雜環(huán)化合物和生物堿

雜環(huán)化合物和生物堿

雜環(huán)化合物是由碳原子和非碳原子共同組成環(huán)狀骨架結(jié)構(gòu)的一類化

合物。這些非碳原子統(tǒng)稱為雜原子，常見的雜原子為氮、氧、硫等。環(huán)狀

有機化合物中，構(gòu)成環(huán)的原子除碳原子外還含有其它原子，且這種環(huán)具有

芳香結(jié)構(gòu)，則這種環(huán)狀化合物叫做雜環(huán)化合物。組成雜環(huán)的原子，除碳以

外的都叫做雜原子。前面學(xué)習(xí)過的環(huán)酸、內(nèi)酯、內(nèi)醉和內(nèi)酰胺等都含有雜

原子，但它們?nèi)菀组_環(huán)，性質(zhì)上又與開鏈化合物相似，所以不把它們放在

雜環(huán)化合物中討論。本章將主要討論的是環(huán)系比較穩(wěn)定、具有一定程度芳

香性的雜環(huán)化合物，即芳雜環(huán)化合物。

雜環(huán)化合物種類繁多，在自然界中分布很廣。具有生物活性的天然雜

環(huán)化合物對生物體的生長、發(fā)育、遺傳和衰亡過程都起著關(guān)鍵性的作用。

例如：在動、植物體內(nèi)起著重要生理作用的血紅素、葉綠素、核酸的堿基、

中草藥的有效成分一一生物堿等都是含氮雜環(huán)化合物。一部分維生素、抗

菌素、植物色素、許多人工合成的藥物及合成染料也含有雜環(huán)。雜環(huán)化合

物的應(yīng)用范圍極其廣泛，涉及醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料、生物膜材料、超導(dǎo)材料、

分子器件、貯能材料等，尤其在生物界，雜環(huán)化合物隨處可見。

13.1雜環(huán)化合物HeterocyclicCompounds

分子中由碳原子和氧、硫、氮等其它原子形成的比較穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)構(gòu)

的化

合物稱為雜環(huán)化合物。雜環(huán)中除碳原子以外的其它原子稱為雜原子。

最常見的雜原子有氧、硫、氮等。例如:

o

SNH

吠喃睡吩哦咯毗咤喀咤

furanthiophenepyrrolepyridinepyrimidine

前述章節(jié)中，我們遇到的內(nèi)酯、交酯、內(nèi)酰胺、內(nèi)醉、環(huán)酸以及環(huán)狀

半縮醛等，雖然也有環(huán)狀結(jié)構(gòu)，但它們的環(huán)容易形成，也容易破裂，其性

質(zhì)與相應(yīng)的脂肪族化合物相類似，因此不把它們列入雜環(huán)化合物之列，本

章主要討論環(huán)比較穩(wěn)定且具有芳香性的雜環(huán)化合物。

雜環(huán)化合物可以含一個或多個相同的或不相同的雜原子，環(huán)的數(shù)目也

可以是一個或多個。雜環(huán)化合物的種類繁多，數(shù)量龐大，其數(shù)量占已知有

機物總數(shù)的三分之一左右。雜環(huán)化合物在自然界的分布極廣，其中很多有

重要的生理作用，如血紅素、葉綠素、維生素、花色素、抗菌素、核酸、

生物堿等都是含有雜環(huán)結(jié)構(gòu)的化合物。雜環(huán)化合物也是合成許多染料、藥

物的原料。治療癌癥的一些有效藥物也是雜環(huán)化合物的衍生物。因此，雜

環(huán)化合物無論在理論研究或?qū)嶋H應(yīng)用方面都很重要。13.1.1雜環(huán)化合物的

分類ClassificationofHeterocyclicCompounds

按照雜環(huán)的結(jié)構(gòu)，雜環(huán)化合物大致可分為單雜環(huán)和稠雜環(huán)兩大類。單

雜環(huán)中最常見的為五員雜環(huán)和六員雜環(huán)；稠雜環(huán)中普遍存在的是苯環(huán)與單

雜環(huán)稠合和雜環(huán)與雜環(huán)稠合。根據(jù)所含雜原子的種類和數(shù)目，單雜環(huán)和稠

雜環(huán)又可分為多種。

常見雜環(huán)化合物的分類和名稱見表13.1o

表13.1常見雜環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)、分類和名稱

雜分

環(huán)類

碳環(huán)母核

45

3

45

3

重要的雜環(huán)化合物

3

45

45

3S

2

45

3N1H

2

五員單雜環(huán)

