第十四章芳香杂环化合物
合集下载
chap14-1 杂环(芳香族)化合物
A
聚合 分解 反应剧烈
（吡咯，呋喃，噻吩）
硝化：HNO3/H2SO4 磺化：H2SO4
用温和试剂代替
（1） 五员杂环的硝化反应 硝化试剂
AcONO2 AcO + NO2
• 吡咯和噻酚发生正常亲电取代反应
NO2 AcONO2 N H Ac2O,10 C
o
N H 51%
NO2
+ N H 13% NO2
N
N
N
N
N
环上每个位置的负 电荷密度均增大
吡咯的性质与苯酚类似，具有酸性，但吡咯的酸性比苯 酚小。吡咯与苯胺也有类似性质。
OH
OH-
O
N H
Na 或 K 或浓NaOH
N K+
pKa =10
pKa≈ 17.5
吡咯成盐后，使环上电荷密度增高，亲电取代反应更 易进行。
3.1 五员芳杂化合物的亲电取代反应
第十六章
杂环（芳香族）化合物
构成环的原子除碳原子外还有O、S、N、 P 等杂原子的一类环状化合物称为杂环化合物。 O、N、S
杂原子
酸酐、环氧、内酯、内酰胺不属杂环化合物。
通常，杂环化合物是指含有杂原子构成环的、比 较稳定、有一定芳香性的环状化合物。
O
N
S
核酸碱基 ：
O HO P O OH B O
取代位置
E
+
E
+
A
A
E
A
-取代 主要产物 反应相对活性
-取代
>
N H O
>
S
>
5 109 1
3
1018
6
1011
对取代位置的解释（分析反应中间体的相对稳定性）
聚合 分解 反应剧烈
（吡咯，呋喃，噻吩）
硝化：HNO3/H2SO4 磺化：H2SO4
用温和试剂代替
（1） 五员杂环的硝化反应 硝化试剂
AcONO2 AcO + NO2
• 吡咯和噻酚发生正常亲电取代反应
NO2 AcONO2 N H Ac2O,10 C
o
N H 51%
NO2
+ N H 13% NO2
N
N
N
N
N
环上每个位置的负 电荷密度均增大
吡咯的性质与苯酚类似，具有酸性，但吡咯的酸性比苯 酚小。吡咯与苯胺也有类似性质。
OH
OH-
O
N H
Na 或 K 或浓NaOH
N K+
pKa =10
pKa≈ 17.5
吡咯成盐后，使环上电荷密度增高，亲电取代反应更 易进行。
3.1 五员芳杂化合物的亲电取代反应
第十六章
杂环（芳香族）化合物
构成环的原子除碳原子外还有O、S、N、 P 等杂原子的一类环状化合物称为杂环化合物。 O、N、S
杂原子
酸酐、环氧、内酯、内酰胺不属杂环化合物。
通常，杂环化合物是指含有杂原子构成环的、比 较稳定、有一定芳香性的环状化合物。
O
N
S
核酸碱基 ：
O HO P O OH B O
取代位置
E
+
E
+
A
A
E
A
-取代 主要产物 反应相对活性
-取代
>
N H O
>
S
>
5 109 1
3
1018
6
1011
对取代位置的解释（分析反应中间体的相对稳定性）
有机化学第十四章杂环化合物和生物碱
（四）嘧啶及其衍生物
1. 嘧啶 嘧啶的电子结构与吡啶相似，2个氮原子均以sp2杂化轨道成
键，每个氮原子上都含有未共用电子对。
2. 嘧啶的衍生物 （1）尿嘧啶、胞嘧啶和胸腺嘧啶
尿嘧啶
胞嘧啶
胸腺嘧啶
19
（2）磺胺嘧啶 （3）维生素B1
20
（五）吲哚及其衍生物
吲哚由苯环与吡咯环稠合而成。吲哚是无色片 状晶体，熔点52℃，沸点23.5℃，不溶于水，可溶 于热水和有机溶剂中，有恶臭，但吲哚在浓度极稀 时，有花的香味，可作为香料使用。
卟吩
血红素
16
（三）吡啶及其衍生物
1. 吡啶
吡啶有弱碱性，可与强酸成盐。吡啶用于合成维生素和药 物等，并用做溶剂，也是一些有机反应的介质和分析化学试剂。
2. 吡啶的衍生物 （1）烟酸和烟酰胺
烟酸和烟酰胺的结构式如下：
烟酸
烟酰胺
17
（2）异烟肼 （4）维生素B6
（3）尼可刹米
吡哆醇
吡哆醛
吡哆胺
18
（一）呋喃及其衍生物
1. 呋喃 呋喃是最简单的五元含氧杂环，存在于松木焦油中。呋喃可使 盐酸浸过的松木片呈绿色，称为松木片反应，可用于检验呋喃。 2. 呋喃衍生物 （1）呋喃西林
