第十一章杂环化合物和生物碱

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第十一章杂环化合物和生物碱_0

---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------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第十一章杂环化合物和生物碱参考答案 1．命名下列化合物：（1） -呋喃甲酸（2） -甲基吡咯（3） -噻吩磺酸（4）-吡啶甲酰胺（5） 4-甲基吡啶盐酸盐（或：氯化-4-甲基吡啶）（6） 4-羟基嘧啶（7） 5-硝基喹啉（8）2, 6, 8-三羟基嘌呤 2．写出下列化合物的构造式：(1) (2) BrOBr(3) SCH2OH 3 2 (5) (6) CH2COOH OCHO(7) N NOH 3．把下列化合物按其碱性由强至弱排列。

六氢吡啶甲胺氨吡啶苯胺吡咯 4．用化学方法区别下列各组化合物。

（1）与 FeCl3 溶液作用呈紫色的为苯酚；与 H2SO4-靛红呈蓝色的为噻吩。

（2）蒸气遇蘸有浓 HCl 的松木片显红色的为吡咯。

（3）与 CH3COOH/苯胺显示亮红色的为糠醛。

5．用适当的化学方法，将下列混合物中少量杂质除去。

（1）加入浓硫酸一起振荡，噻吩发生磺化反应生成噻吩磺酸溶于浓硫酸。

（2）利用吡啶的弱碱性，加入 HCl 使其生成吡啶盐酸除去。

6．完成下列反应式。

1 / 7(1) OCH2OHOCOOH (2) NI HCH3 COOH (3) CONH2 NN COOCH3(4) NOH(8) NNH2N(4) NSO3H3(5) CH3OCHCHO(6) NCOOHNCONH2NCNCH2NH27．喹啉硝化反应发生在苯环上；吲哚硝化反应发生在吡咯环上。

8．互变异构体的构造式如下：9．答：吡啶和六氢吡啶的分子中，氮原子上都有未共用的电子对，都可以和质子结合显碱性。

两者不同的是氮原子上未共用电子对所处轨道的类型不同，吡啶中氮原子上的未共用电子对处于 sp2 杂化轨道上，而六氢吡啶中氮原子上的未共用电子对处于 sp3 杂化轨道上。

有机化学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。

本章介绍杂环化合物的分类、命名、结构特点、性质及重要的杂环化合物，生物碱的一般性质、提取方法和重要的生物碱。

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，则这种环状化合物叫做杂环化合物。

组成杂环的原子，除碳以外的都叫做杂原子。

常见的杂原子有氧、硫、氮等。

前面学习过的环醚、内酯、内酐和内酰胺等都含有杂原子，但它们容易开环，性质上又与开链化合物相似，所以不把它们放在杂环化合物中讨论。

杂环化合物种类繁多，在自然界中分布很广。

具有生物活性的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。

例如：在动、植物体内起着重要生理作用的血红素、叶绿素、核酸的碱基、中草药的有效成分——生物碱等都是含氮杂环化合物。

一部分维生素、抗菌素、植物色素、许多人工合成的药物及合成染料也含有杂环。

杂环化合物的应用范围极其广泛，涉及医药、农药、染料、生物膜材料、超导材料、分子器件、贮能材料等，尤其在生物界，杂环化合物几乎随处可见。

一、杂环化合物的分类和命名为了研究方便，根据杂环母体中所含环的数目，将杂环化合物分为单杂环和稠杂环两大类。

最常见的单杂环有五元环和六元环。

稠杂环有芳环并杂环和杂环并杂环两种。

另外，可根据单杂环中杂原子的数目不同分为含一个杂原子的单杂环、含两个杂原子的单杂环等。

杂环化合物的命名在我国有两种方法：一种是译音命名法；另一种是系统命名法。

译音法是根据IUPAC 推荐的通用名，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。

例如：呋喃咪唑吡啶嘌呤furan imidazole pyridine purine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。