六員雜環(huán)

苯芭雜環(huán)

環(huán)戊二烯

茂

01

2

SI

2

N1H

2

吠喃睡吩口比咯睡啄咪

喋furanthiophenepyrrolethiazoleimidazole

氧（雜）茂硫（雜成氮（雜成1,3一硫氮（雜）茂1,3—二氮（雜成

456

32

3

2

3

4

N

1

1

1

2

毗咤毗喃噠嗪口密咤毗嗪

pyridinepyranpyridazinepyrimidinepyrazine

氮（雜）苯氧（

雜）芭1,2—二氮（雜）苯1,3一二氮（雜）苯1,4一二氮（雜）苯

環(huán)己二烯

67

5

4

3

67

8

1

5

4

3

蔡

8

1

2

2

唾琳異喳咻quinoline

isoquinoline1一氮（雜）蔡2一氮（雜）蔡

稠雜環(huán)

56

4

3

56

4

3

56

4

3

7

荀

7

N1H

2

7

01

2

N1H

2

口引噪苯并吠喃口票吟indole

benzofuranpurine氮（雜）荀

氧（雜）苛1,3,7,9一四氮（雜）荀

876

5

9

1

2

34

10

慈丫咤acridine氮(雜)意

13.1.2雜環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)與芳香性(StructureandAromaticityof

HeterocyclicCompounds)13.1,2.1五員單雜環(huán)

五員單雜環(huán)如吠喃、叱咯、睡吩，在結(jié)構(gòu)上都是平面型閉合的共軌體

系，符合休克爾的4n+2規(guī)則。環(huán)上四個碳原子和雜原子均為sp2雜化，

環(huán)上相鄰的兩個原子間均以sp2雜化軌道相互重疊

形成。鍵，組成一個五員環(huán)狀平面結(jié)構(gòu)。環(huán)上的每個原子還剩下一個

未參與雜化的p軌道，碳原子的p軌道各有一個p電子，而雜原子的p軌

道有兩個P電子，這五個p軌道都垂直于環(huán)的平面，以“肩并肩”的形式

重疊形成大n鍵，組成一個含有五個原子六個五電子的環(huán)狀閉合共軌體系,

符合休克爾規(guī)則，具有芳香性，屬于芳香雜環(huán)化合物。如圖13.1所示：

映喃毗咯睡吩

13.1吠喃、毗咯、睡吩分子中p軌道重疊示意圖

它們分子中鍵長數(shù)據(jù)如下：

0.144nm

0.135nm

O0.137nmNH

圖13.2吠喃、叱咯、曝吩分子的鍵長0.142nm0.137nmS吠喃

毗咯口塞吩

已知典型的鍵長數(shù)據(jù)為：

C-C0.154nmC-00.143nmC-N0.147nmC-S0.182nm

C=C0.134nmC=00.122nmC=N0.128nmC=S0.160nm

由此可見：

①五員雜環(huán)分子中的鍵長有一定程度的平均化，但不象苯那樣完全

平均化；此外，由于雜原子的電負性比碳原子大，它們的電子云密度比碳

高，即環(huán)上電子云分布不象苯環(huán)那樣完全平均化。因此五員單雜環(huán)的芳香

性和穩(wěn)定性比苯差，表現(xiàn)出某些共朝二烯煌的性質(zhì)，例如能發(fā)生加氫反應(yīng)

