杂环化合物和维生素
12杂环化合物-51页PPT精品文档
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
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。
杂环化合物的应用和发展
杂环化合物的应用和发展
杂环化合物是一类含有不同种类原子的环状有机化合物，具有丰
富的结构和性质，在生物化学、药物化学、有机化学和材料科学等领
域有着广泛的应用和发展。
在生物化学中，许多天然产物如维生素、生长激素等都是由杂环
化合物构成，这些化合物具有较高的生物活性和治疗作用，被广泛应
用于医药领域。
比如：头孢类抗生素、青霉素等就是利用杂环化合物
的结构来达到抗菌的效果。
此外，一些抗癌药物也是杂环化合物，如
紫杉醇、依托泊苷等。
在有机合成中，杂环化合物也具有重要的应用。
由于杂环化合物
结构复杂，往往需要采用多步反应来合成，具有较高的合成难度和挑
战性。
但同时，杂环化合物也具有多样的物理和化学性质，使其成为
合成新材料的重要原料。
例如，多种杂环聚合物在光、电、磁领域具
有潜在的应用前景。
此外，杂环化合物还广泛应用于环境保护领域。
许多有毒有害的
有机物质，如苯并芘、多环芳烃等，往往通过杂环化合物的环化、氧化、还原反应来降解和分解，达到净化环境的目的。
综上所述，杂环化合物的应用和发展不仅仅局限于其中的单一领域，其广泛且多样化的性质与应用为化学家和科学家们提供了无限的
探究和开发空间，提高了生活和生产的品质，使人们的生活更加美好。
杂环化合物的命名
杂环化合物（hetero cyclic compounds）属于环状有机化合物的一种，是指由碳原子和非碳原子共同参与组成环的环状化合物。
这种参与成环的非碳原子称为杂原子。
杂原子大都属于周期表中Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ三族的主族元素，最常见的是氮、氧、硫，其中以氮原子最为多见。
按照这个定义，在前面一些章节中曾讨论过的内酯、交酯、环状酸酐和内酰胺等，也应属于杂环化合物。
但这些化合物通常容易开环成原来的链状化合物，其性质又与相应的链状化合物相同，因此一般不把它们列入杂环化合物的范围。
有机化学中所要讨论的杂环化合物，一般都比较稳定，不容易开环，有些杂环化合物的性质与苯、萘等相似，具有不同程度的芳香性。
杂环化合物的种类繁多，数目庞大。
据统计，在已发现的几百万种有机化合物中，杂环化合物约占总数65％以上。
这说明杂环化合物在有机化学的各个研究领域中都占有相当重要的地位。
杂环化合物广泛地存在于自然界中，动植物体内所含的生物碱、苷类、色素等往往都含有杂环结构。
许多药物，包括天然药物和人工合成药物，例如头孢菌素（抗生素）、羟基树碱（抗肿瘤药）、小檗碱（抗菌药）等也都含有杂环。
与人类生命活动及各种代谢关系非常密切的物质──核酸，其碱基部分也含有杂环。
近几十年来，在杂环化合物的理论和应用方面的研究不断取得重大进展，许多天然杂环化合物，包括维生素B那样结构极其复杂的杂环分子，已经能够用人工方法进行全合成；同时，人类也合成了许多自然界不存在的杂环化合物。
这些化合物作为药物，作为超导材料，作为工程材料，也都具有很重要的意义。
杂环化合物的分类杂环化合物的种类繁多，其常见的分类方法按所依据的原则不同，可分为按分子所含环系的多少及其连接方式分类和按分子中所含π电子的状态和数量多少分类两种。
按分子所含环系的多少及其连接方式分类根据这种方法可将杂环化合物分为以下几类：按分子中所含π电子的状态和数量多少分类按照这种方法可将杂环化合物大致分为四类，即：（1）多π-（π-excessive）杂环。
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9章-医用化学-2杂环化合物
Br2 / CS2
Br
O
-50℃
Br
O
HBr
Br
O
Br
O
Br
LOGO
Diels-Alder reaction of furan
呋喃的共轭双烯性质和马来酐起双烯合成. 反应生成两种立体异构体。
O
O
O
O
O
O
O+
O
O
O
O
O
LOGO
Hydrolysis of furan under acidic conddition
CH 2OH
HO
CH2OH
CHO
CH 2NH 2
HO
CH2OH HO
CH2OH
H3C N
H3C N
H3C N
LOGO
尼古丁和异烟肼
尼古丁（烟碱）是一种生物碱，有剧毒。
少量对神经有兴奋作用，可以增高血压。
异烟肼（4-吡啶甲酰肼）又叫雷米封，具有
抗结核作用。
N
N
CH3
O NH NH2
N
LOGO
噻吩和丁炔二甲酸酯起双烯合成反应。 桥环化合物脱硫异构成邻苯二甲酸酯。
EtOOC C C COOEt S
COOEt S
COOEt
COOEt S
COOEt
COOEt
COOEt
LOGO
Hydrogenation of tiophene ,furan and pyrrole
噻吩类硫醚，催化加氢成丁烷和硫化氢。
CH3 N
吡咯钾盐与卤代烃反应可以生成N-烃基吡咯；
LOGO
The reaction of pyrrol salt
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
杂环化合物
噻吩
噻唑
N
