杂环化合物和维生素
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O
C N(C2H5)
N
烟酰二乙胺(可拉明)
CONHNH2
N
异烟酰肼 (雷米封)
CH2OH
HO
CH2OH
H3C N
维生素B6
O
H HS
NH
·H2O
NH2
N
O
CH3
COOH
头 孢 氨 苄 ( 先 锋 霉 素 I V)
N NH 烟碱(尼古丁)
O H3C
CH3
NN
O NN
咖啡碱 CH3
CH CH2 CH3
杂环化合物：环中含有杂原子的环状化物。
常见的杂原子有：O、S、N。
• 已经学过的杂环化合物：
• 这些化合物容易开环，的性质与相应的脂肪族化合 物相近。 本章主要讨论的是最重要的、最令人感兴趣的那 些环比较稳定，具有芳香结构和芳香性的杂环化 合物。（简称芳杂化合物）。
12.1 杂环化合物的分类、命名和结构
有一定程度的不饱和化合物的性质(发生加成反应)。 （1）取代反应—— 位取代 • 溴代：
• 硝化（缓和试剂）：
• 磺化（缓和试剂）：
吡啶与SO3的络合物
傅-克酰基化反应 （使用缓和路易斯酸催化剂）
结论：五元多π芳杂环的亲电取代 a.反应活性比苯大； b.使用温和的反应条件； c.反应部位主要为α-位。
常见的杂环有：
呋喃
噻吩
吡咯
吡啶
喹啉
噻唑
嘧啶
吲哚
命名1：带有取代基的杂环化合物
• 母体选择：磺酸、羧酸及其衍生物外，一般 以杂环为母体。
• 杂环的编号：从杂原子开始;环上有多个 相同杂原子时，使杂原子位号符合最低系列 原则；不同杂原子按O、S、N的次序编号。
有机化学课件：第十四章杂环化合物和维生素
O
N H
次黄嘌呤
黄嘌呤
N N H
尿酸
O HN ON
H
H N
N H
O
黄嘌呤（2,6-二羟基嘌呤），存在酮式-烯醇式互变异构
H ON
NHNNH NhomakorabeaO
HO N N
N
N
H
OH
咖啡因 具有利尿和 O
CH3 NN
兴奋中枢
N
N
神经作用 H3C
O
CH3
O
HN
NH
O NH NH O
尿酸
酮式（为主）
OH
6
1N
5
N7
2
4
8
反应活性部位有何不同？ 3. 核酸中存在的嘧啶衍生物有哪些？嘌呤衍生物呢？ 4. 什么是维生素？维生素是如何分类的？ 5. 对人体重要的维生素有哪些？其生理功能分别有何表现？
第十四章 杂环化合物和维生素
主要内容：重点学习杂环化合物的结构、命名、典型性质； 了解磺胺类药物、维生素的结构和功能。
由碳原子与其它原子（O，S，N 等）组成的具有一定程度芳香 性的稳定的环状化合物叫杂环化合物。（属非苯型芳烃）
2. 有几个相同杂原子时，一般从连氢的杂原子开始编号，
并使杂原子的位置数字之和最小。
3. 有几个不同杂原子时，按 O→S→-NH → =N 顺序编号。 4. 少数稠杂环有特定的编号方法，与上述规则不相符合。
呋4
3
喃5O 2
1
4
5
3
6
2
N
1
吡啶
4 N3
5
2
N H
1
咪唑
43
5
2
S
有机化学 第二十章杂环化合物
2.加成反应 呋喃、吡咯催化氢化，失去芳香性，得到饱和 的杂环化合物:
四氢吡咯为有机碱，广泛存在于自然界中的某 些生物碱中。
四氢呋喃是重要的有机溶剂。
噻吩中含硫，会使一般的催化剂中毒，氢化时必 须采用特殊催化剂。
工业上通常用开链化合物合成四氢噻吩。四氢噻 吩氧化成四亚甲基砜（或环丁砜），它是一个重要的 溶剂。
