第十四章杂环化合物与维生素PPT课件.ppt
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- 第十四 杂环化合物 维生素 PPT 课件
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1、由碳原子和其它原子构成的环状结构称为杂环。碳以由碳原子和其它原子构成的环状结构称为杂环。碳以外的原子称杂原子,外的原子称杂原子,常见的杂原子为氮、氧、硫常见的杂原子为氮、氧、硫等。等。环醚、内酯、交酯、环状酸酐、内酰胺等化合物环醚、内酯、交酯、环状酸酐、内酰胺等化合物不列为杂环化合物。不列为杂环化合物。杂环化合物通常是指环系较为稳定,具有一定程杂环化合物通常是指环系较为稳定,具有一定程度芳香性的一类化合物,即度芳香性的一类化合物,即芳杂环化合物芳杂环化合物。这类化合。这类化合物在结构上与芳香环相似,是一个闭合的共轭体系,物在结构上与芳香环相似,是一个闭合的共轭体系,一般都符合一般都符合4n+2
2、规则。规则。第一节第一节 芳香杂环化合物芳香杂环化合物H3CNSHCH3H3CCH3OHCH3H3COOOOOHREpothilone A(R=H)B(R=CH3);1993年发现的一种新型高效的非紫杉类抗年发现的一种新型高效的非紫杉类抗微管蛋白聚合类抗肿瘤药物微管蛋白聚合类抗肿瘤药物 噻唑环噻唑环中文药名:埃博霉素中文药名:埃博霉素一、一、分类和命名分类和命名六元杂环六元杂环:五元杂环五元杂环:OSNNHNNNNNNNNHNN 记记8个,个,N原子三价原子三价H的书写的书写杂环化合物的命名根据国际通用英文名称译音,选用同音杂环化合物的命名根据国际通用英文名称译音,选用同音汉字加汉字加“口口”
3、字旁的专用字作为杂环名称。表内所列名称字旁的专用字作为杂环名称。表内所列名称已经规范,不得以其它谐音代替。已经规范,不得以其它谐音代替。ONHCH3CH3CH3NNO2 杂环化合物的编号原则如下:杂环化合物的编号原则如下:1环上只有一个杂原子环上只有一个杂原子 2,5-二甲基呋喃二甲基呋喃 2-甲基吡咯甲基吡咯 3-硝基吡啶硝基吡啶(,-二甲基呋喃二甲基呋喃)(-甲基吡咯甲基吡咯)(-硝基吡啶硝基吡啶)5-甲基噻唑甲基噻唑NNH3CNNNH2HNSH3C2.有多个杂原子时有多个杂原子时,按按 顺序编号顺序编号 4-氨基嘧啶氨基嘧啶 4-甲基咪唑甲基咪唑3特殊编号特殊编号NNNNHN123456
4、78123456789NH1234567喹啉喹啉 吲哚吲哚嘌呤嘌呤 二、单杂环化合物的结构和芳香性二、单杂环化合物的结构和芳香性 p轨道轨道 所有原子共面;都有一个垂直于分子平面的所有原子共面;都有一个垂直于分子平面的 p 轨道轨道,侧面侧面交叠形成闭合大交叠形成闭合大 键,其中四个碳原子各贡献键,其中四个碳原子各贡献 1个个 p 电子,氧、电子,氧、硫、氮原子则贡献硫、氮原子则贡献2个个 p电子电子,形成形成。与与苯环比较苯环比较,呋喃、噻吩、吡咯为呋喃、噻吩、吡咯为“”五元杂环五元杂环 p-共轭使得环上共轭使得环上各碳原子的电子云密度相对升高各碳原子的电子云密度相对升高亲电性亲电性取代比苯
