廣西師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院

1、第十八章第十八章 雜環(huán)化合物雜環(huán)化合物 在環(huán)狀化合物中，組成環(huán)的原子除碳原子外，還有其它元素的原子時(shí)，這類化合物就叫雜環(huán)化合物。除碳以外的其它原子叫雜原子。最常見的雜原子是氧、硫和氮。如： 在天然產(chǎn)物中有很大一部分是雜環(huán)化合物，許多雜環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，而且有很重要的生理作用。雜環(huán)化合物無論在理論研究或?qū)嶋H應(yīng)用方面都很重要，在有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，有關(guān)雜環(huán)化合物的研究工作占了相當(dāng)大的比重。本章只能簡(jiǎn)單討論極少數(shù)幾個(gè)環(huán)系的一些與生物關(guān)系密切的雜環(huán)化合物。一、分類和命名一、分類和命名1、分類分類 雜環(huán)化臺(tái)物的種類很多，有單環(huán)，也有與芳香環(huán)或其它雜環(huán)并聯(lián)成的稠環(huán)。環(huán)中的雜原子可以是一個(gè)、兩個(gè)或更多個(gè)，

2、而且可以是相同的或是不同的。一般最常見的雜環(huán)是五元或六元環(huán)。 2、命名命名雜環(huán)化合物的命名有兩種方法：一種是按外文名詞音譯，并以一口字旁表示是環(huán)狀化合物，例如“呋喃”、“噻吩”、“吡咯”等，分別讀作”夫南”、“塞分”、“比絡(luò)”。另種方法是以相應(yīng)于雜環(huán)的碳環(huán)命名，也就是將雜環(huán)看作是相應(yīng)的碳環(huán)化合物中碳原子被雜原子代替而成的產(chǎn)物。五元雜環(huán) 相應(yīng)于上述各雜環(huán)的碳環(huán)是環(huán)戊二烯，按照第二種命名方法，上述雜環(huán)就叫某雜環(huán)戊二烯。 單雜環(huán)編號(hào)時(shí)總是以雜原子為1，如環(huán)中有兩個(gè)相同雜原子，則由帶取代基(或H)的一個(gè)雜原子開始，如果環(huán)中有兩個(gè)或幾個(gè)不同的雜原子，則按照OSN的順序編號(hào)，雜原子號(hào)數(shù)應(yīng)最小，如噻唑則以S

3、為1。有時(shí)也常以，表示不同碳原子的位置，與雜原子相鄰的為。 （2）六元雜環(huán) 吡啶、嘧啶、吡嗪的母體碳環(huán)則是苯。稠雜環(huán)：稠雜環(huán)常有其特定的編號(hào)方法，如嘌呤、蝶啶等。 相應(yīng)于吲哚、嘌呤的母體碳環(huán)是茚，而相應(yīng)于苯并吡喃、喹啉、異哇啉及蝶啶的母體碳環(huán)是萘。 二、幾種重要環(huán)系的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)二、幾種重要環(huán)系的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)1、呋哺、噻吩、吡咯，吡啶的結(jié)構(gòu)、呋哺、噻吩、吡咯，吡啶的結(jié)構(gòu) 呋喃分子呈平面型，氧原了為sp2雜化狀態(tài)，其未成對(duì)電子分別與兩個(gè)碳原了形成兩個(gè)，健，余下的兩對(duì)未共用電子中的對(duì)以垂直于環(huán)平面的p軌道與四個(gè)碳原子上的p軌道平行重疊，形成一個(gè)環(huán)閉的共軛體系，這個(gè)共軛體系是由五個(gè)P軌道，六個(gè)p電子組成

