25三月20241廣西師范大學化學化工學院在環狀化合物中，組成環的原子除碳原子外，還有其它元素的原子時，這類化合物就叫雜環化合物。除碳以外的其它原子叫雜原子。最常見的雜原子是氧、硫和氮。如：在天然產物中有很大一部分是雜環化合物，許多雜環化合物的結構相當復雜，而且有很重要的生理作用。雜環化合物無論在理論研究或實際應用方面都很重要，在有機化學領域內，有關雜環化合物的研究工作占了相當大的比重。本章只能簡單討論極少數幾個環系的一些與生物關系密切的雜環化合物。一、分類和命名1、分類雜環化臺物的種類很多，有單環，也有與芳香環或其它雜環并聯成的稠環。環中的雜原子可以是一個、兩個或更多個，而且可以是相同的或是不同的。一般最常見的雜環是五元或六元環。2、命名雜環化合物的命名有兩種方法：①一種是按外文名詞音譯，并以一口字旁表示是環狀化合物，例如“呋喃”、“噻吩”、“吡咯”等，分別讀作”夫南”、“塞分”、“比絡”。②另—種方法是以相應于雜環的碳環命名，也就是將雜環看作是相應的碳環化合物中碳原子被雜原子代替而成的產物。⑴五元雜環相應于上述各雜環的碳環是環戊二烯，按照第二種命名方法，上述雜環就叫某雜環戊二烯。單雜環編號時總是以雜原子為1，如環中有兩個相同雜原子，則由帶取代基(或H)的一個雜原子開始，如果環中有兩個或幾個不同的雜原子，則按照O＞S＞N的順序編號，雜原子號數應最小，如噻唑則以S為1。有時也常以α，β表示不同碳原子的位置，與雜原子相鄰的為α。（2）六元雜環吡啶、嘧啶、吡嗪的母體碳環則是苯。⑶稠雜環：稠雜環常有其特定的編號方法，如嘌呤、蝶啶等。相應于吲哚、嘌呤的母體碳環是茚，而相應于苯并吡喃、喹啉、異哇啉及蝶啶的母體碳環是萘。二、幾種重要環系的結構與性質1、呋哺、噻吩、吡咯，吡啶的結構呋喃分子呈平面型，氧原了為sp2雜化狀態，其未成對電子分別與兩個碳原了形成兩個，健，余下的兩對未共用電子中的—對以垂直于環平面的p軌道與四個碳原子上的p軌道平行重疊，形成一個環閉的共軛體系，這個共軛體系是由五個P軌道，六個p電子組成的。其p電子數與苯環上的p電子數相同，符合休克爾規則，所以具有芳香性。噻吩、吡咯，吡啶的結構與呋喃的結構相類似。2、呋喃、噻吩、吡咯、吡啶的性質(1)親電取代反應：由于上述環閉共軛體系的結構特點，呋喃、噻吩、吡咯與一般芳香族化合物一樣，容易進行某些親電取代反應。例如吡咯與碘的碘化鉀溶液作用，很容易得到四碘代吡咯，而不是

一元取代的產物：噻吩在室溫就能與濃硫酸發生磺化反應,由煤焦油所得的粗苯中總含有噻吩，由于噻吩(沸點84℃)與苯的沸點相近，所以用分餾的方法很難除去，但可以利用噻吩比苯容易磺化的特點，將含噻吩的苯與濃硫酸—起振蕩，噻吩即被磺化而溶于濃硫酸中，從而可與苯分離。這是制備無噻吩苯的常用方法。這些環系的親電取代反應都發生在α位，當兩個α位都有取代基時，第三個取代基才進入β位。活性：吡咯＞呋喃＞噻吩吡啶比苯難于發生親電取代反應，例如，使吡啶硝化需要300℃以上的高溫。取代基主要進入β位。這是因為N的吸電子性及反應條件要求如此之高，除上述原因之外，還由于在反應中吡啶首先與H+結合成鹽．而使環帶正電性，更不利于親電試劑的進攻。也正是由于吡啶環上電子密度低，所以吡啶容易發生親核的取代或加成反應。(2)氧化

呋喃、吡咯對氧化劑都很敏感，它們在空氣中就能被氧化。而吡啶對氧化劑卻相當穩定。如以高錳酸鉀氧化γ—苯基吡啶，得到的是γ—吡啶甲酸，而不是苯甲酸。(3)還原呋喃、噻吩和吡咯都很容易被還原為飽和的環系。(4)吡咯及吡啶的堿性含氮化合物堿性的強弱取決于氮原子上未共用電子對與H+結合的能力，在吡咯分子中，氮原子上的未共用電子對由于參與了環系的共軛，因而失去與H+結合的能力，同時由于這種共軛作用，使氮原子上電子密度相對降低，從而氮原子上的氫能以H+的形式解離，所以吡咯不但不顯堿性反而顯弱酸性，它能與氫氧化鈉或氫氧化鉀成鹽，而不與稀酸或弱酸成鹽。吡啶中氮原子上的未共用電于對未參與環系的共軛，因此吡啶顯堿性，可與酸成鹽。3呋喃、噻吩、吡咯的制備