(6 )取代呋喃、噻吩、吡咯的定位效应
一取代呋喃、噻吩及吡咯进一步取代，定位效 应应由环上杂原子的α定位效应及取代基共同决定。 例如，3位上有取代基，第二个基团进入环的1位或5 位（即α位），是1位还是5位又由环上原有取代基 的性质决定◦例如，噻吩-3-甲酸溴代，生成5-溴噻 吩-3-甲酸。羧基是间位定位基，因此第二个基团进 入5位即羧基的间位。
一、五元杂环
五元环中含两个或两个（至少有一个氮原子） 以上的杂原子的体系称唑（azole)。如果杂原子不 同，则按氧、硫、氮的顺序编号。
二、六元杂环 三、稠杂环
20.2 五元单杂环化合物
一、呋喃、噻吩、吡咯的物理性质和结构
呋喃、噻吩、吡咯是最重要的含一个杂原子的 五元杂环化合物。它们的重要性不在于它们的单体， 而是它们的衍生物。它们的衍生物不但种类繁多， 而且有些是重要的工业原料，有些具有重要的生理 作用。
叶绿素与蛋白质结合，存在于植物的叶和绿色 的茎中，叶绿素利用卟啉环的多共辗体系易吸收紫 外光，成为激发态，促进光合作用，使光能转变为 化学能。
血红素存在于哺乳动物的红血球中，它与蛋白 质结合成血红蛋白，血红素中的Fe2+具有空的d轨道， 可以可逆地络合氧，在动物体内起到输送氧气的作 用。一氧化碳会使人中毒，其原因之一是因为它与 血红蛋白结合的能力强于氧，从而阻止了血红蛋白 与氧的结合。
大学有机化学杂环化合物和维生素
N H+C H 3O CO N O 2 A 5c o 2 C ON HN O 2+
N O 2 N H
硝 酸 乙 酰 基 酯
a -硝 基 吡 咯 (83% ) b-硝 基 吡 咯 (17% )
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第十四章 杂环化合物和维生素 第一节 芳香杂环化合物（三、五元杂环）
（三）吡咯衍生物
吡咯衍生物在自然界分布很广，植物中旳叶绿素和动物 中旳血红素都是吡咯衍生物。它们都具有主要旳生理活性。
侧面交叠形成环闭大π 键。
构成环闭共轭体系
吡啶旳构造模型
孤电子对占据sp2 杂化轨道
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第十四章 杂环化合物和维生素 第一节 芳香杂环化合物（二、六元杂环）
π电子云向电负性较大旳N原子转移,使N带部分负电 荷, C带部分正电荷,π电子云出现旳几率密度如下：
亲电试剂 攻打位点
0.87 1.01
吡啶是具有特殊臭味旳 无色液体。 存在于煤焦油、 骨焦油中,其衍生物广泛存在 于自然界。工业上主要从煤 焦油旳轻油部分提取吡啶。
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第十四章 杂环化合物和维生素 第一节 芳香杂环化合物（二、六元杂环）
5C 1N 共面, 均为 sp2杂化; 都
有一种垂直于分子平面旳p轨道, N旳 p 轨道含1个电子,
N H+K O H
NK + H2O
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第十四章 杂环化合物和维生素 第一节 芳香杂环化合物（三、五元杂环）
2. 亲电取代反应
因为环上旳电子云密度比苯大，所以吡咯、呋喃 和噻吩亲电取代反应比苯轻易发生。吡咯旳活泼度与 苯胺或苯酚相当。亲电取代反应主要发生在a位。
NN
O +Br2 0OC O Br 80%
第十二章杂环化合物
