杂环化合物与维生素.ppt
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1、第十四章第十四章第十四章第十四章 杂环化合物与维生素杂环化合物与维生素杂环化合物与维生素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
2、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规则。规则。第一节第一节芳香杂环化合物芳香杂环化合物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:记记8个,个,N原子三价原子三价H的书写的书写杂杂环环化化合合物物的的命命名名根根据据国国际际通通用用英英文文名名称称译译音音,选选用用同同音音汉汉字字加加“口口”字字旁旁的的专专用用字字作作为为杂杂环环名名称
3、称。表表内内所所列列名名称称已经规范,不得以其它谐音代替。已经规范,不得以其它谐音代替。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(,-二二甲甲基基呋呋喃喃)(-甲甲基基吡吡咯咯)(-硝硝基吡啶基吡啶)5-甲基噻唑甲基噻唑2.有多个杂原子时有多个杂原子时,按按OO、S S、N(N-R;N-H;N)N(N-R;N-H;N)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
4、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6 6电子环状共轭大电子环状共轭大电子环状共轭大电子环状共轭大 键键键键。与与苯环比较苯环比较,呋喃、噻吩、吡咯为呋喃、噻吩、吡咯为 5 5原子共用原子共用原子共用原子共用6 6个个个个 电子电子电子电子“富富富富芳杂环芳杂环芳杂环芳杂环”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
5、对升高亲电性亲电性取代比苯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5C1N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吡啶环中吡啶环中C上上
6、电子密度比苯低电子密度比苯低“缺缺 芳杂环芳杂环”。表现在性质上,亲电取代变难,亲核取代变易;。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;另外氧化变难,还原变易;另外sp2杂化杂化N上的孤对电上的孤对电子具有一定程度的碱性,可成盐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10邓健 制作 罗美明 审校吡吡咯咯环环的的杂杂原原子子N上上的的孤孤对对电电子子参参与与了了环环的的共共轭轭体体系系,不不易易与与水水形形成成氢氢键键,因因此此难难溶溶于于水水,也也不不易易接接受受质质子子。碱碱性性比比苯苯胺胺还还弱弱,相相反反吡吡咯咯N上
7、上的的H却却有有微微弱弱的的酸酸性性(pKa=17.5),与与醇醇相相当当,而而比比酚酚弱弱。吡吡咯咯在在无无水水条条件件下下可可以以与与固固体体氢氢氧氧化钾加热生成钾盐。化钾加热生成钾盐。吡吡啶啶中中氮氮原原子子上上的的孤孤对对电电子子不不参参与与环环的的共共轭轭体体系系,能能与与水水形形成成氢氢键键,所所以以吡吡啶啶可可以以任任意意比比例例溶溶于于水水,可可接接受受质质子子或或给给出出电电子子,呈呈现现碱碱性性,能能与与强酸形成盐强酸形成盐碱性比较: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 4.5 4.75 8.8 9.3 13.6(二二)亲电取代反应亲电取
8、代反应五五元元杂杂环环化化合合物物中中碳碳原原子子上上的的电电子子云云密密度度比比苯苯大大,因因此此亲亲电电取取代代反反应应容容易易发发生生,它它们们都都可可进进行行卤卤代代反反应应,反应优先发生在反应优先发生在 位位上。上。六六元元杂杂环环吡吡啶啶的的芳芳环环上上可可发发生生亲亲电电取取代代反反应应,但但比比苯苯要要困困难难,只只有有在在强强烈烈条条件件下下才才能能进进行行,取取代代基基主主要进入要进入 位位。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 呋呋喃喃、噻噻吩吩和和吡吡咯咯都都可可进进行行催催化化加加氢氢反反应应,生生成成相相应应的的四氢化物。
9、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)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。为什么?为什么?为什么?为什么?吡啶环对氧化剂较苯环稳定吡啶环对氧化剂较苯环稳定,而对还原剂比苯活泼。而对还原剂比苯活泼。-吡啶甲酸吡啶甲酸(烟酸烟酸)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(抗血吸虫药抗血吸虫药)糠糠醛醛(-呋呋喃喃甲甲醛醛)是是呋呋喃喃的的重重要要衍衍生生物物
10、,具具有有无无-H H的的芳芳香香醛醛的的特特性性,又又具具有有呋呋喃喃芳芳杂杂环环的的特特性性,因因此此用用途途广广泛泛,是是重要的有机合成原料。重要的有机合成原料。(二二)吡咯及其衍生物吡咯及其衍生物吡吡咯咯衍衍生生物物在在自自然然界界分分布布很很广广,植植物物中中的的叶叶绿绿素素和和动动物物中中的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(Heme)(Heme)(三三)噻唑、吡唑和咪唑衍生物噻唑、吡唑和咪唑衍生物咪唑咪唑1位位和和3位位N均取均取
11、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,符符合合Hckel规则规则,有一定芳香性。有一定芳香性。35 1 25 1 3 25-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。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
12、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。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。苄苄青青霉霉素素的的效效用用较较好好,其其钠钠或或钾钾盐盐为为治治疗疗革革兰兰氏氏阳性菌感染的首选药物。阳性菌感染的首选药物。(四四)吡啶及其衍生物吡啶及其衍生物吡啶及其衍生物广
13、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维生生素素B6是是蛋蛋白白质质代代谢谢的的必必要要物物质质,缺缺乏乏它它蛋蛋白白质质代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(六六)嘧啶嘧啶(Pyrimidine)(Pyrimidine)及其衍生物及其衍生物嘧嘧啶啶的的衍衍生生物物广广泛泛存存在在于于自自然然界界,其其重重要要的的衍衍生
14、生物物胞嘧啶、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)(2,4-)(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(p pK Kb b11.311.3)比吡啶比吡啶(p pK Kb b8.88.8)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
15、容易;嘧啶难以被氧化。5-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:三聚氰胺三聚氰胺(cyanuramide),含氮量高达含氮量高达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
16、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,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。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 吲吲哚哚与与-甲甲基基吲吲哚哚都都具具有有粪粪臭臭味味,共共存存于于粪粪中中。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。-吲吲哚哚乙乙酸酸是是一一种种植植物物生生
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