第十七章 杂环化合物 杂环化合物和生物碱广泛存在于自然界中，在动植物体内起着重要的生理作用。本章介绍杂环化合物的分类、命名、结构特点、性质及重要的杂环化合物，生物碱的一般性质、提取方法和重要的生物碱。 环状有机化合物中，构成环的原子除碳原子外还含有其它原子，且这种环具有芳香结构，则这种环状化合物叫做杂环化合物。组成杂环的原子，除碳以外的都叫做杂原子。常见的杂原子有氧、硫、氮等。前面学习过的环醚、内酯、内酐和内酰胺等都含有杂原子，但它们容易开环，性质上又与开链化合物相似，所以不把它们放在杂环化合物中讨论。 杂环化合物种类繁多，在自然界中分布很广。具有生物活性的天然杂环化合物对生物体的生长、发育、遗传和衰亡过程都起着关键性的作用。例如：在动、植物体内起着重要生理作用的血红素、叶绿素、核酸的碱基、中草药的有效成分——生物碱等都是含氮杂环化合物。一部分维生素、抗菌素、植物色素、许多人工合成的药物及合成染料也含有杂环。 杂环化合物的应用范围极其广泛，涉及医药、农药、染料、生物膜材料、超导材料、分子器件、贮能材料等，尤其在生物界，杂环化合物几乎随处可见。 17.1 杂环化合物的分类和命名 为了研究方便，根据杂环母体中所含环的数目，将杂环化合物分为单杂环和稠杂环两大类。最常见的单杂环有五元环和六元环。稠杂环有芳环并杂环和杂环并杂环两种。另外，可根据单杂环中杂原子的数目不同分为含一个杂原子的单杂环、含两个杂原子的单杂环等。 杂环化合物的命名在我国有两种方法：一种是译音命名法；另一种是系统命名法。 译音法是根据IUPAC推荐的通用名，按外文名称的译音来命名，并用带“口”旁的同音汉字来表示环状化合物。例如： 呋喃 咪唑 吡啶 嘌呤 furan imidazole pyridine purine 杂环上有取代基时，以杂环为母体，将环编号以注明取代基的位次，编号一般从杂原子开始。含有两个或两个以上相同杂原子的单杂环编号时，把连有氢原子的杂原子编为1，并使其余杂原子的位次尽可能小；如果环上有多个不同杂原子时，按氧、硫、氮的顺序编号。例如： 2,5-二甲基呋喃 4 –甲基咪唑 4,5–二甲基噻唑 当只有1个杂原子时，也可用希腊字母编号，靠近杂原子的第一个位置是α-位，其次为β-位、γ-位等。例如： α-呋喃甲醛 γ-甲基吡啶 当环上连有不同取代基时，编号根据顺序规则及最低系列原则。结构复杂的杂环化合物是将杂环当 做取代基来命名。例如： 2-甲基-5-乙基呋喃 4-吡啶甲酸 5-硝基-2-呋喃甲醛 2-乙酰基吡咯 稠杂环的编号一般和稠环芳烃相同，但有少数稠杂环有特殊的编号顺序。例如： 吲哚 异喹啉 嘌呤 2,6,8-三羟基嘌呤 系统命名法是根据相应的碳环为母体而命名，把杂环化合物看作相应碳环中的碳原子被杂原子取代后的产物。命名时，化学介词为“杂”字，称为“某杂某”。例如，五元杂环相应的碳环为 ，定名为“茂”，则 称为氧杂茂；茂中的“戊”表示五元环，草头表示具有芳香性。系统命名法能反映出化合物的结构特点。 17.2 杂环化合物的结构 1．呋喃、噻吩、吡咯 五元杂环化合物中最重要的是呋喃、噻吩、吡咯及它们的衍生物。 呋喃 噻吩 吡咯 从这三种杂环化合物的结构式上看，它们似乎应具有共轭二烯烃的性质，但实验表明，它们的许多化学性质类似于苯，不具有典型二烯烃的加成反应，而是易发生取代反应。 近代物理方法证明：组成呋喃、噻吩、吡咯环的5个原子共处在一个平面上，成环的4个碳原子和1个杂原子都是sp2杂化。环上每个碳原子的p轨道中有1个电子，杂原子的p轨道中有2个p电子。5个原子彼此间以sp2杂化轨道“头碰头”重叠形成σ键。4个碳原子和1个杂原子未杂化的p轨道都垂直于环的平面，p轨道彼此平行，“肩并肩”重叠形成1个由5个原子所属的6个π电子组成的闭合共轭体系。如图所示。由于π电子数符合休克尔（Hückel）规则（4n+2），因此呋喃、噻吩、吡咯表现出与苯相似的芳香性。 