第十三章杂环化合物及生物碱
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第十三章 杂环化合物和生物碱ppt课件
OH N HO N CH 3
5-甲基-2,4-二羟基嘧啶 （胸腺嘧啶）
NH 2 N N
6-氨基嘌呤 （腺嘌呤）
OH
N N H
HO
N N N H
N OH
2,6,8-三羟基嘌呤 （尿酸）
N OH
8-羟基喹啉
(2)以杂环为取代基
O
CHO
O 2N
O
CHO
2-呋喃甲醛
5-硝基-2-呋喃甲醛
CH2COOH N
七、嘧啶衍生物
尿嘧啶互变异构
H N O H
O
O HN
N
O
N H
酰胺式
亚胺醇式
NH 2 N HO N
HO N N H O CH 3
NH 2 N O N H
O N H O N H CH 3
胞嘧啶 互变异构
胸腺嘧啶互变异构
八、嘌呤衍生物
腺嘌呤
NH 2 N N N H
O N N H
13
N
HO N H N N 2 N N H
但由于环上存在电负性较大的杂原子，所 以与苯不同，共轭体系中各原子电子密度不是 平均分布，键长也不是完全相等，只是趋向于 平均化，芳香性比苯小。热力学稳定性也小于 苯，其共轭能（kJ/mol)数据如下： 苯 噻吩 吡咯 呋喃 150.6 117.5 90.4 66.9 从共轭能的大小可以看出，三种五元杂环化合 物的稳定性次序为： 苯 > 噻吩 > 吡咯 > 呋喃
O
呋喃 (furan)
S
噻吩 (thiophene)
N H
N N H
1
3
N
咪唑 (imidazole)
3
S
1
《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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13
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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14
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。
杂环化合物和生物碱
N
CH CH2
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。
呋喃和糠醛 呋喃为无色液体，难溶于水而易溶于有机溶剂， b.p为32℃。 呋喃甲醛又称糠醛，是呋喃的重要衍生物。 糠醛的化学性质与苯甲醛类似，可发生Cannizzaro 反应、与含α-H的醛或酮的交错缩合反应等。
吡唑及其衍生物
4 5 N H1 3 N2
安乃近
吡唑
咪唑及其衍生物
4 5 N1 H
咪唑
第二节
五元杂环化合物
一、呋喃、吡咯、噻吩的分子结构
二、吡咯的性质
三、重要杂环衍生物
·
N
· ·
· ·
五 中 心 六 电 子 （ 富 电 子 环 ）
·
· ·
sp2杂化轨道
N—H
吡咯
· ·· N · ·
P 轨道
吡咯的分子结构
N原子杂化轨道
· ·
·
·
· ·
O 呋喃
· ·
O · ·
呋喃的分子结构
· · ·
1. 烟碱（尼古丁）
N
N CH3
从烟草中提取，有剧毒，少量有兴奋中枢神经，能 增高血压，大量则抑制中枢神经系统，使心脏麻痹以致 死亡。
2.麻黄素
* * -CH—CH-NH-CH3 OH CH3 麻黄素亦称麻黄碱，有兴奋交感神经、收缩血管、 抗张支气管的作用，用于治疗支气管哮喘症。
杂环化合物及生物碱
3 天然来源和合成的结合
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
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。
第十三章杂环化合物及生物碱
4
CH3
N3
N2 1
H
4 –甲基咪唑
(3)如果环上有多个不同杂原子时,按氧、硫、氮得 顺序编号
H3C 4 N3
H3C 5
2
S1
4,5–二甲基噻唑
(4 ) 当只有1个杂原子时,也可用希腊字母编号,靠
近杂原子得第一个位置就是α-位,其次为β-位、γ-
位等。
β
O α CH3
CH3
γ β
α
N
α-甲基呋喃 γ-甲基吡啶
+ NaNH2
N
+ NaOH
N
NH2
2、 加成反应
+ 2 H2 Ni
O
O
+ 2 H2 MoS2
S
S
+
2 H2 Pd
N
H
N
H
呋喃、吡咯均可进行催化加氢反应,噻吩中得硫能使
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。
Na+ C2H5OH
N
N H
+ 2 H2 Pt
N
N
H
呋喃、噻吩、吡咯分子中各原子间得键长并 不完全相等,因此芳香性比苯差。
电负性强弱顺序就是:氧>氮>硫, 芳香性强弱顺序就是:苯＞噻吩＞吡咯＞呋喃。
2、 六元杂环
吡啶
N..