生成飽和化合物，也可以象共輒二烯煌那樣發(fā)生Diels-Alder反應(yīng)等。五員

單雜環(huán)的芳香性隨著雜原子電負性的增加而減小，由于雜原子的電負性為

0>N>S,所以芳香性的大小次序為苯>睡吩>叱咯>吠喃。

②五員雜環(huán)分子中由于雜原子上的孤電子對參與了環(huán)的共軌，這些

雜環(huán)中的雜原子相當于取代苯中的致活基團，使環(huán)上碳原子電子云密度比

苯環(huán)上碳原子的電子云密度大，所以屬富電子雜環(huán)，它們在親電取代反應(yīng)

中的活性比苯大，親電取代反應(yīng)的活性次序為此咯>吠喃>曝吩>

苯。在吠喃、毗咯、睡吩的閉合共軌體系中，雜原子的兩個a位碳原子上

的電子云密度要比兩個6位上的相對高些，它們的親電取代反應(yīng)主要發(fā)生

在a位碳原子上。

13.1,2.2六員單雜環(huán)

六員單雜環(huán)的典型結(jié)構(gòu)可以叱咤來說明。哦咤的結(jié)構(gòu)與苯很相似，相

當于苯中的一個碳原子被氮原子代替,在瞰咤分子中,碳原子為sp2雜化，

氮原子為不等性sp2雜化，氮原子的孤電子對在sp2雜化軌道上。環(huán)上所

有原子的p軌道各有一個電子，所有p軌道相互平行且垂直于環(huán)的平面，

形成有六個n電子的環(huán)狀、平面、閉合的共軌體系，所以毗咤環(huán)也有芳香

性。

圖13.3叱咤分子中p軌道重疊示意圖

由于毗咤分子中氮原子上的孤電子對不參與共物，而氮原子的電負性

大于碳原子，氮原子類似于苯環(huán)上的硝基等吸電子基團，其吸電子的誘導(dǎo)

效應(yīng)使此咤環(huán)中碳原子的電子云密度降低，尤其a、丫位更甚，所以此咤

的親電取代反應(yīng)比苯困難，且主要進入6位。但叱咤可以發(fā)生親核取代反

應(yīng)，主要進入a及丫位。

13.1.3雜環(huán)化合物的化學(xué)性質(zhì)ChemicalPropertyofHeterocyclic

Compounds13.1.3.1親電取代反應(yīng)

五員雜環(huán)屬于富電子體系，親電取代反應(yīng)容易進行，一般在較緩和的

條件下弱的親電試劑就可以取代環(huán)上的氫原子。而六員雜環(huán)叱咤是缺電子

體系，較難發(fā)生親電取代反應(yīng)，一般要在較強烈的條件下才能發(fā)生反應(yīng)。

①鹵代反應(yīng)

五員雜環(huán)化合物可以直接發(fā)生鹵代反應(yīng)，鹵原子主要取代a位上的氫:

0+CI2

CI+HCI

吐咯極易發(fā)生鹵代，如在堿性介質(zhì)中與碘作用，生成的不是一元產(chǎn)物

而是四碘叱咯:

+

NH

12

+NaI+H20

NH

I

I

此咤的鹵代反應(yīng)不但需要催化劑，而且要在較高的溫度下才能進行:

+HCI

N

+CI2

N

100C

o

②硝化反應(yīng)

五員雜環(huán)的硝化反應(yīng)一般不用硝酸作硝化劑（毗咯、吠喃在酸性條件

下易氧化導(dǎo)致環(huán)的破裂或聚合物的生成），而是用溫和的硝化劑（乙酰基

硝酸酯）在低溫下進行：

S

+CH3COONO2+

10C

NO2+CH3COOH

此碇的硝化反應(yīng)要在濃酸和高溫條件下才能進行：

HN03

N02+

H20

③磺化反應(yīng)

由于此咯、吠喃在酸性條件下易氧化導(dǎo)致環(huán)的破裂或聚合物的生成,

所以不能直接用硫酸進行磺化，一般采用毗咤與三氧化硫的加合物作磺化

劑：

0

S0_3

0

S03H

睡吩對酸比較穩(wěn)定，在室溫時能與濃硫酸發(fā)生磺化反應(yīng)：

H2s04（濃）S

此咤在催化劑和加熱條件下才能發(fā)生磺化反應(yīng)：

+H20

S

S03

H

+H2so4（濃）S03H

+H20

④傅一克酰基化反應(yīng)

