1、第八章第八章 杂环化合物和生物碱杂环化合物和生物碱教学目标教学目标 掌握掌握杂环化合物的命名和几种生物碱的生理活性；杂环化合物的命名和几种生物碱的生理活性；熟悉熟悉杂环化合物和生物碱的定义、一般性质；杂环化合物和生物碱的定义、一般性质；了解了解杂环化合物和生物碱的分类；杂环化合物和生物碱的分类；杂环化合物杂环化合物:由碳原子和非碳原子共同组成环由碳原子和非碳原子共同组成环状骨架结构的一类有机化合物。状骨架结构的一类有机化合物。环中的非碳原子称为环中的非碳原子称为杂原子杂原子，常见杂原子有，常见杂原子有氧、氧、硫、氮硫、氮等。等。内酯、环醚、环状酸酐等内酯、环醚、环状酸酐等虽然也含由杂原子组成虽
2、然也含由杂原子组成的环系，但在性质上与相应的开链化合物相似，因此的环系，但在性质上与相应的开链化合物相似，因此并入脂肪族化合物中讨论。并入脂肪族化合物中讨论。杂环化合物在医药上具有重要的地位，如合成药杂环化合物在医药上具有重要的地位，如合成药物中的维生素、抗菌素、抗肿瘤药等也多属于杂环化物中的维生素、抗菌素、抗肿瘤药等也多属于杂环化合物。合物。一、杂环化合物的分类一、杂环化合物的分类 杂环母环结构为基础进行分类的。杂环母环结构为基础进行分类的。根据分子中含有环的数目可分：根据分子中含有环的数目可分：单杂环单杂环和和稠杂环稠杂环1.1.单杂环单杂环2.2.稠杂环：稠杂环：苯稠杂环和杂环稠杂环化合
3、物。苯稠杂环和杂环稠杂环化合物。五元环：呋喃、噻唑、吡咯等五元环：呋喃、噻唑、吡咯等六元环：吡啶、吡喃、嘧啶、吡嗪六元环：吡啶、吡喃、嘧啶、吡嗪吲哚、喹啉吲哚、喹啉嘌呤嘌呤指苯环与杂环稠合或杂环与杂环稠合在一起的化合物。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。常见的有喹啉、吲哚和嘌呤。五元杂环：五元杂环：12345NHO12345S54123吡咯吡咯呋呋喃喃噻吩噻吩六元杂环：六元杂环：N541236O541236吡啶吡啶吡喃吡喃稠杂环：稠杂环：NNHNNNHN234567891112233445566778喹啉吲哚嘌呤(Quioline)(indole)(Pu
4、rine)二、杂环化合物的命名二、杂环化合物的命名（一）杂环母环的命名（一）杂环母环的命名 杂环母环的名称通常采用杂环母环的名称通常采用音译法音译法，即根据杂环化合，即根据杂环化合物的英文名称，选用与译音同音的汉字，再加上物的英文名称，选用与译音同音的汉字，再加上“口口”旁组成音译名。旁组成音译名。例如：例如：“Furan”的名称为呋喃，的名称为呋喃，“Pyridine”名称名称为吡啶等为吡啶等。（二）杂环母环的编号（二）杂环母环的编号 1、含含1个杂原子的杂环个杂原子的杂环 从杂原子开始用阿拉伯数字或从与杂原子相邻的碳原从杂原子开始用阿拉伯数字或从与杂原子相邻的碳原子开始用希腊字母子开始用希