N●● sp2杂化
吡啶π电子数(6)符合休克尔规则,具有芳香性。
吡啶分子中,氮原子得电负性比碳大,使吡啶环上 碳原子得电子云密度相对降低,所以此类杂环称为缺 电子芳杂环。
第十三章杂环化合物及生物碱
(3)单杂环根据杂原子得数目不同又分为含一个 杂原子、含两个杂原子得单杂环等
杂环化合物和生物碱
非核苷类抗病毒药物
如利巴韦林、奥司他韦等，通过干扰 病毒的复制过程和宿主细胞的信号转 导发挥抗病毒作用。
抗炎药物
要点一
非甾体抗炎药
如阿司匹林、布洛芬等，通过抑制前列腺素的合成和释放 发挥抗炎作用。
要点二
甾体抗炎药
如泼尼松、地塞米松等，通过抑制炎症反应的多个环节发 挥抗炎作用。
05
生物碱在药物研发中的应 用
通过深入研究杂环化合物和生物 碱的作用机制，为新药研发提供 理论支持。
02
发现新的靶点
03
拓展药物应用范围
通过研究杂环化合物和生物碱与 生物大分子的相互作用，发现新 的药物靶点。
通过研究杂环化合物和生物碱的 作用机制，拓展其在新药研发中 的应用范围。
THANKS
感谢观看
分类
根据环的大小，杂环化合物可以分为 小环、中环和大环。
结构特点与性质
01
02
03
结构特点
杂环化合物的结构特点是 具有环状结构，且环上通 常含有杂原子。
物理性质
杂环化合物的物理性质包 括熔点、沸点、密度和溶 解度等。
化学性质
杂环化合物的化学性质包 括稳定性、酸碱性、氧化 还原性等。
合成方法与途径
新药研发方向与策略探讨
针对未满足的临床需求
针对癌症、神经退行性疾病、代谢性疾病等重大疾病，寻找具有新 作用机制的杂环化合物和生物碱。
结合其他药物的作用机制
将杂环化合物和生物碱与其他药物结合，开发具有多重作用机制的 新药，提高治疗效果。
开发多靶点药物
针对多个疾病靶点，开发具有多靶点作用的药物，降低副作用和耐 药性。
生物碱的分离常采用色谱法、结晶法、蒸 馏法等。其中，色谱法是最常用的分离方 法之一，如薄层色谱、高效液相色谱等。
如利巴韦林、奥司他韦等，通过干扰 病毒的复制过程和宿主细胞的信号转 导发挥抗病毒作用。
抗炎药物
要点一
非甾体抗炎药
如阿司匹林、布洛芬等，通过抑制前列腺素的合成和释放 发挥抗炎作用。
要点二
甾体抗炎药
如泼尼松、地塞米松等，通过抑制炎症反应的多个环节发 挥抗炎作用。
05
生物碱在药物研发中的应 用
通过深入研究杂环化合物和生物 碱的作用机制，为新药研发提供 理论支持。
02
发现新的靶点
03
拓展药物应用范围
通过研究杂环化合物和生物碱与 生物大分子的相互作用，发现新 的药物靶点。
通过研究杂环化合物和生物碱的 作用机制，拓展其在新药研发中 的应用范围。
THANKS
感谢观看
分类
根据环的大小，杂环化合物可以分为 小环、中环和大环。
结构特点与性质
01
02
03
结构特点
杂环化合物的结构特点是 具有环状结构，且环上通 常含有杂原子。
物理性质
杂环化合物的物理性质包 括熔点、沸点、密度和溶 解度等。
化学性质
杂环化合物的化学性质包 括稳定性、酸碱性、氧化 还原性等。
合成方法与途径
新药研发方向与策略探讨
针对未满足的临床需求
针对癌症、神经退行性疾病、代谢性疾病等重大疾病，寻找具有新 作用机制的杂环化合物和生物碱。
结合其他药物的作用机制
将杂环化合物和生物碱与其他药物结合，开发具有多重作用机制的 新药，提高治疗效果。
开发多靶点药物
针对多个疾病靶点，开发具有多靶点作用的药物，降低副作用和耐 药性。