五員雜環(huán)化合物都可以發(fā)生傅一克?；磻?yīng)，而口比咤一般不反應(yīng)：

+（CH3CO）2O

+CH3C00H

C0CH3

13.1.3.2加成反應(yīng)

無論是富電子或缺電子的雜環(huán)化合物都比苯容易發(fā)生加成反應(yīng)，如它

們都可以進行催化氫化反應(yīng)：

+H2

0

0

13.1.3.3叱咯和叱咤的酸堿性

哦咯由于其氮原子上的孤電子對參與共軌，使氮原子的電子云密度降

低，N—H鍵的極性增強，所以它的堿性（pKb=13.6）不但比苯胺（pKb=9.4）

弱得多，而且顯微弱的酸性（pKa=15）,能與氫氧化鉀作用生成毗咯鉀鹽：

+

NH

KOH（固_

N+K

+

H20

吐碇顯弱堿性（pKb=8.64）,能與各種酸形成鹽:

+HCI

13.1.4雜環(huán)化合物及其衍生物選述IntroductionofHeterocyclic

CompoundsandtheirDerivatives

吠喃及其衍生物

吠喃存在于松木焦油中，是無色而有特殊氣味的氣體。沸點320C,不

溶于水而溶于乙醇、乙醛等有機溶劑。它遇鹽酸浸濕的松木片顯綠色，被

稱為松木片反應(yīng)。用此反應(yīng)可以檢查吠喃的存在。吠喃是有機合成的原料。

①a-吠喃甲醛

a一吠喃甲醛（最早是由米糠與稀酸共熱制得的，故又稱糠醛改為：

又稱糠醛），通常利用含有多聚戊糖的農(nóng)副產(chǎn)品如米糠、玉米芯、高梁桿、

花生殼等作原料來制?。?/p>

HCI

HO（C5H8O4）n+nH2+

H+2HHOOH

0

CHO

多聚戊糖戊醛糖糠

醛

純粹的糠醛是無色而有特殊氣味的液體，沸點1620C,微溶于水，易

溶于乙醛和乙醇等有機溶劑。在（空氣中改為：光、熱及空氣中）被氧化

聚合（為改為：呈）黃色、棕色以至黑褐色（的物質(zhì)）。在醋酸存在下與

苯胺呈鮮紅色反應(yīng)，可用于糠醛與戊糖的鑒別。

糠醛是一個不含a-氫原子的不飽和醛，化學(xué)性質(zhì)很活潑，容易發(fā)生氧

化、還原、歧化和聚合等反應(yīng)，是有機合成工業(yè)的重要原料，廣泛應(yīng)用于

油漆、樹脂、醫(yī)藥和農(nóng)藥等工業(yè)。

②吠喃類藥物

吠喃坦丁、吠喃喋酮和吠喃西林是一類5-硝基吠喃甲醛的衍生物。它

們都是人工合成的廣譜抗菌藥物，其結(jié)構(gòu)式如下：

02N

0

CHN

02N

0

CHNO

吠喃坦丁吠喃喋酮

02N

0

CH

吠喃西林

吠喃坦丁又名吠喃妥因。它是鮮黃色晶體，味苦，熔點約2580c（分

解），難溶于水及有機溶劑，可溶于N,N-二甲基甲酰胺中。由于它的分子

中含有酰亞胺結(jié)構(gòu)，故顯弱酸性，能與堿生成鹽。它主要用于抑制和殺滅

大腸桿菌、金葡萄球菌、化膿性鏈球菌和傷寒桿菌等，常用于治療泌尿系

統(tǒng)的炎癥。

吠喃喋酮又名痢特靈。它是黃色粉末，熔點254?2580c（分解），難

溶于水及有機溶劑，呈弱酸性。大腸桿菌、炭疽桿菌、痢疾桿菌和傷寒桿

菌等對其最為敏感，故常用于治療腸道感染和菌痢

等。

吠喃西林又名吠喃新。它是檸檬黃色結(jié)晶粉末，難溶于水及醇。主要

對葡萄球菌、痢疾桿菌和枯草桿菌等有殺滅和抑制作用。由于它的毒性較