（2）糠醛
15
（二）吡咯及其衍生物
1. 吡咯 吡咯是最简单的五元含氮杂环，存在于煤焦油和骨焦油中。 吡咯蒸汽遇醮有盐酸的松木片显红色，可用于吡咯的鉴别。 2. 吡咯的衍生物
（二）沉淀反应 生物碱在酸性水或酸性稀醇中与某些试剂生成难溶于水的复盐 或络合物的反应。 用途： 鉴别——试管、TCL或PPC显色剂； 提取分离——检查是否提取完全。
（三）显色反应
大多数生物碱能和一些试剂反应呈现出不同的颜色。这些能 使生物碱发生颜色反应的试剂称为生物碱显色剂。常用的生物碱 显色剂有钼酸钠、甲醛、钒酸铵、高锰酸钾等的浓硫酸溶液。如 10 g·L-1的钒酸铵的浓硫酸溶液与阿托品显红色，与吗啡显棕 色，与可待因显蓝色。这些颜色反应可用于生物碱的鉴定。
有机化学第14章 芳香杂环化合物
42
大多数磺胺类药物是不同杂环取代 了磺胺的N1位上的一个H原子 。
O N S-NH N O
H2N
磺胺嘧啶
H2N
O NO S-NH O CH3
磺胺甲基异噁唑
43
本 章 要 点
1. 杂环的命名 译音＋“口 ”旁
2. 吡啶
结构： 6原子6电子环闭π键/缺π芳杂环
性质：亲电取代(多在β位)比苯难(似硝基苯);亲核取代 (多在α位)比苯易;氧化变难;还原变易;有弱碱性
7.19
135 pm 6.15
H
S 172 pm
7.26 7.26
H
N 138 pm H7.25
H
O 135 pm
7.26
7.26 7.26
7.26
26
二、吡咯、呋喃和噻吩的性质 1．吡咯的酸碱性
吡咯N上孤电子对因参与环的共轭, 故碱性极 弱, 比苯胺还弱得多, 不能与酸形成稳定的盐。
NH2 > NH3 >
NH N
4-甲基咪唑
35
咪唑的碱性比吡咯强（pKb=6.8），这是由于 其中的一个氮原子的孤对电子没有参加共轭体系， 因而较易与质子结合。 在组氨酸分子中含有一个咪唑基, 其pKa值 接近生理pH(7.35)，它既是一个弱酸，又是一 个弱碱，能起到质子传递的作用。组氨酸中的 咪唑环是构成酶活性中心的重要基团，使酶能 催化生物体内酯和酰胺的水解。
乙酸酐
N H O
CH3
吡咯和呋喃遇强酸时, 杂原子能质子化, 使芳香大键 破坏, 所以不能用强酸进行硝化和磺化反应, 需选用较温和 的非质子性试剂。例如吡咯硝化需用硝酸乙酰基酯。
N H
+ CH3 C ONO2 O
大多数磺胺类药物是不同杂环取代 了磺胺的N1位上的一个H原子 。
O N S-NH N O
H2N
磺胺嘧啶
H2N
O NO S-NH O CH3
磺胺甲基异噁唑
43
本 章 要 点
1. 杂环的命名 译音＋“口 ”旁
2. 吡啶
结构： 6原子6电子环闭π键/缺π芳杂环
性质：亲电取代(多在β位)比苯难(似硝基苯);亲核取代 (多在α位)比苯易;氧化变难;还原变易;有弱碱性
7.19
135 pm 6.15
H
S 172 pm
7.26 7.26
H
N 138 pm H7.25
H
O 135 pm
7.26
7.26 7.26
7.26
26
二、吡咯、呋喃和噻吩的性质 1．吡咯的酸碱性
吡咯N上孤电子对因参与环的共轭, 故碱性极 弱, 比苯胺还弱得多, 不能与酸形成稳定的盐。
NH2 > NH3 >
NH N
4-甲基咪唑
35
咪唑的碱性比吡咯强（pKb=6.8），这是由于 其中的一个氮原子的孤对电子没有参加共轭体系， 因而较易与质子结合。 在组氨酸分子中含有一个咪唑基, 其pKa值 接近生理pH(7.35)，它既是一个弱酸，又是一 个弱碱，能起到质子传递的作用。组氨酸中的 咪唑环是构成酶活性中心的重要基团，使酶能 催化生物体内酯和酰胺的水解。
乙酸酐
N H O
CH3
吡咯和呋喃遇强酸时, 杂原子能质子化, 使芳香大键 破坏, 所以不能用强酸进行硝化和磺化反应, 需选用较温和 的非质子性试剂。例如吡咯硝化需用硝酸乙酰基酯。
N H
+ CH3 C ONO2 O
第十四章芳香杂环化合物
