广西师范大学化学化工学院

第十八章杂环化合物在环状化合物中，组成环的原子除碳原子外，还有其它元素的原子时，这类化合物就叫杂环化合物。除碳以外的其它原子叫杂原子。最常见的杂原子是氧、硫和氮。如：在天然产物中有很大一部分是杂环化合物，许多杂环化合物的结构相当复杂，而且有很重要的生理作用。杂环化合物无论在理论研究或实际应用方面都很重要，在有机化学领域内，有关杂环化合物的研究工作占了相当大的比重。本章只能简单讨论极少数几个环系的一些与生物关系密切的杂环化合物。一、分类和命名1、分类杂环化台物的种类很多，有单环，也有与芳香环或其它杂环并联成的稠环。环中的杂原子可以是一个、两个或更多个，而且可以是相同的或是不同的。一般最常见的杂环是五元或六元环。2、命名杂环化合物的命名有两种方法：①一种是按外文名词音译，并以一口字旁表示是环状化合物，例如“呋喃”、“噻吩”、“吡咯”等，分别读作”夫南”、“塞分”、“比络”。②另—种方法是以相应于杂环的碳环命名，也就是将杂环看作是相应的碳环化合物中碳原子被杂原子代替而成的产物。⑴五元杂环相应于上述各杂环的碳环是环戊二烯，按照第二种命名方法，上述杂环就叫某杂环戊二烯。单杂环编号时总是以杂原子为1，如环中有两个相同杂原子，则由带取代基(或H)的一个杂原子开始，如果环中有两个或几个不同的杂原子，则按照O＞S＞N的顺序编号，杂原子号数应最小，如噻唑则以S为1。有时也常以α，β表示不同碳原子的位置，与杂原子相邻的为α。（2）六元杂环吡啶、嘧啶、吡嗪的母体碳环则是苯。⑶稠杂环：稠杂环常有其特定的编号方法，如嘌呤、蝶啶等。相应于吲哚、嘌呤的母体碳环是茚，而相应于苯并吡喃、喹啉、异哇啉及蝶啶的母体碳环是萘。二、几种重要环系的结构与性质1、呋哺、噻吩、吡咯，吡啶的结构呋喃分子呈平面型，氧原了为sp2杂化状态，其未成对电子分别与两个碳原了形成两个，健，余下的两对未共用电子中的—对以垂直于环平面的p轨道与四个碳原子上的p轨道平行重叠，形成一个环闭的共轭体系，这个共轭体系是由五个P轨道，六个p电子组成的。其p电子数与苯环上的p电子数相同，符合休克尔规则，所以具有芳香性。噻吩、吡咯，吡啶的结构与呋喃的结构相类似。2、呋喃、噻吩、吡咯、吡啶的性质(1)亲电取代反应：由于上述环闭共轭体系的结构特点，呋喃、噻吩、吡咯与一般芳香族化合物一样，容易进行某些亲电取代反应。例如吡咯与碘的碘化钾溶液作用，很容易得到四碘代吡咯，而不是一元取代的产物：噻吩在室温就能与浓硫酸发生磺化反应,由煤焦油所得的粗苯中总含有噻吩，由于噻吩(沸点84℃)与苯的沸点相近，所以用分馏的方法很难除去，但可以利用噻吩比苯容易磺化的特点，将含噻吩的苯与浓硫酸—起振荡，噻吩即被磺化而溶于浓硫酸中，从而可与苯分离。这是制备无噻吩苯的常用方法。这些环系的亲电取代反应都发生在α位，当两个α位都有取代基时，第三个取代基才进入β位。活性：吡咯＞呋喃＞噻吩吡啶比苯难于发生亲电取代反应，例如，使吡啶硝化需要300℃以上的高温。取代基主要进入β位。这是因为N的吸电子性及反应条件要求如此之高，除上述原因之外，还由于在反应中吡啶首先与H+结合成盐．而使环带正电性，更不利于亲电试剂的进攻。也正是由于吡啶环上电子密度低，所以吡啶容易发生亲核的取代或加成反应。(2)氧化呋喃、吡咯对氧化剂都很敏感，它们在空气中就能被氧化。