第十四章　 杂环化合物

教学要求：掌握：含氮五员、六员杂环化合物的分类、命名、结构及性质。熟悉：杂环化合物的整体分类、命名规则、各类化合物的结构特征及主要性能。了解：杂环化合物在生命体系及医药中的一些应用在学习本章之前，要弄清楚三个问题：1 ）什么是杂环化合物？含有一个以上杂原子的环状化合物均称为杂环化合物；常见的杂原子有氧、硫、氮等。

2 ）为什么要学习杂环化合物？杂环化合物在自然界中分布很广，种类繁多。据统计，在现今已知的有机化合物中，杂环化合物的数量，占总数的 65% 以上；含有杂环的药物占的比例更大。因此作为医、药学专业的学生，该章的内容就显得非常重要。3 ）怎样学习杂环化合物？首先是对杂环化合物的分类及命名有一个整体的概括了解；进而，熟悉五、六员杂环化合物命名、结构及性质；重点掌握含氮五、六员杂环化合物的命名、结构及性能。

第一节 杂环化合物的分类和命名一 . 分类

二． 命名1 ．杂环化合物的命名比较复杂 , 目前我国通常采用音译法。1 ）按英文名词译音选用同音汉字加“口”字旁表示杂环名称。这样构成杂环类化合物的基本命名。2 ）将杂环上每个原子编号，并使杂原子编号最小。如果一个环上有两个或多个不同种类的杂原子时，则规定按 O, S, N 顺序使其位号由小到大。如果相同种类的杂原子上有氢原子时，应从连有氢原子的杂原子开始编号。

3 ） 当杂环上有取代基时 , 先将取代基的名称放在杂环基本名称的前面，并把主体环的位号写在取代基的名称前面，以表示取代基在主体环上的位置。

2 - 甲基呋喃 3- 乙基吡啶　 　 4- 丙基吡啶

4 ） 对于一些简单的稠杂环化合物，可直接采用音译法命名并有其固定的编号

喹啉　 异喹啉　 　　吲哚

5 ）   当环上只有一个杂原子时 , 有时以希腊字母 α 、 β 、 γ 编号 , 靠近杂原子的碳原子为α- 位 , 其次为 β- 、 γ- 位

α- 氯呋喃　 β- 乙基吡啶　 β- 吲哚乙酸

吖啶 　 嘌呤

6 ）为了命名方便 , 有时也将杂环作为取代基

2- 呋喃甲醛 ( 糠醛 ) 　 3- 吡啶甲酸 ( 烟酸 )

7 ）含有“饱和原子”的杂环化合物的命名 当杂环上含有一个“饱和”原子时，往往存在互变异构体，为了区别异构体，在命名时要将“饱和”原子上的氢原子的位置用阿拉伯数字表示出来。

7H- 嘌呤 　　 9H - 嘌呤第二节 芳香六元杂环

一、吡啶的结构和性质

1． 结构　

吡啶分子中的五个碳原子和一个氮原子都以sp2 杂化轨道形成 σ 键 , 组成六元平面环状结构。碳原子的 p 轨道和氮原子的 p 轨道互相平行并侧面重叠 , 垂直于六元环平面 ,形成环状共轭体系。氮原子未共用电子对占据另外一个sp2 杂化轨道 , 不参与环的共轭体系 , 以孤电子对的形式存在。

吡啶结构示意图

2 　 性质（ 1）具有一定的芳香性，但不及苯强。这是由于氮原子的电负性比碳原子大 , 使得吡啶环上的碳原子电子云密度较苯低 , 氮原子附近电子云密度较大 ,电子云密度分布没有苯环均匀。亲电取代反应比苯困难，取代基主要进入氮原子的 β位反应比苯难。 是由于吡啶环上氮原子的吸电子作用使得环上碳原子电子云密度较苯低 ,尤其与质子或其它Lewis 酸结合后 , 氮的吸电子作用更强 , 不易进行亲电取代反应。若在强烈条件下 , 可以在 β位发生亲电取代反应，但产量也较低。

（ 2 ）具有碱性。吡啶的碱性 (pKb=8.8) 比苯胺强 , 比氨和脂肪胺弱 ,与无机酸作用能形成盐。

N N

+ HCl+

H

Cl-

（ 3 ）易溶于水。这是由于吡啶氮原子上未参与成键的孤对电子所致。吡啶能通过形成氢键与水互溶，但吡啶环上引入羟基或氨基后 , 化合物的水溶性却明显降低 , 而且引入的羟基或氨基数目愈多 ,水溶性愈差 , 这与一般开链及碳环化合物情况完全不同。主要原因是溶质分子间缔合 ( 分子间氢键等 ) ，抑制了与水分子间的缔合。

