第十四章 杂环化合物 第十四章 杂环化合物 第一节 杂环化合物的分类和命名

第二节 杂环的结构与芳香性

第三节 五元杂环化合物

第四节 六元杂环化合物

第五节 稠杂环

第六节 杂环药物

第一节 杂环化合物的分类和命名第一节 杂环化合物的分类和命名 * 分类

● 参与成环的原子除碳原子外，还有其它元素的原子（杂原子），这类的环状化合物，叫做杂环化合物。● 杂环化合物可按环的大小分类，其中最重要的是五员环、六员环。● 按杂原子的数目分成含有一个杂原子的杂环和含有两个或两个以上杂原子的杂环。● 按环的形式分为单杂环和稠杂环。

* 命名

● 杂环化合物命名比较复杂，我国习惯采用译音法：即按英文名称译音选用同音汉字，并以口字旁表示为杂环化合物。

（ 1 ）环上有取代基的杂化合物，命名时以杂环为母体，将杂环上的原子编号（从杂原子开始），当环上含有两个及两个以上相同杂原子时，应使杂原子所在位次的数字最小；环上有不同杂原子时，应按 O 、 S 、 N 顺序编号。（ 2 ） 环上只有一个杂原子时，靠近杂原子的位置称 α 位，其次为 β 位。

（ 3 ）命名举例：

● 另一种命名方法：根据相应的碳环来命名，把杂环看成相应碳环中的碳原子被杂原子所取代而形成的化合物，命名时在相应的碳环名称前加上杂原子的名称。

名称中 " 杂 " 字在没有误会的情况下可以略去

第二节 杂环的结构与芳香性第二节 杂环的结构与芳香性 * 五元杂环化合物的结构与芳香性● 五元杂环化合物在结构上有共同点，即五个原

子都位于同一平面上，彼此以 σ 键相连接，每个碳原子上还有一个电子在 P 轨道上，杂原子有两个电子在 P 轨道上，这 5 个 P 轨道垂直于环所在的平面，相互交盖成大 π 键，杂原子的未共用电子对参加了芳香性的 6π 电子体系的形成， π 电子数符合休克尔 4n+2 规则的要求，所以都具有芳香性。

● 由于呋喃、噻吩、吡咯中的杂原子上的未共用电子对参与了环的共轭体系，使环上的电子云密度增大，故它们都比苯容易发生亲电取代反应，取代通常发生在 α 位上。

* 六元杂环化合物的结构与芳香性（以吡啶为例）

● 吡啶与苯环很相似， N 与 C 处在同一平面上，原子间的 SP2 杂化轨道相互交盖，成六个 σ 键，键角 120° ，环上每一原子还有一个电子在 P 轨道上， P 轨道与环平面垂直，相互交盖成包括六个原子在内的分子轨道， π 电子分布在环的上方和下方，每个 C 的第三个 SP2 杂化轨道与 H 的 S

轨道交盖成 σ 键，氮原子的第三个 SP2 杂化轨道上有一对未用电子对（如图）

● 吡啶结构，符合休克尔规则（ n=1 ）故也有芳香性。

● 由于氮原子的电负性，所以氮原子附近电子云密度较高，环上碳原子的密度有所降低，因此吡啶在发生亲电取代反应时，比苯较为困难，取代反应主要发生在 β 位上。

第三节 五元杂环化合物第三节 五元杂环化合物 一、呋喃 * 制法

* 性质和用途● 呋喃与用盐酸浸过的松木片作用，即显现绿色， 这反应叫松木反应，可用来检验呋喃。

● 加成反应

● 取代反应　　取代反应，一般应采用比较缓和的试剂，否则受到无机酸的作用容易发生环的破裂和树脂化。

● 呋喃可用来合成药物

* 呋喃的重要衍生物糠醛是呋喃衍生物中最重要的一个。

● 制法　　工业上除米糠外，其它农副产品，如：麦秆、玉米芯、苷蔗渣、花生壳等等，都可用来制糠醛，这些物质中都含有多缩戊糖，在稀酸作用下可分解成戊糖，戊糖再进一步去水环化，则得糠醛。

