烟碱(尼古丁)

N
b . N-H键易断：弱酸性。
H
如
+ KOH(固)
N
H
NK- + 吡咯钾
+ H2O
比较碱性： pka
<
N
N
H
H
0.4 11.3
≈ CH3 CH3 H2C CH2
N H
(二乙胺)
11.0
4 衍生物 • 呋喃衍生物------糠醛（α-呋喃甲醛）
鉴别： O
CHO + Ph-NH2 醋酸
性质：具醛的性质。如：
维生素 B12
CH2OH
H
OH
HH
-O O P
OH N
CH3
OO
N
CH3
CHCH3
CO-NH2
CH2 HN
O=C (CH2)2
H3C C
CH2 CH2
CH3 CH3
CO-NH2
CH2
H
N CH CH2
H
CH3 N
+
Co
N
H2C H
C=O H2N
N CH3
C
H
CH3
H3C H2C C=O
CH2 CH2 C≡N
早在1926年应发现动物的肝可以医治恶性贫血，生物化学家
便开始对肝中的有效成分进行研究，但由于肝中含量太少，且在 提纯过程中又易分解，所以长时间没有什么进展。直至1948年才 分离得到了纯的暗红色的维生素B12 结晶，自此关于其结构又成 为有机化学的研究对象之一。
1954年用X射线衍射法才确定上述维生素B12 的结构式。 1972年，经过近百名科学工作者的努力才完成其全合成。 维生素B12 的发现、提取至全合成，是医学、生物化学、无机 化学、有机化学、生理学乃至物理学多学科共同配合，共同努力 的结果。
H2N
CONH2
CH3 H
CH2 CO-NH2
血红素
血红素是高等动物体内输送氧气的物质，它在红血球 中与蛋白质结合成血红蛋白。
以盐酸水解血红蛋白，即得氯化血红素。 血红素的结构是经过了近四十年的研究才确定的，1929 年汉斯-费歇尔完成全合成。
H3C H3C
氯化血红素
CH2
CH3
N
+ Fe
N Cl-
NN
CH2 CH3
COOH
COOH
• 噻吩衍生物
浓硫酸
+ 靛红 S
蓝色 （鉴别噻吩）
O
O 靛红 N H
5 呋喃、噻吩、吡咯的制法 • 呋喃衍生物------糠醛（α-呋喃甲醛）
鉴别： O
CHO + Ph-NH2 醋酸
性质：具醛的性质。如：
深红色
CHO CH3CHO O
CH=CH-CHO 羟醛缩合 O
HCl N
盐酸吡啶
叔胺
N + RX
+
NR
X-
（2） 亲电取代：吡啶环看作苯环，N看作NO2。
反应活性
＞
N
O
S
H
＞ N
芳香性
NO H
HNO3,H2SO4 KNO3,300℃
发烟H2SO4,HgSO4
N
230℃
Br2,300℃
S<
< N
NO2 21% N
SO3H 71% N
Br 33% N
（3） 亲核取代：将N看作NO2。
10
第二节 五元杂环
一 五元单环：
O
S
N
H
1 结构特点：多π芳香体系，π56 。
H
H
H sp2
H
O H
O
H H
SH
H H S
H N-H
H N-H
2 物理性质 A.水溶性：孤对电子参与共轭，难形成氢键，不溶于水。
B.沸点：
O
31 ℃
S
84 ℃
N H
131 ℃ （可形成氢键）
一 五元单环
第二节 五元杂环
7 噻唑
4
N3
5 S2
1
无色，有臭味的液体，b.p. 117℃，可与水互溶，有弱碱性。
维生素B1
N
NH3+ClCH2
+NCl-
H3C N
S
CH3 CH2CH2OH
青霉素钠
O CH2C-NH
H S CH3
N O
CH3 COONa
第三节 六元杂环
一 吡啶 N
1 结构 ：缺π芳香环
H
H
H
N
H
H
特点： a N上的孤对电子“外露”
b N上p轨道以1e参与大π键； c 共轭电子云流向N原子，N 相当于NO2。
比较
N H NH ：供电子
N N ：吸电子，~NO2
2 溶解性：是与水、油均能混溶的良好溶剂。 烃基R：易溶于有机溶剂
3 化学性质
N 孤对电子：与水成氢键，易溶于水。
（1）N原子的性质
碱性 含孤对电子：弱碱
+ HCl N
N SO3H H
3.2 加成反应
氢化 O
+
2H2
Pd 150℃
N
+ 2H2
Ni
200℃
H
Diels-Alder 反应
1 2
O+
3 4
O O 30℃
O
四氢呋喃(THF) O
四氢吡咯
N
内式endo90％
H
OH
H
O
O OO
O
O O
+
O
O
O
外式exo10％
HO H
3.3 吡咯的酸碱性
a . N上有孤对电子：弱碱性；
烯醇化