环化合物。如果N4上的氢原子被其他基团取代时，将降低 甚至丧失其抗菌作用。但如果N4 上的取代基在体内能被 分解而恢复原来的游离氨基时，则仍具有原来的抑菌作用。
磺胺的抑菌作用是由于其结构与细菌生长所必须的对氨基
苯甲酸（PAPB）的结构极为相似，能产生竞争性拮抗， 干扰细菌的酶系统对PAPB的利用。
临床上使用的药物：
N
N
发烟 H2SO4
250oC
N
NO2
亲电取代发生在 SO3H β位。
齐齐巴宾反应
亲核取代发生 在α位。 当α位上有易离 去基团时，与 较弱的亲核试 剂就能发生亲 核取代反应
（4）、吡啶类化合物侧链氧化反应 氧化难、还原易（抗氧化性比苯强）
N KMnO4 HOOC
N
N HNO3
COOH NH3
N
全饱和时可不标明位置。例如：
N H
N H
O
1,2,3,4-四氢喹啉 2,5-二氢吡咯 四氢呋喃
含活泼氢的杂环化合物及其衍生物,可能存在着互变异 构体,命名时需按上述标氢的方式标明之。例如：
N
N
H
N
N
N
N H
NN
9H-嘌呤
7H-嘌呤
第二节、芳香五元杂环化合物
一、吡咯、呋喃和噻吩 1、结构与芳香性
sp2
O
H2N
N SO2NH
N
磺 胺 嘧 啶 （ SD）
F HN
5-氟 尿 嘧 啶
O
N H
（ 5-FU）
抗肿瘤药
第四节 稠杂环化合物
嘌呤及衍生物
嘌呤 两个互变异构体的平衡体系
6
1N
5
7
N
2
98
磺胺的抑菌作用是由于其结构与细菌生长所必须的对氨基
苯甲酸（PAPB）的结构极为相似，能产生竞争性拮抗， 干扰细菌的酶系统对PAPB的利用。
临床上使用的药物：
N
N
发烟 H2SO4
250oC
N
NO2
亲电取代发生在 SO3H β位。
齐齐巴宾反应
亲核取代发生 在α位。 当α位上有易离 去基团时，与 较弱的亲核试 剂就能发生亲 核取代反应
（4）、吡啶类化合物侧链氧化反应 氧化难、还原易（抗氧化性比苯强）
N KMnO4 HOOC
N
N HNO3
COOH NH3
N
全饱和时可不标明位置。例如：
N H
N H
O
1,2,3,4-四氢喹啉 2,5-二氢吡咯 四氢呋喃
含活泼氢的杂环化合物及其衍生物,可能存在着互变异 构体,命名时需按上述标氢的方式标明之。例如：
N
N
H
N
N
N
N H
NN
9H-嘌呤
7H-嘌呤
第二节、芳香五元杂环化合物
一、吡咯、呋喃和噻吩 1、结构与芳香性
sp2
O
H2N
N SO2NH
N
磺 胺 嘧 啶 （ SD）
F HN
5-氟 尿 嘧 啶
O
N H
（ 5-FU）
抗肿瘤药
第四节 稠杂环化合物
嘌呤及衍生物
嘌呤 两个互变异构体的平衡体系
6
1N
5
7
N
2
98
第十四章 杂环化合物(已修改)
7,没有固定名称的稠杂环命名(自学) ,没有固定名称的稠杂环命名(自学)
21
第二节 五元杂环化合物
Pentheterocycles
22
一,呋喃,噻吩,吡咯 呋喃,噻吩, ) (Furan, Thiophene and pyrrole)
(一) 结构
电子离域的结果使环上 各C原子的电子云密度增大 原子的电子云密度增大 ),这类杂环称 (6/5),这类杂环称"多π" ),这类杂环称" 芳杂环. 芳杂环.它们的亲电取代 比苯容易. 比苯容易.
H N 1H-吡咯 N 2H-吡咯 O O
2H-吡喃
4H-吡喃
15
4,若杂环不含有最多数目的非聚集双键, ,若杂环不含有最多数目的非聚集双键, 这样的饱和H称为"外加氢" 命名时, 这样的饱和 称为"外加氢".命名时, 称为 需标明外加氢的位置和数目, 需标明外加氢的位置和数目,全饱和的 可省略位置, 可省略位置,例:
5
本章着重讨论的杂环化合物, 本章着重讨论的杂环化合物,其环系较稳定并 具有一定程度的芳香性, 具有一定程度的芳香性,把它们统称为芳(香)杂环 其它不具有芳香性的杂环化合物, 化合物.其它不具有芳香性的杂环化合物,统称非 芳香杂环化合物(或称杂脂环化合物) 芳香杂环化合物(或称杂脂环化合物).
芳香性:平面环, 个电子, ※ 芳香性:平面环,4n+2个电子,难氧化 个电子 而易取代. 而易取代.
