医学有机化学第十一章杂环化合物

第一节 杂环化合物的分类和命名 一、杂环化合物的分类
杂环化合物分为芳香杂环和非芳香杂环两类
非芳香杂环：环醚、内酯、交酯、环状酸酐、内酰胺等。如：
O
O
O
O
O
O
R
O
O
O
R
O
O
R
O
O
C O
C
O 18- 冠-6
CH3 N O
O
H
芳香杂环：
含一个杂原子
五元环
含多个杂原子
单杂环
含一个杂原子
C H2C H2C OOH
血红素
CO与血红蛋白配合的能力比氧大200倍！
四、青霉素
R
E NH2
活性酶
H N
HS
O
N
O O
青霉素
OH
H N
HS
R
O O HN NH
OH
O
E 无活性酶
H N
HS
R
H N
HS
R
O
N
O
青霉素酶 OO HN
OH
OH
O
O
OH
第二节 芳香六元杂环 一、吡啶的结构
环中的五个碳原子和一个氮原子均以sp2杂化轨道相互重叠形成σ键，每 个原子提供一个p轨道相互平行形成大π键。符合Hückel规则，具有芳香性。
1
1)卤化 吡咯、呋喃、噻吩的卤代不需要催化剂，在较低温度
下就能进行。
Br Br2/乙醇
Br
N H
0℃
Br
N H
Br
Br2/二氧六环
O
0℃
80% O Br
Br2/乙醇
S
0℃
78%
S
Br
2)硝化 吡咯、呋喃、噻吩遇强酸及氧化剂很容易使环破坏， 所以其硝化反应需要在比较温和的条件下进行
NO2
CH3COONO2 N NaOH/Ac2O/5℃ H
+
N
-
SO3
N
SO 3H
H 90%
++
O
N
HCl 二 氯 乙 烷
SO3
O SO3H
9 5 % H 2 S O 4
6 9 % ~ 7 6 %
S
S S O 3 H
4)傅-克酰化反应 呋喃、吡咯和噻吩用酸酐或酰氯在傅
氏催化剂作用下发生酰基化反应。
A c2O
N H
150℃ ~200℃
60%
N H
C O C H 3
❖ 噻吩存在于煤焦油的粗苯及石油中，在浓硫 酸存在下，与吲哚醌一同加热显示蓝色，反应灵 敏。可用来检验噻吩。
❖ 吡咯存在于煤焦油和骨焦油中，其蒸气或其 醇溶液能使浸过盐酸的松木片呈红色，此反应可 用来鉴定吡咯。
㈠、吡咯的酸碱性 吡咯是一种很弱的碱（pKb=13.6) 原因：N上的一对电子参与了共轭。
一、吡咯、呋喃和噻吩的结构
吡咯、呋喃和噻吩这三个化合物都是平面型分子。碳原子与杂原子均以sp2 杂化，并以σ键相互连接构成五元环。每个碳原子和杂原子都剩下一个未参与 杂化的p轨道，互相平行。碳原子的p轨道有一个p电子，而杂原子的p轨道有 2个p电子，形成了一个环型封闭的6π电子共轭体系，π电子数符合休克尔 （Hückel）规则。因此，呋喃、噻吩、吡咯都表现出与苯相似的芳香性。
环上电子云密度分布不象苯环那样均匀，所以呋喃、 噻吩、吡咯分子中各原子间的键长并不完全相等，因 此其芳香性比苯差。由于杂原子的电负性强弱顺序是： 氧＞氮＞硫，所以芳香性强弱顺序如下：苯＞噻吩＞ 吡咯＞呋喃。
二 、吡咯呋喃和噻吩的性质
❖ 呋喃存在于松木焦油中，其蒸气遇到浸过盐 酸的松木片时呈绿色，叫做松木片反应。此现象 可用来鉴定呋喃。
+ N NO2 H
83%
N H
7%
O
C H 3 C O O N O 2 -5 ~ -3 0 ℃
3 5 % O N O 2
C H 3 C O O N O 2 S A c2 O /0 ℃
7 0% S N O 2
3)磺化 呋喃、吡咯必须用吡啶的三氧化硫加合物作为磺
化剂，噻吩可直接用硫酸磺化。
+
N H
1 0 0 oC
2，6，8-三羟基嘌呤
尿酸难溶于水。正常人血浆中含尿酸 2~6mg%。每天由尿中排出0.5~1g。
第十四章 要点
1、杂环化合物的命名结构式的写法 2、五元杂环和六元杂环的化学性质 3、生物碱的定义及用途
