有機化學 第十一章 雜環(huán)化合物和生物堿

1、第十一章雜環(huán)化合物和生物堿雜環(huán)化合物和生物堿廣泛存在于自然界中,在動植物體內起著重要的生理作用。本章介紹雜環(huán)化合物的分類、命名、結構特點、性質及重要的雜環(huán)化合物,生物堿的一般性質、提取方法和重要的生物堿。第一節(jié)雜環(huán)化合物環(huán)狀有機化合物中,構成環(huán)的原子除碳原子外還含有其它原子,且這種環(huán)具有芳香結構,則這種環(huán)狀化合物叫做雜環(huán)化合物。組成雜環(huán)的原子,除碳以外的都叫做雜原子。常見的雜原子有氧、硫、氮等。前面學習過的環(huán)醚、內酯、內酐和內酰胺等都含有雜原子,但它們容易開環(huán),性質上又與開鏈化合物相似,所以不把它們放在雜環(huán)化合物中討論。雜環(huán)化合物種類繁多,在自然界中分布很廣。具有生物活性的天然雜環(huán)化合物對生物

2、體的生長、發(fā)育、遺傳和衰亡過程都起著關鍵性的作用。例如:在動、植物體內起著重要生理作用的血紅素、葉綠素、核酸的堿基、中草藥的有效成分生物堿等都是含氮雜環(huán)化合物。一部分維生素、抗菌素、植物色素、許多人工合成的藥物及合成染料也含有雜環(huán)。雜環(huán)化合物的應用范圍極其廣泛,涉及醫(yī)藥、農藥、染料、生物膜材料、超導材料、分子器件、貯能材料等,尤其在生物界,雜環(huán)化合物幾乎隨處可見。一、雜環(huán)化合物的分類和命名為了研究方便,根據(jù)雜環(huán)母體中所含環(huán)的數(shù)目,將雜環(huán)化合物分為單雜環(huán)和稠雜環(huán)兩大類。最常見的單雜環(huán)有五元環(huán)和六元環(huán)。稠雜環(huán)有芳環(huán)并雜環(huán)和雜環(huán)并雜環(huán)兩種。另外,可根據(jù)單雜環(huán)中雜原子的數(shù)目不同分為含一個雜原子的單雜環(huán)

3、、含兩個雜原子的單雜環(huán)等。雜環(huán)化合物的命名在我國有兩種方法:一種是譯音命名法;另一種是系統(tǒng)命名法。譯音法是根據(jù)IUPAC 推薦的通用名,按外文名稱的譯音來命名,并用帶口旁的同音漢字來表示環(huán)狀化合物。例如:呋喃 咪唑 吡啶 嘌呤furan imidazole pyridine purine雜環(huán)上有取代基時,以雜環(huán)為母體,將環(huán)編號以注明取代基的位次,編號一般從雜原子開始。含有兩個或兩個以上相同雜原子的單雜環(huán)編號時,把連有氫原子的雜原子編為1,并使其余雜原子的位次盡可能小;如果環(huán)上有多個不同雜原子時,按氧、硫、氮的順序編號。例如:ONN NN HNNH N2,5-二甲基呋喃 4 甲基咪唑 4,5二甲

4、基噻唑當只有1個雜原子時,也可用希臘字母編號,靠近雜原子的第一個位置是-位,其次為-位、-位等。例如:-呋喃甲醛 -甲基吡啶當環(huán)上連有不同取代基時,編號根據(jù)順序規(guī)則及最低系列原則。結構復雜的雜環(huán)化合物是將雜環(huán)當 做取代基來命名。例如:2-甲基-5-乙基呋喃 4-吡啶甲酸 5-硝基-2-呋喃甲醛 2-乙?；量┏黼s環(huán)的編號一般和稠環(huán)芳烴相同,但有少數(shù)稠雜環(huán)有特殊的編號順序。例如:吲哚 異喹啉 嘌呤 2,6,8-三羥基嘌呤系統(tǒng)命名法是根據(jù)相應的碳環(huán)為母體而命名,把雜環(huán)化合物看作相應碳環(huán)中的碳原子被雜原子取代后的產物。命名時,化學介詞為雜字,稱為某雜某。例如,五元雜¦Á¦

5、;¦æÁ¦ÂOCHO NCH 3OCH 3C 2H 5NCOOHOCHOO 2NN C HCH 3O98798654321HN N NN 7H7654321N 8654321N 7654321HNN HOOHN N OHOH 3C CH 3N N HH 3CN S H 3C H 3C123455432154321環(huán)相應的碳環(huán)為 ,定名為茂,則 稱為氧雜茂;茂中的戊表示五元環(huán),草頭表示具有芳香性。系統(tǒng)命名法能反映出化合物的結構特點。 二、雜環(huán)化合物的結構 1.呋喃、噻吩、吡咯五元雜環(huán)化合物中最重要的是呋喃、噻吩、吡咯及它們

