一杂环化合物和生物碱-有机化学
第12章杂环化合物和生物碱
嘌呤(purine)
2、系统命名法
① 从杂原子开始 1，2，3，4……（或用希腊字母α、β、 γ…… ） ② 当环上含有两个或两个以上相同的杂原子时，应使杂原子 所在位次的数字最小 ③ 不止一个杂原子，按O，S，N顺序编号
第十二章 杂环化合物和生物碱 5
4
3
H3C 5 O 2 CH3 1
4 COOH 3 5 2 6 N 1
第十二章 杂环化合物和生物碱 25
嘌呤
N H
N N
N
N
NH2 N N N H
N H
O HN H2N N N H N
N H
Purine
腺嘌呤（ A） Carbazole
鸟嘌呤（G）
嘌呤有（Ⅰ）和（Ⅱ）两种互变异构体：
N N N H
N
N N N
NH
（I）9H-嘌呤
（II）7H-嘌呤
第十二章 杂环化合物和生物碱 26
2． 亲核取代 由于氮的吸电子作用，使得吡啶环上电子云密度减低， 不易进行亲电取代，但却有利于亲核取代。例如它与氨基 钠作用，生成α-氨基吡啶。
+ NaNH2 N
-H2 H2O
N
NHNa
N
NH2
3．酸碱性 呋喃、噻吩为中性；吡咯具有弱碱性。吡咯属仲胺，似乎应具 有较强的碱性，但由于氮原子的孤对电子参与形成闭合的共轭体 系，氮原子上的电子密度有所降低，吸引质子的能力降低，因此 吡咯的碱性（pKb=13.6）非常微弱，不但比脂肪族仲胺弱得多， 而且比芳香胺还弱，以至它与酸不能生成稳定的盐；另一方面， 氮原子上的氢原子离解为离子的倾向增大，这就使吡咯反而有弱 酸性，其酸性介与乙醇和苯酚之间，可与固体KOH（或与金属 15 第十二章 杂环化合物和生物碱 K，Na）共热，形成不稳定的盐，遇水即分解。
《有机化学》第13章 杂环化合物和生物碱
4-甲基嘧啶
4-甲基噻唑
⑶ 连有取代基的杂环化合物命名时，也可将杂环作为取代基，以侧链为母体来命名。
4-嘧啶磺酸
β-吲哚乙酸（3-吲哚乙酸）
2-苯并咪唑甲酸乙酯
⑷ 为区别杂环化合物的互变异构体，需标明杂环上与杂原子相连的氢原子所在的位 置，并在名称前面加上标位的阿拉伯数字和大写H的斜体字。
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⑴ 卤代反应
在室温条件下，吡咯、呋喃和噻吩能与氯或溴发生激烈反应，得到多卤代物。将反应 物用溶剂稀释并在低温下进行反应时，可以得到一氯代物或一溴代物。碘化反应需要 在催化剂存在下进行。例如：
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6
（2）硝化反应
在低温条件下，吡咯、呋喃和噻吩能与比较缓和的硝化剂硝酸乙酰酯（CH3COONO2） 发生硝化反应，主要生成α-硝基化合物。例如：
3. 颜色反应
生物碱能与一些试剂发生颜色反应，比如钒酸铵的浓硫酸溶液、浓硝酸、浓硫酸、 甲醛、氨水等，利用此性质可鉴别生物碱。比如莨菪碱遇1％钒酸铵的浓硫酸溶液显 红色，可待因遇甲醛-浓硫酸试剂显紫红色等。
二、重要的生物碱 1. 烟碱 又叫尼古丁，主要以苹果酸盐及柠檬酸盐的形式存在于烟草中。其结构式
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血红素是卟啉环与Fe2+形成的配合物；叶绿素是卟啉环与Mg2+形成的配合物，它们的 结构式如下：
血红素在体内与蛋白质结合形成血红蛋白，存在于红细胞中，是人和其他哺乳动物 体内运输氧气的物质。叶绿素是植物进行光合作用不可缺少的物质。
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二、呋喃衍生物
呋喃甲醛是最常见的呋喃衍生物，又称为糠醛，它是一种无色液体，沸点为161.7℃， 在空气中易氧化变黑，是一种良好的溶剂。 糠醛是合成药物的重要原料，通过硝化可制得一系列呋喃类抗菌药物，如治疗泌尿 系统感染的药物呋喃坦丁、治疗血吸虫病的药物呋喃丙胺等。
《有机化学》第九章
第九章
水溶液直接提取法不利于那些碱性较弱不能直接溶解于水的生
物碱提取，因此可采用偏酸性的水溶液，使生物碱与酸作用生成盐
进行生. 物碱提取。具有碱性的生物碱在植物体中多以盐的形式存在， 而弱碱性或中性生物碱则以不稳定的盐或游离碱的形式存在，故常
用0.5%～2%的乙酸、盐酸等为溶剂。
29 第二节 生物碱
二 、 生物碱的提取方法
（二）醇类溶剂提取法
游离生物碱及其盐一般都能溶于甲醇和乙醇，因此用它 们作为生物碱的提取溶剂，应用较为普遍。甲醇的极性比乙 醇的极性大，对生物碱的溶解性比乙醇好，甲醇的沸点也比 乙醇低，但对视神经的毒性很大，所以除实验室有时将甲醇 作为生物碱提取溶剂外，多数用乙醇作为溶剂，有时也用稀 乙醇（60%～80%）作溶剂。通常采用醇提—酸水—碱化— 亲脂性溶剂萃取的方法反复进行。
N
－
N
CH3
33 第二节 生物碱
三 、 重要的生物碱
（三） 麻黄碱
第九章
麻黄碱俗称麻黄素，分子中有两个手性碳（用*标记），麻黄碱的分子结构式如下：