4
O
O
O
N H
O
杂环化合物种类繁多,数量庞大, 杂环化合物种类繁多,数量庞大,在自然界分 布极为广泛,大多数的生物碱为杂环化合物, 布极为广泛,大多数的生物碱为杂环化合物,植 物中的叶绿素,动物中的血红蛋白等,中心结构 物中的叶绿素,动物中的血红蛋白等, 都为杂环, 都为杂环,作为生命基础物质的核酸基本组成单 碱基也为杂环碱. 位—碱基也为杂环碱.在现代药物中,杂环化合 碱基也为杂环碱 在现代药物中, 物占了相当大的比重, 物占了相当大的比重,现在已成为一门独立的学 杂环有机化学. 科—杂环有机化学. 杂环有机化学
第十四章芳香杂环化合物
键长：
0.144 nm 0.1354 0.1371 0.1352 0.1455 nm 0.1371 0.1429 nm
O
0.1718
S
0.1383
N H
饱和化合物
C C O: 0.143 nm C: 0.154 nm C N: 0.147 nm C S: 0.182 nm
C=C: 0.134 nm
NH3 Cl
+
Cl+
N CH3 N
嘧啶环
C N H2 s
C CH3 CH2CH2OH
噻唑环
N
维 素 1 生 B
5
s
2
1
噻唑为无色有吡啶气味的液 体，b.p. 117oC, 与水混溶. 环上的 氮原子有碱性, 化学性质稳定，不 易发生亲电取代反应。
N CO 青霉素G中四元环内酰胺很不 HOOC 稳定，对酸、碱都很敏感，特 CH3 CH-NH-CO-CHC6H5 别容易被酸水解。口服后在胃 2 CH3 s 中水解，β内酰胺的四元环打 氢化噻唑环 开而失效，现口服青霉素就是 青 素 霉 G 将其中-CH2C6H5换为
吡啶又称氮杂苯。最初由干馏动物的骨骼得到，其衍生物 广泛存于自然界，例维生素PP、维生素B6。辅酶Ⅰ及辅酶Ⅱ 也含有吡啶环。工业上从煤焦油提取吡啶和甲基吡啶。一些 生物碱中常含有吡啶或氢化吡啶环。
CO2CH3
N N CH3 N N CH3
NCH3
OCOC6H5
烟碱
新烟碱
古柯碱(可卡因)
吡啶的重要衍生物有维生素、异烟肼（抗结核药物）等。
第十四章 芳香杂环化合物和维生素
Ａromatic ｈeterocycles and vitamin
第14章杂环化合物
43
5 12
S
NH2
5 43 61 2
N
CH3
Br
Br
' 43
5 12
Br ' N
Br
H
2-氨基噻吩 3-甲基吡啶 (氨基噻吩) (甲基吡啶)
2,3,4,5-四溴吡咯 (,,,-四溴吡咯)
2.环上有两个或两个以上相同的杂原子时，应 使杂原子位次之和最小，并将连有氢原子或取 代基的杂原子编号定为1。如环上有不同杂原子 时，按O、S、-NH-和-N=的顺序编号。
sp2杂化轨道上，伸向环平面外侧，未参与
共轭，可结合质子，因此吡啶具有弱碱性。
H
H
H
N
H
H
吡啶的分子轨道示意图
d+
d-
d-
d+ N
d+
d-
电子云的 交替极化
吡啶环上电子云密度的分布不平均，氮原 子上的电子云密度较大，碳原子的电子云 密度较低，尤其是氮原子邻位、对位的电 子云密度降低得比间位多，所以吡啶的亲 电取代反应比苯难，并且主要发生在间位 （即位）上。像吡啶这类环碳上的电 子云密度比苯低的芳杂环亦称为“缺” 芳杂环。吡啶是一个极性分子；氮原子的 诱导效应和共轭效应的方向一致。
3.尿酸(urate)：2，6，8-三氧嘌呤称为尿 酸
O HN ON
H
NH NO H
OH
N
N
HO N
N OH H
2，6，8-三氧嘌呤（酮型） 2,6,8-trioxypurine
2，6，8-三羟基嘌呤（烯醇型） 2,6,8-trihydroxypurine
第二节 维生素
维生素是维持人体正常代谢机能不可缺少的微 量有机化合物. 脂溶性维生素: 维生素A、D、K、E 水溶性维生素: B族 维生素，维生素C，维生 素P等
第十四章--芳香杂环化合物
Professor: Zhang Yan-Bing, E-mail: zhangyb@
噻唑及其衍生物
噻唑是无色有臭味的液体,沸点117℃,易与水 互溶,有弱碱性.它的一些衍生物在医药上极为 它的一些衍生物在医药上极为 重要,如维生素B 及青霉素都含有噻唑环. 重要,如维生素 1及青霉素都含有噻唑环.
有机化学
郑州大学化学系
Professor: Zhang Yan-Bing, E-mail: zhangyb@
第十四章 芳香杂环化合物
环状有机化合物中,组成环的原子除碳原子以外 还有其它元素的原子的化合物叫做杂环化合物 杂环化合物 其它元素的原子叫做杂原子 杂原子,常见的杂原子为为 杂原子 O,S,N等. , , 内酯,交酯,环状酸酐,内酰胺 内酯,交酯,环状酸酐,内酰胺等容易开环形成 开链化合物,性质也与开链化合物相似,通常这 些化合物不列入 不列入杂环化合物的范围. 不列入 杂环化合物指的是环系比较稳定,在结构上与芳 杂环化合物指的是环系比较稳定, 香环相似,具有闭合的共轭体系, 香环相似,具有闭合的共轭体系,同时具有不同 程度芳香性的环状化合物. 程度芳香性的环状化合物.这类环状化合物常称 为芳杂环.
S N CH3 CH3 COOH Cl N H3C N N NH2
维生素B1
RCONH O
CH3 CH2CH2OH
青霉素(基本结构)
Professor: Zhang Yan-Bing, E-mail: zhangyb@
咪唑及其衍生物
咪唑是无色固体,熔点88～89℃,易溶于水和乙 醇,不溶于石油醚,具有碱性. 咪唑环可发生互变异构现象 咪唑环可发生互变异构现象,4-甲基咪唑和5-甲 基咪唑就是两个互变异构体.如果咪唑氮上的氢 被其它原子或基团取代时,就不能发生这种互变 异构现象.