5、容易取代比苯容易吡咯吡咯N上孤对电子因参与环的共轭上孤对电子因参与环的共轭,故故碱性极弱碱性极弱,比苯胺还弱比苯胺还弱N的的 p 轨道含轨道含1个电子个电子,组成环闭共轭体系组成环闭共轭体系孤对电子占据孤对电子占据sp2 杂化轨道杂化轨道 5C 1N 共面共面,取取 sp2杂化杂化;都有一都有一个垂直于分子平面的个垂直于分子平面的p轨道轨道,侧面侧面交叠形成闭合大交叠形成闭合大 键。键。构成芳香体系的是构成芳香体系的是-共轭,由于氮原子的电负性较强,共轭,由于氮原子的电负性较强,使使环上碳原子的电子云密度相对降低环上碳原子的电子云密度相对降低六元杂环六元杂环 邓健 制作 罗美明 审校10 吡啶
6、环中吡啶环中C上上 电子密度比苯低电子密度比苯低“缺缺 芳杂芳杂环环”。表现在性质上,亲电取代变难,亲核取代变。表现在性质上,亲电取代变难,亲核取代变易;氧化变难,还原变易;另外易;氧化变难,还原变易;另外 sp2 杂化杂化 N 上的孤上的孤对电子具有一定程度的碱性,可成盐对电子具有一定程度的碱性,可成盐。三、杂环化合物的性质三、杂环化合物的性质(一一)酸碱性酸碱性NKKOHNHH2O+吡咯环的杂原子吡咯环的杂原子N上的孤对电子参与了环的上的孤对电子参与了环的共轭体系,不易与水形成氢键,因此难溶于水,共轭体系,不易与水形成氢键,因此难溶于水,也不易接受质子。也不易接受质子。碱性比苯胺还弱,碱性
7、比苯胺还弱,相反吡咯相反吡咯 N上的上的H 却有微弱的酸性却有微弱的酸性(pKa=17.5),与醇相当,与醇相当,而比酚弱。吡咯在无水条件下可以与固体氢氧而比酚弱。吡咯在无水条件下可以与固体氢氧化钾加热生成钾盐。化钾加热生成钾盐。吡啶中氮原子上的孤对电子不参与环的共轭体吡啶中氮原子上的孤对电子不参与环的共轭体系,能与水形成氢键,所以吡啶可以任意比例溶系,能与水形成氢键,所以吡啶可以任意比例溶于水,可接受质子或给出电子,呈现碱性,能与于水,可接受质子或给出电子,呈现碱性,能与强酸形成盐强酸形成盐NHClNHCl碱性比较:脂肪胺碱性比较:脂肪胺 NH3 吡啶吡啶 苯胺苯胺 吡咯吡咯 pKb:3 4
8、.5 4.75 8.8 9.3 13.6 (二二)亲电取代反应亲电取代反应 五元杂环化合物五元杂环化合物中碳原子上的电子云密度比苯大,中碳原子上的电子云密度比苯大,因此因此亲电取代反应容易发生亲电取代反应容易发生,它们都可进行卤代反应,它们都可进行卤代反应,反应优先发生在反应优先发生在 位位上。上。Br2,0NHC2H5OHNHBrBrBrBrO 40Cl2OOClClClSCH3COOHBr2SBr 六元杂环六元杂环吡啶的芳环上可发生亲电取代反应,但吡啶的芳环上可发生亲电取代反应,但比苯要困难比苯要困难,只有在强烈条件下才能进行,取代基主,只有在强烈条件下才能进行,取代基主要进入要进入 位位
9、。NNNNBrNO2SO3HBr2300KNO3,H2SO4300发烟H2SO425033%20%71%上述反应在室温下均不能进行上述反应在室温下均不能进行 (三三)氧化与还原氧化与还原 呋喃、噻吩和吡咯都可进行催化加氢反应,生成相应的呋喃、噻吩和吡咯都可进行催化加氢反应,生成相应的四氢化物。四氢化物。四氢呋喃四氢呋喃(THF)吡啶的还原加氢比苯容易,加氢后生成六氢吡啶。吡啶的还原加氢比苯容易,加氢后生成六氢吡啶。六氢吡啶六氢吡啶(哌啶哌啶)OH2Ni高温高压ONH2PtNH六氢吡啶六氢吡啶(pKb=2.8),碱性较吡啶强碱性较吡啶强10106 6倍倍吡啶环对氧化剂较苯环稳定吡啶环对氧化剂较苯
