雜環(huán)化合物和生物堿有機化學(xué)

雜環(huán)化合物和生物堿有機化學(xué)第1頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五

雜環(huán)化合物:由碳原子和非碳原子共同組成環(huán)狀骨架結(jié)構(gòu)的一類有機化合物。

環(huán)中的非碳原子稱為雜原子，常見雜原子有氧、硫、氮等。

內(nèi)酯、環(huán)醚、環(huán)狀酸酐等雖然也含由雜原子組成的環(huán)系，但在性質(zhì)上與相應(yīng)的開鏈化合物相似，因此并入脂肪族化合物中討論。

雜環(huán)化合物在醫(yī)藥上具有重要的地位，如合成藥物中的維生素、抗菌素、抗腫瘤藥等也多屬于雜環(huán)化合物。

第2頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五一、雜環(huán)化合物的分類

雜環(huán)母環(huán)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進行分類的。

根據(jù)分子中含有環(huán)的數(shù)目可分：單雜環(huán)和稠雜環(huán)

1.單雜環(huán)

2.稠雜環(huán)：苯稠雜環(huán)和雜環(huán)稠雜環(huán)化合物。

五元環(huán)：呋喃、噻唑、吡咯等六元環(huán)：吡啶、吡喃、嘧啶、吡嗪吲哚、喹啉嘌呤指苯環(huán)與雜環(huán)稠合或雜環(huán)與雜環(huán)稠合在一起的化合物。常見的有喹啉、吲哚和嘌呤。第3頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五五元雜環(huán)：吡咯呋喃噻吩六元雜環(huán)：吡啶吡喃稠雜環(huán)：第4頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五二、雜環(huán)化合物的命名

（一）雜環(huán)母環(huán)的命名

雜環(huán)母環(huán)的名稱通常采用音譯法，即根據(jù)雜環(huán)化合物的英文名稱，選用與譯音同音的漢字，再加上“口”旁組成音譯名。

例如：“Furan”的名稱為呋喃，“Pyridine”名稱為吡啶等。

（二）雜環(huán)母環(huán)的編號

1、含1個雜原子的雜環(huán)

從雜原子開始用阿拉伯?dāng)?shù)字或從與雜原子相鄰的碳原子開始用希臘字母α、β、γ等編號。

第5頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五2．含2個相同雜原子的雜環(huán)

使雜原子位次之和為最小。如果其中1個雜原子上連有氫，應(yīng)從連有氫的雜原子開始編號。例如：

嘧啶咪唑

第6頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五3.含2個不同雜原子的雜環(huán)

按O、S、N先后順序編號，同時也應(yīng)使雜原子的位次之和最小。

例如：

噻唑惡唑

4．有些稠雜環(huán)母環(huán)有特定的編號。

例如：

嘌呤

吖啶

第7頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五（三）取代雜環(huán)化合物的命名

選雜環(huán)為母體，將取代基的位次、數(shù)目及名稱寫在雜環(huán)母環(huán)名稱前。

例如：

2,5-二甲基呋喃4-氨基吡啶2-乙氧基嘧啶

(α,α/-二甲基呋喃)(γ-氨基吡啶)

第8頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五

五元雜環(huán)化合物包括含有1個雜原子的五元雜環(huán)和含2個雜原子的五元雜環(huán)。

一、含1個雜原子的五元雜環(huán)化合物

1.結(jié)構(gòu)

C與雜原子均以sp2雜化軌道和相鄰的原子彼此以σ鍵構(gòu)成五元環(huán)，成環(huán)的5個原子處于同一平面上。

吡咯呋喃噻吩第9頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五

5個p軌道相互平行，從側(cè)面重疊形成了1個含5個原子和6個電子的環(huán)狀閉合大π鍵。因此，吡咯、呋喃和噻吩都具有芳香性。

由于O、N、S之間電負性的差異，導(dǎo)致共軛體系中，電子云密度平均化程度不同。所以芳香性強弱有差異。

芳香性的順序為：苯＞噻吩＞吡咯＞呋喃。第10頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五

在這些五元雜環(huán)中，因為5個p軌道上分布著6個電子，所以雜環(huán)上碳原子的電子云密度比苯環(huán)上碳原子的電子云密度高，因此這類雜環(huán)是多電子共軛體系，比苯更容易發(fā)生親電取代反應(yīng)。