4、的。其p電子數(shù)與苯環(huán)上的p電子數(shù)相同，符合休克爾規(guī)則，所以具有芳香性。噻吩、吡咯，吡啶的結(jié)構(gòu)與呋喃的結(jié)構(gòu)相類似。2、呋喃、噻吩、吡咯、吡啶的性質(zhì)、呋喃、噻吩、吡咯、吡啶的性質(zhì)(1)親電取代反應(yīng)： 由于上述環(huán)閉共軛體系的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，呋喃、噻吩、吡咯與一般芳香族化合物一樣，容易進(jìn)行某些親電取代反應(yīng)。例如吡咯與碘的碘化鉀溶液作用，很容易得到四碘代吡咯，而不是一元取代的產(chǎn)物： 噻吩在室溫就能與濃硫酸發(fā)生磺化反應(yīng), 由煤焦油所得的粗苯中總含有噻吩，由于噻吩(沸點(diǎn)84)與苯的沸點(diǎn)相近，所以用分餾的方法很難除去，但可以利用噻吩比苯容易磺化的特點(diǎn)，將含噻吩的苯與濃硫酸起振蕩，噻吩即被磺化而溶于濃硫酸中，從而可與

5、苯分離。這是制備無噻吩苯的常用方法。 這些環(huán)系的親電取代反應(yīng)都發(fā)生在位，當(dāng)兩個(gè)位都有取代基時(shí)，第三個(gè)取代基才進(jìn)入位。 活性：吡咯呋喃噻吩 吡啶比苯難于發(fā)生親電取代反應(yīng)，例如，使吡啶硝化需要300以上的高溫。取代基主要進(jìn)入位。這是因?yàn)镹的吸電子性及反應(yīng)條件要求如此之高，除上述原因之外，還由于在反應(yīng)中吡啶首先與H+結(jié)合成鹽而使環(huán)帶正電性，更不利于親電試劑的進(jìn)攻。也正是由于吡啶環(huán)上電子密度低，所以吡啶容易發(fā)生親核的取代或加成反應(yīng)。(2)氧化 呋喃、吡咯對(duì)氧化劑都很敏感，它們?cè)诳諝庵芯湍鼙谎趸６拎?duì)氧化劑卻相當(dāng)穩(wěn)定。如以高錳酸鉀氧化苯基吡啶，得到的是吡啶甲酸，而不是苯甲酸。(3)還原 呋喃、噻吩和

6、吡咯都很容易被還原為飽和的環(huán)系。(4)吡咯及吡啶的堿性 含氮化合物堿性的強(qiáng)弱取決于氮原子上未共用電子對(duì)與H+結(jié)合的能力，在吡咯分子中，氮原子上的未共用電子對(duì)由于參與了環(huán)系的共軛，因而失去與H+結(jié)合的能力，同時(shí)由于這種共軛作用，使氮原子上電子密度相對(duì)降低，從而氮原子上的氫能以H+的形式解離，所以吡咯不但不顯堿性反而顯弱酸性，它能與氫氧化鈉或氫氧化鉀成鹽，而不與稀酸或弱酸成鹽。吡啶中氮原子上的未共用電于對(duì)未參與環(huán)系的共軛，因此吡啶顯堿性，可與酸成鹽。 3 呋喃、噻吩、吡咯的制備呋喃、噻吩、吡咯的制備1,4-二羰基化合物。TsOH(或P2O5)，P2S5，NH3 。TsOH甲苯，O OCH3H3CO

7、CH3H3CHOOHOHH3CCH3-H2OOCH3H3CO OCH3CH3P2S5SCH3CH3甲苯，O OCH3CH3NH3NHCH3CH34 呋喃、吡咯、噻吩的衍生物呋喃、吡咯、噻吩的衍生物 給出下列反應(yīng)的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)、名稱及反應(yīng)類型。NHNONONSN 5 含兩個(gè)雜原子的五元雜環(huán)化合物含兩個(gè)雜原子的五元雜環(huán)化合物1). 結(jié)構(gòu)與物理性質(zhì) OCHO濃NaOHCH3COCH3，稀 OH- KCN(CH3CO)2OCH3COOHABCD 試比較咪唑與吡咯酸堿性的不同，并指出咪唑哪一個(gè)N原子是堿性中心。NNH+ H+NNHH+ 試推測(cè)噁唑與咪唑及1,2唑與相應(yīng)的1,3唑的堿性大小。ONNNH( )2

