杂环化合物

杂环化合物和生物碱

在环状有机化合物中，组成环的原子除碳原子外，还有其它非碳原子时，这类化合物称为杂环化合物。这些非碳原子叫做杂原子，常见的杂原子有氮、氧、硫。杂环化合物在自然界分布很广，其数量几乎占已知有机化合物的三分之一，用途也很多。许多重要的物质如叶绿素、血红素、核酸以及临床应用的一些有显著疗效的天然药物和合成药物等，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

但由于它们与相应的开链化合物性质相似，又容易开环变成开链化合物，所以不包括在杂环化合物之内。本章主要讨论那些环系比较稳定，并且有不同程度芳香性的杂环化合物。 一．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：

音译法是根据国际通用名称译音的，使用方便，缺点是名称和结构之间没有任何联系。

（二）以相应的碳环母核命名

H 2C C

O

H 2C

C

O

O CH 2

C

CH 2

CH 2

O

O

H 2C

丁二酸酐

δ-戊 内酯

N H Pyrrolo 吡咯O Furan 呋喃

S thiophono 噻吩

N N

H 咪唑

Imidazole S

N

thiazole 噻唑

N Pyridino

吡啶O Pyrin 吡喃

N N

Pyrimidine 嘧啶

N

H Indole 吲哚N N

N N H Purine 嘌呤

即在相应的碳环的名称上冠以杂原子的名称。

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。

2．当杂环上连有-R ，-X ，-OH ，-NH 2等取代基时，以杂环为母体，标明取代基位次；如果连有-CHO ，-COOH ，-SO 3H 等时，则把杂环作为取代基。

3．环上有两个或两个以上相同杂原子时，应从连接有氢或取代基的杂原子开始编号，并使这些杂原子所在位次的数字之和为最小。如有相同的两个氮原子时，仲氮先标位，叔氮后标。

4．环上有不同杂原子时，则按氧→硫→氮为序编号。

二．杂环化合物的结构

五元杂环化合物呋喃、噻吩、吡咯的结构和苯相类似。构成环的四个碳原子和杂原子（N ，S ，O ）均为sp2杂化状态，它们以σ键相连形成一个环面。每个碳原子余下的一个p 轨道有一个电子，杂原子（N ，S ，O ）的p 轨道上有一对未共用电子对。这五个p 轨道都垂直于

N H 吡咯O S 噻吩

N N H 咪唑

S N 噻唑

N 吡啶吡喃N N 嘧啶N H

吲哚N N N

N H 嘌呤

（氮杂茂）

呋喃（氧杂茂）

（硫杂茂）（1,3-二氮杂茂）（1-硫-3-氮杂茂）

O （氮杂苯）（氧杂己）（1,3-二氮杂苯）（氮杂茚）（1,3,7,9-四氮杂茚）

13

2

12

312

3

123

4

56

71

2345

6

789O 呋喃

N

吡啶

S N 噻唑

12

312

3

45

α

β1

23456

α

β

βαγ

45

3-甲基吡啶1

23

4

5

6

α

β

βαγ

N

CH 3β-甲基吡啶

NH 2

2-氨基嘧啶

1

2

3

4

56

N N O

2-呋喃甲醛CHO

五元环的平面，相互平行重叠，构成一个闭合共轭体系，即组成杂环的原子都在同一平面内，而p 电子云则分布在环平面的上下方。这些环的结构和苯结构相似，都是6电子闭合共轭体系，因此，它们都具有一定的芳香性。由于共轭体系中的6个π电子分散在5个原子上，使整个环的π电子云密度较苯大，比苯容易发生亲电取代。

六元杂环的结构可以吡啶为例来说明。吡啶在结构上可看作是苯环中的-CH=被-NH=取代而成。5个碳原子和一个氮原子都是sp2杂化状态，处于同一平面上，相互以σ键连接成环状结构。每一个原子各有一个电子在p 轨道上，p 轨道与环平面垂直，彼此“肩并肩”重叠形成一个包括6个原子在内的，与苯相似的闭合共轭体系。氮原子上的一对未共用电子对，占据在sp2杂化轨道上，它与环平面共平面，因而不参与环的共轭体系，以未共用电子对形式存在。

