第十四章杂环化合物与维生素.ppt
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1、第十四章 杂环化合物与维生素,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,常见的杂原子为氮、氧、硫等。,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。,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,即芳杂环化合物。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,一般都符合4n+2规则。,第一节 芳香杂环化合物,1993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,噻唑环,中文药名:埃博霉素,一、分类和命名,记8个,N原子三价H的书写,杂环化合物的命名根据国际通用英文名称译音,选用同音汉字加“口”字旁的专用字作为杂环名称。表内
2、所列名称已经规范,不得以其它谐音代替。,杂环化合物的编号原则如下: 1环上只有一个杂原子,2,5-二甲基呋喃 2-甲基吡咯 3-硝基吡啶 (,-二甲基呋喃) (-甲基吡咯) (-硝基吡啶),5-甲基噻唑,2.有多个杂原子时,按O、S、N (N-R;N-H;N) 顺序编号,4-氨基嘧啶,4-甲基咪唑,3特殊编号,喹啉 吲哚 嘌呤,二、单杂环化合物的结构和芳香性,p轨道,所有原子共面;都有一个垂直于分子平面的 p 轨道, 侧面交叠形成闭合大 键,其中四个碳原子各贡献 1个 p 电子,氧、硫、氮原子则贡献2个 p电子, 形成 6电子环状共轭大键。 与苯环比较, 呋喃、噻吩、吡咯为 5原子共用6个电子
3、 “富芳杂环”,五元杂环,p- 共轭使得环上各碳原子的电子云密度相对升高亲电性取代比苯容易,吡咯N上孤对电子因参与环的共轭, 故碱性极弱, 比苯胺还弱,N的 p 轨道含1个电子, 组成环闭共轭体系,孤对电子占据sp2 杂化轨道,5C 1N 共面, 取 sp2杂化; 都有一个垂直于分子平面的p轨道,侧面交叠形成闭合大 键。,构成芳香体系的是-共轭,由于氮原子的电负性较强,使环上碳原子的电子云密度相对降低,六元杂环,吡啶环中C上电子密度比苯低“缺芳杂环”。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 sp2 杂化 N 上的孤对电子具有一定程度的碱性,可成盐。,三、杂环化合物的
4、性质,(一) 酸碱性,吡咯环的杂原子N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,也不易接受质子。碱性比苯胺还弱,相反吡咯 N上的H 却有微弱的酸性(pKa=17.5 ), 与醇相当,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。,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于水,可接受质子或给出电子,呈现碱性,能与强酸形成盐,碱性比较:脂肪胺 NH3 吡啶 苯胺 吡咯,pKb: 34.5 4.75 8.8 9.3 13.6,(二) 亲电取代反应 五元杂环化合物中碳原子上的电子云密度比苯大,因此亲电取代反应容易发生,它们都可
5、进行卤代反应,反应优先发生在位上。,六元杂环吡啶的芳环上可发生亲电取代反应,但比苯要困难,只有在强烈条件下才能进行,取代基主要进入位。,上述反应在室温下均不能进行,(三) 氧化与还原 呋喃、噻吩和吡咯都可进行催化加氢反应,生成相应的四氢化物。 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。 六氢吡啶(哌啶),六氢吡啶(pKb=2.8), 碱性较吡啶强106倍。为什么?,吡啶环对氧化剂较苯环稳定, 而对还原剂比苯活泼。,-吡啶甲酸 (烟酸),四、单杂环重要衍生物 (一) 呋喃及其衍生物 硝基呋喃类药物。,硝呋丙腙,(抗血吸虫药),糠醛(-呋喃甲醛)是呋喃的重要衍生物,具有无-H
6、的芳香醛的特性,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。,(二) 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(Porphin)。,卟吩 血红素(Heme),(三) 噻唑、吡唑和咪唑衍生物,咪唑 1位 和 3 位N 均取sp2杂化。不同的是, 1-N 以一对 p 电子参与共轭, 而 3-N 则以1个 p 电子参与共轭, 形成环状闭合大键, 电子数为6, 符合Hckel规则, 有一定芳香性。,5-甲基咪唑 4-甲基咪唑,互变异构,咪唑的碱性比吡咯强(pKb=6.8),这是由于引入
7、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。水溶解度也较吡咯大。,在组氨酸分子中含有一个咪唑基, 其pKa值接近生理pH(7.35),它既是一个弱酸,又是一个弱碱,能起到质子传递的作用。组氨酸中的咪唑环是构成酶活性中心的重要基团,使酶能催化生物体内酯和酰胺的水解。,噻唑衍生物主要有维生素1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阳性菌感染的首选药物。,(四) 吡啶及其衍生物 吡啶及其衍生物广泛存在于自然界中。 维生素B6包括下列三个组分: 吡哆醇 吡哆醛 吡哆胺 维生素B6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。 维生素PP。 -吡啶甲酸(烟酸
8、) -吡啶甲酰胺(烟酰胺) 雷米封,是一种有效的抗结核病的药物。 异烟肼,(六) 嘧啶(Pyrimidine)及其衍生物,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(C) 尿嘧啶(U) 胸腺嘧啶(T) (4-氨基-2-氧嘧啶) (2,4-二氧嘧啶) (5-甲基-2,4-二氧嘧啶),由于两个N的强吸电子作用, 使嘧啶的碱性(pKb11.3)比吡啶(pKb8.8 )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。,5-氟尿嘧啶(抗肿瘤药),这些嘧啶衍生物存在酮式和烯醇式互变异构:,三聚氰胺(cyanuramide
9、) ,含氮量高达66.6%,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。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,由于喝水很少并且相比成年人肾脏狭小,造成更容易形成结石。,五、稠杂环化合物 (一) 吲哚及其衍生物 吲哚与-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。 -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。 -吲哚乙酸 色氨酸,长
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