糠醛是重要的化工原料，可用 于制造酚醛树脂、农药、医药（如 呋喃妥因、呋喃唑酮）等。
O2N－ O
O －CH＝N－N－C ＝ O
CH2－CH2
－ －
－
呋喃唑酮（痢特灵）
19 第一节 杂环化合物的分类和命名
四、 重要的杂环化合物及其衍生物
（二） 吡咯衍生物——叶绿素、血红素和维生素B12
第九章
20 第一节 杂环化合物的分类和命名
1
第九章 杂环化合物、生物碱
【知识目标】 理解杂环化合物的分子结构、分类。 掌握五元单杂环、六元单杂环化合物的化学性质。 掌握杂环化合物的分类和命名方法。 了解几种重要的生物碱（麻黄素、烟碱、小檗碱、鸦片制剂）。 【技能目标】 掌握常见杂环化合物、生物碱的鉴别方法。
有机化学中的杂环化合物
有机化学中的杂环化合物有机化学是研究含有碳元素的化合物的科学，而杂环化合物则是其中的一个重要分支。
杂环化合物指含有不同种类的原子构成的环状分子结构，较为复杂且具有广泛的应用领域。
本文将介绍杂环化合物的特点、合成方法以及其在药物研发、材料科学等领域的应用。
一、杂环化合物的特点杂环化合物相对于纯碳环化合物而言，在结构上更加多样化复杂。
其分子结构中含有不同种类的原子，例如氧、氮、硫等，这些原子的加入使得杂环化合物具有更多的化学性质和应用价值。
与其它类型的有机化合物相比，杂环化合物不仅具有较高的化学活性，还表现出更多的生物活性，因此在医药领域中具有重要的地位。
二、杂环化合物的合成方法1. 环加成反应：环加成反应是最常用的合成杂环化合物的方法之一。
该反应通过在分子中引入一个或多个非常活泼的碳原子，进而使其与分子内的其它部分发生反应，从而形成杂环结构。
环加成反应的应用十分广泛，不仅可以用于合成天然产物和药物分子，也可以用于构建新型材料等领域。
2. 脱水缩合反应：脱水缩合反应是另一种常用的杂环化合物合成方法。
在这类反应中，两个或多个分子通过脱水缩合形成新的分子，并在过程中形成杂环结构。
这种方法的优点是原料易得且反应条件温和，适用于大规模合成。
3. 氧化反应：氧化反应是一种引入氧原子的方法，常用于合成含有杂环结构的化合物。
具体来说，通过选择合适的氧化剂，可以将杂环化合物中的氢原子氧化为羟基或羰基等含氧官能团，从而形成具有新特性的分子结构。
三、杂环化合物在药物研发中的应用由于其特殊的结构和多样的化学性质，杂环化合物在药物研发中具有广阔的应用前景。
大量的已上市药物以及正在研发的新药都含有杂环结构。
杂环化合物在这一领域的应用主要表现在两个方面：1. 抗肿瘤药物：许多抗肿瘤药物都是杂环化合物，其通过与癌细胞中的特定酶或DNA结合，从而抑制癌细胞的生长和分裂。
其中，典型的例子包括含有异喹啉、吡嗪等杂环结构的药物。
这些药物的研发和应用使得抗癌治疗取得了重大突破。
有机化学名词解释
有机化学名词解释一、化合物类名无机酸酯：醇与含氧无机酸反应失去一分子水后的生成物称为无机酸酯。
双烯烃：碳碳双键数目最少的多烯烃是二烯烃或称双烯烃。
可分为三类：两个双与同一碳原子结合的二烯烃称为累积二烯烃，其两个双键被两个或多个单键分开的二烯烃称为孤立二烯烃，其两个双键被一个单键分开的二烯烃称为共轭二烯烃。
内酯：分子中羧基和羟基脱水形成的产物称为内酯。
内酰胺：分子内的羧基和胺（氨）基失水的产物称为内酰胺。
季铵盐：季铵盐在强碱（KOH、NaOH）作用下的产物称为季铵盐。
生物碱：从植物体内提取的一类含氮有机化合物，具有强烈的生理作用。
绝大多数游离生物碱为固体，不溶于水，易溶于乙醇等有机溶剂。
大多数天然生物碱是左旋的手性化合物。
半缩醛或半缩酮：醇具有亲核性，在酸性催化剂如对甲苯磺酸、氯化氢的作用下，很容易和醛酮发生亲核加成，一分子醛或酮和一分子醇加成的生成物称为半缩醛或半缩酮。
有机化合物：除一氧化碳、二氧化碳、碳酸盐等少数简单含碳化合物以外的含碳化合物。
多肽：一个氨基酸的羧基与另一分子氨基酸的氨基通过失水反应，形成一个酰氨键，新生成的化合物称为肽，肽分子中的酰氨键叫做肽键。
二分子氨基酸失水形成的肽叫二肽，多个氨基酸失水形成的肽叫多肽。
杂环化合物：在有机化学中，将非碳原子统称为杂原子，最常见的杂原子是氮原子、硫原子和氧原子。
环上含有杂原子的有机物称为杂环化合物。
分为两类，具有脂肪族性质特征的称为脂杂环化合物，具有芳香特性的称为芳杂环化合物。
因为前者常常与脂肪族化合物合在一起学习，所以平时说的杂环化合物实际指的是芳杂环化合物。
杂环化合物是数目最庞大的一类有机物。
多环烷烃：含有两个或多个环的环烷烃称为多环烷烃。
共轭烯烃：单键和双键交替的体系称为共轭体系，含有共轭体系的聚烯烃称为共轭烯烃。
纤维二糖：是由两分子葡萄糖通过1,4两位上的羟基失水而来的，纤维二糖是b-糖苷。
纤维素：由多个纤维二糖聚合而成的大分子。
多稀烃：含有多于一个碳碳双键的烯烃称为多稀烃。
有机化学 第十一章 杂环化合物和生物碱
第十一章杂环化合物和生物碱杂环化合物和生物碱广泛存在于自然界中，在动植物体内起着重要的生理作用。