生物碱的分离常采用色谱法、结晶法、蒸 馏法等。其中，色谱法是最常用的分离方 法之一，如薄层色谱、高效液相色谱等。
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
杂环化合物与生物碱课件共35页文档
第二节 生物碱
四、生物碱的一般性质 （一）碱性 （二）沉淀反应 （三）显色反应
•0.01(1%) 钒酸铵的浓硫酸溶液，遇阿托品显 红色，吗啡显棕色，可待因显蓝色等。 •钼酸铵的浓硫酸溶液,浓硫酸加入少量甲醛的 溶液，浓硫酸等都能使各种生物碱呈现不同的 颜色。
•环上π电子的离域形成共轭体系，产生键的 平均化，具有芳香性。 •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电子云密度较苯环大。 •α-位上的电子云密度较大。
第一节 杂环化合物
二、杂环化合物的结构
•六元杂环的结构以吡啶为例说明。吡啶组 成环的氮原子和5个碳原子都是sp2杂化，并 以σ键相互结合成平面六元环。每个原子上 各有一个电子在未参与杂化的p轨道上，p轨 道与环平面垂直，以“肩并肩”的方式重叠 形成6个π电子的闭合共轭体系，因而具有芳 香性，其结构与苯相似。
（五）嘌呤及其衍生物
O
CH3 N
N CH3 咖啡因
ON N CH3
咖啡因为黄嘌呤类生物碱
第二节 生物碱
一、概述
生物碱（alkaloid）是指存在于生物体 内，有明显生理活性的含氮碱性有机化 合物。
第二节 生物碱
二、生物碱的分类和命名
（一）分类 常见的分类方法是根据生物碱的化学结构
进行分类。如: 麻黄碱属于有机胺类;苦参碱属吡啶衍生物
杂环化合物环上原子的编号，一般从杂原 子开始。
当杂环上连有 －R，－X，―OH，－NH2 等取代基时，以杂环为母体 。
第一节 杂环化合物
一、杂环化合物的分类和命名
（二）命名
如果连有 －CHO，－COOH，－SO3H 等 时，把杂环作为取代基。
环上有两个或两个以上相同的杂原子时， 应从连有氢的杂原子开始编号。
杂环化合物
沉淀剂是复盐、杂多酸和某些有机酸，例如，碘碘化钾、碘化汞钾、碘化铋钾、磷钼酸、硅钨酸、 、 苦味酸和鞣酸等。不同生物碱能与不同的沉淀试剂作用 呈不同颜色的沉淀。 (3) 显色反应 一些氧化剂或脱水剂，例如，高锰酸钾、重铬酸 钾、浓硝酸、浓硫酸、钒酸铵或甲醛的浓硫酸溶液等。 它们能与不同的生物碱反应呈现不同的颜色。 显色剂在色谱分析上常作为生物碱的鉴定试剂。
三、重要的生物碱
1.烟碱
又名尼古丁，剧毒，属吡啶衍生物类生物碱。为 无色或微黄色液体，在烟草中以柠檬酸盐或苹果酸盐 的形式存在。烟碱也是有效的农业杀虫剂。
2．麻黄碱
3．咖啡碱和茶碱
咖啡碱
茶碱
4．吗啡和可待因
吗啡
可待因
5.小檗碱
6.莨菪碱
7．利血平
环醚、内酯、内酐和内酰胺等，不属杂环化合物。
第一节
杂环化合物的分类和命名
一、杂环化合物的分类
五元杂环 单杂环
根据环的形式分类
杂 环
六元杂环。 芳环并杂环 杂环并杂环。 含一个杂原子杂环
稠杂环
根据环中杂原子的数目分类
含两个杂原子杂环
二、杂环化合物的命名
1.译音法 根据杂环化合物的英文名称，选择带“口”字偏 旁的同音汉字来命名。
Pd
S
+ 2H2
0.2~0.4MPa
S 四氢噻吩
N H
Ni + 2H2 200℃
N H 四氢吡咯
第四节 六元杂环化合物
一、吡啶的结构Biblioteka ..N原子为sp2杂化
. .