5、腊字母、等编号。等编号。O12345 N2 2含含2 2个相同杂原子的杂环个相同杂原子的杂环 使杂原子位次之和为最小。使杂原子位次之和为最小。如果其中如果其中1 1个杂个杂原子上连有氢，应从连有氢的杂原子开始编号。原子上连有氢，应从连有氢的杂原子开始编号。例如：例如：嘧啶嘧啶 咪唑咪唑 NN54123612345HNN3.3.含含2 2个不同杂原子的杂环个不同杂原子的杂环 按按O O、S S、N N先后顺序先后顺序编号，同时也应使杂原子的位次编号，同时也应使杂原子的位次之和最小。之和最小。例如：例如：噻唑噻唑 恶恶唑唑 4 4有些有些稠杂环母环有特定稠杂环母环有特定的编号。的编号。例如：例如：
6、嘌呤嘌呤 吖啶吖啶 54123NS54123NONNNNH895412367N98541236710（三）取代杂环化合物的命名（三）取代杂环化合物的命名 选选，将取代基的位次、数目及名称写在，将取代基的位次、数目及名称写在杂环母环名称前。杂环母环名称前。例如：例如：2,5-二甲基呋喃二甲基呋喃 4-氨基吡啶氨基吡啶 2-乙氧基嘧啶乙氧基嘧啶 (,/-二甲基呋喃二甲基呋喃)(-氨基吡啶氨基吡啶)OH3CCH3NNH2NNOC2H5 五元杂环化合物五元杂环化合物包括含有包括含有1 1个杂原子的五个杂原子的五元杂环和含元杂环和含2 2个杂原子的五元杂环。个杂原子的五元杂环。一、含一、含1 1个杂原子
7、的五元杂环化合物个杂原子的五元杂环化合物1.结构结构 C与与杂原子杂原子均以均以spsp2 2杂化轨道杂化轨道和相邻的原子彼此以和相邻的原子彼此以键构键构成五元环，成环的成五元环，成环的5 5个原子处于个原子处于同一平面同一平面上。上。12345NHO12345S54123吡咯吡咯呋呋喃喃噻吩噻吩 5 5个个p p轨道相互平行，从侧面重叠形成了轨道相互平行，从侧面重叠形成了1 1个含个含5 5个原子个原子和和6 6个电子的环状闭合大个电子的环状闭合大键。因此，吡咯、呋喃和噻吩键。因此，吡咯、呋喃和噻吩都具有芳香性。都具有芳香性。由于由于O O、N N、S S之间电负性的差异，导致共轭体系中，之
8、间电负性的差异，导致共轭体系中，电子云密度平均化程度不同。所以芳香性强弱有差异电子云密度平均化程度不同。所以芳香性强弱有差异。芳香性的顺序为：苯噻吩吡咯呋喃。芳香性的顺序为：苯噻吩吡咯呋喃。ON HS 在这些五元杂环中，因为在这些五元杂环中，因为5 5个个p p轨道上分布着轨道上分布着6 6个电子，所个电子，所以以杂环上碳原子的电子云密度比杂环上碳原子的电子云密度比苯环上碳原子的电子云密度高，苯环上碳原子的电子云密度高，因此这类杂环是多电子共轭体系，因此这类杂环是多电子共轭体系，比苯更容易发生亲电取代反比苯更容易发生亲电取代反应应。2.吡咯、呋喃和噻吩的吡咯、呋喃和噻吩的水溶性水溶性 水溶性水
9、溶性：吡咯、呋喃和噻吩不易溶于水，而易溶于有机溶剂。：吡咯、呋喃和噻吩不易溶于水，而易溶于有机溶剂。（五元杂环中共轭效应存在，杂原子上的电子云密度降低，五元杂环中共轭效应存在，杂原子上的电子云密度降低，较难与水形成氢键较难与水形成氢键）溶解溶解1份吡咯、呋喃及噻吩，分别需要份吡咯、呋喃及噻吩，分别需要17、35、700份的水。份的水。当五元杂环上连有当五元杂环上连有羟基羟基时，溶解度增大时，溶解度增大。3.3.杂环化合物的化学性质杂环化合物的化学性质(1)(1)、亲电取代反应、亲电取代反应亲电取代反应活性亲电取代反应活性 吡咯 呋喃 噻吩 苯 吡啶吡咯吡咯、呋喃、噻吩 位取代吡啶 位取代NaO