噻唑及其衍生物
噻唑是无色有臭味的液体,沸点117℃,易与水 互溶,有弱碱性.它的一些衍生物在医药上极为 它的一些衍生物在医药上极为 重要,如维生素B 及青霉素都含有噻唑环. 重要,如维生素 1及青霉素都含有噻唑环.
有机化学
郑州大学化学系
Professor: Zhang Yan-Bing, E-mail: zhangyb@
第十四章 芳香杂环化合物
环状有机化合物中,组成环的原子除碳原子以外 还有其它元素的原子的化合物叫做杂环化合物 杂环化合物 其它元素的原子叫做杂原子 杂原子,常见的杂原子为为 杂原子 O,S,N等. , , 内酯,交酯,环状酸酐,内酰胺 内酯,交酯,环状酸酐,内酰胺等容易开环形成 开链化合物,性质也与开链化合物相似,通常这 些化合物不列入 不列入杂环化合物的范围. 不列入 杂环化合物指的是环系比较稳定,在结构上与芳 杂环化合物指的是环系比较稳定, 香环相似,具有闭合的共轭体系, 香环相似,具有闭合的共轭体系,同时具有不同 程度芳香性的环状化合物. 程度芳香性的环状化合物.这类环状化合物常称 为芳杂环.
S N CH3 CH3 COOH Cl N H3C N N NH2
维生素B1
RCONH O
CH3 CH2CH2OH
青霉素(基本结构)
Professor: Zhang Yan-Bing, E-mail: zhangyb@
咪唑及其衍生物
咪唑是无色固体,熔点88～89℃,易溶于水和乙 醇,不溶于石油醚,具有碱性. 咪唑环可发生互变异构现象 咪唑环可发生互变异构现象,4-甲基咪唑和5-甲 基咪唑就是两个互变异构体.如果咪唑氮上的氢 被其它原子或基团取代时,就不能发生这种互变 异构现象.
第十四章芳香杂环化合物
(6) 吡啶的氧化和还原反应。 吡啶环对氧化剂较苯更为稳定。当环上连有烷基侧链时,侧链可被氧化 成羧酸,保留吡啶环。
吡啶较苯易被还原, 用金属钠和乙醇或催化加氢, 均可使吡啶还原成 六氢吡啶。
六氢吡啶又称哌啶(pKb=2.8), 是仲胺化合物, 碱性较吡啶强106倍。
二、吡啶衍生物
吡啶的衍生物在医药上有着重要的作用。 维生素PP ：包括β-吡啶甲酸(烟酸)和β-吡啶甲酰胺(烟酰胺),烟酸是白色
2-呋喃甲醛(糠醛) 3-吡啶甲酸(烟酸)
2-furaldehyde (furfural) 3-pyridine carboxylic acid (nicotinic acid)
7）含有“饱和原子”的杂环化合物的命名
在杂环化合物中，当杂环上含有一个“饱和”原子时，往往存在互变异 构体，为了区别异构体，在命名时要将“饱和”原子上的氢原子的位置
血红素是卟吩以共价键及配位键与亚铁原子所形成的配合物, 同时在吡咯 环的β-位置还有不同的取代基。血红素与蛋白质结合称为血红蛋白, 存在 于人和动物的红血细胞中, 是运输氧气的物质。
卟吩
血红素
二、咪唑的结构与功能
1、咪唑 吡咯3-位的CH被氮原子取代的化合物称为咪唑。
咪唑3-位的氮也是以sp2杂化轨道形成 σ -键； 但与1-位氮不同，不是 以一对p电子，而是以一个p电子参与环状共轭大π-键; 因此，大π键 中仍是六个π电子，符合Hückel规则，具有一定的芳香性。
用阿拉伯数字表示出来，并同大写斜体“H”一起写在词首，作为环系
名称的一部分；在编号尚有选择时，要给“饱和”原子以最低编号。
4H-吡喃 4H-pyrane
2H-吡喃 2H-pyrane
7H-嘌呤 7H-purine
第十四章 芳香杂环化合物
Cl
三、嘌呤
N N
N
N N N
NH
N H (Ⅰ) 9H 嘌呤
( Ⅱ) 7H 嘌呤
嘌呤为无色晶体，m.p216~217℃，易溶于水，其水溶液呈中性， 但能与酸或碱成盐。 纯嘌呤环在自然界不存在，嘌呤的衍生物广泛存在于动植物体内。
1．尿酸 存在于鸟类及爬虫类的排泄物中，含量很多，人尿中也含少量。
O HN O N H N H NH O HO N N N H OH N OH
2．糠醛的性质 同有α-H的醛的一般性质。 （1）氧化还原反应
CuO, Cr2O3 150 ℃, 10MPa O CHO KMnO4 弱碱性 O V2O5 - MoO O2, 320 ℃, O O O + CO2 + H2O COOH O CH2OH
（2）歧化反应
O CHO 浓碱 O COOH + O CH2OH
3
5 6
4 N N 1