第十二章杂环化合物【学习目标】1、说出杂环化合物的概念；2、能按照IUPAC（1979）原则对杂环化合物进行命名；3、掌握简单杂环化合物的结构特点，了解其性质和应用；4、认识常见的杂环化合物的衍生物，了解它们的应用。
在有机化合物中，除碳、氢以外的其他元素的原子通常被称为杂原子，而在环状化合物中，如果其环中除碳原子外，还含有杂原子，则该环即为杂环，该化合物称为杂环化合物，杂环中所含杂原子一般为氮、氧、硫等。
杂环化合物在自然界中分布广泛，例如，植物中的叶绿素和动物血红蛋白中的血红素同属卟啉类的杂环化合物，由于其结构中心的金属离子不同而显不同颜色，叶绿素为镁卟啉显绿色，血红素为铁卟啉显红色；此外，其他如核酸中含嘌呤、嘧啶等杂环化合物等等。
在现代药物体系中，含杂环结构的药物也占了相当大的比例，例如增强胃动力的多潘立酮（又称吗丁啉）结构中含有两个苯并咪唑杂环，再如人类发现的第一个抗生素——青霉素也含有杂环结构，还有常用于治疗肠道感染的氟哌酸结构中含有喹啉杂环结构，诸如此类含有杂环结构的药物数不胜数。
因此，杂环化合物在有机化合物中占有非常重要的地位，学好本章内容是我们步入药学学科领域的关键一步。
内酯、内酰胺和环醚等化合物都属于杂环化合物，但这些化合物的性质与其同类的开环化合物基本相同，因此，本章不再对其重点介绍，本章着重讨论芳香性杂环化合物，亦称其为芳（香）杂环化合物（aromatic heterocycles）。
第一节分类和命名一、分类杂环化合物有多种分类方法，按含杂原子数目分为含一个、两个或多个杂原子的杂环；按环的形式可分为单杂环和稠杂环；还可以按照环的大小分为五元杂环和六元杂环。
二、命名杂环结构纷繁复杂，其命名亦如是。
按照IUPAC（1979）（国际纯粹应用化学联合会）原则的规定，保留45个杂环化合物的俗名并以此作为命名的基础。
我国则对这45个俗名进行音译，并以此为基础对其他的杂环化合物进行命名。
这些被保留下来的俗名主要有：命名的注意事项有：（1）以上杂环的俗名已表明杂环含有最多数目的非积累双键，结构中的饱和氢原子被称为“指示氢．．．”或“标氢”。
十二 杂环化合物
（二） 喹啉
N
重要的衍生物
OH CH3O N CH3 CH(CH2)3N(C2H5)2 N N HO O O O
扑疟喹啉
10-羟基喜树碱
1 喹啉的碱性
.
. . . . . . . . . .N
.
.
PKb
N 9.1
N 8.8
喹啉的碱性与吡啶相当
2 亲电取代
6
5 8
4
N
活化环 7
3 2
1
钝化环
有利于亲核取代生， 且主要发生在2位
CH2CHCOOH N H 色氨酸 OH HO O NH2 N H 色胺 O O CH OH OH S O 硫靛蓝 S CH2CH2NH2
（一） 吲哚
[试分析] 亲电取代发生在苯环还是杂环上?
3
..
并指出具体位置。
亲电取代主要发生在杂环3位
N H
N N C6H5 N H + C6H5N
+
N ClN H
综上所述：亲电取代主要发生在吡啶环的β位，、位 不发生反应。
Br2
300℃ HNO3, H 2SO4 300℃ H2SO4, HgSO4 220℃
Br N NO2 N S O3H N
N
吡啶环也象硝基苯一样，不能发生傅克烷基化和酰基化反应
3、 亲核取代反应
吡啶环容易发生亲核取代反应。 、位，以位为主。
C6H5Li
+ LiH N C6H5
N
CH3ONa
N
Cl
Cl CH3OH
N
OCH3
NH2
+ NH3 N N
