杂环化合物和生物碱.ppt

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1、杂环化合物与生物碱,第十章,6-1 杂环化合物,6-1 生物碱,第十章 杂环化合物和生物碱,一、杂环化合物的分类和命名,第一节杂环化合物,二、杂环化合物的结构和性质,三、重要的杂环化合物及其衍生物,第二节生物碱,一、生物碱的概念及一般性质,二、生物碱的提取方法,三、重要的生物碱,本章节内容,杂环化合物是指一类环状有机化合物，构成环的原子除碳外还有其它原子（杂原子）。,这种环状化合物具有芳香结构（闭合共轭体系）和一定程度的稳定性。,通常杂原子有：O、N、S 等,从形式上看，它们都是含杂原子的环状化合物，但其性质与相应的开链化合物相似，不属于杂环化合物讨论的范畴。,第一节 杂环化合物,在自然界中杂

2、环化合物分布很广,许多中草药的有效成分大都含有含氮杂环化合物，部分维生素和抗菌素以及一些植物色素和植物染料都含有杂环，不少合成药物和合成染料也含杂环。,它们都具有重要的生理作用。,杂环化合物是一大类有机化合物，在理论和实际中都有十分重要的意义。,（一）分类,（二）命名,分类,单杂环,稠杂环,五元杂环,六元杂环,利用国际通用名称译音，加口旁以表示是 杂环化合物。,1.音译法,一、杂环化合物的分类和命名,这种方法的优点是比较简单，缺点是遇到字音相近的字比较难译，并且译出的名字与结构没有联系。,这种命名方法的缺点是名称太长，使用不便。目前一般都采用音译名称来命名。,氮萘,2.根据相应碳环母核命名,把

3、杂环当作是相应的碳环中碳原子被杂原子置换而形成的，命名时在碳环母体名称前加“某杂”（杂原子的名称）两字，以表示其中的杂原子。,环上有取代基时，应以杂环为母体，将杂环母核编号,编号原则,杂原子编号最小（即从杂原子开始编号）；,环上含两个以上相同杂原子时，应使杂原子的 编号最小（一般从连有取代基的杂原子开始）；,环上有不同杂原子时，按O、S、N的顺序编号；,尽可能使连有取代基的碳原子编号最小。,8-羟基喹啉,4-甲基咪唑,2-氨基嘧啶,5-甲基噻唑,典型的五元杂环是呋喃、噻吩、吡咯。它们是最重要的含一个杂原子的五元环化合物。它们的重要性不在于它们的单体而是它们的衍生物。它们的衍生物不单种类繁多，而

4、且有些是重要的工业原料，有些具有重要的生理作用。,（一）呋喃、噻吩、吡咯的结构与芳香性,物理方法证明：呋喃、噻吩、吡咯都是平面结构，环上所有原子都是SP2 杂化，各原子均以SP2 杂化轨道重叠形成键。,碳未杂化的 P 轨道中有一个电子，杂原子的 P 轨道中有一对电子，P 轨道互相平行重叠，形成闭合的共轭体系。,二、五元杂环化合物的结构和性质,符合休克尔 4 n+2 规则，故三个杂环均具有芳香性,体系中 电子数：4+2=6,由于呋喃、噻吩、吡咯都是五中心六电子，属于富电子环,三种杂环具有一定程度的芳香性，杂原子电负性大小：,芳香性与稳定性:,O(3.5)N(3.0)S(2.5),电子密度：杂环

5、苯环稳 定 性：杂环 苯环芳 香 性：杂环 苯环反 应 活 性：杂环 苯环,（二）化学性质,1.亲电取代反应,亲电试剂进攻发生在-位和-位，而-位更容易些。,呋喃、噻吩、吡咯能像苯一样发生一系列芳香族化合物的特征反应，由于它们是富电子杂环，所以比苯更容易发生亲电取代反应。,卤代反应,像苯酚和苯胺一样，吡咯、呋喃、噻吩很容易发生卤代反应。氯代、溴代不但不需催化剂，而且为避免多取代物，往往采用温和条件，如用溶剂稀释和采用低温。,吡咯反应活性最大，在低温下进行，一般得多卤产物。,呋喃与 Br2 反应也很激烈，在 0 与 Br2在二氧六环存在下反应得一溴代产物，与 Cl2 在 40 下反应得混合产物。

