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---------------------------------------------------------------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。
第十六章 杂环化合物、生物碱杂环化合物的定义：在环状有机化合物中，构成环的原子除了碳原子外还含有其他原子，这环状种化合物就叫做杂环化合物（heterocyclic compound ）。
除碳以外的其他原子叫做杂原子。
常见的杂原子有：氮、氧、硫。
第一节 杂环化合物的分类和命名 一、 分类按照环的大小和环的数目可分为：杂环单杂环五元环六元环苯环与单杂环的稠合杂环(苯并杂环)两个或两个以上单杂环的稠合杂环O SN H稠杂环NNNNN HN二、 命名1、音译法：根据外文译音，选用同音汉字，加―口‖字旁表示杂环。
O S N H 吡咯呋喃噻吩吡啶N pyrrolefuranthiophenepyridine N H 吲哚indole N N咪啶pyrimidine取代杂环的命名： ① 杂环的编号从杂原子起依次1,2,3 ……（或：α,β,γ……）。
② 如环上不止一个杂原子时，则从O 、S 、N 的顺序依次编号。
③ 有两个相同杂原子的，应从连有H 原子或取代基的开始编号。
④ 编号时注意杂原子或取代基的位次之和最小。
⑤ 稠杂环是特定的母体和固定的编号。
N S 512435-乙基噻唑N N H23454-甲基咪唑CH 3C 2H 5N CH 31234563-甲基吡啶2、根据结构命名：即根据相应于杂环的碳环来命名，把杂环看作是相应的碳环中的碳原子被杂原子置换而形成的。
例如，吡啶可看作是苯环上一个碳原子被氮原子置换而成的，所以叫做氮杂苯。
OSN HN茂(环戊二烯)氮茂氧茂硫茂NN苯氮苯1,3-二氮苯第二节 一杂五元杂环化合物含有一个杂原子的典型五元杂环是呋喃、噻吩、吡咯。
O SN H一、 呋喃、噻吩、吡咯的结构1、据现代物理方法证明：① 呋喃、噻吩、吡咯都是一个平面的五元环结构，即成环的四个C 原子和一个杂原子都是以SP 2杂化轨道成键的。
②环上每个碳原子的P 轨道有一个电子，杂原子P 轨道上有两个电子。
③ P 轨道垂直于五元环的平面，互相侧面重叠而形成一个与苯环相似的闭合共轭体系。
杂环化合物杂环化合物和生物碱在环状有机化合物中，当构成环的原子除碳原子外还有其他非碳原子时，这种化合物被称为杂环化合物。
这些非碳原子被称为杂原子。
常见的杂原子是氮、氧和硫。
杂环化合物在自然界中分布广泛，约占已知有机化合物的三分之一，用途广泛。
许多重要物质，如叶绿素、血红素、核酸以及一些在临床应用中具有显著疗效的天然和合成药物，都含有杂环化合物的结构。
内酯、交酯和环状酸酐等环也含有杂原子，如然而，它们不包括在杂环化合物中，因为它们与相应的开链化合物具有相似的性质，并且易于将环打开成开链化合物。
本章主要讨论具有稳定环系和不同芳香度的杂环化合物。
1、杂环化合物的分类和命名杂环化合物可按杂环的骨架分为单杂环和稠杂环。
单杂环又按环的大小分为五元杂环和六元杂环；稠杂环按其稠合环形式分为苯稠杂环和稠杂环。
（一）音译法杂环化合物的命名主要采用外文译音法，按英文名称译音，用带“口”字旁的同音汉字表示。
例如：O丁二酸酐δ-戊内酯H2CH2CCOCH2CH2CH2OOCH2CONOFURAN sthiphono噻吩NN吡啶吡喃NP嘧啶嘧啶nhindole NHIMIDAZLE nnsnnhpyrrolo吡咯thiazole噻唑nnhpurine嘌呤吡啶音译法根据国际通用名称进行翻译，使用方便。
缺点是名称和结构之间没有联系。
（二）以相应的碳环母核命名也就是说，相应碳环的名称前面是杂原子的名称。
n3nh吡咯（氮杂茂）o呋喃（氧杂茂）s噻吩n1h咪唑2n3s1噻唑2（硫二苯）（1,3-二氮卓）（1-硫-3-氮杂苯）4631n3256n5n72824n9nnno1n137hh吡啶嘧啶吡喃吲哚嘌呤（氮杂苯）（氧杂己）（1,3-二氮杂苯）（氮杂茚）（1,3,7,9-四氮杂茚）杂环化合物的命名原则：1．以杂环为母体，编号从杂原子开始。
环上只有一个杂原子时，杂原子的编号为1，依次用2、3、4?；或从临近杂原子的碳原子开始，标以希腊字母α、β、γ，邻近杂原子的碳原子为α位，其次为β位，再次为γ位。
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：O1234554321S54321N 54321N S 54321N NHH54321N NH呋喃 噻吩 吡咯 噻唑 吡唑 咪唑（furan ） （thiophene ） （pyrrole ） （thiazole ） （pyrazole ） （imidazole ）654321O N N 123456N N 123456N N 123456654321N 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123456789NN N N H 2N OH N N OHOH123456O12345612345O6121CHOO CON(C 2H 5)2N23456COOH654321N N CH 2COOHN H1234567N..6987543211098763216587654321H N N N N N N 8765432N 74321H 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。