+ HCl
4、 氧化
CH3
杂环化合物
3.1 呋喃、噻吩和吡咯的结构
呋喃、噻吩和吡咯组成环的五个原子都位于 同一平面上，四个碳原子和一个杂原子都为sp2 杂化状态，彼此以σ键相连接；每个碳原子还有 一个电子在p轨道上，杂原子的未共用电子对也 是在p轨道上，这五个p轨道垂直于环所在的平面 并相互重叠形成闭合共轭体系。这个共轭体系是 由五个原子上的六个p电子组成的，其p电子数符 合休克尔4n＋2规则。因此具有芳香性。
N N 四四 puinoline S 四甲 thiazole
N N H 甲甲 imidazole N 吲吲 indole
环上有取代基的杂环化合物，命名时以杂环为母体，从杂原子开始 将环上的原子编号。当环上含有两个或两个以上相同杂原子时，应使杂原 子所在位次的数字最小。当环上的杂原子不同时，按O、S、N的次序编号。
- 封封 I 300℃ N . HI
+
CH3 N . HI
+
N
C6H5COCl
石石石 －20℃ N+
Cl
-
良好的酰 化剂
COC6H5
取代反应
氮原子的电负性比碳原子大，所以氮原子附近电子 密度较高，环上碳原子的电子密度有所降低。因此，吡 啶与硝基苯相似，亲电取代比苯困难，并且主要发生在 β位上，反应条件要求较高。另外，吡啶不能进行付氏 反应。
维生素B 维生素 6是蛋白质代谢过程中的必需物质
1 杂环化合物的分类 2 杂环化合物的命名 3 五元杂环化合物 4 六元杂环化合物 5 生物碱
1 杂环化合物的分类
杂环化合物的成环规律和碳环一样，最 稳定和最常见的也是五元环和六元环。有的 环只有一个杂原子，有的环含有多个或多种 杂原子。杂环化合物一般按环的大小分成五 元环和六元环两大类。
杂环化合物和维生素
十四 杂环化合物和维生素
杂环化合物：构成环系的原子除了碳原子外， 还有杂（其他）原子。
杂原子：O, S, N等。
例如：
本章的杂环是指：环系比较稳定，结构上具有 4n+2个π电子的闭合共轭体
系，且具有芳性的杂环。
分类.
按环的数目和连接方式分为：
第一节 芳香杂环化合物
+ HBr
0℃
CH3COOH 常温
+ HBr
（极易卤代）
可见活性顺序：
>
>
>
硝化：（硝化试剂：CH3CO-O-NO2 硝酸乙酰酯）
除噻吩可用一般的硝化试剂如混酸和磺化试剂如硫酸 进行硝化和磺化反应外，呋喃、吡咯要采用较温和的试 剂进行硝化、磺化。因为强酸的H+可与电负性强的O、N 原子结合，破坏了杂环的大π键，失去了芳性而显示出环 状二烯的特性，而发生水解、聚合等反应。
叶绿素分子结构
R=-CH3为叶绿素a
R=-CHO为叶绿素b
血红素分子结构
维生素B12分子结构
β-吡啶甲酸 β-吡啶甲酰胺 （烟酸或尼克酸） 烟酰胺或尼克酰胺）
吡啶及其衍生物
04
吡啶与强的亲核试剂起亲核取代反应，主要生成取代产物：
03
齐齐巴宾反应
02
亲核取代反应
01
01
氧化还原反应
02
吡啶比苯稳定，不易被氧化
03
侧链可氧化生成相应的吡啶甲酸。
04
例如：
吡啶可被催化加氢或用乙醇和钠还原而成为六氢吡啶。
吡啶比苯较易被还原
与生物有关的杂环化合物及其衍生物
呋喃存在于松木焦油中，检验呋喃存在可用盐酸浸湿的松木片，呋喃存在时显绿色。
杂环化合物：构成环系的原子除了碳原子外， 还有杂（其他）原子。
杂原子：O, S, N等。
例如：
本章的杂环是指：环系比较稳定，结构上具有 4n+2个π电子的闭合共轭体
系，且具有芳性的杂环。
分类.