呋喃 噻吩 吡咯 呋喃、噻吩、吡咯的结构 在呋喃、噻吩、吡咯分子中，由于杂原子的未共用电子对参与了共轭体系（6个π电子分布在由5个原子组成的分子轨道中），使环上碳原子的电子云密度增加，因此环中碳原子的电子云密度相对地大于苯中碳原子的电子云密度，所以此类杂环称为富电子芳杂环或多π电子芳杂环。 杂原子氧、硫、氮的电负性比碳原子大，使环上电子云密度分布不象苯环那样均匀，所以呋喃、噻吩、吡咯分子中各原子间的键长并不完全相等，因此芳香性比苯差。由于杂原子的电负性强弱顺序是：氧>氮>硫，所以芳香性强弱顺序如下：苯＞噻吩＞吡咯＞呋喃。 2．吡啶 六元杂环化合物中最重要的是吡啶。吡啶的分子结构从形式上看与苯十分相似，可以看作是苯分子中的一个CH基团被N原子取代后的产物。根据杂化轨道理论，吡啶分子中5个碳原子和1个氮原子都是经过sp2杂化而成键的，象苯分子一样，分子中所有原子都处在同一平面上。与吡咯不同的是，氮原子的三个未成对电子，两个处于sp2轨道中，与相邻碳原子形成σ键，另一个处在p轨道中，与5个碳原子的p轨道平行，侧面重叠形成一个闭合的共轭体系。氮原子尚有一对未共用电子对，处在sp2杂化轨道中与环共平面。如图所示。吡啶符合休克尔规则，所以吡啶具有芳香性。 吡啶的结构 在吡啶分子中，由于氮原子的电负性比碳大，表现出吸电子诱导效应，使吡啶环上碳原子的电子云密度相对降低，因此环中碳原子的电子云密度相对地小于苯中碳原子的电子云密度，所以此类杂环称为缺电子芳杂环或缺π电子芳杂环。 富电子芳杂环与缺电子芳杂环在化学性质上有较明显的差异。 17.3 杂环化合物的化学性质 呋喃、噻吩、吡咯都是富电子芳杂环，环上电子云密度分布不象苯那样均匀，因此，它们的芳香性不如苯，有时表现出共轭二烯烃的性质。由于杂原子的电负性不同，它们表现的芳香性程度也不相同。吡啶是缺电子芳杂环，其芳香性也不如苯典型。 1．亲电取代反应 富电子芳杂环和缺电子芳杂环均能发生亲电取代反应。但是，富电子芳杂环的亲电取代反应主要发生在电子云密度更为集中的α-位上，而且比苯容易；缺电子芳杂环如吡啶的亲电取代反应主要发生在电子云密度相对较高的β-位上，而且比苯困难。吡啶不易发生亲电取代，而易发生亲核取代，主要进入α-位，其反应与硝基苯类似。 （1）卤代反应 呋喃、噻吩、吡咯比苯活泼，一般不需催化剂就可直接卤代。 α-溴代呋喃 α-溴代噻唑 吡咯极易卤代，例如与碘-碘化钾溶液作用，生成的不是一元取代产物，而是四碘吡咯。 2,3,4,5-四碘吡咯 吡啶的卤代反应比苯难，不但需要催化剂，而且要在较高温度下进行。 β-溴代吡啶 （2）硝化反应 在强酸作用下，呋喃与吡咯很容易开环形成聚合物，因此不能象苯那样用一般的方法进行硝化。五元杂环的硝化，一般用比较温和的非质子硝化剂——乙酰基硝酸酯（CH3COONO2）和在低温度下进行，硝基主要进入α-位。 吡啶的硝化反应需在浓酸和高温下才能进行，硝基主要进β-位。 （3）磺化反应 呋喃、吡咯对酸很敏感，强酸能使它们开环聚合，因此常用温和的非质子磺化试剂，如用吡啶与三氧化硫的加合物作为磺化剂进行反应。 α-呋喃磺酸 α-吡咯磺酸 噻吩对酸比较稳定，室温下可与浓硫酸发生磺化反应。 α-噻吩磺酸 吡啶在硫酸汞催化和加热的条件下才能发生磺化反应。 β-吡啶磺酸 （4）傅-克反应 傅氏酰基化反应常采用较温和的催化剂如SnCl4、BF3等，对活性较大的吡咯可不用催化剂，直接用酸酐酰化。吡啶一般不进行傅氏酰基化反应。 α-乙酰基呋喃 α-乙酰基吡咯 2．加成反应 呋喃、噻吩、吡咯均可进行催化加氢反应，产物是失去芳香性的饱和杂环化合物。呋喃、吡咯可用一般催化剂还原。噻吩中的硫能使催化剂中毒，不能用催化氢化的方法还原，需使用特殊催化剂。吡啶比苯易还原，如金属钠和乙醇就可使其氢化。 