● 性质和用途

1 、 糠醛在酸或铁离子催化下，易被空气氧化颜色逐渐变深，由黄色→棕色→墨褐色。

2 、 糠醛可发生银镜反应；在醋酸存在下与苯胺反应显红色，这两种应可用来检验糠醛。 3 、 糠醛具有一般醛基的性质。

4、 糠醛为常用的优良溶剂，也是有机合成的重要原料。

5 、糠醛是合成药物的重要原料，其硝化产物可以制备一系列抗菌药物，如治痢疾的药物痢特灵，治疗泌尿系统感染的药物呋喃坦丁等。

三、噻吩* 制法：

* 性质和用途● 噻吩是一个杂原子的五元杂环化合物中最稳定的一个，也是活性最差的一个，可发生下列反应：

* 噻吩的衍生物 噻吩的衍生物中有许多是重要的药物，如维生

素 H 、先锋霉素等。最重要的噻吩衍生物是生物素，又称维生素 B7 ，主要存在于动物的肝、肾、乳和酵母中，在鸡蛋黄中含量很高。在恶性肿瘤中的含量比正常组织中高得多。它对微生物、酵母及某些动物的生长发育起促进作用。

在葱头、芦笋和某些肉类食品中，也存在一些噻吩的衍生物，例如：

它们具有浓郁的香味，可以作为食品香料和调味剂。

四、吡咯 * 制法：

* 性质和用途● 吡咯的蒸气或醇溶液与浸过浓盐酸的松木作用呈现红色，可用来检验吡咯及其衍生物。 ● 吡咯化学性质活泼 重要的化学性质如下：

● 吡咯的衍生物在自然界中分布很广，如血红素、叶绿素、维生素 B ，都是含有吡咯环的化合物。

* 吡咯的衍生物

叶绿素、血红素是自然界含量最大的吡咯衍生物，具有重要的生理作用。它们的分子中都具有相同的基本碳骨架——卟吩，它是由四个吡咯环的 α- 碳原子通过次甲基（— CH= ）相连的复杂共轭体，因此具有卟吩环的化合物都有颜色。

卟吩为平面结构，环中的空隙可以容纳不同的金属离子，叶绿素中结合的是镁离子，血红素中结合的是铁离子。

叶绿素与蛋白质结合存在于叶绿体中，是使植物呈现绿色的绿色色素，是植物进行光合作用必不可少的催化剂。血红素与蛋白质结合形成血红蛋白，存在于哺乳动物的红细胞中，是高等动物体内输送氧的物质。

第四节 六元杂环化合物第四节 六元杂环化合物

一、吡啶* 制法：工业上将煤焦油分馏出的轻油部分，用硫酸处理，使吡啶成为硫酸盐而溶解，再用碱中和即游离出吡啶。

* 性质：

● 吡啶不易氧化，当侧链有烷基时，烷基可被氧化成 -COOH 。

● 其它化学反应如下：

* 吡啶的重要衍生物 维生素 B6 、维生素 PP 及雷米封都是吡啶的

重要衍生物。维生素 B6 又名吡多素，包括吡哆醇、吡哆醛和吡哆胺。

它们均为无色液体，易溶于水及乙醇。B6 分布较广，酵母、肝脏、肉、鱼、蛋、豆类及花生中含量都较多，谷类外皮尤为丰富。它在体内作为辅酶参与生物体系的转氨、脱羧等作用，与氨基酸的代谢密切相关。长期缺乏 B6 会导致皮肤、中枢神经和造血机构的损害。

维生素 PP 包括 β— 吡啶甲酸（又名烟酸或尼可酸）及 β— 吡啶甲酰胺两种物质。在酵母、肝脏、瘦肉、牛乳、花生、黄豆、米糠及胚芽中含量丰富。维生素 PP 参与体内氧化还原过程，促进新陈代谢。烟酸有降低血中甘油酯及胆固醇的作用，但也有一些副作用。体内缺乏 PP能引起糙皮病，因此维生素 PP 也称抗糙皮病维生素。