本章介绍杂环化合物的分类、命名、结构特点、性质及重要的杂环化合物，生物碱的一般性质、提取方法和重要的生物碱。
第一节杂环化合物环状有机化合物中，构成环的原子除碳原子外还含有其它原子，且这种环具有芳香结构，则这种环状化合物叫做杂环化合物。
组成杂环的原子，除碳以外的都叫做杂原子。
常见的杂原子有氧、硫、氮等。
前面学习过的环醚、内酯、内酐和内酰胺等都含有杂原子，但它们容易开环，性质上又与开链化合物相似，所以不把它们放在杂环化合物中讨论。
杂环化合物种类繁多，在自然界中分布很广。
具有生物活性的天然杂环化合物对生物体的生长、发育、遗传和衰亡过程都起着关键性的作用。
例如：在动、植物体内起着重要生理作用的血红素、叶绿素、核酸的碱基、中草药的有效成分——生物碱等都是含氮杂环化合物。
一部分维生素、抗菌素、植物色素、许多人工合成的药物及合成染料也含有杂环。
杂环化合物的应用范围极其广泛，涉及医药、农药、染料、生物膜材料、超导材料、分子器件、贮能材料等，尤其在生物界，杂环化合物几乎随处可见。
一、杂环化合物的分类和命名为了研究方便，根据杂环母体中所含环的数目，将杂环化合物分为单杂环和稠杂环两大类。
最常见的单杂环有五元环和六元环。
稠杂环有芳环并杂环和杂环并杂环两种。
另外，可根据单杂环中杂原子的数目不同分为含一个杂原子的单杂环、含两个杂原子的单杂环等。
杂环化合物的命名在我国有两种方法：一种是译音命名法；另一种是系统命名法。
译音法是根据IUPAC 推荐的通用名，按外文名称的译音来命名，并用带“口”旁的同音汉字来表示环状化合物。
例如：呋喃 咪唑 吡啶 嘌呤furan imidazole pyridine purine杂环上有取代基时，以杂环为母体，将环编号以注明取代基的位次，编号一般从杂原子开始。
含有两个或两个以上相同杂原子的单杂环编号时，把连有氢原子的杂原子编为1，并使其余杂原子的位次尽可能小；如果环上有多个不同杂原子时，按氧、硫、氮的顺序编号。
有机化学(B)
有机化学(B)目录•绪论•烃类化合物•烃的衍生物•含氮化合物•杂环化合物和生物碱•有机合成基础PART01绪论碳氢化合物研究碳氢化合物（烃）的结构、性质、合成和反应机理。
官能团化合物研究含有特定官能团（如羟基、羰基、羧基等）的有机化合物的性质、合成和转化。
生命体系中的有机物研究生物体内的有机物质，如蛋白质、核酸、多糖等生物大分子的结构和功能。
03合成方法的发展发展出多种有机合成方法，如碳链增长、官能团转化等，实现复杂有机分子的合成。
01早期有机化学从天然产物中提取和分离有机化合物，研究其物理和化学性质。
02结构理论的建立通过元素分析、光谱分析等手段，揭示有机化合物的分子结构和化学键性质。
材料科学医药科学农业科学环境科学有机化学与生产生活的关系合成高分子材料、功能材料等，应用于包装、建筑、电子等领域。
研发新型农药、化肥等，提高农作物产量和品质。
研发新药、合成药物中间体等，为医疗事业提供有力支持。
研究有机污染物的来源、迁移转化和治理方法，保护生态环境。
PART02烃类化合物烷烃的通式CnH2n+2，其中n为碳原子数。
烷烃的命名根据碳链长度和取代基的不同，采用不同的命名方式，如直链烷烃、支链烷烃等。
烷烃的性质具有较高的熔点和沸点，随着碳原子数的增加，熔沸点逐渐升高；不溶于水，易溶于有机溶剂；化学性质相对稳定，主要发生取代反应。
烯烃的通式01CnH2n，其中n为碳原子数。
烯烃的命名02根据碳链长度和双键位置的不同，采用不同的命名方式，如单烯烃、多烯烃等。
烯烃的性质03具有较低的熔点和沸点，随着碳原子数的增加，熔沸点逐渐升高；不溶于水，易溶于有机溶剂；化学性质较为活泼，主要发生加成反应、氧化反应等。
炔烃的通式CnH2n-2，其中n为碳原子数。
炔烃的命名根据碳链长度和三键位置的不同，采用不同的命名方式，如单炔烃、多炔烃等。
炔烃的性质具有较低的熔点和沸点，随着碳原子数的增加，熔沸点逐渐升高；不溶于水，易溶于有机溶剂；化学性质较为活泼，主要发生加成反应、氧化反应等。
有机化学含氮有机化合物、 杂环化合物和生物碱练习题
有机化学含氮有机化合物、杂环化合物和生物碱练习题一、单选题1、下列化合物中的碱性最大的是（）A、二甲胺B、甲胺C、氨D、苯胺正确答案：A2、下列化合物不能和苯磺酰氯发生反应生成白色沉淀的是()A、三乙胺B、叔丁胺C、苄胺D、二乙胺正确答案：A3、能与亚硝酸作用生成难溶于水的黄色油状物的化合物是（）A、甲胺B、N-甲基苯胺C、苯胺D、三乙胺正确答案：B解析：仲胺会发生这样的反应4、与亚硝酸作用能放出N2的化合物是（）。
