醫(yī)用化學(xué)/雜環(huán)化合物

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醫(yī)用化學(xué)

雜環(huán)化合物和生物堿
- 雜環(huán)化合物
- 生物堿

在環(huán)狀有機(jī)化合物中，組成環(huán)的原子除碳原子外，還有其它非碳原子時(shí)，這類化合物稱為雜環(huán)化合物。這些非碳原子叫做雜原子，常見的雜原子有氮、氧、硫。

根據(jù)以上定義，雜環(huán)化合物似乎應(yīng)包括內(nèi)酯、交酯和環(huán)狀酸酐等，但由于它們與相應(yīng)的開鏈化合物性質(zhì)相似，又容易開環(huán)變成開鏈化合物，所以不包括在雜環(huán)化合物之內(nèi)。本章主要討論那些環(huán)系比較穩(wěn)定，并且有不同程度芳香性的雜環(huán)化合物。所謂芳雜環(huán)化合物是保留芳香結(jié)構(gòu)即6π電子閉合共軛體系的雜環(huán)。這類化合物比較穩(wěn)定，不易開環(huán)，而且它們的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)活性與苯有相似之處，即有不同程度的芳香性，所以稱為芳雜環(huán)化合物。

一、雜環(huán)化合物的分類和命名

雜環(huán)化合物可按雜環(huán)的骨架分為單雜環(huán)和稠雜環(huán)。單雜環(huán)又按環(huán)的大小分為五元雜環(huán)和六元雜環(huán)；稠雜環(huán)按其稠合環(huán)形式分為苯稠雜環(huán)和稠雜環(huán)。如表19-1所示。

雜環(huán)化合物的命名主要采用外文譯音法，把雜環(huán)化合物的英文名稱的漢字譯音加“口”字旁表示。例如：

呋喃（furan）吡啶（pyridine）

外文譯音法是根據(jù)國(guó)際通用名稱譯音的，使用方便，缺點(diǎn)是名稱和結(jié)構(gòu)之間沒有任何聯(lián)系。

雜環(huán)化合物的環(huán)上原子編號(hào)，除個(gè)別稠雜環(huán)如異喹啉外，一般從雜原子開始。

環(huán)上只有一個(gè)雜原子時(shí)，雜原子的編號(hào)為1。有時(shí)也以希臘字母α、β及γ編號(hào)，鄰近雜原子的碳原子為α位，其次為β位，再次為γ位。

當(dāng)雜環(huán)上連有-R，-X，-OH，-NH₂等取代基時(shí)，以雜環(huán)為母體，標(biāo)明取代基位次；如果連有-CHO，-COOH，-SO₃H等時(shí)，則把雜環(huán)作為取代基。環(huán)上有兩個(gè)或兩個(gè)以上相同雜原子時(shí)，應(yīng)從連接有氫或取代基的雜原子開始編號(hào)，并使這些雜原子所在位次的數(shù)字之和為最小。環(huán)上有不同雜原子時(shí)，則按氧、硫、氮為序編號(hào)。例如：

表19－1　常用雜環(huán)化合物的構(gòu)造式和名稱

另有特殊編號(hào)的，如嘌呤等（見表19-1）。

二、雜環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)

五元雜環(huán)化合物呋喃、噻吩、吡咯的結(jié)構(gòu)和苯相類似。構(gòu)成環(huán)的四個(gè)碳原子和雜原子（N，S，O）均為sp2雜化狀態(tài)，它們以σ鍵相連形成一個(gè)環(huán)面。每個(gè)碳原子余下的一個(gè)p軌道有一個(gè)電子，雜原子（N，S，O）的p軌道上有一對(duì)未共享電子對(duì)。這五個(gè)p軌道都垂直于五元環(huán)的平面，相互平行重疊，構(gòu)成一個(gè)閉合共軛體系，即組成雜環(huán)的原子都在同一平面內(nèi)，而p電子云則分布在環(huán)平面的上下方，如圖19-1所示。

呋喃、噻吩和苯的分子結(jié)構(gòu)

圖19-1 呋喃、噻吩和苯的分子結(jié)構(gòu)

從上圖可看出呋喃、噻吩、吡咯的結(jié)構(gòu)和苯結(jié)構(gòu)相似，都是6電子閉合共軛體系，因此，它們都具有一定的芳香性，即不易氧化，不易進(jìn)行加成反應(yīng)，而易起親電取代反應(yīng)。由于共軛體系中的6個(gè)π電子分散在5個(gè)原子上，使整個(gè)環(huán)的π電子云密度較苯大，比苯容易發(fā)生親電取代。同時(shí)，α位上的電子云密度較大，因而親電取代反應(yīng)一般發(fā)生在此位置上，如果α位已有取代基，則發(fā)生在β位。

與苯比較，環(huán)的芳香穩(wěn)定性不如苯環(huán)，電子云密度分布也不完全平均化。由于雜原子電負(fù)性大小不同（O＞N＞S），電子云離域有差異，所以它們的芳香性強(qiáng)弱有差異，環(huán)的穩(wěn)定性也不同。