雷米封是异烟酸肼的俗名，是抗结核药物。

二、喹啉 * 制法：

* 性质

第五节 稠杂环第五节 稠杂环 一、苯稠杂环 * 吲哚 吲哚为白色片状晶体，有粪便气味，与

β—甲基吲哚共存于粪便中，但纯的吲哚的极稀溶液却具有愉快的香气，可作为香料。吲哚与吡咯相似，也具有松木片反应。

吲哚的一个重要衍生物是 β—吲哚乙酸，它广泛存在于植物的幼芽中，是植物生长调节剂。低浓度的 β—吲哚乙酸能促进植物生长，但浓度较高时则抑制作物的生长。

吲哚的另一个重要衍生物是色氨酸，色氨酸在体内经代谢主要生成 5- 羟基色胺。5- 羟基色胺在人的神经活动过程中起重大作用，被称为神经物质。

* 苯并吡喃 苯并吡喃是苯与吡喃环稠合的环系。吡喃环中还

有一个 SP3 杂化的碳原子，不存在闭合的共轭体系，因此无芳香性，但吡喃盐正离子是芳香环系。

苯并吡喃的衍生物在自然界广泛存在，苯并吡喃环系是各种花卉颜色的关键结构单元。各种不同的苯并吡喃衍生物决定花的不同颜色，这种化合物称花色素。

二、嘌呤环系 嘌呤是嘧啶和咪唑并联的稠环体系，它有两

种互变异构体。

嘌呤是无色晶体，易溶于水，能分别与酸、碱成盐。

* 尿酸 尿酸即 2 ， 6， 8 – 三羟基嘌呤，为白色晶

体，难溶于水，有弱酸性（ pKa = 5.75 ），它是鸟类和爬虫类动物体中蛋白质代谢的最终产物，正常人的尿中只含少量尿酸。尿酸有互变异构体：

* 腺嘌呤和鸟嘌呤 腺嘌呤和鸟嘌呤是核酸的重要结构单元，是决定

生命的遗传及合成蛋白质的重要物质。它们也有酮式和烯醇式互变异构体：

三、喋啶环系 喋啶是由嘧啶和吡嗪并联的稠环，为黄色固

体，熔点 139℃。

维生素 B2 及叶酸是喋啶的重要衍生物。

* 维生素 B2

维生素 B2 又名核黄素，其分子骨架为苯并喋啶结构，称异咯嗪。它广泛存在于动、植物中，米糠、肝、蛋黄中含量丰富。维生素 B2 为橘黄色针状晶体，熔点 280℃（分解），微溶于水，可溶于酸和碱，对光、碱不稳定。缺乏维生素B2 会导致细胞代谢失调，其症状为口腔炎、角膜炎等。

* 叶酸 叶酸也是 B 族维生素之一，广泛存在于蔬菜、肝、肾、酵母等中，为黄色晶体，难溶于水及有机溶剂，缺乏叶酸会引起恶性贫血。

第六节 杂环药物第六节 杂环药物 一、天然杂环药物 在天然药物中，杂环药物占有相当大的比重。* 青霉素和头孢菌素 1929 年微生物学家 Fleming 发现青酶有阻止链球菌生长的效能， 1940 年 H M Floreg 和Chain 等人从青酶的培养液中得到了这种物质，称青霉素。从青酶的培养液中提取到的青霉素共有七种，其中青霉素 G 作用最强，产量最高。由于含有苄基，又称为苄基青霉素。

青霉素分子中有一个很活泼的四元环 β— 内酰胺结构及与之并联的氢化噻唑环，这是青霉素具有抗菌作用的关键有效结构。青霉素能与正进行合成的细菌细胞壁的主要酶的氨基进行反应，使酶失去活性，从而阻止了细菌细胞壁的合成。

青霉素 G 有较普遍的过敏反应，使用一段时间后还会产生耐药性。

头孢菌素是从与青霉素近缘的顶头孢菌中衍生出来的，有头孢菌素 C 、 N 、 P 。其中头孢菌素 C 由于抗菌谱广，毒性小而得到发展，但其抗菌活性不够高。

头孢菌素是发展最快的一类抗生素，已有几代产品。

* 青蒿素 青蒿素是我国学者从重要青蒿中分离出来的倍半帖类化合物，具有很强的抗疟作用。但青蒿素的生物利用率较低，复发率高。

青蒿素分子中的过氧键是其关键的药效团。寄宿于人体细胞中的疟原虫以细胞中的血红蛋白为营养，血红蛋白消化后，其中的细胞色素未被分解，这样血红素积累在疟原虫的食物泡内，血红素的铁催化青蒿素过氧键的断裂产生自由基，产生的自由基可以破坏疟原虫的生理作用。

* 紫杉醇 紫杉醇是从红豆衫属植物的树皮中分离得到

的，具有抗肿瘤作用。其类似物紫杉特尔水溶性比紫杉醇好，抗肿瘤谱广，活性优于紫杉醇。

二、合成杂环药物 天然药物虽然种类很多，但其含量远远不能满足医疗需要，因此必须进行大量的药物合成与筛选工作。

* 长效磺胺 磺胺类药物具有抑制、杀灭病源微生物的作用，长效磺胺（ SMP ）是常用的磺胺药物之一。长效磺胺即磺胺甲氧嗪，结构式为：

* 苯巴比妥 苯巴比妥药物具有镇静、催眠、抗惊厥作用。苯巴比妥是常用的巴比妥类药物之一。其结构式为：

其它杂环药物：