8、) 唑的親電取代反應(yīng) 1,2-唑親電取代發(fā)生在C-4位； 1,3-唑主要發(fā)生在C-4位。3) 唑的衍生物 NNHNH2COOHNNHNH2NNHNHCOOCH3組氨酸 組胺 多菌靈6、喹啉合成法、喹啉合成法Skraup法法NH2+ CH2 CH CH2OHOHOHH2SO4硝基苯N反應(yīng)過程為：CH2 CH CH2OHOHOH硝基苯NH2SO4,-H2OCH2 CH CHOH2NNHO烯醇化NHOHH關(guān)環(huán)NH三、與生物有關(guān)的雜環(huán)及其衍生物舉例三、與生物有關(guān)的雜環(huán)及其衍生物舉例1、吡咯、葉綠素、血紅素及維生素、吡咯、葉綠素、血紅素及維生素B12吡咯存在于煤焦油和骨焦油中，是無色液體，沸點(diǎn)131，在

9、空氣中因氧化而迅速變黑。在微量無機(jī)酸存在下易聚合成暗紅色樹脂狀物。少量吡咯蒸氣遇到蘸有鹽酸的松木片顯紅色，這叫做吡咯的松片反應(yīng)，可用來鑒別吡咯及其低級(jí)同系物。 吡咯的許多衍生物廣泛分布于自然界，例如，葉綠素、血紅素等，它們都是有重要生理作用的細(xì)胞色素，叫做卟啉類化合物。如紅桃K 葉綠素和血紅素具有相同的基本骨架卟吩。卟吩是由四個(gè)吡咯環(huán)的-碳原子通過次甲基(-CH=)相連而成的復(fù)雜共軛體系，所以葉綠素、血紅素等都有顏色。 卟吩呈平面型，在四個(gè)吡咯環(huán)中間的空隙里四個(gè)氮原子可以分別以共價(jià)鍵及配價(jià)鍵與不同的金屬離子結(jié)合，在葉綠素中結(jié)合的是鎂，而血紅素中結(jié)合的是鐵；同時(shí)四個(gè)吡咯環(huán)的位置還各有不同的取代基

10、。 葉綠素是含于植物的葉和莖中的綠色色素，它與蛋白質(zhì)結(jié)合存在于葉綠體中，是植物進(jìn)行光合作用所必需的催化劑，植物通過葉綠素吸收了太陽(yáng)能才能進(jìn)行光合作用。 葉綠素a是藍(lán)黑色結(jié)晶，熔點(diǎn)150-153，其乙醇溶液呈藍(lán)綠色，并有深紅色熒光。葉綠素b是深綠色粉末，熔點(diǎn)120一130，乙醇溶液呈綠或黃綠色，有紅色熒二者都易溶于乙醇、乙醚、丙酮、氯仿等，而難溶于石油醚；都有旋光活性。葉綠素可做食品、化妝品及醫(yī)藥上的無毒著色劑。 血紅素是高等動(dòng)物體內(nèi)輸送氧的物質(zhì)，它與蛋白質(zhì)結(jié)合成血紅蛋白而存在于紅血球中，以鹽 酸水解血紅蛋白，即得氯化血紅素。 葉綠素及血紅素都可用人工方法合成。 維生素B12也是含有類似于卟吩環(huán)