按环的数目和连接方式分为：
第一节 芳香杂环化合物
+ HBr
0℃
CH3COOH 常温
+ HBr
（极易卤代）
可见活性顺序：
>
>
>
硝化：（硝化试剂：CH3CO-O-NO2 硝酸乙酰酯）
除噻吩可用一般的硝化试剂如混酸和磺化试剂如硫酸 进行硝化和磺化反应外，呋喃、吡咯要采用较温和的试 剂进行硝化、磺化。因为强酸的H+可与电负性强的O、N 原子结合，破坏了杂环的大π键，失去了芳性而显示出环 状二烯的特性，而发生水解、聚合等反应。
叶绿素分子结构
R=-CH3为叶绿素a
R=-CHO为叶绿素b
血红素分子结构
维生素B12分子结构
β-吡啶甲酸 β-吡啶甲酰胺 （烟酸或尼克酸） 烟酰胺或尼克酰胺）
吡啶及其衍生物
04
吡啶与强的亲核试剂起亲核取代反应，主要生成取代产物：
03
齐齐巴宾反应
02
亲核取代反应
01
01
氧化还原反应
02
吡啶比苯稳定，不易被氧化
03
侧链可氧化生成相应的吡啶甲酸。
04
例如：
吡啶可被催化加氢或用乙醇和钠还原而成为六氢吡啶。
吡啶比苯较易被还原
与生物有关的杂环化合物及其衍生物
呋喃存在于松木焦油中，检验呋喃存在可用盐酸浸湿的松木片，呋喃存在时显绿色。
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COOH N
N
C2H5
N S
4-嘧啶甲酸
5-乙基噻唑
第9页/共33页
CH3
N
H3C O CHO
CH2COOH N
H
4-甲基吡啶 5-甲基-2-呋喃甲醛 3-吲哚乙酸
4
3
5
2
1
4-甲基咪唑
3
4
5 2
1
5-甲基噻唑
第10页/共33页
§2 芳香六元杂环
一、吡啶的结构
6 等(缺)电子
Π 6 共轭体系
孤对电子:
1:1
第12页/共33页
微溶
(二) 碱性
吡啶显弱碱性,比苯胺强,比脂肪胺和氨弱?
+ HCl N
N HCl NH3 N
N
+ SO3 CH2Cl2 室温
N SO3 (90%)
吡啶三氧化硫络合物
是常用的缓和磺化剂
第13页/共33页
(三) 亲电取代和亲核取代
吡啶的亲电取代比苯难? 在β位?
原因: 电子云密度比苯低, N结合质子或
编号为1。有时也以、和编号。 2. 当杂环上连有-R,-X，-OH，-NH2等取代基
时，以杂环为母体，标明取代基位次 。 3. 当杂环上连有-CHO，-COOH，-SO3H等
时，以杂环作取代基。
第8页/共33页
4.环上有两个或多个相同杂原子时，从连有 氢或取代基的杂原子开始编号，并使位次 的数字之和为最小。若杂原子不相同，则 按氧、硫、氮次序编号。
电子云密度较低, 对氧化剂更稳定, 易被还原.
β-吡啶甲酸(烟酸) 六氢吡啶(哌啶)
六氢吡啶(哌啶), 类仲胺, pKb=2.8, 碱性 比吡啶强得多? 与水互溶.
第16页/共33页
吡啶衍生物
COOH N
烟酸
CONH2 N
烟酰胺
CONHNH2
异N烟肼
即维生素PP，是B族维生 素之一，它能促进组织新 陈代谢，体内缺乏时能引 起粗皮病。
§1 Classification and Nomenclature
Classification ：
按杂原子数目分:
一个、两个或多个杂原子的杂环
按环的形式分:
单杂环和稠杂环
按环的大小分:
五元杂环和六元杂环
小于五元或大于六元的杂环??
第1页/共33页
第2页/共33页
4
3β
5
1
N H
2α
吡咯(pyrrole)
氢的类型
吡咯
呋喃
噻吩
α-H
6.62
7.40
7.19
β-H
6.15
6.30
7.04
N-H
7.25
吡咯、呋喃和噻吩芳香性的特征:
1、杂原子(N/O/S)的电负性大, 环上π电子云密度不均匀
2、键长的平均化程度较差
139pm
3、
Π
6 5
,环上电子云密度比苯环大, 亲电取代活性更高
第22页/共33页
二、吡咯、呋喃和噻吩的化学性质
五元杂环
4 3β 5 S 2α
1
噻吩(thiophene)
4
3β
5
2α
O
1
呋喃(furan)
吡唑(pyrazole)
咪唑(imidazole)
第3页/共33页
噻唑(thiazole)
六元杂环
γ 4
5
3β
γ 4
5
3β
6 N 2α 1
吡啶(pyridine)
6 O 2α 1
吡喃(pyran)
4 5N3
Lewis酸, 环上电子云密度更低.
