第十一章 杂环化合物和生物碱
一、学习要求
1．掌握杂环化合物的分类和命名
2．掌握五元杂环、六元杂环和稠杂环的结构和性质 3．掌握生物碱的基本概念及分类
4．了解生物碱的一般性质、提取方法及重要的生物碱
二、本章要点
（一）杂环化合物的分类和命名
1．杂环化合物的概念 由碳原子和非碳原子所构成的环状有机化合物称为杂环化合物，环中的非碳原子称为杂原子，最常见的杂原子有氧、硫、氮等。
2．杂环化合物的分类 按环的数目不同，可分为单杂环和稠杂环两大类。单杂环按环的大小不同又可分为五元杂环和六元杂环。稠杂环通常由苯与单杂环或单杂环与单杂环稠合杂环化合物而成。
3．杂环化合物的命名 杂环化合物的命名比较复杂，目前我国常使用“音译法”，即按英文的读音，用同音汉字加上“口”字旁命名：
O
1
2
3455
43
2
1
S
5432
1
N 543
2
1
N S 543
2
1N N
H
H
5432
1N N
H
呋喃 噻吩 吡咯 噻唑 吡唑 咪唑
（furan ） （thiophene ） （pyrrole ） （thiazole ） （pyrazole ） （imidazole ）
6
54
32
1
O N N 1
2
3456
N N 1
2
3456
N N 1
2
3456
6
54
3
2
1
N 吡啶 哒嗪 嘧啶 吡嗪 吡喃（pyridine ） (pyridazine) (pyrimidine) (pyrazine) (pyran)
环上有取代基的杂环化合物的名称是以杂环为母体，并注明取代基的位置、数目和名称。杂原子的编号，除个别稠杂环外，一般从杂原子开始编号，环上有不同不同杂原子时，按O 、S 、NH 和N 的顺序编号；某些杂环可能有互变异构体，为区别各异构体，需用大写斜体“H ”及其位置编号标明一个或多个氢原子所在的位置。例如：
2，4-二羟基嘧啶 2-氨基-6-氧嘌呤 4H -吡喃 2H -吡喃
此外，还可以将杂环作为取代基，以官能团侧链为母体进行命名。例如：
N ，N-二乙基-3- 4-嘧啶甲酸 3-吲哚乙酸 2-呋喃甲醛
吡啶甲酰胺
（二）含氮六元杂环 1.吡啶的结构
1
2345
6
7
8
9
N
N N N H 2N O
H N N OH
OH
1
23
4
56
O
1
2
34
56
1
2
3
45O
6
1
2
1
CHO
O CON(C 2H 5)2
N
2
34
56
COOH
6
5432
1
N N CH 2COOH
N H
12
3
456
7
N
..
6
98
75
43
2
110
98
76
321
6
58
7
65432
1H N N N N N N 8
7
65
432
N 7
4
32
1H N 喹啉 异喹啉 吲哚 吖啶 嘌呤 ( quinoline) (isoquinoline) (indole) (acridine) (purine)
吡啶为六原子六电子的闭关共轭体系，符合Hückel的4n+2规则，具有芳香性。吡啶为一弱碱，具亲核性，可发生亲电取代反应，但由于吡啶环上氮原子的强吸电子作用降低了环碳（主要是邻位、对位）的电子云密度，因此，它的亲电取代反应比苯难，取代基主要进入间位；吡啶环比苯难氧化。
2. 吡啶的性质
（1）碱性和亲核性：
碱性
亲核性（2）电取代反应：
（3）侧链上的氧化反应：
（4）还原反应：
+-.
.
.
..
.