1,4-二羰基化合物。TsOH(或P2O5)，P2S5，NH3。4呋喃、吡咯、噻吩的衍生物給出下列反應的產物結構、名稱及反應類型。5含兩個雜原子的五元雜環化合物1).結構與物理性質試比較咪唑與吡咯酸堿性的不同，并指出咪唑哪一個N原子是堿性中心。試推測噁唑與咪唑及1,2唑與相應的1,3唑的堿性大小。2)唑的親電取代反應1,2-唑親電取代發生在C-4位；1,3-唑主要發生在C-4位。3)唑的衍生物6、喹啉合成法——Skraup法三、與生物有關的雜環及其衍生物舉例1、吡咯、葉綠素、血紅素及維生素B12吡咯存在于煤焦油和骨焦油中，是無色液體，沸點131℃，在空氣中因氧化而迅速變黑。在微量無機酸存在下易聚合成暗紅色樹脂狀物。少量吡咯蒸氣遇到蘸有鹽酸的松木片顯紅色，這叫做吡咯的松片反應，可用來鑒別吡咯及其低級同系物。吡咯的許多衍生物廣泛分布于自然界，例如，葉綠素、血紅素等，它們都是有重要生理作用的細胞色素，叫做卟啉類化合物。如紅桃K葉綠素和血紅素具有相同的基本骨架—卟吩。卟吩是由四個吡咯環的α-碳原子通過次甲基(-CH=)相連而成的復雜共軛體系，所以葉綠素、血紅素等都有顏色。卟吩呈平面型，在四個吡咯環中間的空隙里四個氮原子可以分別以共價鍵及配價鍵與不同的金屬離子結合，在葉綠素中結合的是鎂，而血紅素中結合的是鐵；同時四個吡咯環的β位置還各有不同的取代基。葉綠素是含于植物的葉和莖中的綠色色素，它與蛋白質結合存在于葉綠體中，是植物進行光合作用所必需的催化劑，植物通過葉綠素吸收了太陽能才能進行光合作用。葉綠素a是藍黑色結晶，熔點150-153℃，其乙醇溶液呈藍綠色，并有深紅色熒光。葉綠素b是深綠色粉末，熔點120一130℃，乙醇溶液呈綠或黃綠色，有紅色熒二者都易溶于乙醇、乙醚、丙酮、氯仿等，而難溶于石油醚；都有旋光活性。葉綠素可做食品、化妝品及醫藥上的無毒著色劑。血紅素是高等動物體內輸送氧的物質，它與蛋白質結合成血紅蛋白而存在于紅血球中，以鹽酸水解血紅蛋白，即得氯化血紅素。葉綠素及血紅素都可用人工方法合成。維生素B12也是含有類似于卟吩環的復雜分子，它是天然產物中結構最復雜的化臺物之一，但不屬于高分子化合物。四、生物堿（聯系生物農藥）生物堿是指一類存在于生物體中的結構復雜，并具很強生理作用的含氮堿性有機物。由于它們主要存在于植物中，所以也常叫做植物堿，至今分離出的生物堿已有數千種。一種植物中可以含有多種牛物堿，同一科的植物所含生物堿的結構往往是相似的。氨基酸是生物堿合成的前身。1、性質生物堿大多為固體，難溶于水，而能溶于乙醇等有機溶劑。大部分生物堿具旋光性。2、檢驗許多試劑能與生物堿生成不溶性的沉淀或發生顏色反應，這些試劑叫做生物堿試劑，可以用它們檢出生物堿。與生物堿能生成沉淀的試劑有丹寧、苦味酸、磷鎢酸、磷鉬酸、碘化汞鉀(HgI2+KI)等。它們可以使生物堿由水溶液中沉淀出來。能與生物堿產生顏色反應的有硫酸、硝酸、甲醛及氨水等。3、命名：生物堿常根據其基本骨架或雜環來分類，而根據它所來源的植物來命名。4、實例⑴煙堿煙草中含有十余種生物堿，煙堿是其中之一它是結構比較簡單的生物堿，以蘋果酸鹽及檸檬酸鹽的形式存在。煙堿又名尼古丁，屬于吡啶族生物堿。它是無色能溶于水的液體，沸點246，天然存在的是左旋體。煙堿有劇毒，少量對中樞神經有興奮作用，能增高血壓，量大時能抑制中樞神經系統，使心臟麻痹以致死亡。(+)-煙堿的毒性比(-)-異構體小得多。煙堿可用作農業殺蟲劑。⑵顛茄堿顛茄堿也叫阿托平，它是含于許多茄科植物，如顛茄、曼陀羅、天仙子等中的一種生物堿。顛茄堿是白色結晶，熔點114-116℃，難溶于水，易溶于乙醇，有苦味。醫藥上用作抗膽堿藥，能抑制汗腺、唾液、淚腺、胃液等多種腺體的分泌并能擴散瞳孔，用于醫治平滑肌痙攣、胃和十二脂腸潰瘍病；也可用作有機磷及銻劑中毒的解毒劑。⑶麻黃堿麻黃堿是含于草藥麻黃中的一種生物堿，又叫麻黃素。它是一個仲胺，不具含氮雜環，結構與腎上腺素相似。麻黃素分子中含兩個不相同手性碳原子，應有兩對對映異構體，其中—對叫麻黃堿，一對叫假麻黃堿，天然存在的是(-)-麻黃堿及(+)-假麻黃堿。前者的生理作用最強我國出產的麻黃含(-)-麻黃堿最多，質量最好。麻黃堿為無色結晶，易溶于水和氯仿、乙醇、乙醚等有機溶劑。麻黃堿的生理作用也與腎上腺素相似，有興奮交感神經、增高血壓、擴張氣管的作用，用于支氣管哮喘癥。⑷嗎啡堿（聯系麻醉劑）罌粟科植物鴉片中含有20余種生物堿，其中含量最多的是嗎啡。嗎啡是1817年被提純的第一個生物堿，但它的結構至1952年才確定。