6、的衍生物。呋喃 噻吩 吡咯從這三種雜環(huán)化合物的結構式上看,它們似乎應具有共軛二烯烴的性質,但實驗表明,它們的許多化學性質類似于苯,不具有典型二烯烴的加成反應,而是易發(fā)生取代反應。近代物理方法證明:組成呋喃、噻吩、吡咯環(huán)的5個原子共處在一個平面上,成環(huán)的4個碳原子和1個雜原子都是sp 2雜化。環(huán)上每個碳原子的p 軌道中有1個電子,雜原子的p 軌道中有2個p 電子。5個原子彼此間以sp 2雜化軌道頭碰頭重疊形成鍵。4個碳原子和1個雜原子未雜化的p 軌道都垂直于環(huán)的平面,p 軌道彼此平行,肩并肩重疊形成1個由5個原子所屬的6個電子組成的閉合共O S NH.O軛體系。如圖所示。由于電子數(shù)符合休克爾(H

7、ückel 規(guī)則(4n+2,因此呋喃、噻吩、吡咯表現(xiàn)出與苯相似的芳香性。呋喃 噻吩 吡咯呋喃、噻吩、吡咯的結構在呋喃、噻吩、吡咯分子中,由于雜原子的未共用電子對參與了共軛體系(6個電子分布在由5個原子組成的分子軌道中,使環(huán)上碳原子的電子云密度增加,因此環(huán)中碳原子的電子云密度相對地大于苯中碳原子的電子云密度,所以此類雜環(huán)稱為富電子芳雜環(huán)或多電子芳雜環(huán)。雜原子氧、硫、氮的電負性比碳原子大,使環(huán)上電子云密度分布不象苯環(huán)那樣均勻,所以呋喃、噻吩、吡咯分子中各原子間的鍵長并不完全相等,因此芳香性比苯差。由于雜原子的電負性強弱順序是:氧>氮>硫,所以芳香性強弱順序如下:苯>噻吩

8、>吡咯>呋喃。2.吡啶六元雜環(huán)化合物中最重要的是吡啶。吡啶的分子結構從形式上看與苯十分相似,可以看作是苯分子中的一個CH 基團被N 原子取代后的產物。根據(jù)雜化軌道理論,吡啶分N HSO.子中5個碳原子和1個氮原子都是經過sp 2雜化而成鍵的,象苯分子一樣,分子中所有原子都處在同一平面上。與吡咯不同的是,氮原子的三個未成對電子,兩個處于sp 2軌道中,與相鄰碳原子形成鍵,另一個處在p 軌道中,與5個碳原子的p 軌道平行,側面重疊形成一個閉合的共軛體系。氮原子尚有一對未共用電子對,處在sp 2雜化軌道中與環(huán)共平面。如圖所示。吡啶符合休克爾規(guī)則,所以吡啶具有芳香性。吡啶的結構在吡啶分子中

9、,由于氮原子的電負性比碳大,表現(xiàn)出吸電子誘導效應,使吡啶環(huán)上碳原子的電子云密度相對降低,因此環(huán)中碳原子的電子云密度相對地小于苯中碳原子的電子云密度,所以此類雜環(huán)稱為缺電子芳雜環(huán)或缺電子芳雜環(huán)。富電子芳雜環(huán)與缺電子芳雜環(huán)在化學性質上有較明顯的差異。三、雜環(huán)化合物的化學性質呋喃、噻吩、吡咯都是富電子芳雜環(huán),環(huán)上電子云密度分布不象苯那樣均勻,因此,它們的芳香性不如苯,有時表現(xiàn)出共軛二烯烴的性質。由于雜原子的電負性不同,N .N.它們表現(xiàn)的芳香性程度也不相同。吡啶是缺電子芳雜環(huán),其芳香性也不如苯典型。1.親電取代反應富電子芳雜環(huán)和缺電子芳雜環(huán)均能發(fā)生親電取代反應。但是,富電子芳雜環(huán)的親電取代反應主要發(fā)

10、生在電子云密度更為集中的-位上,而且比苯容易;缺電子芳雜環(huán)如吡啶的親電取代反應主要發(fā)生在電子云密度相對較高的-位上,而且比苯困難。吡啶不易發(fā)生親電取代,而易發(fā)生親核取代,主要進入-位,其反應與硝基苯類似。(1鹵代反應 呋喃、噻吩、吡咯比苯活潑,一般不需催化劑就可直接鹵代。-溴代呋喃-溴代噻唑吡咯極易鹵代,例如與碘-碘化鉀溶液作用,生成的不是一元取代產物,而是四碘吡咯。2,3,4,5-四碘吡咯OOBrÊÒÎÂ1£¬4-¶þÑõÁù»·+Br 2HBr4N I