. .
. .
吡啶π 电子数符合休克尔规则，具有芳香性。吡 啶的芳香性比苯弱。
吡啶
二、吡啶的性质 1.碱性
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
杂环化合物和生物碱
杂环化合物和生物碱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，-NH2等取代基时，以杂环为母体，标明取代基位次；如果连有-CHO，-COOH，-SO3H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。
烃的含氮衍生物—杂环化合物和生物碱(医用化学课件)
1．当环上只有一个杂原子时，从杂原子开始编，依 次用1、2、3……；或从靠近杂原子的碳原子开始， 标以希腊字母α、β、γ……
NO2
N CH3
H
2-甲基吡咯 （α-甲基吡咯）
N 4-硝基吡啶 （γ-硝基吡啶）
O SO3H
2-呋喃磺酸 （α-呋喃磺酸）
•杂环编号的规则：
2.当环上有相同杂原子时，应从连有氢或取代基的杂原子开 始编号，并尽可能使杂原子的编号最小；
利用沉淀反应可鉴定或分离生物碱。
显色反应
大多数生物碱能和一些试剂反应呈现不同的颜色。 如甲醛-浓硫酸溶液遇吗啡显紫红色，可待因显蓝色等。 各种生物碱因其结构不同而显示不同的颜色，因此利用 该反应可鉴别生物碱。
三、常见的生物碱
烟碱
颠茄碱
吗啡碱
麻黄碱
小檗碱
烟碱
N N
CH3
烟碱
存在于烟草中，微黄色液体，在空气中逐渐 变为棕色，溶于乙醇、乙醚、氯仿中，也可 与水任意比相溶。 烟碱有毒，少量能兴奋神经，大量能抑制中 枢神经系统；可用作农业杀虫剂。 长期吸烟者会引起肺气肿、心血管疾病等。
C.肾上腺素
D.吡啶
2.关于生物碱叙述不正确的是（ ）
A.存在于生物体内
B. 有明显的生物活性
C.分子中都含有氮杂环
D. 生物碱一般能与酸作用成盐
3.下列有关生物碱的叙述，正确的是（ ）
A.含有氮原子
B.显酸性
C.自然界的所有含氮成分 D. 易溶于水
答案：
1.D 2.C 3.A
杂环化合物
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物质核酸的重要组成部分。
五、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。
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五元杂环的硝化，一般用比较温和的非质子硝化剂 -乙酰基硝酸酯，并在低温下进行，硝基主要进入 α-位。
+ HNO3 浓H2SO4
N
300℃
NO2 + H2O
N
吡啶的硝化反应需在浓酸和高温下才能进行，硝基 主要进β-位。
（3）磺化反应
+
O
N +S O -3 室 C 2 H 4 C l2 温三 O 天 S O 3 H+
C OO H
N
4-吡啶甲酸
4
3
5 O 2 CH2OH
1
2-呋喃甲醇
4
O 2N
5
3
C HO O2
1
5-硝基-2-呋喃甲醛
二、杂环化合物的结构
1.五元杂环
O
N
S
H
●●
呋喃
吡咯
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。
O
+
O O
O
25℃
O
O
O
O
3. 氧化反应
N
KMnO4 N
COOH
△
CH2CH3 N
HNO3 △
COOH N
2
S1
4,5–二甲基噻唑
(4 ) 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。
CH3
β
γ
β
O αCH3
α
N
α-甲基呋喃 γ-甲基吡啶
(5) 当环上连有-COOH、-SO3H、-CHO 、CH2OH 等基团时，将这些基团作母体，将杂环当作取代基
来命名。环编号仍从杂原子开始，并使作母体的基 团的位次尽可能的低。
一、杂环化合物的分类和命名 1. 分类
(1) 根据所含的环的数目分为单杂环和稠杂环
单杂环
N
稠杂环
N
N
H
(2) 单杂环根据环上原子数分为五元和六元杂环
（3）单杂环根据杂原子的数目不同又分为含 一个杂原子、含两个杂原子的单杂环等
N
N
S
H