2.吡咯、呋喃和噻吩的水溶性

水溶性：吡咯、呋喃和噻吩不易溶于水，而易溶于有機溶劑。

（∵五元雜環(huán)中共軛效應(yīng)存在，雜原子上的電子云密度降低，

∴較難與水形成氫鍵）

溶解1份吡咯、呋喃及噻吩，分別需要17、35、700份的水。

當(dāng)五元雜環(huán)上連有羥基時，溶解度增大。

第11頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五3.雜環(huán)化合物的化學(xué)性質(zhì)(1)、親電取代反應(yīng)親電取代反應(yīng)活性吡咯

>呋喃>噻吩>苯>吡啶吡咯、呋喃、噻吩α位取代吡啶β位取代第12頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五鹵代反應(yīng)

不需要催化劑，要在較低溫度進行。

硝化反應(yīng)不能用混酸硝化，一般是用乙?；跛狨?CH3COONO2)作硝化試劑，在低溫下進行。

磺化反應(yīng)呋喃、吡咯不能用濃硫酸磺化，要用特殊的磺化試劑——吡啶三氧化硫的絡(luò)合物，噻吩可直接用濃硫酸磺化。第13頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五(2)．加氫反應(yīng)第14頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五吡咯的弱酸性和弱堿性吡咯雖然是一個仲胺，但堿性很弱。

吡咯具有弱酸性，其酸性介于乙醇和苯酚之間。第15頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五幾種含N化合物堿性強弱六氫吡啶>四氫吡咯>氨>吡啶>苯胺>吡咯第16頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五二、含有2個雜原子的五元雜環(huán)化合物

吡唑

咪唑

噻唑噁唑

吡唑

咪唑

吡唑和咪唑都溶于水，在水中的溶解度比吡咯大。同理，吡唑和咪唑的堿性也都比吡咯強，能與強酸反應(yīng)生成鹽。

第17頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五

六元雜環(huán)化合物

吡啶γ-吡喃

吡啶的結(jié)構(gòu)特點：N上未共用電子對未參與共軛

第18頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五一、吡啶

(一)來源、制法和應(yīng)用

吡啶存在于煤焦油.頁巖油和骨焦油中，吡啶衍生物廣泛存在于自然界，例如，植物所含的生物堿不少都具有吡啶環(huán)結(jié)構(gòu)，維生素PP、維生素B6、輔酶Ⅰ及輔酶Ⅱ也含有吡啶環(huán)。吡啶是重要的有機合成原料（如合成藥物）、良好的有機溶劑和有機合成催化劑。

吡啶為有特殊臭味的無色液體，沸點115.5℃，相對密度0.982，可與水、乙醇、乙醚等任意混和。第19頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五（二）吡啶的結(jié)構(gòu)由于吡啶環(huán)的N上在環(huán)外有一孤對電子，故吡啶環(huán)上的電荷分布不均。

第20頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五（三）吡啶的性質(zhì)1．堿性與成鹽

吡啶的環(huán)外有一對未作用的孤對電子，具有堿性，易接受親電試劑而成鹽。

吡啶的堿性小于氨大于苯胺。第21頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五2．親電取代反應(yīng)第22頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五3．氧化還原反應(yīng)（1）氧化反應(yīng)第23頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五4、還原反應(yīng)吡啶比苯易還原，用鈉加乙醇、催化加氫均使吡啶還原為六氫吡啶（即胡椒啶或哌啶）。哌啶的堿性比吡啶強。第24頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)生物堿第25頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五

定義：存在于生物體內(nèi)，對人和動物有強烈生理作用的含氮堿性有機化合物。

目前，結(jié)構(gòu)已知的生物堿已達2000多種，其中近百種生物堿被用作臨床藥物。

例如：罌粟中的嗎啡（第一個被提純的生物堿，也是人類使用最早的一種鎮(zhèn)痛劑）

麻黃中的麻黃堿用于平喘

莨菪堿（存在于莨菪、顛茄、曼佗羅、洋金花

等茄科植物的葉中）

小檗堿（也叫黃連素）

第26頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五一、生物堿的一般性質(zhì)

多為無色或白色固體，少數(shù)是液體，味苦。一般不溶或難溶于水，能溶于乙醇、乙醚、丙酮、氯仿、苯等有機溶劑，也可以溶于稀酸溶液中。大多數(shù)生物堿具有旋光性，且多為左旋體。

1、弱堿性

●能夠與酸作用生成生物堿鹽。在自然界，生物堿常與HCl、H3PO4、草酸、乳酸、檸檬酸等結(jié)合成鹽存在于植物體內(nèi)。

●生物堿的鹽能溶于水，臨床上常利用此性質(zhì)來改善生物堿類藥物的水溶性.