A、伯胺B、仲胺C、叔胺D、以上都不能正确答案：A5、下列化合物可以和重氮盐酸盐在低温条件下发生反应生成偶氮化合物的是（）A、苯酚B、苯甲酸C、甲苯D、氯苯正确答案：A6、芳香族重氮盐酸盐在下列条件下不会放出氮气的是（）A、水溶液，加热B、Cu2Cl2/HCl，加热C、Cu2CN2/KCN，加热D、苯胺（中性或弱酸性），低温正确答案：D7、下列化合物中的碱性顺序从大到小的排列正确的是（）a 、乙酰胺b 、邻苯二甲酰亚胺c 、尿素d 、氢氧化四甲铵A、a>b>c>dB、d>c>b>aC、c>d>a>bD、d>c>a>b正确答案：D8、下列化合物能发生缩二脲反应的是（）A、尿素B、乙酰胺C、CH 3CH(NH 2)COOHD、H 2NCONHCONH 2正确答案：D9、下列碱性最大的是A、吡咯B、吡啶C、氢氧化四甲铵D、苯胺正确答案：C10、下列亲电取代活性最小的是A、吡啶B、吡咯C、苯D、苯胺正确答案：A二、填空题组成杂环化合物环状结构的原子除碳原子外，常见的有_______、_______和______。
这些非碳原子被称为_______。
根据环的大小杂环化合物可分为_______杂环和_______杂环；根据稠合的环数目杂环化合物可分为_______杂环_______杂环。
正确答案：第1空:氧第2空:硫第3空:氮第4空:杂原子第5空:五元第6空:六元第7空:单第8空:稠。
153有机化学教案@安徽医高专_第三十一次课教案(杂环)
（一）吡咯、呋喃和噻吩的结构
含一个杂原子的五元杂环中最重要的吡咯．呋喃．噻吩都是芳香杂环，它们的结构．性质和合成方法有许多共同点。
（二）吡咯、呋喃和噻吩的性质（富л电子体系）
1.环的稳定性
[板书]与苯比较，将环的稳定性顺序排列如下：
苯＞噻吩＞吡咯＞呋喃
吡咯、呋喃对氧化剂不稳定
吡咯、呋喃和噻吩对碱稳定
在这里，氮原子的作用类似于硝基苯中的硝基，即碳上电子云密度比苯低（间位处则近似）。所以这类芳杂环，又被称为“缺π”芳杂环。表现在性质上，亲电取代变难、氧化变难、还原变易。
由于氮原子的电负性较大，使吡啶成为较强的永久偶极分子，极性较强。其偶极矩数值较大。
吡啶的碱性比苯胺（pKa=4.70）强，比氨（pKa=9.24）、脂肪胺（pKa一般在9-11之间）、哌啶（pKa=11.2）的碱性弱。
（三）吡啶及其衍生物
1、烟酸和烟酰胺
2、维生素B6
3、维生素B1
四、复习小结新课7’
按板书顺序进行小结并复习。
五、指导预习3’
下节课学习稠环芳香烃、非苯芳烃
六、布置作业3’
课后习题
参考
资料
1．有机化学（第二版）胡宏纹主编高等教育出版社
2．基础有机化学邢其毅等编高等教育出版社
3．有机化学陈光旭主编北京师范大学出版社
鉴别：吲哚使浸有盐酸的松木片显红色。（松木片反应）
引导学生学习5-羟色胺（人脑组织中存在）
（二）嘌呤及其衍生物
教师重点讲述：尿酸（核蛋白的代谢产物）的分子互变异构现象，引出痛风的病例
五、重要的杂环化合物及其衍生物
（一）呋喃及其衍生物
鉴别：呋喃使浸有盐酸的松木片显绿色。（松木片反应）
杂环化合物和生物碱
结构特点与性质
结构特点
生物碱通常具有复杂的环 状结构，其中最常见的是 苯环和杂环。
物理性质
生物碱多为固体，具有旋 光性，部分生物碱具有荧 光性质。
化学性质
生物碱具有碱性，可与酸 成盐，也可与金属离子络 合。
提取方法与分离技术
提取方法
生物碱的提取通常采用溶剂萃取法、离 子交换法、沉淀法等。
VS
分离技术
合成方法与途径的创新研究
探索新的合成方法
研究新的合成方法，提高杂环化合物和生物 碱的合成效率和纯度。
寻找更环保的合成途径
采用更环保的合成途径，减少对环境的影响 。
开发高通量合成技术
利用高通量合成技术，快速筛选和优化杂环 化合物和生物碱的合成方法。
药物作用机制与靶点研究进展
01
深入了解药物作用 机制
02
例如，一些杂环化合物的合成方法可以借鉴生物碱的合成方法，反之 亦然。
03
在合成过程中，可以利用一些共同的反应步骤和中间体，使得合成过 程更加高效和经济。
04
同时，对于一些难以合成的杂环化合物或生物碱，可以借鉴对方的合 成方法来寻找新的合成策略。
04
杂环化合物在药物研发中 的应用
抗肿瘤药物
嘧啶类抗肿瘤药物
蒿甲醚
蒿甲醚是青蒿素的衍生物，具有更强的抗疟疾活性，对多种疟原虫有较好的治疗效果。
镇痛药物
可待因
可待因是一种具有镇痛作用的生物碱，可以 有效缓解轻至中度的疼痛。
吗啡
吗啡是一种具有强镇痛作用的生物碱，可以 有效缓解重至极度的疼痛。但长期使用会产
生依赖性和成瘾性，需谨慎使用。
06
杂环化合物与生物碱的未 来发展前景
杂环化合物和生物碱
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。
杂环化合物及生物碱
结合天然来源的化合物和人工合成的化合物，发现更多具有生物活性的化合物。
抗癌药物
某些生物碱具有抗肿瘤活性， 被用于开发抗癌药物。
抗微生物药物
杂环化合物和生物碱被用于 开发具有抗菌、抗病毒等微 生物活性的药物。
神经系统药物
某些生物碱对神经系统具有 影响，被用于开发治疗神经 系统疾病的药物。
合成与设计策略
合成和设计杂环化合物和生物碱的策略包括：
1 结构活性关系研究
通过研究分子结构和生物 活性之间的关系，指导化 合物的合成和设计。
杂环化合物及生物碱
在这个演示文稿中，我们将探索杂环化合物及生物碱。了解其定义、分类、 合成方法，以及在生物活性研究和药物开发中的应用。同时，探讨杂环化合 物和生物碱的合成与设计策略以及未来的发展趋势。