13 杂环化合物和生物碱Heterocyclic Compounds and Natural Bases 杂环化合物是由碳原子和非碳原子共同组成环状骨架结构的一类化合物。这些非碳原子统称为杂原子，常见的杂原子为氮、氧、硫等。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。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。本章将主要讨论的是环系比较稳定、具有一定程度芳香性的杂环化合物，即芳杂环化合物。 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，杂环化合物随处可见。 13.1 杂环化合物Heterocyclic Compounds 分子中由碳原子和氧、硫、氮等其它原子形成的比较稳定的环状结构的化 合物称为杂环化合物。杂环中除碳原子以外的其它原子称为杂原子。最常见的杂原子有氧、硫、氮等。例如：
SNHNNNO
呋喃 噻吩 吡咯 吡啶 嘧啶 furan thiophene pyrrole pyridine pyrimidine 前述章节中，我们遇到的内酯、交酯、内酰胺、内酐、环醚以及环状半缩醛等，虽然也有环状结构，但它们的环容易形成，也容易破裂，其性质与相应的脂肪族化合物相类似，因此不把它们列入杂环化合物之列，本章主要讨论环比较稳定且具有芳香性的杂环化合物。 杂环化合物可以含一个或多个相同的或不相同的杂原子，环的数目也可以是一个或多个。杂环化合物的种类繁多，数量庞大，其数量占已知有机物总数的三分之一左右。杂环化合物在自然界的分布极广，其中很多有重要的生理作用，如血红素、叶绿素、维生素、花色素、抗菌素、核酸、生物碱等都是含有杂环结构的化合物。杂环化合物也是合成许多染料、药物的原料。治疗癌症的一些有效药物也是杂环化合物的衍生物。因此，杂环化合物无论在理论研究或实际应用方面都很重要。 13.1.1杂环化合物的分类 Classification of Heterocyclic Compounds 按照杂环的结构，杂环化合物大致可分为单杂环和稠杂环两大类。单杂环中最常见的为五员杂环和六员杂环；稠杂环中普遍存在的是苯环与单杂环稠合和杂环与杂环稠合。根据所含杂原子的种类和数目，单杂环和稠杂环又可分为多种。 常见杂环化合物的分类和名称见表13.1。 表13.1 常见杂环化合物的结构、分类和名称
本章学习指导掌握杂环化合物的分类、命名，以及呋喃、噻酚和吡咯、吡啶的化学性质；了解常见的、生物碱和杂环衍生物。 杂环 分类 碳环母核 重要的杂环化合物
单 杂 环
五 员 杂 环 环戊二烯 茂 NNOSNNS12345H12345123451234H23455呋喃 噻吩 吡咯 噻唑 咪唑 furan thiophene pyrrole thiazole imidazole 氧(杂)茂 硫(杂)茂 氮(杂)茂 1,3—硫氮(杂)茂 1,3—二氮(杂)茂
六 员 杂 环 苯 芑 环己二烯 ONNNNNNN112416234562345612345613456235 吡啶 吡喃 哒嗪 嘧啶 吡嗪 pyridine pyran pyridazine pyrimidine pyrazine 氮(杂)苯 氧(杂)芑 1,2—二氮(杂)苯 1,3—二氮(杂)苯 1,4—二氮(杂)苯
稠 杂 环 萘 NN1234657812346578 喹啉 异喹啉 quinoline isoquinoline 1—氮(杂)萘 2—氮(杂)萘 茚 ONNNNNH1234567H12345671234567 吲哚 苯并呋喃 嘌呤 indole benzofuran purine 氮(杂)茚 氧(杂)茚 1,3,7,9—四氮(杂)茚
蒽 N12345678910 吖啶 acridine 氮(杂)蒽
13.1.2杂环化合物的结构与芳香性(Structure and Aromaticity of Heterocyclic Compounds) 13.1.2.1 五员单杂环 五员单杂环如呋喃、吡咯、噻吩，在结构上都是平面型闭合的共轭体系，符合休克尔的4n+2规则。环上四个碳原子和杂原子均为sp 2杂化，环上相邻的两个原子间均以sp 2杂化轨道相互重叠形成σ键，组成一个五员环状平面结构。环上的每个原子还剩下一个未参与杂化的p轨道，碳原子的p轨道各有一个p电子，而杂原子的p轨道有两个p电子，这五个p轨道都垂直于环的平面，以“肩并肩”的形式重叠形成大π键，组成一个含有五个原子六个π电子的环状闭合共轭体系，符合休克尔规则，具有芳香性，属于芳香杂环化合物。如图13.1所示：
O..........NHS........