这些环的共轭体系中π电子与苯环共轭体系相同，因此，称为芳香杂环。 三．五元杂环化合物及其衍生物 （一）吡咯及其衍生物

吡咯存在于煤焦油和骨焦油中，为无色液体，沸点131℃，在空气中很易氧化，颜色由黄至褐，最终变成树脂样物质。吡咯的蒸气可使浸有盐酸的松木片产生红色，称为吡咯的松木片反应，可用来检测吡咯的存在。

吡咯的衍生物广泛分布于自然界，叶绿素、血红素、维生素B 12及许多生物碱中都含有吡咯环。四个吡咯环的α碳原子通过四个次甲基（-CH=）交替连接构成的大环叫卟吩环。卟吩的成环原子都在同一平面上，是一个复杂的共轭体系。卟吩本身在自然界中不存在，根据四个吡咯环上具有不同的的取代基，卟吩可再衍生出更多的化合物，总称为卟啉类化合物。卟吩能以共价键和配位键与不同的金属原子结合，如血红素的分子结构中结合的是亚铁原子。血红素与蛋白质结合成为血红蛋白，存在于哺乳动物的红细胞中，是运输氧气的物质。

。

。

。

。。

。。。

。

。。

。

。

。

CH

CH

N

N

HC

N HC

卟吩

CH

CH N

N HC

N HC

CH CH 3

H 3C H 3C

N

H 2C H 2C

HOOC

CH 2CH 2

COOH

N

CH 3

CH 3

CH

CH 3

++

Fe 血红 素

（二）咪唑及其衍生物

咪唑是无色的晶体物，易溶于水和乙醚。具有较强的碱性，能与酸形成稳定的盐。 咪唑的衍生物广泛存在于自然界，如蛋白质组成成分之一的组氨酸。组氨酸经酶的作用或体内分解，可脱羧变成组胺。组胺有收缩血管的作用。人体内组胺含量过多时会发生过敏反应。

（三）噻唑及其衍生物

噻唑是含有一个硫原子和一个氮原子的五元杂环，是无色有臭味的液体，沸点117℃。 噻唑呈弱碱性，对氧化剂和还原剂都很稳定，许多重要的天然或合成药物，都含有噻唑杂环。如磺胺噻唑、青霉素及维生素B 1等。

四．六元杂环化合物及其衍生物 （一）吡啶及其重要衍生物

吡啶是含一个氮原子的六元杂环化合物。它是无色具有特殊气味的液体，沸点115℃，能与水、乙醚、乙醇等任意混合，而且是一种很好的溶剂。吡啶呈弱碱性，能与酸成盐。

吡啶的衍生物在医学很重要。它的重要衍生物有维生素PP 、维生素B 6、异烟肼等。 1．维生素PP

维生素PP 由β-吡啶甲酸（烟酸）和β-吡啶甲酰胺（烟酰胺）两者组成。它们是B 族维生素之一，是体内很多脱氢酶的辅酶（辅基），缺乏时能引起糙皮病。烟酸还具有扩张血管及降低血胆固醇的作用。

2．维生素B 6

维生素B 6由吡哆醇、吡哆醛、吡哆胺三种物质组成。

N

N H

CH 2CH

COOH

NH 2

组氨 酸

－

CO 2

N N H CH 2CH 2NH 2

组胺

CH 2

C

O NH N S

O

CH 3CH 3COOH

青霉素G

NH

SO H 2N

N

S

磺胺 噻唑

N

COOH

N

CONH 2

β-吡啶甲酸β-吡啶甲酰胺

机体缺乏维生素B 6时，氨基酸等代谢就不能正常进行。 3．异烟肼

异烟肼又叫雷米封(Rimifon)，学名异烟酰肼，为无色晶体或粉末，易溶于水，微溶于乙醇而不溶于乙醚。异烟肼具有较强的抗结核作用，是常用治疗结核病的口服药。

（二）嘧啶及其衍生物

嘧啶是含有两个氮原子的六元杂环化合物。它是无色固体，熔点20～22℃，易溶于水，具有弱碱性。

嘧啶可以单独存在，也可与其它环系稠合而存在于维生素、生物碱及蛋白质中。许多合成药物如巴比妥类药物、磺胺嘧啶等，都含有嘧啶环。磺胺嘧啶(SD)是一种磺胺类药物，能治疗流行性脑膜炎等病。