（ 4 ）吡啶的氧化和还原反应 吡啶环对氧化剂较苯更为稳定。当环上连有烷基侧链时 ,侧链可被氧化成羧酸 ,保留吡啶环。

吡啶较苯易被还原 , 用金属钠和乙醇或催化加氢 , 均可使吡啶还原成六氢吡啶。

六氢吡啶又称哌啶 (pKb=2.8), 是仲胺化合物 , 碱性较吡啶强 106倍

二．嘧啶及其衍生物嘧啶是含有两个氮原子的六元杂环。无色固体 , 熔点为 22℃，易溶于水，也具有弱碱性，亲电取代反应也较困难。

嘧啶的衍生物在自然界分布很广 , 它可单独存在或与其它环系稠合存在于维生素、生物碱及蛋白质中 , 许多合成的药物也含有嘧啶结构。在核酸的组成中 , 包括有胞嘧啶 (cytosine) 、尿嘧啶(uracil) 和胸腺嘧啶 (thymine) 等。

胞嘧啶 (C) 尿嘧啶 (U) 胸腺嘧啶

(T)

这些嘧啶衍生物可以产生酮式和烯醇式的互变异构现象 ,

目前临床上使用的磺胺类抗菌药也有包含嘧啶环的

TMP(磺胺增效剂 ) 5-FU(抗癌药

物 )

第三节　 五元杂环化合物一、吡咯、呋喃和噻吩的结构和性质1.　 结构及特征

　吡咯　　 呋喃 噻吩

由于吡咯、呋喃和噻吩环中氮、氧、硫的给电子共轭效应大于吸电子的诱导效应，电子离域的结果使杂原子上 π 电子云密度降低，碳原子上电子云密度升高。所以，碳原子上的芳香性亲电取代反应较苯容易，取代基一般进入 α- 位但稳定性及芳香性比苯小，这是由于杂环上的π 电子云密度不象苯那么均匀。

2 吡咯的酸碱性由于吡咯分子中氮原子上的未共用电子对参与了环的共轭，使 N 上的电子云密度降低 , N-H键极性增加表现出弱酸性(pKa=17.5) 。

吡咯在无水条件下可以与固体苛性钾共热成盐。

3 亲电取代反应

二 吡咯的衍生物

卟吩 血红素三 咪唑的结构与功能（了解）

第四节 稠杂环化合物

稠杂环化合物是指两个或两个以上杂环稠合或由苯环与杂环稠合而成的杂环化合物。由苯环与杂环化合物稠合的杂环化合物又称为苯稠杂环。常见的稠杂环化合物有嘌呤、吲哚、喹啉等及其衍生物，本节主要讨论嘌呤及其衍生物的结构和性质。嘌呤在水溶液中可发生互变异构 , 它有两种互变异构体。

( )Ⅰ 　 9H - 嘌呤 ( )Ⅱ 　 7H - 嘌呤

嘌呤本身在自然界中不存在 , 但它的衍生物广泛分布于动植物中 , 其中腺嘌呤 (adenine) 和鸟嘌呤 (guanine) 是嘌呤的两个重要衍生物，均为核酸的碱基。

腺嘌呤 (A) 鸟嘌呤 (G)

次黄嘌呤、黄嘌呤和尿酸是腺嘌呤与鸟嘌呤在体内的代谢产物，均为嘌呤的衍生物 , 存在于哺乳动物的尿和血中。

次黄嘌呤 黄嘌呤 尿酸

尿酸具有酮式和烯醇型两种互变异构体。

第四节 相关知识磺胺类药物基本情况 磺胺 (sulfanilamide SN) 是 1935年世界上问世的第一个治疗全身性细菌感染的特效药；磺胺类药物 (sulfa drug) 的优点是抗菌谱较广，对链球菌和葡萄球菌等有很好的抑制作用。磺胺类药物的基本结构是对氨基苯磺酰胺，简称磺胺。

结构特征　在磺胺的基本结构中，有两个重要基团，即磺酰胺基 (-SO2NH2 ，其中氮原子定为 N1) 和对氨基 (-NH2 ，其中氮原子定为 N4) ，这两个基团必须处在苯环的对位才具有抑菌作用。研究发现，当 N1 上的氢原子被其它基团取代后，将会使磺胺的抑菌作用不同程度地增强，而当 N4 上的氢原子被其它基团取代后，则会降低甚至丧失其抑制作用。