定义
杂环化合物是由杂原子（非碳原子）组成的环状化合物。生物碱是一类存在于生物体内的含氮天然有机化合物， 具有生物活性。
• 植物生物碱 • 动物生物碱 • 微生物生物碱 • 合成生物碱
合成方法
杂环化合物和生物碱的合成方法具有多样性，包括：
1 环化反应
通过环内反应构建杂环结构，例如环加成反应、环合成反应。
2 杂原子取代反应
通过引入杂原子或取代某些原子来改变分子结构。
3 天然来源提取
从植物、动物或微生物中提取天然的生物碱。
生物活性研究
对杂环化合物和生物碱的生物活性进行研究，可以揭示其药理学特性和潜在的应用。
1
体外活性筛选
通过体外实验评估化合物对特定靶点的活性，筛选出潜在的药物候选物。
2
体内研究
在动物模型中测试化合物的药理学活性和毒理学特性。
3
杂环化合物和生物碱-有机化学
溶解1份吡咯、呋喃及噻吩，分别需要17、 35、700份的水。 当五元杂环上连有羟基时，溶解度增大。
如： O
H3C O OH
S
S
OH
(1:35)
(1:20)
(1:700)
(1:16)
3. 杂环化合物的化学性质 (1)、亲电取代反 应
N H O S
HNO3
I2 NaOH
吡咯、呋喃、噻吩 α位取代
I
第四节 稠杂环化合物
稠杂环化合物是指苯环与杂环稠合或杂环与杂环稠合在一起的化 合物。常见的有喹啉、吲哚和嘌呤。
泳衣品牌
3 2 d ★ c
N
a b
N
1
N
★ b 2 a 3
N1
S
N
吡啶并[2,3-d]嘧啶
咪唑并[2,1-b] 噻唑
第二节
五元杂环化合物
五元杂环化合物包括含有1个杂原子的五元杂 环和含2个杂原子的五元杂环。 一、含1个杂原子的五元杂环化合物 1.结构
4 5 1N 3 2
4 5 3 2 4 5 3 2
OH
2．亲电取代反应
Cl2, AlCl 3 100 ℃ Br2, 浮石催化 300 ℃ 气相
Cl
3 氯吡啶
N
Br
3 溴吡啶
N
NO2
N
浓 H2SO4 HgSO4 催化， ℃ 220 混酸 300 ℃
3 硝基吡啶
N
SO3H
吡啶 3 磺酸
N
3．氧化还原反应
（1）氧化反应
COOH N β 吡啶甲酸（烟酸） HNO 3 N COOH N α 吡啶甲酸
由于吡啶环的N上在环外有一孤对电子，故吡啶环上的电荷分布不均。
天然药物化学生物碱
概述
一、生物碱旳定义 指天然产旳一类含氮旳有机化合物； 多数具有碱性且能和酸结合生成盐； 大部分为杂环化合物且氮原子在杂环内； 多数有较强旳生理活性。
下列虽然含氮，但不属于生物碱： 低分子胺类：甲胺、乙胺； 氨基酸、氨基糖、肽类、蛋白质、 核酸、核苷酸、卟啉类、维生素；
二
生 物 生物界 碱 在 生 物 界 的 分 布
半萜吲哚类
H CONH
N Me
CH2OH Me
N H
麦角新碱 ergonovine ergometrine
单萜吲哚类
MeO
N HH
N H
H H3OOC
O CO OMe
利血平
OMe OMe
OMe
第二节 生物碱旳理化性质
（一）性状
1．形态：多数生物碱呈结晶形固体，有些为非晶形粉
末状；少数生物碱为液体状态，此类生物碱分子中多无 氧原子，或氧原子结合为酯键，个别生物碱具有挥发性， 如麻黄碱；极少数生物碱具有升华性，如咖啡因。
裸子植物中，仅红豆杉属、松属、云杉属、油杉属、 麻黄属、三尖杉属等植物中含生物碱 （很少）
单子叶植物中，主要分布在百合科、石蒜科、百部科 （较少）
双子叶植物中，主要分布在防己科、毛莨科、茄科、
动物界：极少
CH3 CH2 CH2 N
CH3
N
三、生物碱旳存在形式
1.游离碱：碱性极弱，以游离旳形式存在。 2.盐 类：与其成盐旳有机酸有：柠檬酸、
来源于鸟氨酸：吡咯 吡咯里西丁 托品类 N H 2C H 2C H 2C H 2C H （ N H 2） C O O H
来源于赖氨酸：哌啶类 吲哚里西丁 喹诺里西丁 N H 2C H 2C H 2C H 2C H 2CH （ N H 2） C O O H 来源于邻氨基苯甲酸：喹啉类 吖啶酮类
第十三章 杂环化合物及生物碱
4 5 3 2
4
3 2
N
O1
CH2OH
O 2N
5
C HO
O
1
4-吡啶甲酸
2-呋喃甲醇
5-硝基-2-呋喃甲醛
二、杂环化合物的结构
1.五元杂环
O
呋喃
N H
吡咯
S
●●
噻吩
O
呋喃、噻吩、吡咯π电子数（6）符合休克尔规则 （4n+2），因此具有芳香性。
在呋喃、噻吩、吡咯分子中，是由5个原子， 6个π电子组成的共轭体系，使环上碳原子的电子 云密度增加，所以称为富电子芳杂环。
+
S
H2SO4
25 ℃
S
SO3H
+
H2O
噻吩比苯容易磺化，因此可在室温下用浓硫酸洗 去苯中含的少量噻吩。
+
N
H2SO4
HgSO 4 ＞200℃
SO3H N
+
H2O
吡啶在硫酸汞催化和加热的条件下才能发生磺化 反应。
（4）傅氏酰基化反应
+ (CH3CO)2O
O BF3 O COCH3
+
CH3COOH
+
N
NaNH2 N