含有兩個(gè)雜原子（其中至少有一個(gè)氮原子）的五元雜環(huán)稱為唑。常見的有咪唑、吡唑和噻唑。

咪唑、吡唑、噻唑的電子結(jié)構(gòu)與上述幾個(gè)環(huán)系類似，同樣具有閉合的6個(gè)電子共軛體系，所以這些雜環(huán)也都具有一定的芳香性。例如，咪唑可以看作是吡咯環(huán)上氮原子的間位“-CH=”被“-N=”取代的衍生物。這個(gè)“-N=”的氮原子上未共用電子對(duì)參與環(huán)的共軛體系，可與質(zhì)子結(jié)合并保持閉合的6電子共軛體系，所以咪唑也有芳香性，并且顯弱堿性（ψKb=6.9）。

六元雜環(huán)的結(jié)構(gòu)可以吡啶為例來說明。吡啶在結(jié)構(gòu)上可看作是苯環(huán)中的-CH=被-NH=取代而成。5個(gè)碳原子和一個(gè)氮原子都是sp2雜化狀態(tài)，處于同一平面上，相互以σ鍵連接成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。每一個(gè)原子各有一個(gè)電子在p軌道上，p軌道與環(huán)平面垂直，彼此“肩并肩”重疊形成一個(gè)包括6個(gè)原子在內(nèi)的，與苯相似的閉合共軛體系。氮原子上的一對(duì)未共用電子對(duì)，占據(jù)在sp2雜化軌道上，它與環(huán)平面共平面，因而不參與環(huán)的共軛體系，不是6電子大π鍵體系的組成部分，而是以未共用電子對(duì)形式存在，如圖19-2所示。

吡啶分子結(jié)構(gòu)

圖19-2吡啶分子結(jié)構(gòu)

吡啶分子中的C-C鍵長(zhǎng)（0.139-0.140nm）與苯分子中的C-C鍵長(zhǎng)(0.140nm)相似；C-N鍵長(zhǎng)(0.134nm)較一般的C-N鍵長(zhǎng)(0.147nm)短，但比一般的C=N雙鍵(0.128nm)長(zhǎng)。這說明吡啶的鍵長(zhǎng)平均化程度較高，但并不像苯一樣是完全平均化的。所以吡啶具有芳香性。然而又由于吡啶環(huán)中氮原子的電負(fù)性大于碳原子，所以環(huán)上的最子云密度因向氮原子轉(zhuǎn)移而降低，親電取代比苯難。此環(huán)上氮原子具有與間位定位基-NO2相仿的電子效應(yīng)，鈍化作用使親電性取代較苯困難，取代基進(jìn)入間位，且收率偏低。

吡啶環(huán)上的氮原子有一對(duì)未共用電子對(duì)參與6電子共軛體系，可與質(zhì)子結(jié)合，故其堿性（PKb=8.8）較吡咯(pKb=13.6)強(qiáng)，也比苯胺（pKb=9.3）強(qiáng)，能與強(qiáng)酸作用生成較穩(wěn)定的鹽。但比氨(pKb=4.75)弱，也比脂肪叔胺（三甲胺的pKb=4.22）弱。原因在于吡啶環(huán)上未參與共軛體系的這一對(duì)未共用電子對(duì)處于sp2雜化軌道上，其s成分較sp3雜化軌道多，受原子核束縛強(qiáng)，因而較難與H+結(jié)合。

吡啶與水能以任意比例混溶，同時(shí)又能溶解大多數(shù)極性及非極性有機(jī)化合物，它是一個(gè)良好的溶劑。吡啶具有高水溶性的原因，除分子極性外，是由于其氮原子上一對(duì)未參與環(huán)共軛體系的未共用電子對(duì)與水分子易形成氫鍵。而吡啶、呋喃和噻吩雜原子的未共用電子對(duì)是6電子閉合共軛體系的組成部分，失去形成氫鍵的條件，因此難溶于水。

三、重要的雜環(huán)化合物及其衍生物

（一）吡咯、咪唑及其衍生物

吡咯存在于煤焦油和骨焦油中，為無色液體，沸點(diǎn)131℃。吡喀的蒸氣可使浸有鹽酸的松木片產(chǎn)生紅色，稱為吡咯的松木片反應(yīng)。

吡咯的衍生物廣泛分布于自然界，葉綠素、血紅素、維生素B12及許多生物堿中都含有吡咯環(huán)。

四個(gè)吡咯環(huán)的α碳原子通過四個(gè)次甲基（-CH=）交替連接構(gòu)成的大環(huán)叫卟吩環(huán)，舊稱環(huán)。卟吩的成環(huán)原子都在同一平面上，是一個(gè)復(fù)雜的共軛體系。卟吩本身在自然界中不存在，它的取代物稱為卟啉類化合物，卻廣泛存在。卟吩能以共價(jià)鍵和配位鍵與不同的金屬原子結(jié)合，如血紅素的分子結(jié)構(gòu)中結(jié)合的是亞鐵原子。

血紅素與蛋白質(zhì)結(jié)合成為血紅蛋白，存在于哺乳動(dòng)物的紅細(xì)胞中，是運(yùn)輸氧氣的物質(zhì)。

卟吩　血紅素