10、环稳定,而对还原剂比苯活泼。而对还原剂比苯活泼。NKMnO4CH3-吡啶甲酸吡啶甲酸(烟酸烟酸)NKMnO4NCOOHNCO2H四、单杂环重要衍生物四、单杂环重要衍生物(一一)呋喃及其衍生物呋喃及其衍生物 硝基呋喃类药物。硝基呋喃类药物。硝呋丙腙硝呋丙腙 OCHRO2NRNOONRNOONORNHCONH2R呋喃唑酮(痢特灵)呋喃妥因(呋喃 啶)呋喃丙胺(F-30066)呋喃西林呋喃肟NRCHCONHCH(CH3)2NOHONCHCHCHO2NCONHNONO2(抗血吸虫药抗血吸虫药)糠醛糠醛(-呋喃甲醛呋喃甲醛)是呋喃的重要衍生物,具有无是呋喃的重要衍生物,具有无-H-H的芳的芳香醛的特性,
11、又具有呋喃芳杂环的特性,因此用途广泛,是重香醛的特性,又具有呋喃芳杂环的特性,因此用途广泛,是重要的有机合成原料。要的有机合成原料。OCHO浓NaOHOCOOHOCOONaOCH2OHAg(NH3)2+(二二)吡咯及其衍生物吡咯及其衍生物吡咯衍生物在自然界分布很广,植物中的叶绿素和动物中的吡咯衍生物在自然界分布很广,植物中的叶绿素和动物中的血红素都是吡咯衍生物。它们都具有重要的生理活性。血红素都是吡咯衍生物。它们都具有重要的生理活性。血红素的基本骨架称为卟吩血红素的基本骨架称为卟吩(Porphin)。卟吩卟吩 血红素血红素 (三三)噻唑、吡唑和咪唑衍生物噻唑、吡唑和咪唑衍生物 NNH 咪唑咪唑
12、 1位位 和和 3 位位N 均取均取sp2杂化。不同的是杂化。不同的是,1-N 以一对以一对 p 电子参与共轭电子参与共轭,而而 3-N 则以则以1个个 p 电电子参与共轭子参与共轭,形成环状闭合大形成环状闭合大 键键,电子数为电子数为6,符合符合Hckel规则规则,有一定芳香性。有一定芳香性。NNHNHN 35 1 25 1 3 2NNHH3CNHNH3C5-甲基咪唑甲基咪唑 4-甲基咪唑甲基咪唑 互变异构互变异构 咪唑的碱性比吡咯强(咪唑的碱性比吡咯强(pKb=6.8),这是由于),这是由于引入的氮原子的孤对电子没有参加共轭体系,因引入的氮原子的孤对电子没有参加共轭体系,因而较易与质子结合
13、。水溶解度也较吡咯大。而较易与质子结合。水溶解度也较吡咯大。在组氨酸分子中含有一个在组氨酸分子中含有一个咪唑基咪唑基,其其pKa值接近生理值接近生理pH(7.35),它既是一个弱酸,它既是一个弱酸,又是一个弱碱,能起到质子又是一个弱碱,能起到质子传递的作用。组氨酸中的咪传递的作用。组氨酸中的咪唑环是构成酶活性中心的重唑环是构成酶活性中心的重要基团,使酶能催化生物体要基团,使酶能催化生物体内酯和酰胺的水解。内酯和酰胺的水解。H2NCHCCH2OHONNH 噻唑衍生物主要有维生素噻唑衍生物主要有维生素1 1和抗生素青霉素类。和抗生素青霉素类。苄青霉素的效用较好,其钠或钾盐为治疗革兰氏苄青霉素的效用
14、较好,其钠或钾盐为治疗革兰氏阳性菌感染的首选药物。阳性菌感染的首选药物。NNCH3H3CCH2NSCH3CH2CH2OHCl维生素B1C6H5CH2CONH苄青霉素SOCH3CH3COOHN(四四)吡啶及其衍生物吡啶及其衍生物 吡啶及其衍生物广泛存在于自然界中。吡啶及其衍生物广泛存在于自然界中。维生素维生素B6包括下列三个组分:包括下列三个组分:吡哆醇吡哆醇 吡哆醛吡哆醛 吡哆胺吡哆胺 维生素维生素B6是蛋白质代谢的必要物质,缺乏它蛋白质代是蛋白质代谢的必要物质,缺乏它蛋白质代谢就不能正常进行。谢就不能正常进行。维生素维生素PP。-吡啶甲酸吡啶甲酸(烟酸烟酸)-吡啶甲酰胺吡啶甲酰胺(烟酰胺烟酰