第十一章杂环化合物与生物碱《医用化学基础》

• 重要的天然色素如叶绿素、血红素等都含有卟吩
环。
卟吩
叶绿素
血红素
1. 叶绿素
• 叶绿素存在于植物的叶和绿色的茎中。植物在进行光合作用时，通过叶绿素将太阳能转变为化学能而贮藏在形成的有机化合物中。叶绿素在植物内具有重要的生理意义。
• 2.血红素
• 血红素存在于高等动物的体内，是重要的色素之一。它与蛋白质结合形成血红蛋白，存在于红血球中。血红蛋白在高等动物体内起着输送氧气和二氧化碳的作用。
• 讨论与思考： • 阿托品存在于那种植物中？具有哪些作用？
• 2.呋喃类药物
• 呋喃坦丁、呋喃唑酮和呋喃西林是一类5-硝基呋喃甲醛的衍生物。它们都是人工合成的广谱抗菌药物，
• （二）吡咯及其衍生物
• 吡咯的衍生物广泛分布在自然界中，其中最重要的是卟啉化合物。这类化合物有一个基本结构称卟吩环，是由四个吡咯和四个次甲基交替相连而成的复杂大环，具有芳香性。含有卟吩环结构的化合物叫卟啉化合物。
• （七）秋水仙碱
• 秋水仙碱除了可有效地诱发染色体的加倍，在农业上用于多倍体育种外，还可以治疗风痛等疾病。特别是近年来发现它有一定的抗癌作用，能制止癌细胞的增长，对乳腺癌、皮肤癌等有很好的疗效。
• 秋水仙碱存在于植物秋水仙的球茎和种子中，我国云南的山慈菇中含量也较多。秋水仙碱是黄灰色针状结晶，熔点为155～157℃，能溶于水或稀乙醇溶液，易溶于氯仿,但不溶于无水乙醚和石油醚。
（五）金鸡纳碱（奎宁）
金鸡纳碱又称奎宁，在金鸡纳树皮中含量达15%，奎宁是无色针状晶体，味极苦,微溶于水,易溶于乙醇、乙醚等有机溶剂。奎宁可以用于治疗和预防各种疟疾并有退热作用。
• （六）.吗啡

有机化学：第十一章杂环化合物和生物碱

咪唑
N H 吡咯
N
N H
吡唑
二、呋喃、噻吩、吡咯的性质：
1. 吡咯的弱酸性和弱碱性：
• 吡咯虽然是一个仲胺，但碱性很弱，甚至弱于苯胺。
NH2 Kb 3.8× 10-10
N H 2.5× 10-14
N H 2 × 10-4
原因： N 上的未共用电子对
参与了环的共轭体系，减弱了与 H 的结合力。
➢吡咯具有弱酸性，
7 8
N 1
2 CH3
2，8－二甲基喹啉
CH3
2. 杂环上不止一个杂原子时，则从O、S、N
顺序依次编号。编号时杂原子的位次数字之
和应最小。
H3C 4 N 3
H3C 4 N 3
5
2
N H
1
5
S2 1
C2H5
4－甲基咪唑
4－甲基－2－乙基噻唑
OH
6 1N
5
N7
H2N
2
N
3
4
N H
9
8
2－氨基－6－羟基嘌呤
杂环化合物：组成环的原子中含有除
碳以外的原子(杂原子――常见的是N、 O、S等)的环状化合物。
杂环化合物
非芳香杂环如
,O O, O
NH ……
芳杂环（符合休克尔规则的杂环）如
,
N H
N
……
杂环化合物
• 在自然界分布很广、功用很多。 • 例如，中草药的有效成分生物碱大多是杂环
化合物； • 动植物体内起重要生理作用的血红素、叶绿
• 存在互变异构。
O HN ON
H
NH NO H
OH
N
N
HO N
N H
OH

有机化学——第11章杂环化合物和生物碱

质子的酸性：由于氮的孤对电子和二烯共轭作用，使吡咯的质子容易离去，呈弱酸性： Ka = 10-15，比醇强：Ka = 10-16，比酚弱： Ka = 1.3 × 10-10。
9
四、一杂六元杂环化合物
1、吡啶的结构
H H H H H N
吡啶的轨道结构 2、吡啶的性质
C–N: 0.146 nm C=N: 0.128 nm
硝化反应
吡咯和呋喃用混酸硝化时，发生聚合反应或者被氧化
6
磺化反应
Friedel–Crafts酰基化反应用Lewis酸，如SnCl4，BF3作促进剂
7
2) 呋喃水解为γ-二羰基化合物
Plausible Mechanism
8
3) 呋喃、噻吩、吡咯的催化氢化
4) 吡咯的酸碱性氮原子的碱性：由于氮的孤对电子和二烯共轭，所以碱性极弱：Kb = 2.5 × 10-14;比苯胺弱：Kb = 3.8 × 10-10；
杂环分类单杂环五元杂环含一个杂原子的杂环含两个以上杂原子的杂环含一个杂原子的杂环含两个以上杂原子的杂环
杂环分类单杂环六元杂环
2
杂环分类
Hale Waihona Puke 含一个杂原子的杂环含两个以上杂原子的杂环
稠杂环
二、杂环化合物的命名通常用音译命名
如果杂环上有取代基，取代基位次从所在原子算起。其中编号从杂原子开始，不同原子按 O→S→N ；环上取代基选母体顺序同芳香烃。
(2) 嘧啶的衍生物 1) 核酸中的嘧啶碱基尿嘧啶 (U)
胞嘧啶 (C)
胸腺嘧啶 (T)
2) 维生素B1 (硫胺素)
在动物体内参与糖代谢过程。缺少维生素B1会发生脚气病或多发性神经炎及消化不良。 16

