物和生物碱杂环化合物和生物碱广泛存在于自然界中，在动植物体内起着重要的生理作用。第一节杂环化合物环状有机化合物中，构成环的原子除碳原子外还含有其它原子，且这种环具有芳香结构，把这种环状化合物叫做杂环化合物。组成杂环的原子，除碳以外的其它原子都叫做杂原子。常见的杂原子有氧、硫、氮等。环醚、内酯、内酐和内酰胺等，不属杂环化合物。天然杂环化合物对生物体的生长、发育、遗传和衰亡过程都起着关键性的作用。OSNH一、杂环化合物的分类和命名1.分类(1)根据杂环母体所含的环的数目分为单杂环和稠杂环OSNHNHNN单杂环稠杂环NNNNH(2)单杂环根据环上原子数分为五元杂环和六元杂环五元杂环六元杂环（4）稠杂环又分为芳环并杂环和杂环并杂环（3）单杂环根据杂原子的数目不同又分为含一个杂原子、含两个杂原子的单杂环等NHNSHNNHNNNN芳环并杂环杂环并杂环2.命名译音命名法:按外文名称的译音来命名，并用带“口”旁的同音汉字来表示环状化合物。呋喃噻吩吡咯咪唑噻唑(furan)(thiophene)(pyrrole)(imidazole)(thiazole)OSNHNS12345NNH43215NONN654321吡喃吡啶嘧啶(pyran)(pyridine)(pyrimidine)吲哚喹啉嘌呤(indole)(quinoline)(purine)HNN6NNNN12345789H（1）杂环上有-R、-X、-NO2、-OH、-NH2、等取代基时，以杂环为母体。环编号时一般从杂原子开始。2,5-二甲基呋喃杂环上有取代基时命名原则OCH3H3C12345OOH2-羟基呋喃NCH3C2H5H123452-甲基-5-乙基吡咯COCH3NCHCH3O2-乙酰基吡咯（2）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号为1，并使其余杂原子的位次尽可能小。NNH1234CH34–甲基咪唑（3）如果环上有多个不同杂原子时，按氧、硫、氮的顺序编号NSH3CH3C543214,5–二甲基噻唑(4)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-甲基呋喃γ-甲基吡啶NCH3βαγOCH3βα(5)当环上连有-COOH、-SO3H、-CHO、CH2OH等基团时，将这些基团作母体，将杂环当作取代基来命名。环编号仍从杂原子开始，并使作母体的基团的位次尽可能的低。4-吡啶甲酸γ-5-硝基-2-呋喃甲醛NCOOHOCHOO2N1234534521OCH2OH2-呋喃甲醇α-(6)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。嘌呤2,6,8-三羟基嘌呤8654321N7H7654321N吲哚异喹啉98798654321HNNNN7654321HNNHOOHNNOH系统命名法根据相应的碳环为母体而命名，把杂环化合物看作相应碳环中的碳原子被杂原子取代后的产物。命名时，把杂原子名称写在母体名称前，二者之间加一“杂”字，称为“某杂某”。OSNHNS12345NNH43215茂氧杂茂硫杂茂氮杂茂1,3-二氮杂茂1-硫-3-氮杂茂N芑氧杂芑NN654321苯氮杂苯1,3-二氮杂苯O6NNNN12345789HNH氮杂茚1,3,7,9-四氮杂茚茚1-氮杂萘2-氮杂萘两种命名方法虽然并用，但译音法在文献中更为普遍。萘NN1234567812二、杂环化合物的结构1.五元杂环ONHS呋喃吡咯噻吩●●O●●NH●●S呋喃、噻吩、吡咯π电子数（6）符合休克尔规则（4n+2），因此具有芳香性。在呋喃、噻吩、吡咯分子中，是由5个原子，6个π电子组成的共轭体系，使环上碳原子的电子云密度增加，所以称为富电子芳杂环或多π电子芳杂环。呋喃、噻吩、吡咯分子中各原子间的键长并不完全相等，因此芳香性比苯差。