10、HI2IIIINHNHNO2C0CH3COONO2-5 30 OOSO3HH2SO4OSSNO2NNHNO3H2SO4370C0卤代反应卤代反应 不需要催化剂，要在较低温度进行。不需要催化剂，要在较低温度进行。硝化反应硝化反应 不能用混酸硝化，一般是用乙酰基硝酸不能用混酸硝化，一般是用乙酰基硝酸酯酯(CH3COONO2)作硝化试剂，在低温下进行。作硝化试剂，在低温下进行。磺化反应磺化反应 呋喃、吡咯不能用浓硫酸磺化，要用特呋喃、吡咯不能用浓硫酸磺化，要用特殊的磺化试剂殊的磺化试剂吡啶三氧化硫的络合物，噻吩可吡啶三氧化硫的络合物，噻吩可直接用浓硫酸磺化。直接用浓硫酸磺化。(2)加氢反应加氢反应O
11、NHSH2,Ni or PdH2,Ni or PdH2,NiONHS四氢呋喃四氢吡咯(THF)不能用 催化因噻吩能 使中毒PdPd吡咯的弱酸性和弱碱性吡咯的弱酸性和弱碱性吡咯虽然是一个仲胺，但碱性很弱。吡咯虽然是一个仲胺，但碱性很弱。吡咯具有弱酸性，其酸性介于乙醇和苯酚之间。吡咯具有弱酸性，其酸性介于乙醇和苯酚之间。NHNHNH2Kb3.8 10-102 10-42.5 10-14原因：上的未共用电子对参与了环的共轭体系，减弱了与 的结合力。NHNHOHKa=1.3 10-101 10-181 10-15CH3CH2OH几种含几种含N化合物碱性强弱化合物碱性强弱NNHH NNHNHNH3NH2
12、六氢吡啶六氢吡啶 四氢吡咯四氢吡咯 氨氨 吡啶吡啶 苯胺苯胺 吡咯吡咯二、含有二、含有2 2个杂原子的五元杂环化合物个杂原子的五元杂环化合物 吡唑吡唑 咪唑咪唑 噻唑噻唑 噁唑噁唑 吡唑吡唑 咪唑咪唑 吡唑和咪唑都溶于水，在水中的溶解度比吡咯大。吡唑和咪唑都溶于水，在水中的溶解度比吡咯大。同同理，吡唑和咪唑的碱性也都比吡咯强，能与强酸反应生理，吡唑和咪唑的碱性也都比吡咯强，能与强酸反应生成盐。成盐。45123HNN45123HNN45123NS45123NONNHNNH 六元杂环化合物六元杂环化合物 吡啶吡啶 -吡喃吡喃吡啶吡啶的结构特点的结构特点：N N上未共用电子对未参与共轭上未共用电子对
13、未参与共轭N541236O541236N一、吡啶一、吡啶 (一一)来源、制法和应用来源、制法和应用 吡啶存在于煤焦油吡啶存在于煤焦油.页岩油和骨焦油中，吡啶衍生物广泛存在于页岩油和骨焦油中，吡啶衍生物广泛存在于自然界，例如，植物所含的生物碱不少都具有吡啶环结构，维生自然界，例如，植物所含的生物碱不少都具有吡啶环结构，维生素素PP、维生素、维生素B6、辅酶、辅酶及辅酶及辅酶也含有吡啶环。吡啶是重要的也含有吡啶环。吡啶是重要的有机合成原料（如合成药物）、良好的有机溶剂和有机合成催化剂。有机合成原料（如合成药物）、良好的有机溶剂和有机合成催化剂。吡啶为有特殊臭味的无色液体，沸点吡啶为有特殊臭味的无色