而吡啶对氧化剂却相当稳定。如以高锰酸钾氧化γ—苯基吡啶，得到的是γ—吡啶甲酸，而不是苯甲酸。(3)还原呋喃、噻吩和吡咯都很容易被还原为饱和的环系。(4)吡咯及吡啶的碱性含氮化合物碱性的强弱取决于氮原子上未共用电子对与H+结合的能力，在吡咯分子中，氮原子上的未共用电子对由于参与了环系的共轭，因而失去与H+结合的能力，同时由于这种共轭作用，使氮原子上电子密度相对降低，从而氮原子上的氢能以H+的形式解离，所以吡咯不但不显碱性反而显弱酸性，它能与氢氧化钠或氢氧化钾成盐，而不与稀酸或弱酸成盐。吡啶中氮原子上的未共用电于对未参与环系的共轭，因此吡啶显碱性，可与酸成盐。3呋喃、噻吩、吡咯的制备1,4-二羰基化合物。TsOH(或P2O5)，P2S5，NH3。TsOH甲苯，OOCH3H3COCH3H3CHOOHOHH3CCH3-H2OOCH3H3COOCH3CH3P2S5SCH3CH3甲苯，OOCH3CH3NH3NHCH3CH34呋喃、吡咯、噻吩的衍生物给出下列反应的产物结构、名称及反应类型。NHNONONSN5含两个杂原子的五元杂环化合物1).结构与物理性质OCHO浓NaOHCH3COCH3，稀OH-KCN(CH3CO)2OCH3COOHABCD试比较咪唑与吡咯酸碱性的不同，并指出咪唑哪一个N原子是碱性中心。NNH+H+NNHH+试推测噁唑与咪唑及1,2唑与相应的1,3唑的碱性大小。ONNNH()2)唑的亲电取代反应1,2-唑亲电取代发生在C-4位；1,3-唑主要发生在C-4位。3)唑的衍生物NNHNH2COOHNNHNH2NNHNHCOOCH3组氨酸组胺多菌灵6、喹啉合成法——Skraup法NH2+CH2CHCH2OHOHOHH2SO4硝基苯N反应过程为：CH2CHCH2OHOHOH硝基苯NH2SO4,--H2OCH2CHCHOH2NNHO烯醇化NHOHH关环NH三、与生物有关的杂环及其衍生物举例1、吡咯、叶绿素、血红素及维生素B12吡咯存在于煤焦油和骨焦油中，是无色液体，沸点131℃，在空气中因氧化而迅速变黑。在微量无机酸存在下易聚合成暗红色树脂状物。少量吡咯蒸气遇到蘸有盐酸的松木片显红色，这叫做吡咯的松片反应，可用来鉴别吡咯及其低级同系物。吡咯的许多衍生物广泛分布于自然界，例如，叶绿素、血红素等，它们都是有重要生理作用的细胞色素，叫做卟啉类化合物。如红桃K叶绿素和血红素具有相同的基本骨架—卟吩。卟吩是由四个吡咯环的α-碳原子通过次甲基(-CH=)相连而成的复杂共轭体系，所以叶绿素、血红素等都有颜色。卟吩呈平面型，在四个吡咯环中间的空隙里四个氮原子可以分别以共价键及配价键与不同的金属离子结合，在叶绿素中结合的是镁，而血红素中结合的是铁；同时四个吡咯环的β位置还各有不同的取代基。叶绿素是含于植物的叶和茎中的绿色色素，它与蛋白质结合存在于叶绿体中，是植物进行光合作用所必需的催化剂，植物通过叶绿素吸收了太阳能才能进行光合作用。叶绿素a是蓝黑色结晶，熔点150-153℃，其乙醇溶液呈蓝绿色，并有深红色荧光。叶绿素b是深绿色粉末，熔点120一130℃，乙醇溶液呈绿或黄绿色，有红色荧二者都易溶于乙醇、乙醚、丙酮、氯仿等，而难溶于石油醚；都有旋光活性。叶绿素可做食品、化妆品及医药上的无毒着色剂。血红素是高等动物体内输送氧的物质，它与蛋白质结合成血红蛋白而存在于红血球中，以盐酸水解血红蛋白，即得氯化血红素。