β-硝基吡啶
H2SO4, SO3
N 230℃, 24h
SO3H
N
β-吡啶磺酸
第14页/共33页
吡啶可发生亲核取代? 在α位?
原因: N的电负性, 电子云密度比苯低,
为缺电子共轭体系, 较易亲核取代.
α 位有易离去基团时, 亲核反应更易发生
第15页/共33页
(四) 侧链氧化反应
碱性
0.87
N
1.43 相对电子云密度
1.01
0.84
α位亲核取代
β位
亲电取代
第11页/共33页
二、吡啶的性质 (一) 水溶性
极性分子,孤电子对与水形成氢键 环上有-OH或-NH2, 水溶性降低??
原因: 分子间氢键阻碍了与H2O的缔合,导
致分子中-OH或-NH2越多,水溶性越低!
水溶度 ∞
1:1
6
2
N
1
吡嗪(pyrazine)
4
5
N3
6
2
N
1
嘧啶(pyrimidine)
第4页/共33页
4
5
3
6
N2
N
1
哒嗪(pyridazine)
稠杂环
五元杂环苯并体系
4 5
6 7
3 O2
1
苯并呋喃 (benzofuran)
4 5
6 7
3 S2
1
苯并噻吩 (benzothiophene)
4
5
3
6
2
7
N H
1
苯并吡咯 吲哚 (indole)
第5页/共33页
六元杂6
4 3
7 8
2 N 1
7 8
N2 1
喹啉(quinoline) 异喹啉(isoquinoline)
吖啶(acridine)
杂环并杂环
67
1N 5 N
8
2
N 3
4
N H
9
第6页/共33页
嘌呤(purine)
Nomenclature：
1. 音译名（同音汉字加“口”字旁）
2. 以杂环为母体 （醛基, 羧基 , 磺酸基除外）
3. 环上原子的编号顺序 ① 从杂原子开始 1，2，3…或α,β,γ…) ② 不止一个杂原子, 按O, S, N顺序编号 ③ 取代基位次之和最小原则 ④ 稠杂环和稠环芳烃同, 少数特殊
第7页/共33页
命名规则： 1. 环上原子编号一般从杂原子开始，杂原子
三种共振形式, 正电荷分布在四个原子上
β-位 取代：
两种共振形式, 正电荷分布在两个原子上
第25页/共33页
问题: 1、苯及同系物硝化、磺化反应的条件? 五元杂环的硝化、磺化反应? 原因? 吡咯和呋喃杂原子易质子化, 芳香大π键被破坏
第17页/共33页
又称“雷米封 (Rimifon)”， 是治疗结核病 的良好药物。
三、嘧啶及其衍生物
4
5
3
6
2
1
环上电子云密度比吡啶更低, 亲电取代更困难
易溶于水, 弱碱性(pKb=11.30)
嘧啶衍生物
NH2 N
O H
N
O
H
N
CH3
ON
H
胞嘧啶(C)
ON
H
尿第嘧18啶页/共(3U3页)
ON
H
胸腺嘧啶 (T)
（一）吡咯的酸碱性
吡咯的碱性？ (N孤电子对接受H+的能力)
吡咯的酸性？ (N孤电子对参与共轭, N-H键极性增强)
+ KOH
+ H2O
N H
N K
+
第23页/共33页
（二）亲电取代反应
1、亲电取代的难易程度? 原因? 2、取代位置?
结论: 亲电取代比苯易, 取代位置在α位
第24页/共33页
α-位取代：
嘧啶衍生物有酮式和烯醇式互变异构体 如尿嘧啶:
酮式
烯醇式
第19页/共33页
§3 芳香五元杂环
一、吡咯的结构
Π
6 5
富电子共轭体系
亲电取代
α
N
碱性消失
H
第20页/共33页
弱酸性
呋喃和噻吩的结构
Π
6 5
富电子共轭体系
结论
π电子数符合Hückel的4n+2规则,具有芳香性
第21页/共33页
证据 1HNMR: 环上H的NMR信号在低场 (6~8)