14 第14章 杂环化合物与维生素.pptx

第1页：第十四章 杂环化合物与维生素

第十四章 杂环化合物与维生素：本章目录页。

• 第一节 芳香杂环化合物
• 第二节 维生素

*第二节维生素一分类和命名二芳香六元杂环三芳香五元杂环四稠杂环化合物一维生素概述二脂溶性维生素三水溶性维生素

第2页：“杂环”就是组成环的原子除C外

“杂环”就是组成环的原子除C外，还含有其它元素的原子，这些非碳原子统称为杂原子。

原则上二价以上的元素都可成为杂原子,但最常见的是O、S和N。

前面学过的环氧化合物、环状酸酐、内酯、内酰胺等:因其性质与相应的脂肪族化合物较相似，因此并入脂肪族化合物中讨论,而不列为杂环化合物。

第3页：本章讨论的杂环化合物

本章讨论的杂环化合物主要指环系较稳定，包括杂原子在内的环是平面型，环内有4n+2个电子处于环闭共轭体系中，统称为芳(香)杂环化合物。

呋喃噻唑嘧啶嘌呤其它不具芳香性的杂环化合物，统称为非芳香杂环化合物或杂脂环化合物。

杂脂环

第4页：第一节 芳香杂环化合物

一、分类和命名六元杂环:五元杂环:

第5页：译音＋“口”旁

命名原则

译音＋“口”旁FuranThiophenePyrroleThiazoleImidazolePyrazoleOxazole呋喃噻吩吡咯噻唑咪唑吡唑噁唑

第6页：Pyridine

PyridinePyrimidine Pyridazine吡啶嘧啶哒嗪QuinolineIsoquinoline喹啉异喹啉Indole Purine吲哚嘌呤

第7页：单杂环的编号从杂原子开始

• 单杂环的编号从杂原子开始。
• 杂环的编号规则：呋喃吡啶吡咯2-甲基呋喃3-硝基吡咯4-乙基吡啶(-甲基呋喃) (-硝基吡咯) (-乙基吡啶)

第8页：有多个杂原子

• 有多个杂原子时,按O、S、N (N-R;N-H;N)顺序编号4-甲基咪唑5-甲基噻唑4-甲基嘧啶1-甲基吡唑
• 稠杂环的编号一般和稠环芳烃相同,但少数有例外喹啉吖啶嘌呤

第9页：芳香六元杂环

芳香六元杂环包括环中有1个杂原子的六元杂环(如吡啶)和环中有多个杂原子的六元杂环(如嘧啶)。

吡啶是具有特殊臭味的无色液体。

存在于煤焦油、骨焦油中,其衍生物广泛存在于自然界。

工业上主要从煤焦油的轻油部分提取吡啶。

• 吡啶(C5H5N)的结构二、芳香六元杂环

第10页：N的p轨道含1个电子

N的p轨道含1个电子,组成环闭共轭体系孤电子对占据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,侧面交叠形成环闭大π键。

吡啶的结构模型

第11页：π电子云向电负性较大的N原子转移

π电子云向电负性较大的N原子转移,使N带部分负电荷,C带部分正电荷,π电子云出现的几率密度如下：吡啶环中C上电子密度比苯低，这类芳杂环亦称为“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上的孤电子对具有一定程度的碱性，可成盐。

亲电试剂进攻位点1.00139pm0.841.431.010.87134pm139pm140pm亲核试剂进攻位点？

第12页：吡啶的性质1.水溶性解释下列吡啶

• 吡啶的性质1.水溶性解释下列吡啶类化合物的水溶性现象？

水溶度

∞1:11:1微溶答:吡啶能与水形成氢键。

羟基或氨基取代的吡啶因分子间氢键的形成而降低了水溶度。

第13页：吡啶环N原子的孤电子对处

碱性

吡啶环N原子的孤电子对处于sp2杂化轨道上，而一般脂肪胺N上的孤电子对处于sp3杂化轨道。

前者碱性较弱(pKb=8.8)。

碱性比较

脂肪胺→→→ ≈苯胺pKb：3~ 4.58.89.3

第14页：亲电取代与亲核取代

3.亲电取代与亲核取代反应由于氮原子的电负性大,吡啶环上碳原子的电子云密度较苯低，尤其与质子或Lewis酸结合使N带正电荷后，环上C的电子云密度更低。

吡啶的亲电取代反应要比苯难得多，与硝基苯相似，亲电取代反应主要进入位。

-硝基吡啶-溴吡啶-吡啶磺酸

第15页：亲核取代比苯容易

亲核取代比苯容易，主要发生在α位上。

当α或γ位上有易离去基时，较弱的亲核试剂就能发生亲核取代反应。

第16页：氧化与还原吡啶环对氧化

• 氧化与还原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)六氢吡啶(哌啶)六氢吡啶(pKb=2.8),碱性较吡啶强106倍。