叶绿素及血红素都可用人工方法合成。维生素B12也是含有类似于卟吩环的复杂分子，它是天然产物中结构最复杂的化台物之一，但不属于高分子化合物。四、生物碱（联系生物农药）生物碱是指一类存在于生物体中的结构复杂，并具很强生理作用的含氮碱性有机物。由于它们主要存在于植物中，所以也常叫做植物碱，至今分离出的生物碱已有数千种。一种植物中可以含有多种牛物碱，同一科的植物所含生物碱的结构往往是相似的。氨基酸是生物碱合成的前身。1、性质生物碱大多为固体，难溶于水，而能溶于乙醇等有机溶剂。大部分生物碱具旋光性。2、检验许多试剂能与生物碱生成不溶性的沉淀或发生颜色反应，这些试剂叫做生物碱试剂，可以用它们检出生物碱。与生物碱能生成沉淀的试剂有丹宁、苦味酸、磷钨酸、磷钼酸、碘化汞钾(HgI2+KI)等。它们可以使生物碱由水溶液中沉淀出来。能与生物碱产生颜色反应的有硫酸、硝酸、甲醛及氨水等。3、命名：生物碱常根据其基本骨架或杂环来分类，而根据它所来源的植物来命名。4、实例⑴烟碱烟草中含有十余种生物碱，烟碱是其中之一它是结构比较简单的生物碱，以苹果酸盐及柠檬酸盐的形式存在。烟碱又名尼古丁，属于吡啶族生物碱。它是无色能溶于水的液体，沸点246，天然存在的是左旋体。烟碱有剧毒，少量对中枢神经有兴奋作用，能增高血压，量大时能抑制中枢神经系统，使心脏麻痹以致死亡。(+)-烟碱的毒性比(-)-异构体小得多。烟碱可用作农业杀虫剂。⑵颠茄碱颠茄碱也叫阿托平，它是含于许多茄科植物，如颠茄、曼陀罗、天仙子等中的一种生物碱。颠茄碱是白色结晶，熔点114-116℃，难溶于水，易溶于乙醇，有苦味。医药上用作抗胆碱药，能抑制汗腺、唾液、泪腺、胃液等多种腺体的分泌并能扩散瞳孔，用于医治平滑肌痉挛、胃和十二脂肠溃疡病；也可用作有机磷及锑剂中毒的解毒剂。⑶麻黄碱麻黄碱是含于草药麻黄中的一种生物碱，又叫麻黄素。它是一个仲胺，不具含氮杂环，结构与肾上腺素相似。麻黄素分子中含两个不相同手性碳原子，应有两对对映异构体，其中—对叫麻黄碱，一对叫假麻黄碱，天然存在的是(-)-麻黄碱及(+)-假麻黄碱。前者的生理作用最强我国出产的麻黄含(-)-麻黄碱最多，质量最好。麻黄碱为无色结晶，易溶于水和氯仿、乙醇、乙醚等有机溶剂。麻黄碱的生理作用也与肾上腺素相似，有兴奋交感神经、增高血压、扩张气管的作用，用于支气管哮喘症。⑷吗啡碱（联系麻醉剂）罂粟科植物鸦片中含有20余种生物碱，其中含量最多的是吗啡。吗啡是1817年被提纯的第一个生物碱，但它的结构至1952年才确定。吗啡属于异哇啉族生物碱，是微溶于水的结晶，有苦味。吗啡对中枢神经有麻醉作用，有极快的镇痛效力，是医药上常用的局部麻醉剂。但它是一种成瘾药物，因此必须严格控制使用。可待因是吗啡的甲基醚，与吗啡有同样的生理作用，成瘾性较吗啡差，用于镇咳。存在于大麻中的毒品海洛因是吗啡的二乙酰基衍生物。罂粟碱也是存在于鸦片中的异喹啉族生物碱。在医药上可用作平滑肌松弛剂及脑血管扩张剂。⑸咖啡碱(咖啡因)咖啡碱是存在于咖啡、茶叶中的一种生物碱，属于嘌呤族生物碱。咖啡碱是白色针状结晶，有苦味，能溶于热水；有兴奋中枢神经的作用，并能止痛和利尿。因此咖啡及茶一直被人们当作饮料。可可碱为3，7-二甲基黄嘌呤，存在于可可豆及茶叶等中，也有与咖啡碱相似的生理作用。