6、,噻吩溴化可在室温下进行，得一溴代产物。,硝化反应,五元杂环化合物与硝酸（强氧化剂）反应，得不到预期产物，而是芳环被破坏。因此它们硝化反应必须在温和条件下，采用弱硝化剂乙酰硝酸酯。,呋喃,噻吩和吡咯易氧化,一般不用硝酸直接硝化;通常用比较温和的非质子硝化试剂，如：硝酸乙酰酯，反应在低温下进行。,磺化反应,吡咯、呋喃不能直接用硫酸磺化，因为它们在浓硫酸中不稳定，会发生聚合，通常用一种温和的磺化剂 吡啶三氧化硫进行磺化。,从煤焦油中提取的苯（b.p.80）含有少量（0.5%）噻吩（b.p.84）很难用分馏的方法将它们分开，由于噻吩比苯活泼，故可在常温下用浓硫酸一起振摇，噻吩比苯容易磺化，生成的噻吩

7、-2-磺酸溶于硫酸中，然后分离除去。,噻吩比较稳定，既可以用硫酸在室温下直接磺化（产率稍低），也可以用温和的磺化试剂磺化。,傅克酰基化反应,五元杂环化合物酰化时，需要在较温和催化剂甚至不用催化剂即可反应。,吡咯不用催化剂可以直接酰化。,呋喃与酸酐或酰氯在催化剂作用下发生酰基化反应。,噻吩酰化反应要用磷酸或氯化锡作催化剂。,呋喃、噻吩、吡咯进行烷基化反应很难得到一烷基取代物，往往生成混合的多烷基取代物，甚至不可避免地产生树脂状物质，因此用途不大。,2.加成反应,呋喃、噻吩、吡咯分子中都有一个顺丁二烯型结构，因此它们又具有不饱和性质，用共振能值来衡量。它们的稳定性和不饱和性有如下顺序：,加成反应是

8、标志化合物不饱和性的最典型反应，它们能像环戊二烯分子一样催化加氢生成相应的饱和化合物。,呋喃由于芳香性最小，环的稳定性也较低，能发生双烯合成。,吡咯也可以与苯炔、丁炔二酸发生类似的反应,噻吩的芳香性较大，环比较稳定，难发生双烯合成,3.吡咯的弱碱性、弱酸性,吡咯表面上是个仲胺，但实际上吡咯是一个很弱的碱，碱性比苯胺弱得多，它只能慢慢地溶解在冷的稀酸溶液中。,吡啶存在于煤焦油、页岩油和骨焦油中，它的衍生物广泛分布于自然界，如植物碱、维生素、辅酶和中都存在吡啶环。,工业上，吡啶主要有从糠醛制备法和乙炔制备法中制得。,六元杂环化合物中最重要的有吡啶和嘧啶：,三、六元杂环化合物的结构和性质,（一）结构

9、,共轭效应和诱导效应都是吸电子的,孤电子对在sp2杂化轨道上。,吡啶结构与苯相似：,吡啶环上的N 以SP2 杂化成键。一个P 电子参与共轭，形成具有6个P 电子的闭合的共轭体系，具有芳香性。氮上未成键电子对未参与共轭，因此具有碱性。,核磁共振数据也可以证明吡啶的芳香性,吡 啶结构：吡啶N是sp2杂化，孤电子对不参与共轭。反应：碱性较强。环不易发生亲电取代反应但易发生亲核 取代反应。发生亲电取代反应时，环上N起间位定 位基的作用。发生亲核取代反应时，环上N起邻对 位定位基的作用。,这是由于杂环上氮原子作用不同，吡啶环上的N 是吸电子作用。（电负性 N C）吡啶具有碱性，在发生亲电取代反应时比苯难

10、。（相当于环上有一个吸电子基）,吡咯环上的N 把电子转移给环 吡咯具有酸性，亲电取代反应时比苯容易（相当于环上有一个供电子基）,（二）吡啶的性质,吡啶是一个无色有恶臭的液体，沸点115.5，与水及许多有机溶剂如乙醇、乙醚等混溶，它是良好的溶剂。,吡啶的化学性质体现在芳环的取代反应（包括亲核、亲电）及氮上未成键电子对的碱性及亲核性上。,、碱性和亲核性,嘧啶是含有二个氮原子的六元杂环，易溶于水，嘧啶中的氮是SP2杂化，都以一个P 电子参与共轭，性质与吡啶类似。由于体系中氮的吸电子作用，碱性比吡啶弱得多，其亲电取代反应比吡啶困难，亲核取代则比吡啶容易。,碱性：叔胺 吡啶 吡咯,吡啶氮原子还可以作为亲