为什么？

第17页：嘧啶(C4H4N2)及其衍生物

（三）嘧啶(C4H4N2)及其衍生物543612嘧啶(Pyrimidine)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。

第18页：嘧啶的衍生物分布范围广

嘧啶的衍生物分布范围广，如维生素、生物碱、核酸、蛋白质及许多药物都含有嘧啶结构。

胞嘧啶(cytosine)胸腺嘧啶(thymine)尿嘧啶(uracil)这些嘧啶衍生物存在酮式和烯醇式互变异构:5-氟尿嘧啶(抗肿瘤药)

第19页：芳香五元杂环(一)呋喃

• 芳香五元杂环(一)呋喃、噻吩、吡咯的结构4C 1O共面；

都有一个垂直于分子平面的p轨道,侧面交叠形成环闭大π键，其中四个碳原子各贡献1个p电子，氧原子则贡献2个p电子,形成6电子环状共轭大π键。

与苯环比较,呋喃、噻吩、吡咯为5原子共用6个π电子,故环上π电子云密度比苯环大,属于“富π芳杂环”。

第20页：上述杂环中的π电子云不象苯环那样

上述杂环中的π电子云不象苯环那样分布均匀，因而环的稳定性不如苯。

O的电负性(3.5)较大,故呋喃环π电子共轭程度较弱,芳香性最小。

S的电负性(2.5)在三者中为最小,且S原子半径较大，原子核对共轭π电子的吸引力较小，故噻吩环π电子共轭程度较大，芳香性在三者中最大。

N的电负性(3.0)在O、S之间，故吡咯的芳香性介于呋喃与噻吩之间。

芳香性(环的稳定性)

苯→噻吩→吡咯→呋喃呋喃噻吩吡咯

第21页：这些化合物键长的平均化程度远

这些化合物键长的平均化程度远不如苯(苯环上的碳碳键均为139 pm)，环的稳定性不如苯。

在化学性质上,既有与苯相似之处,又有一些差别。

共轭能

117(Kj·mol-1)8867(苯环150)

第22页：呋喃和噻吩的性质1．吡咯

• 吡咯、呋喃和噻吩的性质1．吡咯的酸碱性吡咯N上孤电子对因参与环的共轭,故碱性极弱,比苯胺还弱得多,不能与酸形成稳定的盐。

pKb

3.74.79.613.6

第23页：吡咯N上的H却有微弱的酸性

另一方面，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。

第24页：亲电取代

• 亲电取代反应由于环上的电子云密度比苯大，因此吡咯、呋喃和噻吩亲电取代反应比苯容易发生。

吡咯的活泼度与苯胺或苯酚相当。

亲电取代反应主要发生在位。

第25页：吡咯和呋喃遇强酸

吡咯和呋喃遇强酸时,杂原子能质子化,使芳香大键破坏,所以不能用强酸进行硝化和磺化反应,需选用较温和的非质子性试剂。

例如吡咯硝化需用硝酸乙酰基酯。

第26页：吡咯衍生物吡咯衍生

• 吡咯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。

卟吩(Porphin)血红素(Heme)

第27页：咪唑的结构与功能咪唑

• 咪唑的结构与功能咪唑可以看作是吡咯3位的CH被氮原子取代而生成的杂环化合物。

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Hückel规则,有一定芳香性。

第28页：咪唑中N上的氢

咪唑中N上的氢可以转移到另一个氮原子上,因而存在互变异构.这种情况在环上有取代基时很容易辨别。

• 1 25 13 25-甲基咪唑4-甲基咪唑甲基咪唑可发生下列互变异构:

第29页：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。

第30页：稠杂环

• 稠杂环化合物杂环与杂环稠合或苯环与杂环稠合而成的化合物总称为稠杂环化合物。

常见的稠杂环化合物有嘌呤、吲哚、喹啉等。

嘌呤可看成是由一个嘧啶环和一个咪唑环共用2个碳原子稠合而成。

嘌呤（purine）

第31页：嘌呤为白色固体

嘌呤为白色固体，熔点216~217℃，易溶于水，水溶液呈中性，但可分别与酸或碱生成盐。

嘌呤是两个互变异构的平衡体系,在生物体内平衡偏向于9H形式。

• H-嘌呤7H-嘌呤

第32页：嘌呤衍生物广泛分布在动植物

嘌呤衍生物广泛分布在动植物中，如腺嘌呤、鸟嘌呤均为核酸的碱基。

腺嘌呤(Adenine)鸟嘌呤(Guanine)