NN
H3C
CH3
Me
Me
Me
ROOCCH2CH2
R= Me2CH(CH2)3CH(CH2)3CH(CH2)3C=CHCH2
CH3OOC O
铜可取代镁，仍显绿色，且更稳定。常用来浸制 植物标本。
C H=C H2 C H3
H3C H3C
N
N
+
Fe
C l-
N
N
C H=C H2 C H3
HOOC CH2C H2
O
A c2 O B F 3
7 5 % ~ 9 2 % O C O C H 3
A c2 O
S
H 3P O 4
94 % S C O C H 3
（三）、加成反应
O
H 2 /N i
O 四 氢 呋 喃 （ T H F ）
N H
H 2/P d
N H 四 氢 吡 咯 （ 吡 咯 烷 ）
H 2/M oS2
S
S
三、吡咯的衍生物
（ 7 1 % ） β -吡 啶 磺 酸
2、亲核取代反应
亲核取代反应的位置：α位和γ位，特别是α位。 原因： α位和γ位电子云密度低
NaNH2
100℃ N
N NH2
当α和γ位有好的离去基团（卤素，硝基等）时，弱的
亲核试剂（NH3，H2O等）就能反应。
Cl
OH
NaOH,H2O
N
N
4-羟基吡啶
(四)、氧化与还原
O HN
HO N
O N 存在于RNA中
H
尿嘧啶（U）（2，4-二羟基嘧啶）
OH
O
N HO N
CH3
HN ON
H
CH存3 在于DNA中
胸腺嘧啶（T）（5-甲基-2，4-二羟基嘧啶）
第四节 稠杂环化合物
一、嘌呤
6
1N
5
N7
2
9
N4 N
8
3
H
白色的固体，熔点216~217℃， 易溶于水。嘌呤呈中性，可 与酸和碱成盐。
(三)、亲电取代与亲核取代反应
1亲电取代 亲电取代反应位置：β位。
原因： β位电子云密度较大。
300℃
Br
N
Br2
N
（33%） β-溴吡啶
N
H N O 3 ， H 2 S O 4
N O 2
K N O 3 ， 3 0 0 ℃ N
（ 2 0 % ） β -硝 基 吡 啶
N
2 5 0 ℃
S O 3 H
发 烟 H 2 S O 4 N
.. ..
. .N
未参与共轭 未参与成键
sp2
二、吡啶的性质
(一)水溶性
能与水互溶（其氮原子上的一对未公用电子 对能与水形成氢键） (二) 碱性
原因：N上的孤电子对未参加共轭。
碱性顺序：脂肪胺＞氨气＞吡啶＞苯胺＞吡咯
pKb:
4.8 8.8 9.4 13.6
N+HCl
NHCl 或
+NHCl
吡啶盐酸盐?
1
4-甲基嘧啶
4 N3
5S
2 OH
1
2-羟基噻唑
4 N3
5 H N1
2 NH2
2-氨基咪唑
5 6
7 8
4
CH3
3
N2 1
3-甲基异喹啉
6N H 2
1N
5
7
N
3
9
N4N
H
6-氨基嘌呤
2、当侧链为羧基、磺酸基、醛基等时：一般把杂环作取代基。
CHO O
2-呋喃甲醛（糠醛）
COOH N
3-吡啶甲酸
第二节 五元杂环化合物
吡啶环比苯环难氧化 ，环上连有烃基时，侧链可被 氧化
CH3 KMnO4 △
N
N
吡啶还原后生成饱和的仲胺哌啶
COOH
+ 3H2 Pt
N
N
H
三、嘧啶及其衍生物
N
无色固体，熔点22℃，易
溶于水，有弱碱性。
N
NH2 N HO N
NH2 N
ON H
存在于DNA中
胞嘧啶（C）（4-氨基-2-羟基嘧啶）
OH N
N
N
NN H
9H-嘌呤 7H-嘌呤
N N
NH N
二、嘌呤的衍生物
1、腺嘌呤和鸟嘌呤（RNA和DNA中均有）
腺嘌呤(A) (6-氨基嘌呤)
NH2
N
N
OH
N
N
NN H
O
HN
N
NH2 N N H
NH2 N N H
鸟嘌呤（G）（2-氨基-6-羟基嘌呤）
2、尿酸
O HN ON
H
尿酸
NH
O N H
OH
N
N
HO N N OH H