O
O
S
-
+
HCl
N
N
N
O
CH Br
N
+-
CH3Br
N
N
N
SO3H
Br
NO2
N
N
COOH
N
CH3
N
N
H P
N
2t
H
3. 吡啶的衍生物
（1）维生素PP(Vitamin PP)：烟酸（β-吡啶甲酸）和烟酰胺（β-吡啶甲酰胺）统称为维生素PP 。
（2）维生素B 6 (Vitamin B 6)：维生素B 6包括吡哆醇、吡哆醛和吡哆胺。 （3）异烟肼：抗结核药
4.嘧啶及其衍生物
嘧啶 尿嘧啶(U ) 胞嘧啶(C) 胸腺嘧啶(T) (三) 五氮元杂环
1．吡咯的结构
吡咯为五原子六电子的富电子闭合共轭体系，符合H ückel 的4n+2规则，具有芳香性。吡咯环上碳原子的电子云密度苯环大，因此，吡咯比苯更容易进行芳香亲电取代反应。取代基优先进入α-
位。
2．吡咯的性质
（1） 酸、碱性：吡咯碱性极弱，（其共轭酸的 P K a =-3.8），具有弱酸性（P K a =17.5），能与固体氢氧化钾共热成盐：
（2）芳环上的亲电取代反应：
4
N
N 1
2
356
N
H
H
+ KOH N N (s)
N N O
O H H
N
N O
NH 2N
N O
O
CH 3
H
H
3. 咪唑、噻唑及其衍生物
咪唑 噻唑 盐酸左旋咪唑 组胺
青霉素的基本结构 维生素B 1 (Vitamin B 1) （四）稠杂环
1. 喹啉及其衍生物 它与吡啶相似，氮原子上的一对电子可以结合质子，而显弱碱性，可与无机酸成盐，与碘甲烷生成季铵盐，也能发生卤代、硝化、磺化反应，取代基主要进入5-位或8-位。
氯喹 奎宁
2
H
H
N N N 12
345N S 1
2345
S
N N Cl
H Ph
N CH 3CH 3COOH
O
A B
S O NH
C R +
Cl CH 3CH 2CH 2OH
N S
H 3C +
CH 2NH 3Cl N N --N 1
2
345
67
8
CH 3CHCH 2CH 2N(C 2H 5)2
N
Cl
NH
2
N CH 3O
H C
N N CH 2CH 2NH 2H
(五) 嘌呤及其衍生物
9H -嘌呤 (9H- purine ) 7H -嘌呤(7H -purine ) 腺嘌呤（A ）
鸟嘌呤(G) 尿酸(U)
(六) 生物碱基本概念及分类
1. 生物碱的基本概念 是存在于生物体中的一类含氮的具有一定生理活性的有机碱性化合物。
2.生物碱的分类方法通常有两类，一是按植物来源分，如长春花生物碱，夹竹桃生物碱、乌头生物碱等；另一类是按生物碱的杂环母核结构分类，如喹啉类、异喹啉类、吲哚类、嘌呤类生物碱等。
3.生物碱的一般性质及提取方法 生物碱多为无色结晶，难溶于水，易溶于乙醇、氯仿、丙酮、乙醚、苯等有机溶剂中，生物碱与无机酸所生成的盐则易溶于水而不溶或难溶于氯仿、乙醚、苯等有机溶剂中。多数生物碱分子为手性分子。
（1） 沉淀反应：大多数生物碱或盐的水溶液能与碘化汞钾试剂（Mayer 试剂）、碘化铋钾试剂（Dragendorff 试剂），碘-碘化钾试剂（Wagner 试剂）、磷钨酸、苦味酸、硅味酸试剂等试剂反应生成沉淀。
（2）颜色反应：生物碱能与甲醛-浓硫酸试剂（Macquis 试剂）、钼酸铵-浓硫酸试剂（Frohde 试剂）等发生颜色反应。
4.生物碱的提取方法 生物碱的提取方法常根据生物碱及其盐类的溶解性而定，最常用的是有机溶剂提取法。
5.重要的生物碱
N N
N
N H H
N
N N N
N N
N
N NH 2N
N
N N
O
N
H 2H N N N N O
H H
O
H O
（-）-麻黄碱 （+）-伪麻黄碱 颠茄碱
小檗碱（黄连素） 吗啡碱
三、问题参考答案
问题11-1 命名下列各化合物：
N
N HO HO
(1)
N N
H
OHC
Br
(2)
N
2
OH
Cl
O
COOH COOH
(3)
(4)
解：
1、4，5-二羟基嘧啶；
2、 2-溴咪唑-5-甲醛；
3、8-氨基-5-羟基-3-氯喹啉；
4、 2,3-呋喃二甲酸
问题11-2 为什么吡啶卤代不使用FeX 3等Lewis 酸催化剂?