第33页：黄嘌呤和尿酸是腺嘌呤

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,存在于动物肝脏、血和尿中。

次黄嘌呤黄嘌呤尿酸酮式烯醇式

第34页：磺胺类药物

磺胺类药物(sulfa drug)是继青霉素之后使用的一类化学抗菌药，基本结构是对-氨基苯磺酰胺。

对-氨基苯磺酰胺本身就有抑菌作用。

当N1上的H原子被某些基团取代时，抗菌作用增强；

若N4上的H被取代，则抗菌能力降低甚至丧失。

因为具有N4游离氨基的磺胺与细菌繁殖所需的对氨基苯甲酸结构极为相似，使酶难以识别而达到抑菌作用。

*磺胺类药物如N4上的取代基易在体内分解而恢复成-NH2时，则仍具有原来的抗菌作用。

第35页：大多数磺胺类药物是不同杂环取代了磺胺

大多数磺胺类药物是不同杂环取代了磺胺的N1位上的一个H原子。

磺胺嘧啶SD磺胺甲基异噁唑SMZ

第36页：第二节 维生素

*第二节维生素一、维生素概述

• 定义维持正常生命活动所必需的一类小分子有机化合物
• 特点•既不供给能量，也不构成组织成分•体内不能合成或合成甚微，必须由食物供给•需要量很少(μg—mg/d ),但不可缺少•参与体内物质代谢与调节•参与辅酶组成
• 功能

第37页：脂溶性维生素

•脂溶性维生素：A、D、E、K。此类维生素因排泄效率不高，过多摄入会在体内蓄积而导致中毒•水溶性维生素：B族、维生素C、维生素P等•按生理功能和发现先后：A、B、C、D等

• 命名
• 分类•根据化学结构：初发现时以为是一种，以后证实是几种维生素的混合物，则根据化学结构的不同在字母右下方注以1、2、3等，如A1

第38页：维生素A1维生素A2二

维生素A1维生素A2二、脂溶性维生素（一）维生素A1.结构

第39页：功能•构成视觉细胞内感光物质•维

• 功能•构成视觉细胞内感光物质•维持上皮组织结构的完整,促进上皮细胞糖蛋白的合成•参与皮质激素、性激素合成及骨组织形成，促进生长发育•防癌作用：刺激体液及细胞免疫•VA缺乏：粘膜干燥，干眼病；VA过量:恶心、头痛、皮疹
• 来源•动物性食品：肝、蛋黄、奶油•植物性食品：类胡萝卜素（维生素A原—本身不具有VA活性，但在体内可转变为VA的物质）

第40页：维生素E

（二）维生素E（生育酚）

• 结构•参与多种酶活动，维持和促进生殖机能•天然抗氧化剂、抗衰老、防癌及增强免疫作用
• 功能
• 来源植物油.麦胚,硬果,种子类,豆类,谷类-生育酚

第41页：维生素K1维生素K2

维生素K1维生素K2（三）维生素K

• 结构
• 功能促进凝血因子形成，加速血液凝固。维生素K缺乏会导致凝血功能障碍,出现全身多部位出血甚至颅内出血。
• 来源深绿色蔬菜,富含乳酸菌的食品及肉、蛋等

第42页：水溶性维生素

水溶性维生素包括B族维生素和维生素C、维生素P等。B族维生素包括维生素B

• 维生素B
• 烟酸和烟酰胺、泛酸、维生素B
• 生物素、叶酸和维生素B12等。三、水溶性维生素水溶性维生素在组织内浓度恒定,构成辅酶成分，参与物质代谢。无中毒症,过多即随尿排出。

第43页：维生素B1（硫胺素）1.结构含S

（一）维生素B1（硫胺素）

• 结构含S、-NH2盐酸硫胺素
• 功能参与糖的代谢；促进能量代谢；维持神经与消化系统的正常功能。长期摄入不足会出现周围神经炎、浮肿、心肌变性、情绪急躁、精神惶恐、健忘等
• 来源谷类、豆类、酵母、干果、动物内脏、蛋类、瘦肉、乳类、蔬菜、水果等

第44页：维生素B2（称核黄素

（二）维生素B2（称核黄素，riboflavin）

• 结构
• 功能促进糖、脂肪和蛋白质的代谢；维持皮肤、粘膜、视觉的正常机能。B2缺乏可引起口角炎、舌炎、口腔炎、眼结膜炎、脂溢性皮炎和视觉模糊等
• 来源奶类、动物肝肾、蛋黄、鱼，胡萝卜、香菇、紫菜、芹菜、柑、橘等