如硫酸阿托品、磷酸可待因等。

●利用生物堿的游離體與其鹽的溶解性不同，還可以提取分離和精制生物堿。

第27頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五2、沉淀反應(yīng)

大多數(shù)生物堿或其鹽的水溶液能與一些試劑生成難溶于水的鹽或配合物而沉淀。且生成的生物堿沉淀常有特定的顏色。

生物堿沉淀劑：能使生物堿發(fā)生沉淀反應(yīng)的試劑。

常用有：H3PO4·12WO3、H3PO4·12MoO3、

KI·BiI3、K2[HgI4]、2,4,6-三硝基苯酚等。

3、顯色反應(yīng)

生物堿遇濃HNO3、濃H2SO4、甲醛-濃硫酸試劑、對二甲氨基苯甲醛的硫酸溶液、釩酸銨的濃硫酸溶液等試劑會發(fā)生顏色反應(yīng)顯不同的顏色。根據(jù)生物堿的顏色反應(yīng)可以鑒別生物堿。

例如：遇甲醛-濃硫酸試劑，嗎啡顯紫紅色，

可待因則顯藍色。第28頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五二、重要的生物堿

（一）煙堿

煙草中含十余種生物堿，主要是煙堿，約含2%-8%，紙煙中約含1.5%。煙堿又名尼古丁，屬吡啶衍生物類生物堿。煙堿有劇毒，少量對中樞神經(jīng)有興奮作用，能升高血壓，大量則抑制中樞神經(jīng)系統(tǒng)，使心臟麻痹以至死亡。幾毫克的煙堿就能引起頭痛、嘔吐、意識模糊等中毒癥狀，吸煙過多的人逐漸會引起慢性中毒。第29頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五（二）莨菪堿和阿托品

莨菪堿和阿托品屬莨菪烷衍生物類生物堿。莨菪烷的構(gòu)造式如下：

莨菪堿是由莨菪酸和莨菪醇縮合形成的酯，莨菪醇是由四氫吡咯環(huán)和六氫吡啶環(huán)稠合而成的雙環(huán)構(gòu)造。

第30頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五莨菪堿

莨菪堿是左旋體，由于莨菪酸構(gòu)造中的手性碳原子上的氫與羰基相鄰，是α活潑氫，容易發(fā)生酮式-烯醇式互變異構(gòu)而外消旋。當(dāng)莨菪堿在堿性條件下或受熱時均可發(fā)生消旋作用，變成消旋的莨菪堿，即阿托品。莨菪酸的互變異構(gòu)現(xiàn)象如下：

第31頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五

醫(yī)療上常用硫酸阿托品作抗膽堿藥，能抑制唾液、汗腺等多種腺體的分泌，并能擴散瞳孔；還用于平滑肌痙攣、胃和十二指腸潰瘍病；也可用作有機磷、銻劑中毒的解毒劑。除莨菪堿外，我國學(xué)者又從茄科植物中分離出兩種新的莨菪烷系生物堿，即山莨菪堿和樟柳堿。兩者均有明顯的抗膽堿作用，并有擴張微動脈，改善血液循環(huán)的作用。用于散瞳、慢性氣管炎的平喘等；也能解除有機磷中毒。其毒性比硫酸阿托品小。第32頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五（三）嗎啡和可待因

嗎啡可待因

第33頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五

罌粟科植物鴉片中含有20多種生物堿，其中比較重要的有嗎啡、可待因等。這兩種生物堿屬于異喹啉衍生物類，可看作為六氫吡啶環(huán)（哌啶環(huán)）與菲環(huán)相稠合而成的基本結(jié)構(gòu)。嗎啡對中樞神經(jīng)有麻醉作用，有極快的鎮(zhèn)痛效力，但易成癮，不宜常用?？纱蚴菃岱鹊募谆眩谆〈鷨岱确肿又蟹恿u基的氫原子）。可待因與嗎啡有相似的生理作用，可用以鎮(zhèn)痛，但可待因主要用作鎮(zhèn)咳劑。麻醉劑海洛因是嗎啡的二乙酰基衍生物，即二乙?；鶈岱龋▋蓚€乙?；謩e取代嗎啡分子中兩個羥基的氫原子）。

第34頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五海洛因

海洛因鎮(zhèn)痛作用較大。并產(chǎn)生欣快和幸福的虛假感覺，但毒性和成癮性極大，過量能致死。海洛因被列為禁止制造和