11、I II HKII 2H N4+HIH A cSSB r+Br 2HBr吡啶的鹵代反應比苯難,不但需要催化劑,而且要在較高溫度下進行。-溴代吡啶(2硝化反應 在強酸作用下,呋喃與吡咯很容易開環(huán)形成聚合物,因此不能象苯那樣用一般的方法進行硝化。五元雜環(huán)的硝化,一般用比較溫和的非質子硝化劑乙?；跛狨?CH 3COONO 2和在低溫度下進行,硝基主要進入-位。吡啶的硝化反應需在濃酸和高溫下才能進行,硝基主要進-位。(3磺化反應 呋喃、吡咯對酸很敏感,強酸能使它們開環(huán)聚合,因此常用溫和的非質子磺化試劑,如用吡啶與三氧化硫的加合物作為磺化劑進行反應。NBrN300¡æÅ&

12、#168;H 2SO 4+HBr+Br 2+CH 3COONO 2CH 3COOH+SSNO 2£-10¡æ(CH 3CO2O+CH 3COONO 2CH 3COOH+(CH 3CO2O N HNHc5.-NO 2NNNO 2H 2SO 4300濃+HNO 3H 2O-5 -30Co CH 3COOH+CH 3COONO 2吡啶OONO 2-呋喃磺酸-吡咯磺酸噻吩對酸比較穩(wěn)定,室溫下可與濃硫酸發(fā)生磺化反應。-噻吩磺酸吡啶在硫酸汞催化和加熱的條件下才能發(fā)生磺化反應。-吡啶磺酸(4傅-克反應 傅氏酰基化反應常采用較溫和的催化劑如SnCl 4、BF 3等,對活性較大的吡

13、咯可不用催化劑,直接用酸酐?；?。吡啶一般不進行傅氏?；磻?。-乙酰基呋喃-乙酰基吡咯2.加成反應呋喃、噻吩、吡咯均可進行催化加氫反應,產物是失去芳香性的飽和雜環(huán)化合物。呋喃、吡咯可用一般催化劑NN SO 3100NHN SO 3HH+-C 2H 4Cl 2¡æ+SSSO 3H25¡æ+H 2OH 2SO 4+N NSO 3HHgSO 4£¾200¡æ+H 2SO 4H 2O +OOCOCH 3BF 3CH 3COOH+(CH 3CO2OHHN COCH 3N CH 3COOH(CH 3CO2O +200¡

14、;c +OSO 3HON SO 3N+-C 2H 4Cl 2室溫三天+還原。噻吩中的硫能使催化劑中毒,不能用催化氫化的方法還原,需使用特殊催化劑。吡啶比苯易還原,如金屬鈉和乙醇就可使其氫化。四氫呋喃四氫噻吩四氫吡咯(吡咯烷六氫吡啶喹啉催化加氫,氫加在雜環(huán)上,說明雜環(huán)比苯環(huán)易被還原。四氫喹啉四氫呋喃在有機合成上是重要的溶劑。四氫噻吩可氧化成砜或亞砜,四亞甲基砜是重要的溶劑。四氫吡咯具有二級胺的性質。呋喃的芳香性最弱,顯示出共軛雙烯的性質,與順丁HHNNH 22Pd+MoS 22H 2SSNi2H 2OO+PtH 22HN N+HN N Na +C 2H 5OH烯二酸酐能發(fā)生雙烯合成反應(狄爾斯-

15、阿爾德反應,產率較高。3.氧化反應呋喃和吡咯對氧化劑很敏感,在空氣中就能被氧化,環(huán)被破壞。噻吩相對要穩(wěn)定些。吡啶對氧化劑相當穩(wěn)定,比苯還難氧化。例如,吡啶的烴基衍生物在強氧化劑作用下只發(fā)生側鏈氧化,生成吡啶甲酸,而不是苯甲酸。-吡啶甲酸-吡啶甲酸,- 吡啶二甲酸4.吡咯和吡啶的酸堿性含氮化合物的堿性強弱主要取決于氮原子上未共用電子對與H +的結合能力。在吡咯分子中,由于氮原子上的未共用電子對參與環(huán)的共軛體系,使氮原子上電子云密度降低,吸引H +的能力減弱。另一方面,由于這種p -共軛效應使與氮原子相連的氫原子有離解成H +的可能,所以吡咯KMnO 4NN COOH¡÷N C