大，已很少內(nèi)服，多作為外用消炎藥。

毗咯及其衍生物

2

H

H2

2COOH

2

2OC

32

2

葉綠素血紅素（葉綠素a：R為一CH3

葉綠素b：R為一CHO）

此咯存于煤焦油和骨焦油中，是無色油狀液體，沸點131C,難溶于

水，易溶于乙醇、乙醛和苯等有機溶劑。在空氣中它被逐漸氧化呈褐色并

發(fā)生樹脂化。

毗咯蒸氣遇浸過鹽酸的松木片顯紅色，這個特性反應(yīng)可用來檢驗此咯

及其低級同系物。哦咯的衍生物廣泛分布在自然界中，其中最重要的是

嚇琳化合物。這類化合物有一個基本結(jié)構(gòu)稱嚇吩環(huán)，是由四個哦咯和四個

次甲基交替相連而成的復(fù)雜大環(huán)，環(huán)上的原子都在一個平面上，形成了共

軌體系，具有芳香性。含有嚇吩環(huán)結(jié)構(gòu)的化合物叫嚇琳化合物。重要的天

然色素如葉綠素、血紅素等都含有嚇吩環(huán)。

①葉綠素

葉綠素存在于植物的葉和綠色的莖中。植物在進行光合作用時.，通過

葉綠素將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能而貯藏在形成的有機化合物中。葉綠素在植

物內(nèi)具有重要的生理意義。

葉綠素有多種，量重要的是葉綠素a和葉綠素b,可以用色譜法把它

們分開。在大多數(shù)植物中，它們的比例為3：lo葉綠素a比葉綠素b更為

重要。葉綠素a與葉綠素b的結(jié)構(gòu)基本相同，只是在H環(huán)3位上葉綠素a

是甲基（-CH3）,而葉綠素b則是醛基（-CHO）。

葉綠素a和葉綠素b在物理性質(zhì)方面有所不同，a是藍黑色粉末，分

子式為C55H72O5N4Mg,熔點117~120℃,其乙醇溶液是藍綠色，并有深

紅色螢光；葉綠素b為黃綠色粉末，分子式為C55H70O6N4Mg,熔點

120~120℃,其乙醇溶液顯綠色或黃綠色，有紅色螢光。它們都易溶于乙

醇、乙醛、丙酮、氯仿等，難溶于石油酸。

葉綠素有旋光性。由于分子中有兩個酯鍵，容易水解生成相應(yīng)的酸和

醇。若用硫酸銅的酸性溶液小心處理葉綠素，則銅可取代鎂，其他部分的

結(jié)構(gòu)不變，仍顯綠色，但比原來的綠色更穩(wěn)定。因此常用來浸制植物標本。

②血紅素

血紅素存在于高等動物的體內(nèi)，是重要的色素之一。它與蛋白質(zhì)結(jié)合

形成血紅蛋白，存在于紅血球中。血紅蛋白在高等動物體內(nèi)起著輸送氧氣

和二氧化碳的作用。

血紅蛋白可與氧氣配價結(jié)合，形成鮮紅色的氧合血紅蛋白。血紅蛋白

與氧結(jié)合并不穩(wěn)定，這與氧氣的分壓有關(guān)，因此在缺氧的地方可以放出氧

氣。由于這一特性，血液可在肺中吸收氧氣，由動

嚇吩

脈輸送到體內(nèi)各部分，在體內(nèi)微血管中，氧的分壓低而釋放出氧，為

組織吸收。一氧化碳與血紅蛋白配合的能力比氧大200倍，因此在一氧化

碳存在時，血紅蛋白失去了輸送氧氣的能力。這就是一氧化碳使人中毒的

原因之一。對血紅素的研究使人們對嚇吩族色素以及生命現(xiàn)象中最重要的

呼吸作用有了進一步的了解。

睡吩的衍生物

生物素和先鋒霉素是睡吩的重要衍生物，其結(jié)構(gòu)如下：

HOOC(CH2)