四氢呋喃 四氢噻吩 四氢吡咯（吡咯烷） 六氢吡啶 喹啉催化加氢，氢加在杂环上，说明杂环比苯环易被还原。 四氢喹啉 四氢呋喃在有机合成上是重要的溶剂。四氢噻吩可氧化成砜或亚砜，四亚甲基砜是重要的溶剂。四氢吡咯具有二级胺的性质。 呋喃的芳香性最弱，显示出共轭双烯的性质，与顺丁烯二酸酐能发生双烯合成反应（狄尔斯-阿尔德反应），产率较高。 3．氧化反应 呋喃和吡咯对氧化剂很敏感，在空气中就能被氧化，环被破坏。噻吩相对要稳定些。吡啶对氧化剂相当稳定，比苯还难氧化。例如，吡啶的烃基衍生物在强氧化剂作用下只发生侧链氧化，生成吡啶甲酸，而不是苯甲酸。 γ-吡啶甲酸 β-吡啶甲酸 α,β- 吡啶二甲酸 4．吡咯和吡啶的酸碱性 含氮化合物的碱性强弱主要取决于氮原子上未共用电子对与H+的结合能力。在吡咯分子中，由于氮原子上的未共用电子对参与环的共轭体系，使氮原子上电子云密度降低，吸引H+的能力减弱。另一方面，由于这种p-π共轭效应使与氮原子相连的氢原子有离解成H+的可能，所以吡咯不但不显碱性，反而呈弱酸性，可与碱金属、氢氧化钾或氢氧化钠作用生成盐。 吡啶氮原子上的未共电子对不参与环共轭体系，能与H+结合成盐，所以吡啶显弱碱性，比苯胺碱性强，但比脂肪胺及氨的碱性弱得多。 17.4 与生物有关的杂环化合物及其衍生物 １．呋喃及其衍生物 糠醛是不含α-氢的醛，其化学性质与苯甲醛相似，能发生康尼查罗反应及一些芳香醛的缩合反应，生成许多有用的化合物。因此，糠醛是有机合成的重要原料，它可以代替甲醛与苯酚缩合成酚醛树酯，也可用来合成药物、农药等。 2．吡咯及其衍生物 3．吡啶及其衍生物定。 β-吡啶甲酸（烟酸或尼克酸） β-吡啶甲酰胺（烟酰胺或尼克酰胺） 4. 吲哚及其衍生物 吲哚 β-甲基吲哚 β-吲哚乙酸 5．苯并吡喃及其衍生物 苯并吡喃 2-苯基苯并吡喃 6．嘧啶及其衍生物 嘧啶是含两个氮原子的六元杂环。它是无色晶体，熔点20～22℃，沸点123～124℃，易溶于水，具有弱碱性，可与强酸成盐，其碱性比吡啶弱。这是由于嘧啶分子中氮原子相当于一个硝基的吸电子效应，能使另一个氮原子上的电子云密度降低，结合质子的能力减弱，所以碱性降低。 嘧啶很少存在于自然界中，其衍生物在自然界中普遍存在。例如核酸和维生素B1中都含有嘧啶环。组成核酸的重要碱基：胞嘧啶（Cytsine，简写C）、尿嘧啶（Ｕracil，简写Ｕ）、胸腺嘧啶（Thymine，简写T）都是嘧啶的衍生物，它们都存在烯醇式和酮式的互变异构体。 4-氨基-2-羟基嘧啶 4-氨基-2-氧嘧啶 胞嘧啶（C） 2，4-二羟基嘧啶 2，4-二氧嘧啶 尿嘧啶（U） 5-甲基-2，4-二羟基嘧啶 5-甲基-2，4-二氧嘧啶 胸腺嘧啶（T） 在生物体中哪一种异构体占优势，取决于体系的pH。在生物体中，嘧啶碱主要以酮式异构体存在。 7．嘌呤及其衍生物 嘌呤可以看作是一个嘧啶环和一个咪唑环稠合而成的稠杂环化合物。嘌呤也有互变异构体，但在生物体内多以（Ⅱ）式存在。 7-氢嘌呤 9-氢嘌呤 （Ⅰ） （Ⅱ） 嘌呤为无色晶体，熔点216℃，易溶于水，能与酸或碱生成盐，但其水溶液呈中性。 嘌呤本身在自然界中尚未发现，但它的氨基及羟基衍生物广泛存在于动、植物体中。存在于生物体内组成核酸的嘌呤碱基有：腺嘌呤（Adenine，简写A）和鸟嘌呤（Guanine，简写G），是嘌呤的重要衍生物。它们都存在互变异构体，在生物体内，主要以右边异构体的形式存在。 6-氨基嘌呤 腺嘌呤（A） 2-氨基-6-羟基嘌呤 2-氨基-6-氧嘌呤 鸟嘌呤（G） 细胞分裂素是分子内含有嘌呤环的一类植物激素。细胞分裂素能促进植物细胞分裂，能扩大和诱导细胞分化，以及促进种子发芽。它们常分布于植物的幼嫩组织中，例如，玉米素最早是从未成熟的玉米中得到的。人们常用细胞分裂素来促进植物发芽、生长和防衰保绿，以及延长蔬菜的贮藏时间和防止果树生理性落果等。 8．喋呤及其衍生物*