16、OOHN CH 2CH 3¡÷HNO 3HNO 3NCOOHCOOHN¡÷OOOOOOOO25¡æ+不但不顯堿性,反而呈弱酸性,可與堿金屬、氫氧化鉀或氫氧化鈉作用生成鹽。吡啶氮原子上的未共電子對不參與環(huán)共軛體系,能與H +結合成鹽,所以吡啶顯弱堿性,比苯胺堿性強,但比脂肪胺及氨的堿性弱得多。四、與生物有關的雜環(huán)化合物及其衍生物 1.呋喃及其衍生物糠醛是不含-氫的醛,其化學性質與苯甲醛相似,能發(fā)生康尼查羅反應及一些芳香醛的縮合反應,生成許多有用的化合物。因此,糠醛是有機合成的重要原料,它可以代替甲醛與苯酚縮合成酚醛樹酯,也可用來合成藥物

17、、農藥等。2.吡咯及其衍生物3.吡啶及其衍生物定。-吡啶甲酸(煙酸或尼克酸 -吡啶甲酰胺(煙酰胺或尼克酰胺H 2OK N KOH HN +HClNCl N H+NCOOHNCONH 21. 吲哚及其衍生物吲哚 -甲基吲哚 -吲哚乙酸4.苯并吡喃及其衍生物苯并吡喃 2-苯基苯并吡喃5.嘧啶及其衍生物嘧啶是含兩個氮原子的六元雜環(huán)。它是無色晶體,熔點2022,沸點123124,易溶于水,具有弱堿性,可與強酸成鹽,其堿性比吡啶弱。這是由于嘧啶分子中氮原子相當于一個硝基的吸電子效應,能使另一個氮原子上的電子云密度降低,結合質子的能力減弱,所以堿性降低。嘧啶很少存在于自然界中,其衍生物在自然界中普遍存在。

18、例如核酸和維生素B 1中都含有嘧啶環(huán)。組成核酸的重要堿基:胞嘧啶(Cytsine ,簡寫C 、尿嘧啶(U racil ,簡寫U、胸腺嘧啶(Thymine ,簡寫T 都是嘧啶的衍生物,它們都存在烯醇式和酮式的互變異構體。4-氨基-2-羥基嘧啶 4-氨基-2-氧嘧啶N HCH 2COOHN HCH 3N H854321O ONN NH 2OHNN NH 2H O胞嘧啶(C 2,4-二羥基嘧啶 2,4-二氧嘧啶 尿嘧啶(U 5-甲基-2,4-二羥基嘧啶 5-甲基-2,4-二氧嘧啶胸腺嘧啶(T 在生物體中哪一種異構體占優(yōu)勢,取決于體系的pH 。在生物體中,嘧啶堿主要以酮式異構體存在。7.嘌呤及其衍生物

19、嘌呤可以看作是一個嘧啶環(huán)和一個咪唑環(huán)稠合而成的稠雜環(huán)化合物。嘌呤也有互變異構體,但在生物體內多以(式存在。7-氫嘌呤 9-氫嘌呤 ( (嘌呤為無色晶體,熔點216,易溶于水,能與酸或堿N N O H OH N N OH OHN N OH OHH 3CN N O H OH H 3CNNN NH3456789N N N NH12345678912生成鹽,但其水溶液呈中性。嘌呤本身在自然界中尚未發(fā)現(xiàn),但它的氨基及羥基衍生物廣泛存在于動、植物體中。存在于生物體內組成核酸的嘌呤堿基有:腺嘌呤(Adenine ,簡寫A 和鳥嘌呤(Guanine ,簡寫G ,是嘌呤的重要衍生物。它們都存在互變異構體,在生物

20、體內,主要以右邊異構體的形式存在。6-氨基嘌呤 腺嘌呤(A 2-氨基-6-羥基嘌呤 2-氨基-6-氧嘌呤鳥嘌呤(G 細胞分裂素是分子內含有嘌呤環(huán)的一類植物激素。細胞分裂素能促進植物細胞分裂,能擴大和誘導細胞分化,以及促進種子發(fā)芽。它們常分布于植物的幼嫩組織中,例如,玉米素最早是從未成熟的玉米中得到的。人們常用細胞分裂素來促進植物發(fā)芽、生長和防衰保綠,以及延長蔬菜的貯藏時間和防止果樹生理性落果等。8.喋呤及其衍生物*NN N NHH NHN N N N HNH 2N NN N OHH 2NHN NN N HH H 2NO第二節(jié) 生物堿 生物堿是一類存在于植物體內（偶爾在動物體內發(fā) 現(xiàn)） ，對人和動物有強烈生理作用的含氮堿性有機化合物。 生物堿的發(fā)現(xiàn)始于 19 世紀初葉，最早發(fā)現(xiàn)的是嗎啡 （1803 年） ，隨后不斷報道了各種生物堿的發(fā)現(xiàn)，例如喹嚀 （1820 年） 、顛茄堿（1831 年） 、古柯堿（1860 年） 、麻黃 堿（1887 年） 。19 世紀興起了對生物堿的研究和結構測定， 它對雜環(huán)化學、立體化學和合成新藥物提供了大量的資料 和新的研究方法。 一、生物堿的存在及提取方法 1