HO-HC H CH N CH2 H
• 吡咯：存在于煤焦油和骨焦油中，无色有特殊气味的液 体，b.p.130-131℃，有弱的苯胺气味，其蒸气遇盐酸浸 湿的松木片呈红色，可用于检验。
• 水溶性：孤对电子参与共轭，难形成氢键，不溶于水。 • 沸点：
O
31 ℃
S
84 ℃
N H
131 ℃ （可形成氢键）
3 化学性质
3.1 亲电取代反应 反应活性：吡咯 > 呋喃 > 噻吩 ＞ ＞ 苯
CH2CHCOOH
N
NH2
H
5-羟基色胺 哺乳动物及人脑思维活动的重要物质
HO
CH2CH2NH2
大青素B 清热解毒
N H
O
OC OHOOH
N
吲哚醇 H
OH
CH2OH 己木质糖
三 唑类：含有两个杂原子，其中一个是N原子 的 五元杂环。
N
N H 咪唑
N S 噻唑
NN H 吡唑
N
O
ON
口恶 唑 异 口恶 唑
叶绿素
叶绿素是含于植物的叶和茎中的绿色素，它与蛋白质 结合存在于叶绿体中，是植物进行光合作用所必需的催化 剂，通过叶绿素吸收了太阳能才能进行光合作用。
叶绿素是叶绿素a和叶绿素b的混合物（a:b=3:1），叶 绿素a是蓝色结晶，m.p.150-153℃，其乙醇溶液为蓝绿色， 并有深红色荧光。叶绿素b是深绿色粉末， m.p.120-130℃， 其乙醇溶液为黄色或蓝绿色，并有红色荧光。二者都有旋 光性。
H
H
H
5 芳香性：N 吸电子，环稳定性增强，环难氧化。
H3C
NN H
KMnO4 OH -
HOOC
NN H
6 咪唑的结构与功能
接受质子 N
NδHδ+ 给出质子 特点：既可给出质子，又可接受质子，与水相似，在生 物体内可以传递质子。其pKa值接近生理pH值（7.35）。
如：组氨酸
N
N H
CH2CHCOOH NH2
NO2
5
+
N
8N
NO2
亲核取代
NH
+-
KNH2,二 甲 苯 ， 100℃
N 2 NH2
喹啉合成法（Skraup法）
NH2
+
HO-CH2-CH-CH2-OH
浓H2SO4 硝基苯，加热
OH
N
反应过程：
CH2OH CHOH
CH2OH
浓H2SO4
CH2 CH
+ H2O
CHO 丙烯醛
CHO
+ HC
NH2
CH2
深红色
CHO CH3CHO O
CH=CH-CHO 羟醛缩合 O
CHO 浓NaOH O
O CH2OH + O COOH
糠醇
糠酸
Cannizzaro反应
呋喃衍生物药物实例
O2N O CH=N O O
痢特灵 （呋喃唑 酮，抗菌药）
• 吡咯衍生物
NH N N HN 卟吩（旧称 口口口口） 含有卟吩环化合物实例： 叶绿素、血红素、维生素B12。
为中枢兴奋药，用于中枢性呼吸和循环衰竭，对吗 啡中毒所引起的呼吸抑制有良好的效果。
二 喹啉 ：存在于煤焦油中，无色油状液体，b.p.238℃。
5 6
7 8
4 3
N2
1
苯并吡啶
氧化
KMnO4水溶液，100℃
N
COOH N COOH
还原 亲电取代
Sn + HCl
N
N H
浓HNO3+浓H2SO4 0℃
N
CHO 浓NaOH O
O CH2OH + O COOH
糠醇
糠酸
Cannizzaro反应
二 吲哚
苯并五元稠 N H
1性 反应活性：
不活泼
3 活泼
2
N H
1
如：
3
2 + Br2 HN1
<
<
N
N
H
H
特点：1 反应多在吡咯环上；
2 产物以3-位为主。
3
2 Br + HN1
3Br
2
HN1
(主)
2 衍生物
色氨酸
1 概述 N
Z
A. =N 原子：吸电子。 B. N上有一孤电子对外露。
2 水溶性：N上含孤对电子，可形成氢键，增强水溶性。如：
N H 难溶
N
N H 易溶
HO H
3 碱性：N上含孤对电子，增强碱性。
如：
NN
H
pKa 2.5
N >
N
N
H
H
7.2
0.4
4 酸性
N 吸电子，N-H 键易断。如：
N
NN
N
> N
咪唑类药物举例
甲硝唑
O2N
CH2CH2OH
N CH3
N
化学名称：1-乙羟基-2-甲基-5-硝基-咪唑
类别：抗阿巴米药、抗滴虫药、抗厌氧菌药。
盐酸妥拉唑林
H N
CH2 N
·HCl
化学名称：4,5-二氢-2-苯甲基-1H-咪唑盐酸盐 类别：α-肾上腺素受体阻滞药。
N CH3
OO
N
毛果芸香碱 （存在于毛果芸香中，用于治疗青光眼。）
N N H
4,5-二氢咪唑 吡喃
O
吡咯
N H 43
5 N N 2 吡唑
H 1
N 嘧啶
N
噻吩
S
4 N3
5
2 噻唑
S
1
N