11、的復(fù)雜分子，它是天然產(chǎn)物中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的化臺(tái)物之一，但不屬于高分子化合物。四、生物堿（聯(lián)系生物農(nóng)藥）四、生物堿（聯(lián)系生物農(nóng)藥） 生物堿是指一類存在于生物體中的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并具很強(qiáng)生理作用的含氮堿性有機(jī)物。由于它們主要存在于植物中，所以也常叫做植物堿，至今分離出的生物堿已有數(shù)千種。一種植物中可以含有多種牛物堿，同一科的植物所含生物堿的結(jié)構(gòu)往往是相似的。氨基酸是生物堿合成的前身。1、性質(zhì)、性質(zhì) 生物堿大多為固體，難溶于水，而能溶于乙醇等有機(jī)溶劑。大部分生物堿具旋光性。2、檢驗(yàn)、檢驗(yàn) 許多試劑能與生物堿生成不溶性的沉淀或發(fā)生顏色反應(yīng)，這些試劑叫做生物堿試劑，可以用它們檢出生物堿。與生物堿能生成沉淀的試劑

12、有丹寧、苦味酸、磷鎢酸、磷鉬酸、碘化汞鉀(HgI2+KI)等。它們可以使生物堿由水溶液中沉淀出來。能與生物堿產(chǎn)生顏色反應(yīng)的有硫酸、硝酸、甲醛及氨水等。3、命名：、命名：生物堿常根據(jù)其基本骨架或雜環(huán)來分類，而根據(jù)它所來源的植物來命名。4、實(shí)例、實(shí)例煙堿煙草中含有十余種生物堿，煙堿是其中之一它是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的生物堿，以蘋果酸鹽及檸檬酸鹽的形式存在。 煙堿又名尼古丁，屬于吡啶族生物堿。它是無色能溶于水的液體，沸點(diǎn)246，天然存在的是左旋體。煙堿有劇毒，少量對(duì)中樞神經(jīng)有興奮作用，能增高血壓，量大時(shí)能抑制中樞神經(jīng)系統(tǒng)，使心臟麻痹以致死亡。(+)-煙堿的毒性比(-)-異構(gòu)體小得多。煙堿可用作農(nóng)業(yè)殺蟲劑。顛

13、茄堿 顛茄堿也叫阿托平，它是含于許多茄科植物，如顛茄、曼陀羅、天仙子等中的一種生物堿。顛茄堿是白色結(jié)晶，熔點(diǎn)114-116，難溶于水，易溶于乙醇，有苦味。醫(yī)藥上用作抗膽堿藥，能抑制汗腺、唾液、淚腺、胃液等多種腺體的分泌并能擴(kuò)散瞳孔，用于醫(yī)治平滑肌痙攣、胃和十二脂腸潰瘍?。灰部捎米饔袡C(jī)磷及銻劑中毒的解毒劑。麻黃堿 麻黃堿是含于草藥麻黃中的一種生物堿，又叫麻黃素。它是一個(gè)仲胺，不具含氮雜環(huán)，結(jié)構(gòu)與腎上腺素相似。 麻黃素分子中含兩個(gè)不相同手性碳原子，應(yīng)有兩對(duì)對(duì)映異構(gòu)體，其中對(duì)叫麻黃堿，一對(duì)叫假麻黃堿，天然存在的是(-)-麻黃堿及(+)-假麻黃堿。前者的生理作用最強(qiáng)我國(guó)出產(chǎn)的麻黃含(-)-麻黃堿最多，質(zhì)量最好。 麻黃堿為無色結(jié)晶，易溶于水和氯仿、乙醇、乙醚等有機(jī)溶劑。麻黃堿的生理作用也與腎上腺素相似，有興奮交感神經(jīng)、增高血壓、擴(kuò)張氣管的作用，用于支氣管哮喘癥。嗎啡堿（聯(lián)系麻醉劑） 罌粟科植物鴉片中含有20余種生物堿，其中含量最多的是嗎啡。嗎啡是1817年被提純的第一個(gè)生物堿，但它的結(jié)構(gòu)至1952年才確定。 嗎啡屬于異哇啉族生物堿，是微溶于水的結(jié)晶，有苦味。嗎啡對(duì)中樞神經(jīng)有麻醉作用，有極快的鎮(zhèn)痛效力，是醫(yī)藥上常用的局部麻醉劑。但它是一種成癮藥物，因此必須嚴(yán)格控制使用。 可待因是嗎啡的甲基醚，與嗎啡有同樣的生