杂环化合物和生物碱

结构特点与性质
结构特点
生物碱通常具有复杂的环状结构，其中最常见的是苯环和杂环。
物理性质
生物碱多为固体，具有旋光性，部分生物碱具有荧光性质。
化学性质
生物碱具有碱性，可与酸成盐，也可与金属离子络合。
提取方法与分离技术
提取方法
生物碱的提取通常采用溶剂萃取法、离子交换法、沉淀法等。
VS
分离技术
合成方法与途径的创新研究
探索新的合成方法
研究新的合成方法，提高杂环化合物和生物碱的合成效率和纯度。
寻找更环保的合成途径
采用更环保的合成途径，减少对环境的影响。
开发高通量合成技术
利用高通量合成技术，快速筛选和优化杂环化合物和生物碱的合成方法。
药物作用机制与靶点研究进展
01
深入了解药物作用机制
02
例如，一些杂环化合物的合成方法可以借鉴生物碱的合成方法，反之亦然。
03
在合成过程中，可以利用一些共同的反应步骤和中间体，使得合成过程更加高效和经济。
04
同时，对于一些难以合成的杂环化合物或生物碱，可以借鉴对方的合成方法来寻找新的合成策略。
04
杂环化合物在药物研发中的应用
抗肿瘤药物
嘧啶类抗肿瘤药物
蒿甲醚
蒿甲醚是青蒿素的衍生物，具有更强的抗疟疾活性，对多种疟原虫有较好的治疗效果。
镇痛药物
可待因
可待因是一种具有镇痛作用的生物碱，可以有效缓解轻至中度的疼痛。
吗啡
吗啡是一种具有强镇痛作用的生物碱，可以有效缓解重至极度的疼痛。但长期使用会产
生依赖性和成瘾性，需谨慎使用。
06
杂环化合物与生物碱的未来发展前景
杂环化合物和生物碱

杂环化合物及生物碱

3 天然来源和合成的结合
结合天然来源的化合物和人工合成的化合物，发现更多具有生物活性的化合物。
抗癌药物
某些生物碱具有抗肿瘤活性，被用于开发抗癌药物。
抗微生物药物
杂环化合物和生物碱被用于开发具有抗菌、抗病毒等微生物活性的药物。
神经系统药物
某些生物碱对神经系统具有影响，被用于开发治疗神经系统疾病的药物。
合成与设计策略
合成和设计杂环化合物和生物碱的策略包括：
1 结构活性关系研究
通过研究分子结构和生物活性之间的关系，指导化合物的合成和设计。
杂环化合物及生物碱
在这个演示文稿中，我们将探索杂环化合物及生物碱。了解其定义、分类、合成方法，以及在生物活性研究和药物开发中的应用。同时，探讨杂环化合物和生物碱的合成与设计策略以及未来的发展趋势。
定义
杂环化合物是由杂原子（非碳原子）组成的环状化合物。生物碱是一类存在于生物体内的含氮天然有机化合物，具有生物活性。
• 植物生物碱 • 动物生物碱 • 微生物生物碱 • 合成生物碱
合成方法
杂环化合物和生物碱的合成方法具有多样性，包括：
1 环化反应
通过环内反应构建杂环结构，例如环加成反应、环合成反应。
2 杂原子取代反应
通过引入杂原子或取代某些原子来改变分子结构。
3 天然来源提取
从植物、动物或微生物中提取天然的生物碱。
生物活性研究
对杂环化合物和生物碱的生物活性进行研究，可以揭示其药理学特性和潜在的应用。
1
体外活性筛选
通过体外实验评估化合物对特定靶点的活性，筛选出潜在的药物候选物。
2
体内研究
在动物模型中测试化合物的药理学活性和毒理学特性。
3

杂环化合物和生物碱-有机化学

溶解1份吡咯、呋喃及噻吩，分别需要17、 35、700份的水。当五元杂环上连有羟基时，溶解度增大。
如： O
H3C O OH
S
S
OH
(1:35)
(1:20)
(1:700)
(1:16)
3. 杂环化合物的化学性质 (1)、亲电取代反应
N H O S
HNO3
I2 NaOH
吡咯、呋喃、噻吩 α位取代
I
第四节稠杂环化合物
稠杂环化合物是指苯环与杂环稠合或杂环与杂环稠合在一起的化合物。常见的有喹啉、吲哚和嘌呤。
泳衣品牌
3 2 d ★ c
N
a b
N
1
N
★ b 2 a 3
N1
S
N
吡啶并[2,3-d]嘧啶
咪唑并[2,1-b] 噻唑
第二节
五元杂环化合物
五元杂环化合物包括含有1个杂原子的五元杂环和含2个杂原子的五元杂环。一、含1个杂原子的五元杂环化合物 1.结构
4 5 1N 3 2
4 5 3 2 4 5 3 2
OH
2．亲电取代反应
Cl2, AlCl 3 100 ℃ Br2, 浮石催化 300 ℃ 气相
Cl
3 氯吡啶
N
Br
3 溴吡啶
N
NO2
N
浓 H2SO4 HgSO4 催化， ℃ 220 混酸 300 ℃
3 硝基吡啶
N
SO3H
吡啶 3 磺酸
N
3．氧化还原反应
（1）氧化反应
COOH N β 吡啶甲酸（烟酸） HNO 3 N COOH N α 吡啶甲酸
由于吡啶环的N上在环外有一孤对电子，故吡啶环上的电荷分布不均。