S

CH2C

NH

S

CH2O

C

CH3

生物素先鋒霉素I

生物素又名維生素H,是人體必須的維生素之一，廣泛存在于動植物

體內(nèi)，如谷物、蔬菜和肉類中。生物素是無色針狀晶體，熔點232?2330C,

溶于水和乙醇。在中性或酸性條件下穩(wěn)定，遇強堿或氧化劑易分解。在動

物的生理過程中參與C02的固定及較化過程。人體缺乏它會導(dǎo)致身體疲乏,

食欲不振，貧血和皮膚發(fā)炎、脫屑等。

先鋒霉素是由抱頭菌素C合成的一類廣譜抗生素。目前人工合成的先

鋒霉素類藥物有十余種，其中先鋒霉素I又叫頭抱金素，是白色結(jié)晶粉末,

味苦，易溶于水，難溶于有機溶劑。它的抗菌譜廣，主要用于對青霉素耐

藥的金葡萄球菌和一些格蘭氏陰性桿菌引起的嚴重感染，如尿道和肺部的

感染、敗血癥、腦膜炎及腹膜炎等。

咪喋、毗喋和睡喋

咪喋、毗喋和噬喋都有含有兩個雜原子的五員環(huán)，它們的結(jié)構(gòu)式如下：

45

3NH

21

45

345

3S

21

N1H

2

咪喋叱唾睡噗

這些雜環(huán)化合物與毗咯、毗咤相似，具有閉合的六個門電子的共軌體

系，

n電子數(shù)符合休克爾規(guī)則，都是非苯芳香環(huán)。咪喋、叱喋都是無色晶

體。咪喋熔點88~89℃,沸點255℃。吐喋熔點70℃,沸點188℃。易溶

于水和乙醇。而嘎嘎是無色液體，沸點117℃。

咪喋和叱嘎環(huán)上都有兩個氮原子，然而只有一個氮原子上有氫，這個

氫原子能快速地在兩個氮原子之間移動，故有互變異構(gòu)現(xiàn)象：

CH3

45

3

43

CH3

5

3

45

3N1H

2

3

54

H

1

N1H

2

N

2

H

1

N

3

2

3一甲基口比喋5一甲基叱嘎4一甲基咪喋

5一甲基咪喋在毗喋中3一位和5—位的取代物實際上是一種，在咪理中4

一位和5—位的取代物實際上也是一種。若這兩個雜環(huán)氮原子上的氫被其

它基團取代后，上述互變異構(gòu)現(xiàn)象就消失了。

下面，就咪喋、叱喋和睡噗三者的酸堿性、環(huán)的穩(wěn)定性及親電取代反

應(yīng)等三方面作簡要介紹。13.1.4.1酸堿性

毗喋與毗咯在酸堿性方面比較，有著明顯的不同，毗咯顯弱酸性，而

吐喋則顯弱堿性。這是因為在此理分子中除含有亞氨基(一NH—)外，還

有一個叔胺結(jié)構(gòu)的氮原子(-N==)。咪噗的堿性

(Kb=1.2X107)較其同系物毗嘎(Kb=3.0X1012)為強，叱喋能與硫

酸、鹽酸、硝酸等反應(yīng)成鹽，但在水中很易水解，而咪喋由于堿性較強,

故可生成穩(wěn)定的鹽。咪噪、哦喋與毗咯一樣，與氮相連的氫原子可以被鉀

置換生成鉀鹽。

睡喋的堿性很弱，水溶液呈中性，與酸作用生成穩(wěn)定的鹽。這是由于

氮上未共用電子對能接受質(zhì)子的緣故。

13.1.4,2環(huán)的穩(wěn)定性

此喋、咪喋對酸較穩(wěn)定，可用硝酸、硫酸進行硝化、磺化。對氧化劑

相當穩(wěn)定，不被高鋅酸鉀溶液所氧化。環(huán)上有支鏈時可被氧化為竣基而環(huán)