11、核试剂与R-X、Br2等亲核试剂反应形成吡啶盐,吡啶分子中氮原子的SP2杂化轨道上有一对未共用电子，这对电子不参与环的共轭，它像叔胺一样这对电子可以接受质子，具有碱性。但碱性弱于叔胺，强于吡咯。,、亲电取代反应,吡啶是缺电子芳杂环，由于氮原子的吸电子作用，降低环上碳原子密度，它的亲电取代反应似硝酸苯。,反 应 特 点,*1 不能发生傅氏烷基化、酰基化反应。*2 硝化、磺化、卤化必须在强烈条件下才能发生；*3 吡啶环上有给电子基团时，反应活性增高；*4 吡啶N可以看作是一个间位定位基。,与富电子芳杂环的呋喃、吡咯和噻吩相反，吡啶在亲电取代反应中很不活泼，比苯的取代反应难得多，一般反应必需在激烈的

12、条件下才能硝化、卤代和磺化，不能进行傅克反应。,反应主要发生在位（电子云密度）,如果吡啶环上有供电子基团，则能增加反应活性。提高产率。,、亲核取代,由于环上电子云密度降低，吡啶易与亲核试剂（如芳基锂、烷基锂等）作用，主要生成-位取代产物若-位被占据，则生成-位取代产物。,、吡啶环对氧化剂的稳定性,吡啶比苯稳定，难于氧化,因吡啶为叔胺，很容易被H2O2、过氧化酸氧化成 N-氧化物。,（烟酸或尼古丁酸）,-甲基吡啶,吡啶N-氧化物是有机合成的重要中间体，由于O 上孤电子对与吡啶环发生动态共轭的结果，它使吡啶环活化，使之容易在和位发生亲电取代反应，且产率较高,吡啶N 氧化物用三氯化磷处理，可恢复为吡

13、啶环。,、还原反应,吡啶还原反应比苯更容易进行，还原生成六氢吡啶,四、重要的杂环化合物及其衍生物,（一）糠醛（-呋喃甲醛）,2.性质及用途,糠醛是无色透明液体，沸点161.7,在空气中逐渐变为黄棕色，能溶于醇、醚及其它有机溶剂中，糠醛本身是一个良好的溶剂，在工业上有广泛的用途，常用于精炼石油、精制松香、溶解硝酸纤维等，在有机合成工业上也很重要，是油漆、树脂工业的重要原料。,糠醛与苯甲醛具有类似结构，表现出无-H的醛的性质。,自然界有许多嘧啶衍生物。在新陈代谢中起着重要作用，如用氨基、羟基取代的嘧啶：尿嘧啶、胞嘧啶、胸腺嘧啶是组成核酸的三个碱基。,维生素及药物中许多含有嘧啶环系,（二）嘧啶及其衍

14、生物,维生素B1是嘧啶的重要衍生物之一，是维持糖的正常代谢必需的物质，体内缺乏维生素B1时，可引起多发性神经炎、脚气病及食欲不振等。维生素B1存在于米糠、麦麸、瘦肉、绿叶、花生、豆类、酵母中。,（三）吲哚及其衍生物,吲哚存在于煤焦油中，为无色片状结晶，熔点52.5，具有极臭的气味，与-甲基吲哚共存于粪便中。但纯吲哚的极稀溶液有愉快香气，可制香精。,吲哚是闭合的共轭体系，它的性质和吡咯很相似，几乎没有碱性，但比吡咯稳定。,吲哚主要衍生物：,（四）喹啉及其衍生物,喹啉和异喹啉都是苯环与吡啶环稠合而成的化合物，它们是同分异构体，都存在于煤焦油中，很多生物碱中含有喹啉杂环。,1.喹啉的合成法 斯克普（