14、液体，沸点115.5，相对密度，相对密度0.982，可与水、乙醇、乙醚等任意混和。，可与水、乙醇、乙醚等任意混和。（二）吡啶的结构（二）吡啶的结构NNNH上的孤电子对在 轨道上，参与环内共轭，为富电子芳环。上的孤电子对在 轨道上，在环外未参与环内共轭。成环原子共平面体系C_ sp2N_ sp2 66NPsp2N由于吡啶环的由于吡啶环的N上在环外有一孤对电子，故吡啶环上的电荷分布不均。上在环外有一孤对电子，故吡啶环上的电荷分布不均。N1.430.841.010.87电荷分布亲电取代亲核取代N ，位位（三）吡啶的性质（三）吡啶的性质1碱性与成盐碱性与成盐 吡啶的环外有一对未作用的孤对电子，吡啶的环
15、外有一对未作用的孤对电子，具有碱性具有碱性，易，易接受亲电试剂而成盐。接受亲电试剂而成盐。吡啶的碱性小于氨大于苯胺。吡啶的碱性小于氨大于苯胺。CH3NH2NH3NNH2pKb3.384.768.809.422亲电取代反应亲电取代反应NNClNBrNNO2NSO3HCl2,AlCl3Br2,H2SO4HgSO4100300浮石催化气相浓220混酸300催化，氯吡啶溴吡啶硝基吡啶吡啶 磺酸33333氧化还原反应氧化还原反应（1）氧化反应）氧化反应NNNN吡 啶 甲 酸（烟 酸）CH3KMnO4/HHNO3COOHCOOH吡 啶 甲 酸4、还原反应、还原反应 吡啶比苯易还原，用钠加乙醇、催化加氢均使
16、吡啶还原为六氢吡啶（即胡椒啶或哌啶）。哌啶的碱性比吡啶强。哌啶的碱性比吡啶强。第二节第二节 生物碱生物碱 定义：定义：存在于生物体内，对人和动物有强烈生理作用存在于生物体内，对人和动物有强烈生理作用的含氮碱性有机化合物。的含氮碱性有机化合物。目前，结构已知的生物碱已达目前，结构已知的生物碱已达2000多种，其中近百种多种，其中近百种生物碱被用作临床药物。生物碱被用作临床药物。例如：罂粟中的吗啡（第一个被提纯的生物碱，也是人类例如：罂粟中的吗啡（第一个被提纯的生物碱，也是人类使用最早的一种镇痛剂使用最早的一种镇痛剂）麻黄中的麻黄碱用于平喘麻黄中的麻黄碱用于平喘 莨菪碱（存在于莨菪、颠茄、曼佗罗、
17、洋金花莨菪碱（存在于莨菪、颠茄、曼佗罗、洋金花 等茄科植物的叶中）等茄科植物的叶中）小檗碱（也叫黄连素）小檗碱（也叫黄连素）一、生物碱的一般性质一、生物碱的一般性质 多为无色或白色固体，少数是液体，味苦。一般不溶多为无色或白色固体，少数是液体，味苦。一般不溶或难溶于水，能溶于乙醇、乙醚、丙酮、氯仿、苯等有机或难溶于水，能溶于乙醇、乙醚、丙酮、氯仿、苯等有机溶剂，也可以溶于稀酸溶液中。溶剂，也可以溶于稀酸溶液中。大多数生物碱具有旋光性，大多数生物碱具有旋光性，且多为左旋体。且多为左旋体。1、弱碱性、弱碱性 能够与酸作用生成生物碱盐。在自然界，生物碱常能够与酸作用生成生物碱盐。在自然界，生物碱常与