吡嗪
N
4 5 6
7
3
2 吲哚
HN1
喹啉
N
特例
6
1N
5 7N
8
2 O3N 4 HN 9
5
4
6
3
7 8
N2
1
嘌呤 异喹啉
4
3N 2N
1
5
N6 喋啶
N7
8
8Βιβλιοθήκη Baidu
91
7
2
6
3 吖啶 （ ~蒽）
5N4
(3) 异烟酰肼（雷米封） CONHNH2
N
异烟肼是白色针状结晶或粉末，m.p.167-173℃。无臭， 味微苦，是一种常见的抗结核药。
异烟肼可由γ-吡啶甲酸与水合肼作用制得：
COOH
CONHNH2
+ H2NNH2·H 2O
N
N
(4) 尼可刹米（可拉明） CON(C2H5)2
N
尼可刹米为澄明、无色或淡黄色的油状液体，有微 弱的特异香气，味微苦。
1940年汉斯-费歇尔提出其结构，1960年伍德沃德 （Woodward）等完成了叶绿素a的全合成。
CH2
R
H3C
H3C H H
NN
Mg NN
CH3 CH3
R=CH3：叶绿素A R=CHO：叶绿素B
O O
H
O
COOCH3
CH3CH3
CH3
CH3
CH3
叶绿素A和叶绿素B
维生素B12
发维生素B12 ，又名钴胺素，存在于动物肝脏中，为暗红色 针状结晶，是抗恶性贫血的药物。
δ+ δ-
N Br
+-
NaOH,H2O 回流
δ- Cl
δ+
N
δ+ δ-
H-NH2
NH3
100-200℃
N OH NH2
N
δ- Cl δ+ 对比：
+-
NO2 NaOH
100℃以上
H3O+
OH NO2
（4） 氧化与还原 氧化
CH3
KMnO4,OH-
N
COOH N
N KMnO4
HOOC
N γ-吡啶甲酸
氢化
(吡啶比苯难氧化。)
H2/Pt N
六氢吡啶(哌啶) N H
4 吡啶衍生物
(1) 维生素PP B族维生素之一，参与机体的氧化还原过程，能
促进组织新陈代谢，降低血中胆固醇，缺少时引起糙 皮病。
维生素PP包括β-吡啶甲酸（烟酸）和β-甲酰 胺（烟酰胺）两种物质。二者的生理作用相同，为白 色结晶，对酸、碱、热等都比较稳定，存在于肉类、 肝、肾、花生、米糠及酵母中。
五元环 如
单环
N H
六元环 如
杂环化合物
O
稠环 如 N
N
N
N H
三 命名与编号： 1 只有一个杂原子时：杂原子为1号； 2 多个杂原子时： 依O→S→NH→N顺序优先为1
3 使数字之和最小；
β4 3β
α5 O
1
呋喃
2α
4 N3
5N H 1
咪唑
2
吡啶
N
4 α、β… … 标定。
O
2,3,4,5-四氢呋喃
α>β 如
+ 4 I2
N H
+ H2SO4 室温
S
(用途：制备无噻吩苯)
I
I
N
H
S
I
四碘吡咯(伤口消毒剂)
I
α-噻吩磺酸
SO3H
(CH3CO)2O
O
O
SnCl2
O CCH3
(傅-克反应)
再如：
Br2,室温
S
醋酸
S
CH3COONO2
S (CH3CO)2O , -10℃
Br S
NO2
N H
N+ SO3- HCl
COOH N
CONH2 N
β-吡啶甲酸（烟酸） β-吡啶甲酰胺（烟酰胺）
m.p.236-237℃
m.p.128-131℃
(2) 维生素B6
维生素B6由下列三种物质组成：
HO CH3
CH2OH
CH2OH HO
N
CH3
CHO
CH2OH HO
N
CH3
CH2NH2 CH2OH
N
吡哆醇
吡哆醛
吡哆胺
维生素B6在自然界中分布很广，存在于蔬菜、鱼、肉、谷物、 蛋类等中，可参与生物体中的转氨作用，是维持蛋白质正常代谢 必要的维生素。
O
S
N H
1 结构特点：多π芳香体系，π56 。
H sp2
H
H O H
H H
H SH H H
H N-H H
O
S
N-H
2 物理性质 • 呋喃：存在于松木焦油中，无色液体，b.p.31.4℃，有 氯仿气味，遇盐酸浸湿的松木片呈绿色（松木片反应） 。
• 噻吩：与苯共存于煤焦油中，无色有特殊气味液体， b.p.84.2℃，与苯的沸点近，不易用蒸馏法分离 。噻吩与吲 哚醌在硫酸作用下发生蓝色反应，可用于检验苯中的噻吩。
烟碱（尼古丁） 无色液体，有剧毒，少量能兴奋神经，大量(50mg/次)会因心 脏麻痹而死亡。
N
N
CH3
咖啡因 存在于咖啡、茶叶中，兴奋中枢神经，有止痛、利尿的作用。
O
CH3
H3C N
N
ON N CH3
第十五章 杂环化合物
第一节 分类与命名
一 定义：含有杂原子（指O、N、S等）的碳环（尤指芳环）。
二 分类