15、Skraup）法,由苯胺、甘油、浓硫酸及一种弱氧化剂（如硝基苯、氧化铁）共热来制得。,2.喹啉的化学性质,喹啉是无色油状液体，有特殊气味，化学性质和吡啶及-硝基萘有些相似，,亲核取代反应,喹啉分子中用吡啶环，可发生亲核取代反应，主要在2、4位,氧化和还原反应,喹啉加氢还原时，吡啶环最先被还原生成四氢化喹啉,（五）嘌呤及其衍生物,嘌呤为无色晶体，熔点216 217，易溶于水，水溶液呈中性，但它却能与酸或碱生成盐,嘌呤本身不存在于自然界中，但它的羟基和氨基衍生物却存在于自然界中。,1.尿酸 是鸟类和爬虫类动物排泄物中的主要成分,无色晶体，难溶于水，它的酸性很弱，pKa=5.7,2.黄嘌呤 存在于动

16、物的血液、肝脏和尿中,黄嘌呤本身不太重要，而其衍生物则比较重要。,它们都是嘌呤的甲基衍生物，都是生物碱类药物。它们都有刺激中枢神经的作用，以咖啡碱的效为力最好，被广泛地用于医药中，它们存在于茶叶、咖啡和可可中。,3.腺嘌呤和鸟嘌呤,腺嘌呤和鸟嘌呤是核蛋白中的两种嘌呤衍生物。它们与尿嘧啶、胞嘧啶和胸腺嘧啶构成核酸的五大碱基，对核酸的生物功能起重要作用。,腺嘌呤(A),(6-氨基嘌呤),鸟嘌呤(G),(2-氨基-6-羟基嘌呤),生物碱又称植物碱，是指一类由生物体中取得的有机碱性物质。它们大多数具有含氮杂环，有很强的生理作用，是非常有效的药物，例如当归、甘草、贝母、麻黄、黄连等许多草药中的有效成分都

17、是生物碱。,第二节生物碱,一、生物碱的概念及一般性质,在生物体内，生物碱大都与草酸、乳酸、苹果酸、酒石酸、柠檬酸、琥珀酸、乙酸等有机酸或磷酸、硫酸等无机酸结合成盐而存在于植物的不同器官中，也有少数以游离碱或以糖苷、酯、酰胺等形式存在。,绝大多数生物碱是无色有苦味的晶体，少数为液体，难溶于水，易溶于乙醇、乙醚、氯仿、丙酮等有机溶剂。但生物碱与酸结合成盐后，则易溶于水而难溶于有机溶剂。,(一)生物碱的概念,大多数生物碱具有旋光性，自然界存在的多为左旋体，而左旋体和右旋体的生理效应往往差别很大。,生物碱一般都按照它们的来源命名。例如，从烟草提取出来的生物碱就叫烟碱。有时也用外文音译名称，例如，烟碱亦

18、称尼古丁。,生物碱在中性或酸性溶液中能同一些试剂发生沉淀或颜色反应，这些试剂叫做生物碱试剂，可用来检验生物碱的存在。生物碱试剂可分为沉淀试剂和颜色试剂两类,(二)生物碱的一般性质,（生物碱的）沉淀反应,生物碱能与磷钨酸（H3PO412WO32H2O）、硅钨酸（SiO212WO34H2O）、碘化铋钾（BiI3KI）、碘化汞钾（HgI2KI）、苦味酸、鞣酸等反应生成沉淀。,（生物碱的）颜色反应,生物碱能与大多数的氧化剂和脱水剂（如高锰酸钾、重铬酸钾、钒酸铵、浓硫酸、硝酸、甲醛和氨水等）产生颜色反应。,某些生物碱与碘-碘化钾溶液生成棕红色沉淀；与磷钼酸试剂生成黄褐色或兰色沉淀；与硅钨酸试剂形成白色沉

19、淀。,重铬酸钾的浓硫酸溶液使吗啡显绿色；浓硫酸使秋水仙碱显黄色；钒酸铵的浓硫酸溶液使吗啡显棕色，而使奎宁显淡橙色。这些显色试剂在色谱分析上常作为生物碱的鉴定试剂。,（一）有机溶剂提取法 首先将含有生物碱的植物干燥，然后切碎或研成细粉，与碱液（稀氨水、Na2CO3或Ca(OH)2水溶液等）拌匀研磨，使生物碱游离析出，再选用适合的有机溶剂,二、生物碱的提取方法,浸泡，使生物碱溶于有机溶剂，将提取液进行浓缩，蒸馏回收有机溶剂，冷却后即得生物碱结晶。也可把有机溶剂提取液用稀盐酸处理，使生物碱变成盐而溶于水，浓缩盐的水溶液后，再加入碱液使生物碱游离析出，然后再用有机溶剂提取，浓缩提取液后就得生物碱结晶。