呋喃 吡咯 噻吩 13.1 呋喃、吡咯、噻吩分子中p轨道重叠示意图 它们分子中键长数据如下：
ONSH0.144nm0.135nm0.137nm0.143nm0.137nm
0.138nm
0.142nm0.137nm
0.171nm
呋喃 吡咯 噻吩 图13.2 呋喃、吡咯、噻吩分子的键长 已知典型的键长数据为： C－C 0.154nm C－O 0.143nm C－N 0.147nm C－S 0.182nm C＝C 0.134nm C＝O 0.122nm C＝N 0.128nm C＝S 0.160nm 由此可见： ① 五员杂环分子中的键长有一定程度的平均化，但不象苯那样完全平均化；此外，由于杂原子的电负性比碳原子大，它们的电子云密度比碳高，即环上电子云分布不象苯环那样完全平均化。因此五员单杂环的芳香性和稳定性比苯差，表现出某些共轭二烯烃的性质，例如能发生加氢反应生成饱和化合物，也可以象共轭二烯烃那样发生Diels-Alder反应等。五员单杂环的芳香性随着杂原子电负性的增加而减小，由于杂原子的电负性为O>N>S，所以芳香性的大小次序为苯>噻吩>吡咯>呋喃。 ② 五员杂环分子中由于杂原子上的孤电子对参与了环的共轭，这些杂环中的杂原子相当于取代苯中的致活基团，使环上碳原子电子云密度比苯环上碳原子的电子云密度大，所以属富电子杂环，它们在亲电取代反应中的活性比苯大，亲电取代反应的活性次序为吡咯>呋喃>噻吩>苯。在呋喃、吡咯、噻吩的闭合共轭体系中，杂原子的两个α位碳原子上的电子云密度要比两个β位上的相对高些，它们的亲电取代反应主要发生在α位碳原子上。 13.1.2.2 六员单杂环 六员单杂环的典型结构可以吡啶来说明。吡啶的结构与苯很相似，相当于苯中的一个碳原子被氮原子代替，在吡啶分子中，碳原子为sp 2杂化，氮原子为不等性sp 2杂化，氮原子的孤电子对在sp 2杂化轨道上。环上所有原子的p轨道各有一个电子，所有p轨道相互平行且垂直于环的平面，形成有六个π电子的环状、平面、闭合的共轭体系，所以吡啶环也有芳香性。 N.....
...
图13.3 吡啶分子中p轨道重叠示意图 由于吡啶分子中氮原子上的孤电子对不参与共轭，而氮原子的电负性大于碳原子，氮原子类似于苯环上的硝基等吸电子基团，其吸电子的诱导效应使吡啶环中碳原子的电子云密度降低，尤其α、γ位更甚，所以吡啶的亲电取代反应比苯困难，且主要进入β位。但吡啶可以发生亲核取代反应，主要进入α及γ位。 13.1.3杂环化合物的化学性质Chemical Property of Heterocyclic Compounds 13.1.3.1 亲电取代反应 五员杂环属于富电子体系，亲电取代反应容易进行，一般在较缓和的条件下弱的亲电试剂就可以取代环上的氢原子。而六员杂环吡啶是缺电子体系，较难发生亲电取代反应，一般要在较强烈的条件下才能发生反应。 ① 卤代反应 五员杂环化合物可以直接发生卤代反应，卤原子主要取代α位上的氢：
O+Cl2OCl+HCl
-40oC
吡咯极易发生卤代，如在碱性介质中与碘作用，生成的不是一元产物而是四碘吡咯：
NHN
I
II
IH
+I
2
Na OHNa I++
H2 O
吡啶的卤代反应不但需要催化剂，而且要在较高的温度下才能进行： N+Cl2
N
ClHCl+
AlCl3
100oC
② 硝化反应 五员杂环的硝化反应一般不用硝酸作硝化剂（吡咯、呋喃在酸性条件下易氧化导致环的破裂或聚合物的生成），而是用温和的硝化剂（乙酰基硝酸酯）在低温下进行：
C+S+SNO2+CH3COONO
2CH3COOH
10oC_
(CH3CO)2O
吡啶的硝化反应要在浓酸和高温条件下才能进行：