电负性强弱顺序是：氧氮硫，芳香性强弱顺序是：苯＞噻吩＞吡咯＞呋喃。N●●2.六元杂环N原子为sp2杂化吡啶N..吡啶π电子数（6）符合休克尔规则，具有芳香性。吡啶分子中，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，所以此类杂环称为缺电子芳杂环或缺π电子芳杂环。吡啶的芳香性不如苯。三、杂环化合物的化学性质1.亲电取代反应富电子芳杂环,亲电取代反应比苯容易,而且主要发生在α-位上；缺电子芳杂环，亲电取代反应比苯难,而且主要发生在β-位上。（1）卤代反应OOBr室温1，4-二氧六环++Br2HBr+HBrBrHAcBr+SS24NIIIIHKII2HN4++HI2,3,4,5-四碘吡咯β-溴代吡啶吡啶溴代反应比苯难，不但需要催化剂，而且要在较高温度下进行。NBrN300℃浓H2SO4+HBr+Br2（2）硝化反应+CH3COONO2CH3COOH+(CH3CO)2ONHNHc5.-NO2-5~-30CoCH3COOH++CH3COONO2吡啶OONO2五元杂环的硝化，一般用比较温和的非质子硝化剂-乙酰基硝酸酯，并在低温下进行，硝基主要进入α-位。+CH3COONO2CH3COOH+SSNO2－10℃(CH3CO)2O吡啶的硝化反应需在浓酸和高温下才能进行，硝基主要进β-位。（3）磺化反应OSO3HONSO3N+-C2H4Cl2室温三天++NNNO2H2SO4300℃浓++HNO3H2ONNSO3100NHNSO3HH+-C2H4Cl2℃++噻吩比苯容易磺化，因此可在室温下用浓硫酸洗去苯中含的少量噻吩。吡啶在硫酸汞催化和加热的条件下才能发生磺化反应。SSSO3H25℃+H2OH2SO4+NNSO3HHgSO4＞200℃+H2SO4H2O+（4）傅-克反应OOCOCH3BF3CH3COOH++(CH3CO)2OSnCl4SCOCH3SCH3COOH++(CH3CO)2OHHNCOCH3NCH3COOH(CH3CO)2O+200。c+吡啶一般不进行傅氏酰基化反应。吡啶是缺电子芳杂环，不易发生亲电取代反应。在一定条件下有利于亲核试剂（如NH2-、OH-、R-）的进攻而发生亲核取代反应，取代基主要进入电子云密度较低的α-位。NaOHNaNH2++NNH2N2.加成反应Ni2H2OO+HHNNH22Pd++MoS22H2SS呋喃、吡咯均可进行催化加氢反应，噻吩中的硫能使催化剂中毒，需使用特殊催化剂加氢。吡啶比苯易还原，用金属钠和乙醇可使其还原。HNNNa+C2H5OHPtH22HNN+喹啉催化加氢，氢加在杂环上，说明杂环比苯环易被还原。呋喃的芳香性最弱，显示出共轭双烯的性质，与顺丁烯二酸酐能发生双烯合成反应（狄尔斯-阿尔德反应），产率较高。+℃25OOOOOOOO3.氧化反应△NCOOHNKMnO4HNO3△NCH2CH3NCOOH△NNCOOHCOOHHNO34.吡咯和吡啶的酸碱性N+HClNHCl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。H2OKNKOHHN+++吡啶显弱碱性，能与H+结合成盐。（吡啶氮原子上的未共电子对不参与环共轭体系，可接受H+），碱性比苯胺强，但比脂肪胺及氨的弱得多。补充：含氮碱的碱性强弱次序季铵碱脂肪胺NH3N:NH2..NH四、与生物有关的杂环化合物及其衍生物OCHOnnCHOCHOHHHOCHOHCHCHHO△++3nH2O(C5H8O4)n+nH2OHH-稀稀１．呋喃及其衍生物呋喃存在于松木焦油中，检验呋喃存在可用盐酸浸湿的松木片，呋喃存在时显绿色。制备方法多聚戊糖戊醛糖糠醛糠醛是不含α-氢的醛，能发生康尼查罗反应及一些芳香醛的缩合反应，生成许多有用的化合物。2．吡咯及其衍生物吡咯存在于骨焦油中。吡咯蒸汽遇到浓盐酸浸过的松木片显红色，可用来检验吡咯的存在。吡咯的衍生物最重要的是卟啉化合物，这类化合物有一个共同的结构，都具有卟吩环（也叫卟啉环），具有芳香性。