NH2+Fra bibliotekNaOH
2. 加成反应
+
O
2
H2
Ni O
+
S
2
H2
MoS2 S
+
N
2
H2
Pd N
H H 呋喃、吡咯均可进行催化加氢反应，噻吩中的硫能 使催化剂中毒，需使用特殊催化剂加氢。
吡啶比苯易还原，用金属钠和乙醇可使其还原。
用学有机课件 第十一章 杂环化合物
有机化学
第一节 杂环化合物
❖碳原子和其它非碳原子组成的环状有机化合 物称为杂环化合物。
O
N
❖非碳原子叫做杂原子，常见的有氮、氧、硫。
有机化学
❖环醚、内酯、交酯、环状酸酐、内酰胺等与相应 的开链化合物性质相似，又容易开环，所以不属于 杂环化合物。 ❖已知的天然产物中，杂环化合物超过半数，分布 极广。如：叶绿素、血红素、核酸和许多药物，均 含有杂环结构。 ❖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，即芳杂环化合物。
（一）酸碱性
吡咯具有一定的弱酸性
N +KOH
N
H
K+
吡啶具有弱碱性（pKb=8.8）
+H2O
+ HCl
N
N Cl
H
碱性：吡咯＜苯胺＜吡啶＜氨＜脂肪有胺机化学
（二）亲电取代反应
❖ 吡咯：比苯容易发生亲电取代反应。 ❖ 位的电子云密度比β位大，亲电取代优先发生位
+ I2 + NaOH
N H
I
I
+ NaI + H2O
INI H
有机化学
❖ 吡啶：比苯难发生亲电取代反应。
❖在强烈条件下才能进行，取代基主要进入β 位。
+ HNO3 H2SO4
N
300℃
NO 2
N
+ HNO3
H2SO4 50-60℃
NO 2
❖亲电取代活性顺序：吡咯>苯>吡啶
有机化学
（三）氧化和还原反应
❖ 氧化：吡啶不易被氧化，但侧链易被氧化
CH3
KMnO4
N H
NH2
杂环化合物和生物碱
（2）噻唑 （ thiazole ） 分子式：C3H3NS
噻唑含有一个硫和一个氮杂原子的五元杂 环化合物,分子式C3H3NS。唑字由外文字 尾azole译音而来，意为含氮的五元杂环, 除吡咯外都称为某唑。硫和氮占1,3两位 的称为噻唑；硫和氮占1,2两位的,称为异 噻唑。噻唑和异噻唑在自然界不存在 。噻唑为淡黄色具有腐败臭味的液体，沸点 116.8℃，相对 密度1.998(17/4℃)。噻唑与吡啶类似,具有弱碱性；可与苦味 酸和盐酸等形成盐，与许多金属氯化物（如氯化金等）形成 络合物，并具有一定的熔点。噻唑的环系具有一定的稳定性， 也表现出一定的芳香性。它与吡啶在化学性质上相似，例 如,2位上的氢具有活性；也可以与氨基钠作用,生成2-氨基噻 唑;其氨基也可重氮化（见重氮化反应）。噻唑一般不能还原 为二氢和四氢化合物。
吡咯可用1，4 -二羰基化合物与氨反应制取，工业上 吡咯由丁炔二醇与氨通过催化作用制备。吡咯与苯 并联的化合物称为吲哚，是一个重要的化合物。有 些吡咯的衍生物具有重要的生理作用， 例如，叶绿 素、血红素都是由4个吡咯环形成的卟啉环系的衍生 物。四氢吡咯是一个重要的试剂，它与酮反应失水 形成烯胺，即氨基旁有一个碳 -碳双键。例如环己酮 与四氢吡咯形成的烯胺在有机合成中有多种用途。 一般而言，用吡咯为原料进行实验之前，要重新蒸 馏后再使用，因为吡咯长时间暴露在空气中易聚合 生成聚吡咯（黑色固体）。 3. 酸碱性 酸性比较：乙酸>苯酚> 吡咯 >环己醇
2、呋喃和噻吩
（1）呋喃
呋喃，是最简单的含氧五 节杂环化合物。无色液体。 有特殊的气味。有麻醉和弱 刺激作用，极度易燃。吸入 后可引起头痛、头晕、恶心、 呼吸衰竭。呋喃环具芳环性 质，可发生卤化、硝化、磺 化等亲电取代反应，主要用 于有机合成或用作溶剂。P
杂环化合物和生物碱
化学合成
根据需要，可以通过有机合成手 段人工合成杂环化合物和生物碱， 以满足药物研发的需求。
杂环化合物和生物碱的生物活性和作 用机制
1 生物活性
杂环化合物和生物碱的生物活性包括抗菌、抗肿瘤、抗炎等多种作用。
2 作用机制
它们通过与生物体内的靶标结合，干扰生理过程或改变信号传导途径来实现其作用。
杂环化合物和生物碱的合理设计原则
2
分类
生物碱根据骨架结构和生物来源可分为多个类别，如喹啉生物碱和阿片类生物碱等。
3
应用
生物碱在药物和医学研究中具有广泛的应用，如抗癌药物和神经传递物质等。
杂环化合物和生物碱在药物研发中的应用
药物研发
杂环化合物和生物碱作为药物研 发的重要组成部分，可以用于发 现新型药物和治疗疾病。
天然产物研究
杂环化合物和生物碱从天然产物 中提取，有助于发现潜在的药理 活性和生物活性化合物。
挑战
药物的研发过程面临着多种挑战，如合成难度、抗药性的产生等。
杂环化合物的合成方法
氮杂环化合物
氮杂环化合物可通过N原子上的 亲电或亲核取代反应、环加成 反应等方法合成。
氧杂环化合物
氧杂环化合物可通过醚键的形 成和断裂、环加成反应等方法 合成。
硫杂环化合物
硫杂环化合物可通过S原子上的 亲电或亲核取代反应、环加成 反应等方法合成。
生物碱的来源和分类
1
来源
生物碱可以从植物、动物和微生物中提取，也可通过有机合成得到。