（4） 稠杂环又分为芳环并杂环和杂环并杂环
N
N
H
芳环并杂环
N
N
NN
N
+
N
N+
SO3-
C2H4Cl2
10℃ 0
N SO3H +
N
H
H
吡咯,呋喃对酸很敏感，强酸能使它们开环聚合，常用温和的非质子 磺化试剂：吡啶与SO3的加成物。
S
+ H2S4O 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。
+
H2S4O
HgSO4 ＞ 20℃ 0
2 H2 Pd
N
H
N
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。
Na+C2H5OH
N
N H
+ 2 H2 Pt
N
N
H
喹啉催化加氢，氢加在杂环上，说明杂环比苯
环易被还原。
呋喃的芳香性最弱，显示出共轭双烯的性质，与 顺丁烯二酸酐能发生双烯合成反应（狄尔斯-阿尔德 反应），产率较高。
Br + HBr
300℃
N
N
β-溴代吡啶
吡啶溴代反应比苯难，不但需要催化剂，而 且要在较高温度下进行。
（2）硝化反应
O +C H 3 C O O N O 2-吡 5 ~ o C 啶 -O 30N O 2 +C H 3 C O O H
S
+ C3HCOO2(N－ CO3CH1O02O℃ ) S NO2 + C3HCOOH
SO3H + H2O
N
N
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
BF3
O
COCH3 + CH3COOH
O
+ (CH3CO)2O SnCl4
S
+ (CH3CO)2O 200 c
N H
。
COCH3 + CH3COOH
S
COCH3 + CH3COOH
N H
呋喃、噻吩、吡咯分子中各原子间的键长并 不完全相等，因此芳香性比苯差。
电负性强弱顺序是：氧>氮>硫， 芳香性强弱顺序是：苯＞噻吩＞吡咯＞呋喃。
2. 六元杂环
吡啶
N..
N ●● sp2杂化
吡啶π电子数（6）符合休克尔规则，具有芳香性。
吡啶分子中，氮原子的电负性比碳大，使吡啶 环上碳原子的电子云密度相对降低，所以此类杂环 称为缺电子芳杂环。
H
杂环并杂环
2. 命名
译音命名法: 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。
O
S
N
H
呋喃
噻吩 吡咯
(furan) (thiophene) (pyrrole)
4 N3 4 N3
5
2
N1
H
咪唑
5
2
S1
噻唑
(imidazole) (thiazole)
O 吡喃 (pyran)
N
4
3
H3C5 O 2CH3 1
OH
O
2,5-二甲基呋喃
2-羟基呋喃
（2） 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号为1，并使其余 杂原子的位次尽可能小 。
4
CH3
N3
N2 1
H
4 –甲基咪唑
（3）如果环上有多个不同杂原子时，按氧、硫、 氮的顺序编号
H3C 4 N3
H3C 5
吡啶的芳香性不如苯。
三、杂环化合物的化学性质
1. 亲电取代反应
富电子芳杂环, 亲电取代反应比苯容易, 主要发生在α-位上； 缺电子芳杂环，亲电取代反应比苯难, 主要发生在β-位上。
（1）卤代反应
O
+ B2 r
1，4-二氧六环
室温
Br + HBr
O
+B r2H A c S
+H B r S B r
+ Br2 浓H2SO4
吡啶一般不进行傅氏酰基化反应。
吡啶是缺电子芳杂环，不易发生亲电取代反应。
在一定条件下有利于亲核试剂（如NH2-、OH-、R-） 的进攻而发生亲核取代反应，取代基主要进入电子 云密度较低的α-位。
+ NaNH2
N
+ NaOH
N NH2
2. 加成反应
+ 2 H2 Ni
O
O
+ 2 H2 MoS2
S
S
+
H
吲哚 (indole)
4
5
N3
N 吡啶 (pyridine)
6
2
N1
嘧啶
(pyrimidine)
6 1N 5
N7
N
2
N4 3
N H9 8
喹啉 (quinoline)
嘌呤 (purine)
杂环上有取代基时命名原则
（1）杂环上有-R、-X、-NO2、-OH、-NH2等取代 基时，以杂环为母体。环编号从杂原子开始。