系不受影響。例如：

3

NHHOOC

HOOC

NHN

H

NH

HOOC

曝喋的化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，在一定條件下，它與酸不起作用，也不受

還原劑的影響，在緩和條件下氧化，環(huán)系也不受影響，強烈條件下則引起

環(huán)破裂。13.1.3.3

取代反應(yīng)

咪喋、叱喋可以發(fā)生硝化、磺化等親電取代反應(yīng)，但需較強烈的條件，

取代基進入4—位：

H3C

NH

S

N

H

3H

S

02N

NH

NH

睡唾的親電取代反應(yīng)更難發(fā)生，往往需要在強烈的條件下才能進行。

例如：

以上所述性質(zhì)說明，毗哇、咪喋有較強的芳香性，這與它們的結(jié)構(gòu)密

切相關(guān)。這兩個環(huán)的結(jié)構(gòu)特點是第二個氮原子除以一個門電子參與環(huán)的共

軌體系外，尚有一對未共用電子對，所以較易和質(zhì)子結(jié)合成鹽，具弱堿性；

同時該氮原子的存在，通過吸電子的誘導(dǎo)效應(yīng)降低了環(huán)上的電子云密度，

使環(huán)較穩(wěn)定，以致親電取代需要較強烈的反應(yīng)條件。嘎嘎的芳香性也比吠

喃、睡吩強，環(huán)上增加一個電負性較強的氮原子，有助于環(huán)的穩(wěn)定。

此碇及其衍生物

毗咤最初發(fā)現(xiàn)于骨焦油中，在煤焦油中含量較多。它是具有特殊臭味

的無色液體，沸點115.3℃。能與水混溶，又能溶于乙醇、乙醛、苯、石

油酸等許多極性或非極性有機溶劑中，并能溶解氯化銅、氯化鋅、氯化汞、

硝酸銀等許多無機鹽。毗咤是一種叔胺，顯弱堿性。工業(yè)上用稀硫酸提取

煤焦油的輕福分，然后用氫氧化鈉中和，使叱咤等堿性物質(zhì)游離，再進行

分儲提純。毗咤是良好的溶劑，又是合成某些雜環(huán)化合物的原料。

毗咤的衍生物在自然界中分布廣泛，如維生素PP、維生素B、輔酶I

及輔酶n等都含有毗碇環(huán)。

①維生素PP

維生素PP是屬B族維生素，包括B-L此咤甲酸及B-叱咤甲酰胺兩

種。結(jié)構(gòu)如下：

C00HC0NH2

8—毗咤甲酸（煙酸，尼克酸）B一毗喔甲酰胺（煙酰胺）

熔點230?237℃熔點128?131℃

二者的生理作用相同，參與生物機體的氧化還原過程，促進組織代謝,

能降低血液中膽固醇的含量。維生素PP也叫抗癩皮維生素，因為體內(nèi)缺

乏它時會引起癩皮病。

二者都是白色結(jié)晶，對酸、堿等都比較穩(wěn)定。B一毗咤甲酰胺加氫氧

化鈉液液與之共煮，則產(chǎn)生氨氣，而B—毗咤甲酸無此反應(yīng)。

維生素PP存在于肝臟、肉類、谷物、米糠、花生、酵母、蛋黃、魚、

蕃茄等內(nèi)，現(xiàn)在多用合成品。

維生素B6維生素B6也是毗咤的衍生物，它由下列三種物質(zhì)組成：

HO2OHCH2OH

HOCH2OHHO2NH2CH2OHH3CH3CH3C

哦哆醇叱哆醛叱哆酸

維生素B6存于蔬菜、魚、肉、蛋類、豆類、谷物等中。為白色結(jié)晶,

溶于水及乙醇。耐熱，在酸和堿中較穩(wěn)定，但易被光所破壞。動物機體中

缺乏維生素86時，，蛋白質(zhì)代謝就不能正常進行。