1 结构活性关系
合理设计杂环化合物和生物碱的结构，以最大程度地提高其活性和选择性。
2 毒性评估
在设计过程中需要考虑毒性评估，以确保化合物在应用中的安全性。
3 可供性和可合成性
杂环化合物——精选推荐
第十六章杂环化合物和生物碱学习要点：掌握各类常见杂环化合物如呋喃、噻吩、吡咯、吡啶等的结构、命名和化学性质，了解常见生物碱的分类及提取方法。
环状有机化合物中，构成环的原子除了碳原子外还有诸如氮、氧、硫等其它原子，该类结构的化合物一般具有芳香性，这类有机化合物都属于杂环化合物。
组成杂环的原子除碳原子以外都叫杂原子。
杂环上可以具有一个、两个或者多个杂原子。
杂环氢化后可以形成饱和的或者部分饱和的环。
习惯上把这种氢化后的环看作杂环的衍生物。
如：四氢呋喃可以看作呋喃的衍生物。
所以含有这些环的化合物，不论饱和的、不饱和的或者芳香结构的都可以称为杂环化合物。
O O四氢呋喃呋喃tetrahydrofuran furan至于某些含有杂原子的环状化合物如：环状酸酐、内酯、环氧乙烷等，因它们的性质同酐、酯、醚，所以习惯上不看作杂环化合物。
第一节杂环化合物的分类和命名杂环类化合物可以按照芳香性分为非芳香性杂环和芳香性杂环两大类。
非芳香性杂环化合物具有环内杂原子所具有的典型性质，例如：四氢噻吩是典型的硫醚，六氢吡啶是典型的胺类化合物。
S N H四氢噻吩六氢吡啶tetrahydrothiophene piperidine杂环类化合物按照环来分类可以分为单杂环和稠杂环两大类。
常见的单杂环为五元杂环和六元杂环。
稠杂环是由苯环与单杂环或由两个以上的单杂环稠合而成的。
杂环的命名常用音译法。
按照外文名词音译，用带“口”字旁的同音汉字表示。
例如：O 呋喃N 吡啶SNH噻吩thiophene吡咯pyrroleNNN嘧啶pyrimidine喹啉quinolineN H吲哚indolefuranpyridine如杂环上有取代基时，取代基的位次从杂原子算起依次用1，2，3，4，5等（或α,β,δ等）编号。
如杂环上不止一种杂原子时，则从O ，S ，N 顺序依次编号。
编号时杂原子的位次数字之和应最小。
例如：N H N2-羧基咪唑COOH12345N H N 123453-苯基吡唑表16-1常见杂环化合物的分类和名称对于没有特定名称的杂环，可以看作是相应碳环中碳原子被杂原子取代的衍生物来命名。
《有机化学(第二版)》第12章：杂环化合物与生物碱
OH Br2 / CCl4 HO HO
Br N
OH Br
NH2
20℃
NH2
OH
N
室室
+
N
Br HO
N
19:46
③亲核取代反应
发生在α位 发生在 位
19:46
④氧化与还原反应
氧化难、 氧化难、还原易
19:46
（哌啶）
19:46
4、重要的衍生物 、 ①维生素pp 维生素
维生素pp促进组织新陈代谢，降低血中胆固醇。 维生素 促进组织新陈代谢，降低血中胆固醇。体内缺 促进组织新陈代谢 乏维生素pp时 乏维生素 时，可引起糙皮病
19:46
②异烟肼（雷米封） 异烟肼（雷米封）
治疗结核病的良好药物
19:46
③维生素B6 维生素
维生素B 维生素 6是蛋白质代谢过程中的必需物质
N
H O
H
19:46
3、化学性质 、 ①碱性
19:46
碱性大小：脂肪族胺＞ 碱性大小：脂肪族胺＞氨＞吡啶＞苯胺 吡啶＞
(CH3)3N > NH3
> N
> N
NH2
19:46
②亲电取代反应
发生在β位 发生在 位
19:46
若吡啶环上有第一类定位基时， 若吡啶环上有第一类定位基时 ， 能使吡啶环 活化， 能使亲电取代反应较容易进行， 并且取代 活化 ， 能使亲电取代反应较容易进行 ， 位置由第一类定位基决定。 位置由第一类定位基决定。
19:46
N H
吲哚
N H
咔唑
19:46
Br2
0℃ N H
Br
+
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N
COOH
（4）
N H
例 3 简要回答下列问题。 （1）为什么吡咯具有酸性而吡啶具有碱性？吡啶和六氢毗啶的碱性哪一个强？为什 么？ （2）为什么嘧啶分子中含有两个氮原子，却为一元碱，且其碱性比吡啶弱得多？ （3）吡啶卤代反应一般不使用 FeX3 等路易斯酸做催化利？原因何在？ （4）为什么吡咯比苯容易进行亲电取代反应？ 解： （1）吡咯分子中 N 上的一对 p 电子是环上六个π电子的一部分，不能自由支配，因 此该对电子难以与 H 结合，因此其碱性非常弱，反而表现出一定的酸性，这是由于吡咯失
1.3.1 杂环化合物的命名 杂环化合物的命名常用英文名称的译音，用带“口”字旁的同音汉字表示。 杂环上有取代基时，以杂环为母体，将环编号以注明取代基的位次，编号一般从杂原子 开始。含有两个或两个以上相同杂原子的单杂环编号时，把连有氢原子的杂原子编为 1，并 使其余杂原子的位次尽可能小；如果环上有多个不同杂原子时，按氧、硫、氮的顺序编号。 当只有 1 个杂原子时，也可用希腊字母编号，靠近杂原子的第一个位置是α–位，其次为β– 位、γ–位等。 当环上连有不同取代基时， 编号根据次序规则及最低系列原则。 结构复杂的杂环化合物 是将杂环当做取代基来命名。 稠杂环的编号一般和稠环芳烃相同，但有少数稠杂环有特殊的编号顺序，如嘌呤。 1.3.2 杂环化合物的结构与芳香性 1.五元单杂环的结构和性质 五元杂环（如呋喃、吡咯、噻吩）上五个原子位于同一平面，碳原子和杂原子均为 sp2