4
3 2
2
吡啶(pyridine)
嘧啶(pyrimidine)
吡嗪(pyrazine)
4 5 6 N 1 3 N2
5 6 O 1
3 2
哒嗪(pyridazine)
吡喃(pyran)
5 6 7 8
4 5 6 7
4 3 N 1 2
6 7
5
4 3 N2
8
1
喹啉(quinoline)
CH3 N KMnO4 / H COOH N β 吡啶甲酸（烟酸） HNO 3 N COOH N α 吡啶甲酸
O CH3C-OOH N N O
NO2 HNO 3 N O H2SO4 90 ℃ N O PCl3
NO2 + POCl3 N
医学生物化学第十四章芳香杂环化合物
（尿酸）烯醇式
磺胺类药物：
4
1
H2N
SO2NH2
磺胺
H2N
SO2NHR
H2N
SO2 N H
N
O CH3
对-氨基苯磺酰胺 磺胺甲基异噁唑（SMZ） 含有“饱和原子”的杂环化合物的命名
O
H N
5 2
1
N
2 3
4
四氢呋喃
2,5 – 二氢吡咯
3,4 – 二氢喹啉
N
KMnO4 溶 液
N
COOH
CH 3 KMnO 4溶 液
COOH
N
N
吡啶比苯易还原：
N
Na+C2H5OH
或H2 / Pt
N H
六 氢 吡 啶（仲 胺 ）
吡啶的衍生物 β- 吡啶甲酸 （烟酸）
N
COOH
N
CONH2 β-吡啶甲酰胺
（烟酰胺）
1N 2
（二） 嘧啶及其衍生物
NH2
4
3
N1 N3
O
4
3
N
OH N
5 4
4
N N H
5 6
3
COOH
H2N 2 N
3
Br
7
N1 H
2
4-嘧啶甲酸
2-氨基-6-羟基嘌呤
6-溴吲哚-3-甲酸
（三） 标氢（标记氢原子)
6 6 5 4
O
H
O
H H H
1
N
2
N N H
9
7 8
1
N
2
5 4
7
NH N
9 8
N
3
N
3
2H - 吡喃
第十四章 芳香杂环化合物
第十四章芳香杂环化合物1．吡啶的亲电取代反应为什么较难，且取代基主要进入β位？2．为什么哌啶的碱性比吡啶强？3．从吡咯和吡啶的结构解释二者水溶性和碱性的大小。
4．什么叫生物碱？5．临床上使用生物碱药物时为什么不能与碱性药物并用？6．命名下列化合物7．写出下列化合物的结构式⑵-甲基-六氢吡啶2,5⑴-二溴呋喃 4⑷-二甲基喹啉4⑶-羟基-5-氟嘧啶 2,8⑹-甲基-2-氨基嘌呤⑸-吡啶甲酰胺 638．将下列化合物按碱性由强到弱排列顺序9．指出下列杂环化合物所含的杂环母核10．试比较吡咯、吡啶、苯的亲电取代反应活性大小11．请解释为什么吡啶的碱性比苯胺强？12．2—氨基吡啶能在比吡啶温和的条件下进行硝化或磺化反应，取代主要发生在5位，说明其原因。
13．吡啶溴代不使用FeBr3等Lewis酸催化剂，为什么？14．比较下列各化合物中不同氮原子的碱性强弱15．下列各杂环化合物哪些具有芳香性？在具有芳香性的杂环化合物中，指出参与共轭体系的未共用电子对16．完成下列反应式17．某些取代吡啶的pKa如下：试用取代基对苯胺碱性的影响，解释上述结果。
18．试写出齐齐巴宾反应的反应过程。
19．比较下列各组化合物的碱性强弱：20．组胺（Histamine）分子中，哪个氮原子碱性最强？写出强弱顺序并说明理由。
21．判断下列化合物哪些具有芳香性？22．解释下列各现象：（1）①吡啶类化合物和H3O+反应时，表现出的碱性是2,6-二甲基吡啶＞吡啶？②为什么吡啶的碱性比脂肪胺小得多？（2）溴代丁二酸二乙酯与吡啶作用生成不饱和的反丁二烯二酸二乙酯。
吡啶在此起什么作用？它比通常使用的请氧化钾乙醇溶液有什么优点？23．以吡啶为原料合成下列化合物：。
第十四章芳香杂环化合物(药学、临药)
3
本章讨论的杂环化合物主要指环系较稳定，包 括杂原子在内的环是平面型，环内有 4n+2 个 p 电子 处于环闭共轭体系中，统称为芳(香)杂环化合物。
N O
呋喃
N N N
嘧啶
N N N H
O O O
杂脂环
S
噻唑
N H
嘌呤
其它不具芳香性的杂环化合物，统称为 非芳香杂环化合物或杂脂环化合物。
上页 下页 首页
N
N
N
Br2 300 oC
Br N
b-溴吡啶 b-吡啶磺酸 b-硝基吡啶
上页 下页 首页
H2SO4, SO3 230 oC, 24 h
KNO3 + H2SO4 Fe, 300 oC
SO3H N
NO2 N
25
亲核取代比苯容易，主要发生在α, γ位上。