第45页：维生素

（三）维生素PP（预防癞皮病因子）

• 结构烟酸烟酰胺
• 功能脱氢酶的辅酶;参与糖、脂类、丙酮酸代谢、及高能磷酸键的形成等。维pp缺乏可致癞皮病。
• 来源动物肝肾、瘦肉、鱼、卵、麦制品、花生、梨、枣、无花果等

第46页：结构2.功能参与辅酶A的形成

• 结构
• 功能参与辅酶A的形成，是酶的转酰基辅因子。轻度缺乏可致疲乏、食欲差、消化不良等。重度缺乏可致肌肉协调性差;肌肉及胃肠痉挛等
• 来源肉类、动物肾脏与心脏、谷类、麦芽、绿叶蔬菜、啤酒酵母、坚果、糖蜜等（四）泛酸(pantothenic acid)

第47页：结构2.功能转氨酶及脱羧酶的辅酶

• 结构
• 功能转氨酶及脱羧酶的辅酶,镇吐。缺乏时可致呕吐、中枢神经兴奋等
• 来源牛乳、肉、肝、蛋黄、谷物和蔬菜等（五）维生素B6吡哆醇吡哆醛吡哆胺

第48页：生物素1.结构2.功

（六）生物素

• 结构
• 功能羧化酶的辅酶，脂肪和蛋白质正常代谢不可缺少的物质。缺乏时可致发育缓慢、皮肤损伤、体内蛋白质和脂肪代谢紊乱
• 来源分布广泛，如牛奶、水果、啤酒酵母、牛肝、蛋黄、动物肾脏、糙米等

第49页：第二节 维生素

（七）叶酸

• 结构
• 功能蛋白质和核酸合成的必需因子；参与血红蛋白结构中卟啉基的形成、红细胞和白细胞的快速增生；体内多种氨基酸的转化、大脑中长链脂肪酸如DHA的代谢；肌酸、肾上腺素及胆碱的合成等。叶酸是最容易缺乏的维生素之一。婴儿、孕妇缺乏时会引起贫血。膳食中缺乏叶酸易引起动脉硬化、诱发结肠癌和乳腺癌等。
• 来源绿色蔬菜中，动物肝、肾

第50页：维生素

（八）维生素B12（钴胺素）唯一含金属(Co)的维生素1.结构

第51页：功能3.来源主要是动物性食品

• 功能
• 来源主要是动物性食品，内脏、肉类、贝壳类、蛋类、奶维生素B12能促进红细胞的发育和成熟，使肌体造血机能处于正常状态，预防恶性贫血；促进三大代谢；促进蛋白质、核酸的生物合成。维生素B12严重缺乏会导致恶性贫血及精神抑郁、记忆力下降等神经系统疾病。

第52页：结构2.功能天然抗氧化剂

• 结构
• 功能天然抗氧化剂；防治坏血病；保护牙齿、骨骼、增加血管壁弹性。缺乏时可致坏血病,表现为疲劳、倦怠、易感冒。典型症状是牙龈出血、牙床溃烂、牙齿松动，毛细血管脆性增加。是最容易缺乏的维生素之一。
• 来源新鲜水果和蔬菜（九）维生素C（抗坏血酸）L-抗坏血酸自然界存在的有生理活性的是L-型抗坏血酸。D-异构体的活性仅为L-异构体的10%

第53页：维生素P(芦丁

(十)维生素P(芦丁,通透性维生素. P:permeability)

• 结构
• 功能增强毛细血管壁弹性、调整其吸收能力;增强人体细胞的黏附力及维生素C的活性
• 来源柑橘类（柠檬、橙、葡萄柚）、杏、荞麦粉、黑莓、樱桃等

第54页：杂环的命名译音＋“口”旁2.吡啶

• 杂环的命名译音＋“口”旁
• 吡啶结构：6原子6电子环闭π键/缺π芳杂环性质：亲电取代(多在β位)比苯难(似硝基苯);亲核取代(多在α位)比苯易;氧化变难;还原变易;有弱碱性
• 吡咯结构：5原子6电子环闭π键/富π芳杂环性质:亲电取代比苯易(多在α位,活性似苯胺);酸碱性芳香性比较：苯→噻吩→吡咯→呋喃
• 咪唑嘧啶嘌呤等衍生物的酮式-烯醇式互变异构本章要点Byebye！