15、胺)雷米封,是一种有效的抗结核病的药物。雷米封,是一种有效的抗结核病的药物。异烟肼异烟肼 NNNCH2OHCH2OHCH2OHHOH3CHOCH2OHCHOH3CCH2NH2H3CHONNCOOHCONH2NCONHNH2(六六)嘧啶嘧啶及其衍生物及其衍生物NNHONH2HNNHOHNNHOCH3OO嘧啶的衍生物广泛存在于自然界,其重要的衍生物嘧啶的衍生物广泛存在于自然界,其重要的衍生物胞嘧啶、尿嘧啶和胸腺嘧啶是核酸的组成部分。胞嘧啶、尿嘧啶和胸腺嘧啶是核酸的组成部分。胞嘧啶胞嘧啶(C)(C)尿嘧啶尿嘧啶(U)(U)胸腺嘧啶胸腺嘧啶(T)(T)(4-(4-氨基氨基-2-2-氧嘧啶氧嘧啶)(2,
16、4-)(2,4-二氧嘧啶二氧嘧啶)(5-)(5-甲基甲基-2,4-2,4-二氧嘧啶二氧嘧啶)由于两个由于两个N的强吸电子作用的强吸电子作用,使嘧啶的碱性使嘧啶的碱性()比吡啶比吡啶()弱得多,也比吡啶难于发生亲电取代反应,弱得多,也比吡啶难于发生亲电取代反应,而亲核取代反应则比吡啶容易;嘧啶难以被氧化。而亲核取代反应则比吡啶容易;嘧啶难以被氧化。HNNHOOF5-氟尿嘧啶氟尿嘧啶(抗肿瘤药抗肿瘤药)这些嘧啶衍生物存在酮式和烯醇式互变异构这些嘧啶衍生物存在酮式和烯醇式互变异构:NHHNOONNOHHO(酮式)(烯醇式)三聚氰胺三聚氰胺(cyanuramide),含氮量高达含氮量高达66.6%三聚
17、氰胺是一种三嗪类含氮杂环有机化合物,被用作化三聚氰胺是一种三嗪类含氮杂环有机化合物,被用作化工原料,对身体有害,不可用于食品加工或食品添加物。工原料,对身体有害,不可用于食品加工或食品添加物。三聚氰胺摄入人体后进入肾细胞中,三聚氰胺在氰尿酸存三聚氰胺摄入人体后进入肾细胞中,三聚氰胺在氰尿酸存在下两者形成结晶沉积从而造成肾结石,堵塞肾小管,最在下两者形成结晶沉积从而造成肾结石,堵塞肾小管,最终造成肾衰竭。由于三聚氰胺结石微溶于水,对于成年人,终造成肾衰竭。由于三聚氰胺结石微溶于水,对于成年人,由于经常喝水使得结石不容易形成。但对于哺乳期的婴儿,由于经常喝水使得结石不容易形成。但对于哺乳期的婴儿,
18、由于喝水很少并且相比成年人肾脏狭小,造成更容易形成由于喝水很少并且相比成年人肾脏狭小,造成更容易形成结石。结石。NNNH2NNH2NH2五、稠杂环化合物五、稠杂环化合物(一一)吲哚及其衍生物吲哚及其衍生物 吲哚与吲哚与-甲基吲哚都具有粪臭味,共存于粪中。甲基吲哚都具有粪臭味,共存于粪中。纯的吲哚在极稀时有花的香气,可用作香料。纯的吲哚在极稀时有花的香气,可用作香料。-吲哚乙酸是一种植物生长调节剂。色氨酸是吲哚乙酸是一种植物生长调节剂。色氨酸是人体必需的一种氨基酸。人体必需的一种氨基酸。-吲哚乙酸吲哚乙酸 色氨酸色氨酸 NHCH2COOHNHCH2CHCOOHNH2NHCHNC=OO靛 蓝一种染
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