＋ NaNH2 N
100℃
H2O
N
NHNa
N
NH2
HCl
Z SO3 ( Z = NH、O ) Z
Z SO3H 噻吩可直接用 H2SO4 磺化。
CO CH 3
（三）吡咯衍生物
吡咯衍生物在自然界分布很广，植物中的叶绿素和动物 中的血红素都是吡咯衍生物。它们都具有重要的生理活性。
H2C=HC CH3
N N
N HN NH N
H3C
CH=CH2
Fe H3C HO2CCH2CH2C
Ph
6
5
4
N N
7
3 1 2
S
5-苯基咪唑并[2，1-b]噻唑
1
N
N H
1‘
7H-吡啶并[4，3-c]咔唑
尼群地平
2,6-二甲基-4-(3-硝基苯基)-1,4-二氢-3,5-吡啶二甲酸甲乙酯
本章讨论的杂环化合物主要指环系较稳定，包 括杂原子在内的环是平面型，环内有 4n+2 个 p 电子 处于环闭共轭体系中，统称为芳(香)杂环化合物。
N O
呋喃
N N N
嘧啶
N N N H
O O O
杂脂环
S
噻唑
N H
嘌呤
其它不具芳香性的杂环化合物，统称为 非芳香杂环化合物或杂脂环化合物。
上页 下页 首页
N
N
N
Br2 300 oC
Br N
b-溴吡啶 b-吡啶磺酸 b-硝基吡啶
上页 下页 首页
H2SO4, SO3 230 oC, 24 h
KNO3 + H2SO4 Fe, 300 oC
SO3H N
NO2 N
25
亲核取代比苯容易，主要发生在α, γ位上。
＋ NaNH2 N
100℃
H2O
N
NHNa
N
NH2
HCl
Z SO3 ( Z = NH、O ) Z
Z SO3H 噻吩可直接用 H2SO4 磺化。
CO CH 3
（三）吡咯衍生物
吡咯衍生物在自然界分布很广，植物中的叶绿素和动物 中的血红素都是吡咯衍生物。它们都具有重要的生理活性。
H2C=HC CH3
N N
N HN NH N
H3C
CH=CH2
Fe H3C HO2CCH2CH2C
Ph
6
5
4
N N
7
3 1 2
S
5-苯基咪唑并[2，1-b]噻唑
1
N
N H
1‘
7H-吡啶并[4，3-c]咔唑
尼群地平
2,6-二甲基-4-(3-硝基苯基)-1,4-二氢-3,5-吡啶二甲酸甲乙酯
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
N
N
H
N
N
N
N H
N
N
9H-嘌呤
7H-嘌呤
第二节、芳香五元杂环化合物
一、吡咯、呋喃和噻吩 1、结构与芳香性
sp2
Z Z= O S NH
2、化学性质
碳原子p轨道中各有一 个电子；
杂原子p轨道中有两个 电子； 形成环状离域大键. 电子数:6 符合休克尔4n+2规则
具有芳香性
（1）、酸碱性
• 吡咯分子中虽有仲胺结构，但并没有碱性，其原因是 氮原子上的一对电子都已参与形成大π键，不再具有给 出电子对的能力，与质子难以结合。相反，氮上的氢 原子却显示出弱酸性，其pKa为17.5，因此吡咯能与强 碱如金属钾及干燥的氢氧化钾共热成盐。
第十四章 芳香杂环化合物 （aromatic heterocycles）
分子中含有由碳原子和其它原子共同组成的环的 化合物称为杂环化合物。杂环中的非碳原子称为杂
原子，最常见的杂原子有O、S 、N等。
生物体内存在的物质主要是杂环化合物；合成 的药物也多数是杂环化合物。本章主要讨论的是 芳香杂环化合物。
N
哌啶(六氢吡啶)
N H
哌啶的碱性比吡啶强？（环状仲胺）
重点： 碱性：吡啶>苯胺>吡咯 亲电难易：吡咯>苯>吡啶 对氧化剂的稳定性：吡啶>苯>吡咯
3、嘧啶及其衍生物
N N(sp2)。成环的碳、氮都以一个P电子参与共轭。 易发生亲核取代，不易进行亲电取代。
N
O
OH
NH
N
NO H
N OH
尿嘧啶(U)
第一节 芳香杂环化合物的分类与命名
一、杂环化合物的分类
分类
杂环化合物
二、杂环化合物的命名 1、音译法
单杂环 稠杂环
五元杂环 六元杂环 苯稠杂环 杂稠杂环
噻唑 thiazole
吡唑 pyrazole
4 N3
5 1 2 咪唑 N imidazole
H
氮五吡咯，六吡啶。间氮咪唑和嘧啶。左骈 苯吲哚与喹啉，咪嘧结合是嘌呤。
N HN
卟吩 (Prophine)
卟吩由四个吡咯和四个次甲基(=CH) 交替相连组成的共轭体系。