1.4
典型例题
例 1 命名下列化合物。 （1）
O H3C S COC6H5
Cl
（2）
N H
Cl
（3）
SO3H
（4） Br
H3C
N C2H5
COOH
COOH N H
（5）
N H COOCH3
（6）Leabharlann （7）N（8）
Cl
N
CH3
解： （1）2–苯甲酰基呋喃 （3）4–甲基–2–噻吩磺酸 （5）四氢化喹啉 （7）4–吡啶甲酸甲酯 例 2 完成下列反应。 （1） （3）
第一部分
单元复习
杂化，彼此以σ键相连；同时四个碳原子各有一个电子在 p 轨道上，杂原子有两个电子在 p 轨道上，从而组成了含有 6 个电子的大π键，形成闭合的共轭体系，且符合休克尔规则，具 有芳香性。 环上电子云密度比苯环高， 亲电取代反应活性比苯容易 （吡咯＞呋喃＞噻吩＞苯） ， 一般都发生在杂原子的邻位（α位） 。吡咯的反应活性与苯胺相近。但芳香性比苯差，五元杂 环比苯容易发生氧化反应和加氢反应。 2.六元单杂环的结构和性质 以吡啶为例，吡啶分子中的每一个原子均为 sp2 杂化，六个原子在同一平面。每个原子 未参与杂化的 p 轨道上均有一个电子，从而组成大π键，形成闭合的共轭体系，且符合休克 尔规则，有芳香性。与吡咯不同，吡啶氮上的一对未共用电子对处于 sp2 杂化轨道上，没有参 与共轭，使得吡啶具有一定的碱性，其碱性与其他含氮化合物相比，次序为：脂肪胺>氨>吡 啶>苯胺>吡咯。氮的电负性较大，具有吸电子的诱导效应，而使环上的电子云密度降低，因 此，吡啶发生亲电取代反应比苯难，吡啶的反应活性与硝基苯相近。发生反应的部位通常是 氮的间位（β位） ，形成β–取代物。与苯相比吡啶更难被氧化，但较容易催化加氢。
1.2
重点和难点
重点：杂环的结构、命名和化学性质。 难点：常见杂环衍生物和稠杂环的结构和命名。
1.3
知识点内容提要
杂环化合物是指含有一个或多个杂原子 （非碳原子） 的环状化合物。 常见的杂原子有 O、
S、N 等。本章主要讨论具有一定芳香性的芳杂环化合物。杂环化合物按环的数目可分为单 杂环和稠杂环两大类。 单杂环又分为五元杂环和六元杂环。 稠杂环通常由苯与单杂环或单杂 环与单杂环稠合而成。 杂环化合物还可根据碳原子的电荷密度不同分为多电子杂环和缺电子 杂环。
N H
KMnO4 / H2O
CH3I
（2）2, 4–二氯吡咯 （4）1–乙基–5–溴–2–吡咯甲酸 （6）5–甲基–3–吲哚甲酸 （8）2–甲基–7–氯喹啉
O
N
（2） （4）
S
+
O O
Sn / HCl
AlCl3
N
N
第一部分
单元复习
解： （1）
N+ ICH3
N H
（2）
O S C
COOH
COOH
（3）
第一部分
单元复习
一
杂环化合物和生物碱
1.1
学习要求和目标
1.掌握几种重要杂环化合物（吡咯、呋喃、噻吩、吡啶、嘧啶、吲哚、嘌呤）的分类和
命名；掌握五元单杂环、六元单杂环化合物的化学性质。 2.理解杂环化合物的结构与芳香性；理解吡咯、吡啶的结构与性质的关系；熟悉嘧啶、 嘌呤的互变异构现象。 3.了解嘧啶、喹啉、嘌呤及吲哚；了解几种重要生物碱（麻黄素、烟碱、阿托品、咖啡 碱和茶碱） 。
＋
去 H＋以后形成的吡咯负离子比较稳定。而吡啶和吡咯不同，吡啶是拿出一个 p 电子和环上 其他 5 个碳原子上的 5 个 p 电子组成 6 个电子的大π键，因而吡啶有一对未共用 p 电子可以 和 H 结合，因此吡啶具有碱性，在六氢吡啶中，N 上的未共用电子对是 sp3 杂化的，比呲啶
＋
的 sp2 杂化电子更易提供未共用电子对，所以碱性比吡啶强。 （2）嘧啶环上有两个氮原子，一个氮原子质子化后，第二氮原子对质子化的氮正离子 的吸电子诱导效应与共轭效应使质子化的氮正离子不稳定， 质子易于离去， 所以碱性较吡啶 低。 当一个氮原子质子化后， 它的吸电性大力增强， 使另一个氮原子的电子云密度大为降低， 以致不能再接受质子，因此嘧啶为一元碱。 （3）因为吡啶分子中的氮原子上有一对未共用电子对，能与缺电子分子 FeX3 等路易斯 催化剂反应，使催化剂失去活性，同时使氮原子带上正电荷，使环上的亲电取代更难进行。 （4）因为在吡咯分子中，五个原子共有六个π电子，环上的电子云密度比苯的高，故它 的亲电取代反应比苯容易进行。 例 4 如何除去吡啶中混有少量六氢吡啶。 解：六氢吡啶的碱性强于吡啶，向混合物中加入乙醚和盐酸，振荡，六氢吡啶成盐溶于 盐酸而与乙醚分层，回收醚层，蒸去乙醚即可。 例 5 写出下列化合物一硝化产物的结构。 （1）3–硝基吡咯 （3）5–甲基–2–甲氧基噻吩 （2）3–甲氧基噻吩 （4）2–乙酰基噻吩