N H
吡咯
N
N H
咪唑
N H
N
吡唑
六元杂环
N
吡啶
N
嘧啶
O
吡喃(无芳香性)
苯并杂环
N N
N H
N N H
吲哚
N
喹啉
N
异喹啉
杂环并杂环
嘌呤
记 忆 口 诀：
氮五吡咯六吡啶；
间氮咪唑和嘧啶； 吲哚喹啉左并苯； 嘧咪相稠是嘌呤。
指出下列杂环化合物中，各含有哪些 杂环母核？
NH N N N H CH2 N
属于富电子结构 结构决定性质，五元杂化富电子结 构会决定它们与苯环哪些性质上的 不同呢？
三.化学性质—3.亲电取代反应 重点
亲电取代活性与环上电子云密度有关—— 电子云密度越大，带正电的亲电试剂的进 攻越容易。 *1 亲电取代反应的活性顺序为：
N H
>
O
>
S
>
吸电子诱导：O(3.5) > N(3.0) > S(2.6) 给电子共轭：N > O > S 综合：N贡献电子最多，O其次，S最少
*2 杂原子和取代基的定位效应
A 杂原子的定位效应：邻位
取代反应主要发生在α-C 上
B 取代基的定位效应：以噻吩为例：
(1) α- 位上有取代基
X = o、 p - 定位基
3 5
Y = m - 定位基 (主) (次)
5 4
(次 ) X
(主 )
S
S
Y
(2) β- 位上有取代基
X = o、 p - 定位基 X (次)
黄连素（小檗碱）是喹啉类生物碱，存在于黄连、黄柏和三颗针等植物
杂环化合物与维生素
研究
挑战与未来
通过研究杂环化合物与维生素的 相互作用，“设计”出新型维生素， 可有望带来更多的健康和营养益 处。
进一步深入解析杂环化合物、维 生素及其相互作用的在细胞和分 子水平上的机制，将带来更多的 “健康大数据”。
杂环化合物与维生素有什么关系？
优点
• 许多杂环化合物都是维生素的组成部分，为 维生素的生物学活性和稳定性做出贡献。
• 杂环化合物也可以作为人体中的代谢产物存 在，帮助我们了解人体的生化过程。
挑战
• 过多或过少的杂环化合物会对人体造成损害。 • 研究人员仍在努力研究杂环化合物与维生素
之间的复杂相互作用。
2
核黄素
核黄素是一种吡啶类化合物，在维生素B2中仅占一小部分，但对维生素的生物活 性和稳定性具有重要作用。
3
核酸
核酸是一种带有多个吡咯环和嘌呤环的巨大分子，在细胞中具有极其重要的生物 学功能。
杂环化合物与维生素的应用与研究
应用
在维生素的制备和氧化应激、抗 衰老、治疗疾病等方面，杂环化 合物是重要的研究课题。
常见的杂环化合物类型
1
吡啶类化合物
来自于肉、黄豆、鸡蛋等食物中的核黄素是一种吡啶类化合物。2嘌呤类化合物
咖啡因和茶碱都属于嘌呤类化合物，它们具有刺激神经系统的作用。
3
苯并噻唑类化合物
维生素B1也称为硫胺素，是一种苯并噻唑类化合物，参与神经和心脏系统的生物 学过程。
常见的维生素类型
维生素A
它在维持视觉和皮肤健康、造血等方面都具有 重要作用。
杂环化合物可以作为药物、 化学品、有机合成中的重 要中间体等使用。
什么是维生素？
定义
维生素是一种有机物质，对人体 的正常生理、生化过程中具有特 定的功能和维持某些生命活动需 要起到辅助作用的物质。
六元杂环化合物及其衍生物
———作用
有皮肤潮红、瘙痒、胃肠道反应，轻度肝功能减退 及视觉障碍等。
———副作用
特殊功效
1、促进消化系统的健康，减轻胃肠障碍; 2、使皮肤更加健康； 3、预防和缓解严重的偏头痛； 4、减轻腹泻现象； 5、治疗口腔、嘴唇炎症，防止口臭；
硝苯吡啶（nifedipine）
又名硝苯定、硝苯地平、心痛定
扩张型心肌病
由于血管平 滑肌对该药的敏 感性较心肌强 3~10倍,故此,在 剂量不足影响心 肌收缩力时,已 有明显扩张外周 小动脉作用,降 低心脏后负荷,
病态窦房结综合征
窦房结
•扩张冠状动脉血流量 •提高心肌缺血耐受性 •降低外周阻力 •使心率反射性加快。
糖尿病高血压
•明显扩张血管, 改善胰岛的血 液供应，降低血压 •促进胰岛分泌胰岛素,并能抑 制某些与胰岛素“对抗”的激 素, 提高胰岛素水平
•影响肝脏葡萄糖的输出量, 使 血糖下降。
肾绞痛。
贲门失弛缓症。
肺心病急性期。
其他疾病
支气管哮喘。 瘀胆型肝炎。
急性腹痛。
慢性腹泻。
2.制备
-NO2 C6 H5 CHO+2CH3 COCH2 COOCH3 +NH3
Ⅰ Ⅱ Ⅲ
→
△
3.硝苯吡啶的临床应用
硝苯吡啶
Ca+
主要作用机理为阻滞钙离子通道 。而血管细胞对其尤为敏感。
Before 3 钙离子在人体中的作用
1.钙离子是凝血因子，参与凝血过程；
2.参与肌肉（包括骨骼肌、平滑肌）收缩过程； 3.参与神经递质合成与释放、激素合成与分泌； 4.是骨骼构成的重要物质。
目录
两种物质
维生素பைடு நூலகம்p 硝苯吡啶
常见杂环化合物
常见杂环化合物1. 大家好啊，今天咱们来聊聊身边那些神奇的杂环化合物。
小明昨天问我："老师，为啥叫杂环啊？"这问题问得好，因为它们的环上除了碳原子，还有其他"不速之客"呢！2. 要说最常见的，非吡啶莫属了。
它就像个调皮的小圆环，里面藏了个氮原子。
你们喝的维生素饮料里就有它的影子，可别小看这个小家伙！3. 小红听说呋喃也是个杂环化合物，笑着说："这不就是咱们平常闻到的香甜味道嘛！"没错，水果的香气里就藏着这个带氧原子的小环。
4. 说到噻吩，它可是个"硫"里有"福"的家伙。
小张打趣道："这不就是大蒜味的元凶吗？"可不是嘛，它带着硫原子，在香料界可是个"香饽饽"。