卟吩呈平面结构, 环中间空隙里四个氮 原子可分别以共价键、配价键与不同的 金属离子结合。叶绿素(镁), 血红素(铁)。
3、咪唑的结构和功能
N
HN
H
N
H
H
咪唑
N
sp2
H
咪唑具有碱性；水溶性较 大；有芳香性；既是质子 接受体又是质子供体。
氮上一对电子不参与形成大 键，所以吡啶具有碱性。
2、吡啶的化学性质 （1）、易溶于水，N上的未共用电子对能与水形成氢键。
（2）、具有碱性。碱性大小：脂肪族胺＞氨＞吡啶＞苯胺
（3）、亲电取代和亲核取代
HNO3 H2SO4 KNO3 300oC
N
N
发烟 H2SO4
250oC
N
NO2
亲电取代发生在 SO3H β位。
SH
N
N
NN H
6-巯基嘌呤 (抗癌药物)
磺胺类药物：
4
（1）基本结构 H2N
1
SO2 NH2
（2）构效关系
对氨基苯磺酰胺（简称磺胺）
当N1上的氢原子被某些基团取代时，能增强其抑菌作 用，有较好的疗效和较低的毒性，这些取代基团多半是杂
2-硝基吡咯 （α -硝基吡咯）
4（γ）-甲基吡啶
CH3 N OH
Cl
N
CH3
2-甲基-5-苯基噻唑
N
N
SH
CH3
4-甲基-8-羟基喹啉 1-甲基-7-氯异喹啉 1-甲基-2-巯基咪唑
O CHO
S SO3H
CONH2 N
2（α ）-呋喃甲醛 2（α）-噻吩磺酸
β -吡啶甲酰胺
标氢
杂环中拥有最多数目的非聚集双键。当杂环满足了这个条 件后，环中仍然有饱和的碳原子或氮原子，则这个饱和的 原子上所连接的氢原子称为“标氢”或“指示氢”。用其 编号加H（大写斜体）表示。
N H 1H-吡咯
N 2H-吡咯
O 2H-吡喃
O 4H-吡喃
• 若杂环上尚未含有最多数目的非聚集双键，则多出的 氢原子称为外加氢。命名时要指出氢的位置及数目，
全饱和时可不标明位置。例如：
N
N
O
H
H
1,2,3,4-四氢喹啉 2,5-二氢吡咯 四氢呋喃
含活泼氢的杂环化合物及其衍生物,可能存在着互变异 构体,命名时需按上述标氢的方式标明之。例如：
齐齐巴宾反应
亲核取代发生 在α位。 当α位上有易离 去基团时，与 较弱的亲核试 剂就能发生亲 核取代反应
（4）、吡啶类化合物侧链氧化反应 氧化难、还原易（抗氧化性比苯强）
N KMnO4 HOOC
N
N HNO3
COOH NH3
N
CH3
N
烟碱(尼古丁)
烟酸
CONH2 N
烟酰胺
Na, C2H5OH(无水) 或 H2/Ni, 25oC , 3大气压
2、系统命名法 （1）含1个杂原子的杂环，从杂原子开始用阿拉伯数字 或从靠近杂原子的碳原子开始用希腊字母编号。
（2）如有几个不同的杂原子时，则按O、S、-NH-、 N=的先后顺序编号，并使杂原子的编号尽可能小。
（3）有些稠杂环母环有特定的名称和编号原则。
N NO2 H
CH3 N
N C6H5 S CH3
乙酰基硝酸酯：是一个比较温和的硝化剂，一般只在芳环活性基团 的邻位引入一个硝基。它为易吸潮的无色发烟液体，因易爆炸所以 在临使用时才按下式制备
（3）加成反应
二、吡咯衍生物
N
CH3
HOOCCH2CH2
CH2
灵菌红素
(CH2)4CH3
N CH2NH2 H
卟吩胆色素原
叶绿素和血红素：
NH N
O
OH
CH3
CH3
NH
N
NO H
N OH
胸腺嘧啶(T)
NH2 N
NH2 N
NO H
胞嘧啶(C)
CH3
N OH
O NH
HOH2C
O NO
H
H
H
H
OH
H
脱氧胸苷
核酸中存在的嘌呤环系
NH2
O
N
N
HN
N
NN H
腺嘌呤 （A）
H2N N
N H
鸟嘌呤(G)
NH2
N
N
HOCH2 O N
N
HH
H
H
OH OH
腺嘌呤核苷（腺苷）
• 呋喃中的氧原子也因参与形成大π键而失去了醚的弱碱 性。噻吩中的硫原子不能与质子结合，因此也不显碱 性。
（2）、亲电取代反应 亲电取代活性顺序为：吡咯>呋喃>噻吩>苯
亲电取代通常发生在位上的原因： 1. 碳上电子云密度大 2. 亲电试剂进攻碳所形成的中间体较稳定。 亲电试剂进攻位和进攻位比较：
第三节 芳香六元杂环
1、吡啶结构与芳香性
未参与共轭 未参与成键
N
N
sp2
A. 吡啶有无芳香性？ B. 吡啶是否具有碱性？ C 为什么吡啶能与水互溶？
氮周围的电子云密度较高，碳上的电子云密度较低， 发生亲电反应比苯难（主要位），
但发生亲核取代反应比苯易（主要位） ——性质类似于硝基苯。 亲电 亲核