18、与HCl、H3PO4、草酸、乳酸、柠檬酸等结合成盐存在于、草酸、乳酸、柠檬酸等结合成盐存在于植物体内。植物体内。生物碱的盐能溶于水，临床上常利用此性质来生物碱的盐能溶于水，临床上常利用此性质来改善改善生物碱类药物的水溶性生物碱类药物的水溶性.如如硫酸阿托品、磷酸可待因硫酸阿托品、磷酸可待因等。等。利用生物碱的游离体与其盐的溶解性不同，还可以利用生物碱的游离体与其盐的溶解性不同，还可以提取分离和精制生物碱。提取分离和精制生物碱。2、沉淀反应、沉淀反应 大多数生物碱或其盐的水溶液能与一些试剂生成难大多数生物碱或其盐的水溶液能与一些试剂生成难溶于水的盐或配合物而沉淀。且生成的生物碱沉淀常有特溶于水的
19、盐或配合物而沉淀。且生成的生物碱沉淀常有特定的颜色。定的颜色。生物碱沉淀剂：生物碱沉淀剂：能使生物碱发生沉淀反应的试剂。能使生物碱发生沉淀反应的试剂。常用有：常用有：H3PO412WO3、H3PO412MoO3、KIBiI3 、K2HgI4、2,4,6-三硝基苯酚等三硝基苯酚等。3 3、显色反应、显色反应 生物碱遇生物碱遇浓浓HNO3、浓浓H2SO4、甲醛、甲醛-浓硫酸浓硫酸试剂、试剂、对对二甲氨基苯甲醛的硫酸溶液、钒酸铵的浓硫酸溶液二甲氨基苯甲醛的硫酸溶液、钒酸铵的浓硫酸溶液等试剂等试剂会发生颜色反应显不同的颜色。会发生颜色反应显不同的颜色。根据生物碱的颜色反应可根据生物碱的颜色反应可以鉴别
20、生物碱以鉴别生物碱。例如：遇甲醛例如：遇甲醛-浓硫酸试剂，吗啡显浓硫酸试剂，吗啡显紫红色紫红色，可待因则可待因则显蓝色显蓝色。二、重要的生物碱二、重要的生物碱（一）烟碱（一）烟碱 烟草中含十余种生物碱，主要是烟碱，约含烟草中含十余种生物碱，主要是烟碱，约含2%-8%，纸烟中约含纸烟中约含1.5%。烟碱又名尼古丁，属吡啶衍生物类生物碱。烟碱又名尼古丁，属吡啶衍生物类生物碱。烟碱有剧毒，少量对中枢神经有兴奋作用，能升高血压，烟碱有剧毒，少量对中枢神经有兴奋作用，能升高血压，大量则抑制中枢神经系统，使心脏麻痹以至死亡。几毫克大量则抑制中枢神经系统，使心脏麻痹以至死亡。几毫克的烟碱就能引起头痛、呕吐、
21、意识模糊等中毒症状，吸烟的烟碱就能引起头痛、呕吐、意识模糊等中毒症状，吸烟过多的人逐渐会引起慢性中毒。过多的人逐渐会引起慢性中毒。（二）莨菪碱和阿托品（二）莨菪碱和阿托品 莨菪碱和阿托品属莨菪烷衍生物类生物碱。莨菪烷的构莨菪碱和阿托品属莨菪烷衍生物类生物碱。莨菪烷的构造式如下造式如下：莨菪碱是由莨菪酸和莨菪醇缩合形成的酯，莨菪醇是由四氢莨菪碱是由莨菪酸和莨菪醇缩合形成的酯，莨菪醇是由四氢吡咯环和六氢吡啶环稠合而成的双环构造。吡咯环和六氢吡啶环稠合而成的双环构造。莨菪碱莨菪碱 莨菪碱是左旋体，由于莨菪酸构造中的手性碳原子上莨菪碱是左旋体，由于莨菪酸构造中的手性碳原子上的氢与羰基相邻，是的氢与羰基