20、,（二）稀酸提取法 将含有生物碱的植物切碎，用稀酸浸泡或加热回流，则生物碱生成盐而溶于水。将水溶液流经阳离子交换树脂柱进行交换分离，生物碱阳离子与离子交换树脂阴离子结合而留在交换树脂上，用稀氢氧化钠溶液洗脱生物碱，再用有机溶剂抽提，即得生物碱结晶。用上述方法提取的往往是多种生物碱的混合物，需进一步分离和精制，以便获得更纯的成份。,三、重要的生物碱,、烟碱（尼古丁）是烟草中所含十二种生物碱中最多的一种。烟碱为无色液体，沸点247，呈左旋性。,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。,、麻黄碱是含于麻黄中的一种生物碱，俗称麻黄素。是一种不含

21、杂环的生物碱，属仲胺。,麻黄碱为无色结晶，易溶于水和氯仿、乙醇、乙醚等有机溶剂。麻黄碱有兴奋交感神经、增高血压、扩张气管的作用，用于支气管哮喘病。,、颠茄碱又叫阿托平，存在于茄科植物如颠茄、曼陀罗、天仙子等。,颠茄碱是白色结晶，易溶于乙醇、氯仿，难溶于水，有苦味，在医药上用作抗胆碱药，能抑制汗腺、唾液、泪腺、胃液等分泌，并能扩散瞳孔，用于治疗胃痛与肠绞痛，也可用作有机磷与锑剂中毒的解毒剂。,、蓖麻碱 蓖麻碱与蛋白质结合存在于蓖麻植株的各个部分，尤以蓖麻仁中含量较多，属于吡啶类生物碱。蓖麻碱是晶体，溶于水，其水溶液呈中性。蓖麻碱有剧毒，用于防治蚜虫、螟虫等。,、喜树碱 喜树碱是从我国的喜树中提取

22、出的喹啉族生物碱，喜树碱为黄色结晶，在紫外光照射下显蓝色荧光，有抗白血病及抗癌作用。,吗啡对中枢神经有麻醉作用，有强镇痛效力，但容易成瘾，医药上常用于局部麻醉。,可待因是吗啡的甲基醚，与吗啡有同样的生理作用，成瘾性较吗啡差，用于镇咳，存在于大麻中的毒品海洛因是吗啡的二乙酰基衍生物。,、吗啡碱罂粟科植物鸦片中含有20余种生物碱，其中含量最多的是吗啡。吗啡是1803年被提纯的第一个生物碱，但它的结构直到1952年才确定。属于异喹啉族生物碱，是微溶于水的结晶，有苦味。,、小蘖碱 小蘖碱是存在于黄柏、黄连中的异喹啉族生物碱，又名黄连素。黄连素为黄色结晶，味苦，易溶于水。药用的是黄连素的盐酸盐，是抑制痢疾、杆菌、链球菌及葡萄球菌的抗菌药物。,、秋水仙碱 秋水仙碱是灰黄针状结晶，可溶于水或稀酒精中，易溶于氯仿。秋水仙碱毒性较大，是人工诱发单倍体的有效化学药剂，具有抗癌作用，临床上常用于治疗乳腺癌、皮肤癌等。,、可可碱、茶叶碱和咖啡碱 它们存在于可可豆、茶叶以及咖啡中，属于嘌呤类生物碱，是黄嘌呤的甲基衍生物：,可可碱是白色晶体，微溶于水和乙醇，有很弱和碱性。能抑制胃小管再吸收和具有利尿的作用。茶碱是白色结晶，易溶于热水，显弱碱性。它有较强的利尿作用和松驰平滑肌作用。咖啡碱又叫咖啡咽。它是白针状结晶，味苦，易溶于热水，显弱碱性。它的利尿作用不如前二者，但它有兴奋中枢神经和止痛作用。,