吡咯存在于煤焦油和骨油中，无色液体，有弱 的苯胺味。
其衍生物广泛存在于自然界中。如：血红素、叶绿素、 VB12及各种生物碱。
N HN
卟
NH N
吩
卟吩环是卟啉化合物的母体，具有芳香性。叶绿 素和血红素都是卟啉化合物。
CH=CH2 R1
H3C
N 2+ N Mg
CH2CH3 R1=CH3 叶绿素a（蓝绿色） R1=CHO 叶绿素 b（黄绿色）
六元环
含多个杂原子
4
3
51 2
O
4
3
5 12
S
4
3
5 N1 2 H
呋喃（furan) 噻吩（thiophene) 吡咯（pyrrole)
43
4
3
N
4
3
N
4
3
N
5 1 N2 N
H 吡唑
4
5 12
N H 咪唑
51 2
O
噁唑
4
5 12
S 噻唑
5 61
3
5
2 吡啶（pyridine) 6
β′4 3 β
α′5
1
O
α
2
C
H
3
2-甲基呋喃
α-甲基呋喃
C H2C H2C H3
N 4-丙基吡啶 γ-丙基吡啶
NO2
N H
3-硝基吡咯 β -硝基吡咯
5 6
7 8
4
3 CH3
N2
1
3-甲基异喹啉
②含多个杂原子时：按 O，ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ，NH，N 的顺序使杂原子的 编号最小。有固定编号的例外。
CH3 4
5 N3 6 N2
1
3
γ-吡喃
2
N
O
N N
N
N
哒嗪
N 嘧啶
N
吡嗪
5
4
5
4
4
6
36
35
3
苯稠杂环
稠杂环
7 8
N
1
27
8
N2 6
1
7
12
N H
喹啉
异喹啉
吲哚
杂 环 稠 杂 环
6
1N
5
N7
嘌呤
2
9
N4 N
8
二、命名：
3
H
音译法：“口”字旁+英文译音。
1、当环上有取代基时：一般以杂环为“母体”。
编号原则：①含一个杂原子时：把杂原子作1号，沿着使取代 基编号最小的方向用阿拉伯数字给环编号；或用希腊字母编号， 与杂原子相连的碳为α-位，依次为β- ，γ-位。
N
O
S
H
NH
O
S
在呋喃、噻吩、吡咯分子中，由于杂原子的未共用 电子对参与了共轭（6个π电子分布在由5个原子组成 的分子轨道中），使环上的电子云密度增加，因此环 中碳原子的电子云密度相对地大于苯中碳原子的电子 云密度，所以此类杂环称为富电子芳杂环或多π电子芳 杂环。比苯容易进行亲电取代。
由于杂原子氧、硫、氮的电负性比碳原子大，使得
在吡啶的分子中，由于氮原子电负性大于碳原子，电子云向氮原子偏移，使 得环上的电子云密度分布不均，所以其芳香性比苯差，由于氮原子的吸电子作 用，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芳杂环。
0.87 1.01
0.84 N 1.43
吡咯具有一定的酸性（pKa=17.5) 原因：N 的给电子共轭效应，使得N上的电子云 密度降低，N-H键的极性增加。
+KOH △
N H
- + H2O N K+
㈡、亲电取代反应
亲电取代反应的位置：主要是α位。 原因： α位的电子云密度高。
N
O
S
H
溴代反应的相对活性 3×1018 6×10 11 5×10 8
杂环化合物
定义：成环原子中除碳原子外还含有非碳原子的有 机化合物。 杂原子：环中的非碳原子。常见的杂原子有：O、S、N。
90%以上药物和60%以上的有机化合物为杂环化合物。 叶绿素（它为植物提供绿色） 血红素(它赋予血液以鲜红的颜色) 花色素使得鲜花呈现五彩缤纷的色彩，它们都是杂环化合物 核酸中的杂环（嘧啶和嘌呤）部分对DNA的复制起着至关重要 的作用并使生命得以代代相传，基因代代延续； 杂环化合物通常是酶和辅酶中催化生化反应的活性部位。 正是由于其存在，自然万物才有了勃勃生机 。