22、相邻，是活泼氢，容易发生酮式活泼氢，容易发生酮式-烯醇式互变异烯醇式互变异构而外消旋。当莨菪碱在碱性条件下或受热时均可发生消旋构而外消旋。当莨菪碱在碱性条件下或受热时均可发生消旋作用，变成消旋的莨菪碱，即阿托品。莨菪酸的互变异构现作用，变成消旋的莨菪碱，即阿托品。莨菪酸的互变异构现象如下：象如下：医疗上常用硫酸阿托品作抗胆碱药，能抑制唾液、医疗上常用硫酸阿托品作抗胆碱药，能抑制唾液、汗腺等多种腺体的分泌，并能扩散瞳孔；还用于平滑肌痉汗腺等多种腺体的分泌，并能扩散瞳孔；还用于平滑肌痉挛、胃和十二指肠溃疡病；也可用作有机磷、锑剂中毒的挛、胃和十二指肠溃疡病；也可用作有机磷、锑剂中毒的解毒剂。解毒剂
23、。除莨菪碱外，我国学者又从茄科植物中分离出两种新除莨菪碱外，我国学者又从茄科植物中分离出两种新的莨菪烷系生物碱，即山莨菪碱和樟柳碱。两者均有明显的莨菪烷系生物碱，即山莨菪碱和樟柳碱。两者均有明显的抗胆碱作用，并有扩张微动脉，改善血液循环的作用。的抗胆碱作用，并有扩张微动脉，改善血液循环的作用。用于散瞳、慢性气管炎的平喘等；也能解除有机磷中毒。用于散瞳、慢性气管炎的平喘等；也能解除有机磷中毒。其毒性比硫酸阿托品小。其毒性比硫酸阿托品小。（三）吗啡和可待因三）吗啡和可待因 吗啡可待因吗啡可待因 罂粟科植物鸦片中含有罂粟科植物鸦片中含有20多种生物碱，其中比较重要多种生物碱，其中比较重要的有吗啡、可
24、待因等。这两种生物碱属于异喹啉衍生物类，的有吗啡、可待因等。这两种生物碱属于异喹啉衍生物类，可看作为六氢吡啶环（哌啶环）与菲环相稠合而成的基本可看作为六氢吡啶环（哌啶环）与菲环相稠合而成的基本结构。结构。吗啡对中枢神经有麻醉作用，有极快的镇痛效力，但吗啡对中枢神经有麻醉作用，有极快的镇痛效力，但易成瘾，不宜常用。易成瘾，不宜常用。可待因是吗啡的甲基醚（甲基取代吗啡分子中酚羟基可待因是吗啡的甲基醚（甲基取代吗啡分子中酚羟基的氢原子）。可待因与吗啡有相似的生理作用，可用以镇的氢原子）。可待因与吗啡有相似的生理作用，可用以镇痛，但可待因主要用作镇咳剂。痛，但可待因主要用作镇咳剂。麻醉剂海洛因是吗啡的
25、二乙酰基衍生物，即二乙酰基麻醉剂海洛因是吗啡的二乙酰基衍生物，即二乙酰基吗啡（两个乙酰基分别取代吗啡分子中两个羟基的氢原吗啡（两个乙酰基分别取代吗啡分子中两个羟基的氢原子）。子）。海洛因海洛因 海洛因镇痛作用较大。并产生欣快和幸福的虚假感觉，海洛因镇痛作用较大。并产生欣快和幸福的虚假感觉，但毒性和成瘾性极大，过量能致死。海洛因被列为禁止制造但毒性和成瘾性极大，过量能致死。海洛因被列为禁止制造和出售的毒品。和出售的毒品。罂粟是一种一年一生的栽培植物，一般种植在海拔高罂粟是一种一年一生的栽培植物，一般种植在海拔高300至至1700米的地方，其植株约高米的地方，其植株约高1.5米，每年二月播种，四、米，每年二月播种，四、五月分开花，五月分开花，花呈白、红、紫等颜色，每朵花有四个花辩，其叶子大而花呈白、红、紫等颜色，每朵花有四个花辩，其叶子大而光滑，边缘有缺刻，呈带有银色光泽的绿色，当其果实成光滑，边缘有缺刻，呈带有银色光泽的绿色，当其果实成熟时，花辩自然脱落。熟时，花辩自然脱落。罂粟本身不是毒品，但它是鸦片制品的原料，从罂粟中可罂粟本身不是毒品，但它是鸦片制品的原料，从罂粟中可以得到象鸦片、吗啡、海洛因、可待因等毒品。以得到象鸦片、吗啡、海洛因、可待因等毒品。