解：因为吡啶分子中的氮原子上有一对末共用电子对，能与缺电子分子FeX 3
N
CH 3
H OCOCH
CH 2OH
O C
H 2O
N OMe OMe
OH +
-H
CH 3
O
H CH 3H H
NHCH 3C C
HO
C
C CH 3OH
H H
NHCH 3
等Lewis 酸催化剂反应，使催化剂失去活性。
问题11-3 为什么嘧啶分子中含有两个碱性的氮原子,却为一元碱，且其碱性比吡啶弱得多?
解：嘧啶环上有两个氮原子，一个氮原子质子化后，第二个氮原子对质子化的氮正离子的吸电子诱导效应与共轭效应，使质子化的氮正离子不稳定，质子易离去，所以碱性较吡啶低；当一个氮原子质子化后，它的吸电性增强，使另一个氮原子的电子云密度降低，以致不能再接受质子，因此嘧啶为一元碱。 问题11-4 为什么吡咯比苯容易进行亲电取代反应？
解：因为在吡咯的分子中，五个原子共享6个 电子，环上的电子云密度比苯大，故它的亲电取代反应比苯容易进行。 问题11-5 排列吡咯、吡啶、苯胺、氨的碱性强弱？
解：氨＞吡啶＞苯胺＞吡咯
问题11-6 试写出喹啉与碘甲烷反应的生成物的结构式。
解：
四、习题参考答案
1.命名下列各杂环化合物：
解：
（1）2，3，4，5-四溴呋喃； （2）N-乙基-4-巯基咪唑； （3）2-噻唑甲醛； （4）3-吡啶乙酸 （5）5-羟基-4-氯嘧啶； （6）8-氨基吲哚； （7）4-喹啉磺酸； （8）9-甲基-2-羟基嘌呤
N CH 3
+I -N
CH 2COOH
(4)
O
Br Br
Br
Br
(1)
N
N C 2H 5
HS (2)
S
N CHO
(3)
N NH 2
(6)
H
N
SO 3H
(7)
N N
N N CH 3
HO
(8)
N
N Cl
HO (5)
2．写出下列化合物的结构式：
(1) 8-羟基喹啉 (2) 5-氟-4-羟基嘧啶 (3) 噻唑-5-磺酸 (4)6-巯基嘌呤 (5) β-吡啶甲酰胺 (6) 3-吲哚甲酸乙酯
解：
（
3．写出下列反应的主要产物： (1) (2) (3) (4) (5)
(6)
解：
N
H
+ KOH N
CH 3O
CH 3COONO 2
+N H
4I 2 + NaOH
+N
浓H 244
N
N
OH
(1)N N
OH
F
(2)
S N
HO 3S
(3)N
N
N
N
H
SH
(4)
N H
COOCH 2CH 3
(6)
N
CONH 2
(5)
N K
(1)
N
COOH
(2)
N
CONH 2
O
NO 2
(3)
4．指出下列化合物的分子结构中各含有哪些杂环母核：
甲硝唑 罂粟酮
呋喃西林 鼻眼净
解： (1)吡咯环； (2)吡喃环； (3)呋喃环； (4)咪唑环；
(5)噻唑环； (6)吲哚环； (7)喹啉环； (8)嘌呤环
5．排出组胺分子中氮原子碱性的强弱顺序。
解：组胺分子中氮原子的碱性强弱顺序为: ③
>②>① 6．简述什么是生物碱？
N
N H
CH 2CH 2NH 2
①②③
N H
I I I
I
(4)
N
SO 3H
(5)
N
NO 2
N
NO 2
+(6)
N CH 2CH 2OH
CH 3O 2N
(1)
O O
HO HOOC
COOH
(2)
O
O 2N
CH=NNHCONH 2
(3)
CH 2
N N H
+
Cl -(4)
N
OCH 2CH(OH)CH 2NHCH(CH 3)2
(6)
心复宁
N
COOH
ph
(7)
辛可芬
N
N N CH 3
H 3C
CH 3
O O
(8)
咖啡因
(5)H 2N
SO 2磺胺噻唑（ST ）
解：生物碱是存在于生物体中的一类含氮的具有一定生理活性的有机碱性化合物。从结构上看，大多数生物碱都是胺类或季铵类化合物，多数具有杂环结构，氮原子或在环内或在侧链上。
（昆明医学院柳波）