NNNN卟吩（porphine）叶绿素分子结构NNNNMgRCH2CH3CH3CHCH3CH2CH2CH3HOCOOCH3CH2COOR=-CH3为叶绿素aR=-CHO为叶绿素bNNNNFeCH=CH2CH3CHCH3CH2CH2CH2CH3CH2CH2COOHCH3COOH血红素分子结构O-CH3OHHOHHOCH2HHPO2OCH3CHCH2NHCOCH2CH2CH3CH3NNCH3H2NCOCH2CH3CNH2NCOCH2CH3CH2CONH2CH3CH2CH2CONH2CH3CH3H2NCOCH2CH2CH3CH2CH2CONH2CoNNNN维生素B12分子结构β-吡啶甲酸β-吡啶甲酰胺（烟酸或尼克酸）烟酰胺或尼克酰胺）3．吡啶及其衍生物NCOOHNCONH2维生素PP维生素B6NHOH3CCH2OHCH2NH2NHOH3CCH2OHCHONHOH3CCH2OHCH2OH吡哆醇吡哆醛吡哆胺NCONHNH2NCOOHγ-吡啶甲酸γ-吡啶甲酰肼（异烟酸）（异烟酰肼或雷米封）4．吲哚及其衍生物NHCH2COOHNHCH3NH吲哚β-甲基吲哚β-吲哚乙酸5．苯并吡喃及其衍生物854321OO苯并吡喃2-苯基苯并吡喃天然色素，如花色素*和黄酮色素*等都含有2-苯基苯并吡喃的基本骨架。6．嘧啶及其衍生物NNNH2OHNNNH2HO4-氨基-2-羟基嘧啶4-氨基-2-氧嘧啶胞嘧啶（C）嘧啶具有弱碱性，可与强酸成盐，其碱性比吡啶弱。嘧啶的重要衍生物：NNOHOHH3CNNOHOHH3C5-甲基-2，4-二羟基嘧啶5-甲基-2，4-二氧嘧啶胸腺嘧啶（T）2，4-二羟基嘧啶2，4-二氧嘧啶尿嘧啶（U）NNOHOHNNOHOHNNNNHHNHNNNNHNH2NNNNOHH2NHNNNNHHH2NO6-氨基嘌呤（腺嘌呤）（A)2-氨基-6-羟基嘌呤2-氨基-6-氧嘌呤鸟嘌呤（G）7．嘌呤及其衍生物第二节生物碱2．生物碱的提取方法一、生物碱的存在及提取方法1．生物碱的存在（2）有机溶剂提取法（1）稀酸提取法生物碱是一类存在于植物体内，对人和动物有强烈生理作用的含氮碱性有机化合物。二、生物碱的一般性质生物碱分子中含有手性碳原子，具有旋光性，自然界中存在的一般是左旋体。生物碱能与许多试剂生成沉淀或发生颜色反应，这些试剂叫做生物碱试剂，用于检验、分离生物碱。生物碱试剂可分两类：1．沉淀试剂它们大多是复盐、杂多酸和某些有机酸，例如，碘-碘化钾、碘化汞钾、磷钼酸、硅钨酸、氯化汞、苦味酸和鞣酸等。不同生物碱能与不同的沉淀试剂作用呈现不同颜色的沉淀。2．显色试剂它们大多是氧化剂或脱水剂，例如，高锰酸钾、重铬酸钾、浓硝酸、浓硫酸、钒酸铵或甲醛的浓硫酸溶液等。它们能与不同的生物碱反应产生不同的颜色。显色剂在色谱分析上常作为生物碱的鉴定试剂。三、重要的生物碱举例1．烟碱（尼古丁）NNCH3烟碱以苹果酸盐及柠檬酸盐的形式存在烟草中（我国烟草中含1~4%）。烟碱能被KMnO4氧化为烟酸；具有弱碱性，可与强酸成盐；与鞣酸、苦味酸等反应生成沉淀；具有毒性，是一种有效的农业杀虫剂。2．麻黄碱**CHCHNHCH3OHCH33．茶碱、可可碱和咖啡碱HNNOCH3ONNCH3NNOCH3ONHNCH3NNOCH3ONNCH3CH3茶碱可可碱咖啡碱（1，3-二甲基黄嘌呤）（3，7-二甲基黄嘌呤）（1，3，7-三甲基黄嘌呤）本章要点1.命名(呋喃、噻酚、吡咯、吡啶、嘧啶、嘌呤及其简单衍生物）2.呋喃、噻酚、吡咯亲电取代反应的主要位置(α-位)；吡啶亲电取代反应的主要位置（β-位）3.吡啶侧链的氧化(包括苯并吡啶的氧化)4.吡咯的弱酸性,吡啶的弱碱性5.简单杂环化合物是否具有芳香性的判别(呋喃、噻酚、吡咯、吡啶等)习题1.(2)(3)(5)(7)2.(1)(2)(6)3.4.(2)(3)(4)(7)(10)6.(2)8.9.(2)