杂环化合物和生物碱

（2）噻唑（ thiazole ）分子式：C3H3NS
噻唑含有一个硫和一个氮杂原子的五元杂环化合物,分子式C3H3NS。唑字由外文字尾azole译音而来，意为含氮的五元杂环, 除吡咯外都称为某唑。硫和氮占1,3两位的称为噻唑；硫和氮占1,2两位的,称为异噻唑。噻唑和异噻唑在自然界不存在。噻唑为淡黄色具有腐败臭味的液体，沸点 116.8℃，相对密度1.998(17/4℃)。噻唑与吡啶类似,具有弱碱性；可与苦味酸和盐酸等形成盐，与许多金属氯化物（如氯化金等）形成络合物，并具有一定的熔点。噻唑的环系具有一定的稳定性，也表现出一定的芳香性。它与吡啶在化学性质上相似，例如,2位上的氢具有活性；也可以与氨基钠作用,生成2-氨基噻唑;其氨基也可重氮化（见重氮化反应）。噻唑一般不能还原为二氢和四氢化合物。
吡咯可用1，4 -二羰基化合物与氨反应制取，工业上吡咯由丁炔二醇与氨通过催化作用制备。吡咯与苯并联的化合物称为吲哚，是一个重要的化合物。有些吡咯的衍生物具有重要的生理作用，例如，叶绿素、血红素都是由4个吡咯环形成的卟啉环系的衍生物。四氢吡咯是一个重要的试剂，它与酮反应失水形成烯胺，即氨基旁有一个碳 -碳双键。例如环己酮与四氢吡咯形成的烯胺在有机合成中有多种用途。一般而言，用吡咯为原料进行实验之前，要重新蒸馏后再使用，因为吡咯长时间暴露在空气中易聚合生成聚吡咯（黑色固体）。 3. 酸碱性酸性比较：乙酸>苯酚> 吡咯 >环己醇
2、呋喃和噻吩
（1）呋喃
呋喃，是最简单的含氧五节杂环化合物。无色液体。有特殊的气味。有麻醉和弱刺激作用，极度易燃。吸入后可引起头痛、头晕、恶心、呼吸衰竭。呋喃环具芳环性质，可发生卤化、硝化、磺化等亲电取代反应，主要用于有机合成或用作溶剂。P

杂环化合物和生物碱

化学合成
根据需要，可以通过有机合成手段人工合成杂环化合物和生物碱，以满足药物研发的需求。
杂环化合物和生物碱的生物活性和作用机制
1 生物活性
杂环化合物和生物碱的生物活性包括抗菌、抗肿瘤、抗炎等多种作用。
2 作用机制
它们通过与生物体内的靶标结合，干扰生理过程或改变信号传导途径来实现其作用。
杂环化合物和生物碱的合理设计原则
2
分类
生物碱根据骨架结构和生物来源可分为多个类别，如喹啉生物碱和阿片类生物碱等。
3
应用
生物碱在药物和医学研究中具有广泛的应用，如抗癌药物和神经传递物质等。
杂环化合物和生物碱在药物研发中的应用
药物研发
杂环化合物和生物碱作为药物研发的重要组成部分，可以用于发现新型药物和治疗疾病。
天然产物研究
杂环化合物和生物碱从天然产物中提取，有助于发现潜在的药理活性和生物活性化合物。
挑战
药物的研发过程面临着多种挑战，如合成难度、抗药性的产生等。
杂环化合物的合成方法
氮杂环化合物
氮杂环化合物可通过N原子上的亲电或亲核取代反应、环加成反应等方法合成。
氧杂环化合物
氧杂环化合物可通过醚键的形成和断裂、环加成反应等方法合成。
硫杂环化合物
硫杂环化合物可通过S原子上的亲电或亲核取代反应、环加成反应等方法合成。
生物碱的来源和分类
1
来源
生物碱可以从植物、动物和微生物中提取，也可通过有机合成得到。
1 结构活性关系
合理设计杂环化合物和生物碱的结构，以最大程度地提高其活性和选择性。
2 毒性评估
在设计过程中需要考虑毒性评估，以确保化合物在应用中的安全性。
3 可供性和可合成性

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第十一章杂环化合物和生物碱

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