杂环化合物

杂环化合物

杂环化合物和生物碱

在环状有机化合物中，当构成环的原子除碳原子外还有其他非碳原子时，这种化合物

被称为杂环化合物。这些非碳原子被称为杂原子。常见的杂原子是氮、氧和硫。杂环化合

物在自然界中分布广泛，约占已知有机化合物的三分之一，用途广泛。许多重要物质，如

叶绿素、血红素、核酸以及一些在临床应用中具有显著疗效的天然和合成药物，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

然而，它们不包括在杂环化合物中，因为它们与相应的开链化合物具有相似的性质，

并且易于将环打开成开链化合物。本章主要讨论具有稳定环系和不同芳香度的杂环化合物。

1、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：

O丁二酸酐δ-戊内酯H2CH2CCOCH2CH2CH2OOCH2CONOFURAN sthiphono噻吩NN吡啶吡

喃NP嘧啶嘧啶nhindole NHIMIDAZLE nnsnnh

pyrrolo

吡咯

thiazole噻唑nnhpurine嘌呤吡啶

音译法根据国际通用名称进行翻译，使用方便。缺点是名称和结构之间没有联系。

（二）以相应的碳环母核命名

也就是说，相应碳环的名称前面是杂原子的名称。

n3nh吡咯（氮杂茂）o呋喃（氧杂茂）s噻吩n1h咪唑2n3s1噻唑2

（硫二苯）（1,3-二氮卓）（1-硫-3-氮杂苯）4631n3256n5n7

2824n9nnno1n137hh吡啶嘧啶吡喃吲哚嘌呤（氮杂苯）（氧杂己）（1,3-二氮杂苯）（氮杂茚）（1,3,7,9-四氮杂茚）

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.当杂环与-R、-x、-Oh、-NH2等取代基连接时，以杂环为基质，标记取代基位置；

如果存在-CHO、-COOH、-SO3H等，则杂环用作取代基。

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.如果环上有不同的杂原子，则应按氧的顺序进行编号→ 硫黄→ 氮

二．杂环化合物的结构

五元杂环化合物呋喃、噻吩和吡咯的结构与苯相似。形成环的四个碳原子和杂原子（n、s、O）是SP2杂化σ，键连接起来形成一个圆环。每个碳原子的剩余p轨道有一个

电子，杂原子（n，s，O）的p轨道有一对非共享电子对。这五个p轨道垂直于

564γ453βαβ5α63β45n3s1噻唑42o1呋喃42n21α吡啶

γ3nn123nh2β5ochoch3βαα6n212-氨基嘧啶2-呋喃甲醛3-甲基吡啶β-甲基吡啶五元

环的平面，相互平行重叠，构成一个闭合共轭体系，即组成杂环的原子都在同一平面内，

而p电子云则分布在环平面的上下方。这些环的结构和苯结构相似，都是6电子闭合共轭

体系，因此，它们都具有一定的芳香性。由于共轭体系中的6个π电子分散在5个原子上，使整个环的π电子云密度较苯大，比苯容易发生亲电取代。

六元杂环化合物的结构可以以吡啶为例来说明。吡啶可以看作苯环中-CH=被-NH=取代。五个碳原子和一个氮原子是SP2杂化态，它们在同一平面上，相互σ键连接成环状结构。每个原子在p轨道上都有一个电子，该电子垂直于环平面，彼此“并排”重叠，形成一个

类似于苯的闭合共轭系统，包括6个原子。氮原子上的一对非共享电子对占据SP2杂化轨道。它与环平面共面，因此不参与环的共轭系统，以非共享电子对的形式存在。

。。。。。。。。。。

……这些环的共轭体系中的π电子与苯环中的π电子相同，因此它们被称为芳香杂环。3、五元杂环化合物及其衍生物（Ⅰ）吡咯及其衍生物

吡咯存在于煤焦油和骨焦油中，为无色液体，沸点131℃，在空气中很易氧化，颜色

由黄至褐，最终变成树脂样物质。吡咯的蒸气可使浸有盐酸的松木片产生红色，称为吡咯

的松木片反应，可用来检测吡咯的存在。

吡咯衍生物在自然界中分布广泛。吡咯环包含在叶绿素、血红素、维生素B12和许多

生物碱中。四个吡咯环α碳原子通过四个亚甲基（-CH=）交替连接形成的大环称为卟啉环。卟啉的成环原子都在同一平面上，这是一个复杂的共轭体系。卟啉本身在自然界中并

不存在。根据四个吡咯环上不同的取代基，卟啉可以衍生出更多的化合物，统称为卟啉化

合物。卟啉可以通过共价键和配位键与不同的金属原子结合，如血红素分子结构中的亚铁

原子。血红素与蛋白质结合形成血红蛋白，血红蛋白存在于哺乳动物红细胞中，是一种运

输氧气的物质。

卟吩hcnchhcnnnh2ch2cchh3cnh3chcnfenchch3ch2血红素

ch2cooh++chchch3ch3nchhcch3hooc（二）咪唑及其衍生物

咪唑是一种无色晶体，易溶于水和醚。它具有很强的碱性，能与酸形成稳定的盐。咪

唑衍生物广泛存在于自然界中，如蛋白质组分之一的组氨酸。组氨酸可以通过酶或体内分

解脱羧成组胺。组胺会收缩血管。人体内组胺过多时会发生过敏反应。

（三）噻唑及其衍生物

噻唑是一种含有一个硫原子和一个氮原子的五元杂环。它是一种无色、有气味的液体，沸点为117℃。噻唑呈弱碱性，对氧化剂和还原剂稳定。许多重要的天然或合成药物含有

噻唑杂环。例如磺胺噻唑、青霉素和维生素B1。

nh2nso2nhsch2ocnho青霉素gnsch3ch3coohnnhch2chnh2组氨酸cooh－co2nnh组胺

ch2ch2nh2

磺胺噻唑四元和六元杂环化合物及其衍生物（I）吡啶及其重要衍生物

吡啶是含一个氮原子的六元杂环化合物。它是无色具有特殊气味的液体，沸点115℃，能与水、乙醚、乙醇等任意混合，而且是一种很好的溶剂。吡啶呈弱碱性，能与酸成盐。

吡啶衍生物在医学上很重要。其重要衍生物包括维生素PP、维生素B6、异烟肼等。1.维生素PP

维生素pp由β-吡啶甲酸（烟酸）和β-吡啶甲酰胺（烟酰胺）两者组成。它们是b

族维生素之一，是体内很多脱氢酶的辅酶（辅基），缺乏时能引起糙皮病。烟酸还具有扩

张血管及降低血胆固醇的作用。

2.维生素B6

维生素b6由吡哆醇、吡哆醛、吡哆胺三种物质组成。

coohnnconh2β-吡啶甲酸β-吡啶甲酰胺hoh3c

机体缺乏维生素b6时，氨基酸等代谢就不能正常进行。3．异烟肼