具有嘧啶环的有机化合物在自然界分布甚光，如胞嘧啶，尿嘧啶和胸腺嘧啶等，它们都是核酸的组成成分。

CH 2OH

CH 2OH

HO H 3C N

CH 2OH

CHO

HO H 3C

N

CH 2OH

CH 2NH 2

HO H 3C

N

吡哆醇吡哆醛吡哆胺

N

CO NH

NH 2

NH

SO 2

H 2N

N

N

磺胺 嘧啶

NH

2N N CH

CH

O 12

3

456

O

H

N N CH

CH

O

12

3456

H O

N N CH

O

12

345

6

H CH 3胞嘧啶C(Cytosin)(2-氧-4-氨基嘧啶)

尿嘧啶U(Uraoil)(2,4-二氧嘧啶)

胸腺嘧啶T(Thymine)

(5-甲基-2,4-二氧嘧啶)

一般，在嘧啶类化合物中，当杂环母核上连有双键氧原子时，都可以产生酮式和烯醇式的互变异构。如尿嘧啶的互变异构：

五．苯稠杂环及稠杂环 （一）吲哚及其衍生物

吲哚是苯环与吡咯环稠合而成的杂环，故又称作苯并吡咯。吲哚的衍生物在自然界分布广泛。例如，组成蛋白质的色氨酸。

在人和哺乳动物脑中的5-羟色胺（5-HT ）系由色氨酸转变而成。有人认为它是保持人体精神和思维正常活动所不可缺少的一种神经递质。结构式如下：

β-吲哚乙酸广泛存在于植物幼芽中，能够刺激植物生长，称为异生长素。

（二）嘌呤及其衍生物

CH OH

N

N

CH HO

尿嘧啶尿嘧啶（烯醇式）

(酮

式)N CH 2

CH 2

COOH

色氨 酸

N CH 2CH 2NH 2

HO

5-羟色胺

N H

CH 2

COOH

β-吲哚乙酸

嘌呤是咪唑环和嘧啶环稠合而成的稠杂环。它为无色晶体，熔点216-217℃，易溶于水，其水溶液呈中性，能与强酸或强碱成盐。

嘌呤环共有四个氮原子，环的编号比较特殊，它有两种互变异构体，常用标氢法区别。结晶态嘌呤为7H-嘌呤，在水溶液中7H-嘌呤与9H-嘌呤以等比例共存。药物分子中一般多为7H-嘌呤衍生物，生物体中则9H-嘌呤更为常见。

嘌呤本身在自然界并不存在，但它的衍生物分布广，而且非常重要，如腺嘌呤、鸟嘌呤等都是核酸的组成成分。 次黄嘌呤、黄嘌呤和尿酸是腺嘌呤和鸟嘌呤在体内的代谢产物，存在于哺乳动物的尿和血中。

尿酸为无色晶体，极难溶于水，有弱酸性。健康的人每天尿酸的排泄量约为0.5～1g 。如代谢紊乱而致尿酸含量过高时，可能沉积形成尿结石。当血中的尿酸含量过高时，可能沉积在关节等处，形成痛风石。

上述嘌呤衍生物均有酮式和烯醇式的互变异构现象。如尿酸和黄嘌呤。

N N N N H

12

3

4

5

6

78

9N N N N

12

3

4

5

6

78

9

H 9H-嘌呤7H-嘌呤

N

N

N N

H

1

234

5678

9NH 2腺嘌呤A （Adenine ）6-氨基嘌呤H

N N

N N

H 2N

O H

鸟嘌呤G （

Guanine ）2-氨基-6-氧嘌呤

H

N N

N

N

O

H 次 黄嘌呤I(Inosine)6-氧嘌呤

H

N N

N N O

O

H H 黄嘌呤X(Xanthine)2,6-二氧嘌呤

H

OH

HO

N N

N

N

OH

2,6,8-三氧嘌呤(酮 式)

2,6,8-三羟基嘌呤(烯醇式)

尿酸