5. 吡咯更有意思了，它就像个小调皮鬼，到处都能见到它。
血红蛋白里就有它，要是没有它，咱们的血液就运不了氧气啦！6. 有的同学问："为啥这些化合物这么重要啊？"你想啊，咱们生活中的维生素、药物、染料，甚至是农药，都少不了它们的身影。
它们就像是化学世界里的"万能工具人"。
7. 吲哚这个小家伙更有意思，它就像是个天然的调香师。
茉莉花的香气里就有它，难怪那么多人喜欢闻茉莉花呢！8. 嘌呤和嘧啶可是咱们遗传物质中的重要成员。
老王说："这不就是生命密码的积木吗？"说得太对了，没有它们，生命就没法延续。
9. 吡嗪带来的是烤肉的香味，每次烧烤的时候，它就在那儿默默地散发香气。
小李说："难怪我闻到烤肉就走不动道！"10. 喹啉也是个厉害角色，它在抗疟疾药物里大显身手。
就像个小战士，专门对付那些讨厌的疾病。
11. 咪唑更是个多面手，它不光在药物里出现，还在咱们的组织蛋白里扮演重要角色。
小刘说得好："这简直就是化学界的变形金刚！"12. 这些杂环化合物就像是大自然给我们的礼物，它们看似简单，却在生命活动中发挥着不可替代的作用。
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COOH N
N
C2H5
N S
4-嘧啶甲酸
5-乙基噻唑
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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
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§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
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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
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(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。
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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.
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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??
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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
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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)
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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
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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
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(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
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
+
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（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
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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
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§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
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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
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证据 1HNMR: 环上H的NMR信号在低场 (6~8)