喀咤及其衍生物喀咤又稱1,3—二氮苯，無色晶體，熔點22℃,沸

點124C,易溶于水，它的堿性比叱咤還弱。

由于氮原子具有吸電子效應(yīng)，能使另一個氮原子上的電子云密度降低,

因此堿性也隨之減弱（即結(jié)合質(zhì)子的能力減弱）。親電取代反應(yīng)比此噬困

難，而親核取代反應(yīng)則比此咤容易。能分別與酸或堿形成鹽。

喀咤很少存于自然界中，但它的重要衍生物胞喀咤、尿喀咤和胸腺喀

咤普遍存在于動植物中，都是核酸的組成部分。這三種喀咤都存在烯醇式

和酮式的互變異構(gòu)現(xiàn)象：

2

胞喀咤（4一氨基一2一羥基口密碇），Cytosine簡寫為C2OHNHO

HNH

尿喀咤（2,4—二羥基喀咤），Uracil簡寫為U

H3C

H3C

NHH

胸腺口密咤（5一甲基一2,4一二羥基喀咤），Thymine簡寫為T在生物體中

哪一種異構(gòu)體占優(yōu)勢主要取決于體系的pH值。在生物體中喀咤堿主要以

酮式異構(gòu)體存在。

維生素B1又名硫胺素。它存在于米糠、熬皮、酵母、花生和豆類中。

藥用硫胺素是其鹽酸鹽，結(jié)構(gòu)式為:

H3C

CH2NH2

CIS

CH3

CH2CH2OH

鹽酸硫胺素是白色晶體，味微苦，熔點248℃（分解），易溶于水，對

酸穩(wěn)定，熱或堿能使其分解。維生素B1能維持心臟、神經(jīng)和消化系統(tǒng)的

正常功能，能促進碳水化合物代謝。缺乏維生素B1能導(dǎo)致腳氣病、多發(fā)

性神經(jīng)炎、食欲不振和消化不良等。

7.喋吟及其衍生物

口票吟是喀咤和咪哇稠合而成的化合物，又名1,3,7,9一四氮茴。喋吟有

兩種互變異構(gòu)體：

15

7N9H

8

H

3

4

9一氫口票吟7一氫口票吟

喋吟為無色晶體，熔點216℃,易溶于水，溶液呈中性，但它卻能與

酸或堿作用生成鹽。喋吟本身很少存于自然界中，可它的羥基和氨基衍生

物卻廣泛存在。其衍生物重要的有黃喋吟和尿酸，它們存在于有機體中,

并且有顯著的生理作用。

喋吟衍生物中還有腺口票吟和鳥喋吟，它們也是核酸的組成部分。鳥喋

吟又稱2—氨基一6一羥基喋吟，也存在著烯醇式和酮式兩種互變異構(gòu)體。

2

NHH2

N

NH

H2N

腺口票吟（6-氨基噪吟）鳥喋吟（2一氨基一6一羥基喋吟）Adenine,

簡寫為AGuanine,簡寫為G

吧噪及其衍生物，呵噪存在于煤焦油中，某些植物的花中也含有口引噪,

蛋白質(zhì)腐爛時生成口引噪和8一甲基口引噪，因此它們存在于糞便中。糞便的

惡臭就是由于它們的存在而產(chǎn)生。但口引噪的稀溶液很香，是化妝品常用的

香料。

CH3

NH

NH

口引深8一甲基口引噪

口引噪是苯環(huán)和叱咯環(huán)稠合而成的雜環(huán)化合物，具有閉合的共軌體系。

它是一種無色片狀結(jié)晶，熔點為52℃,沸點254℃,微溶于冷水而溶于有

機溶劑和熱水中?；瘜W(xué)性質(zhì)與此咯相似，但稍比哦咯的化學(xué)穩(wěn)定性強，與

溫和的氧化劑不發(fā)生作用，而高鋅酸鉀可以引起環(huán)系破裂。口引噪堿性極弱,

在空氣中顏色變深，并逐漸變成樹脂狀物質(zhì)。它很容易發(fā)生親電取代反應(yīng),

但只得到B一取代物。松木片反應(yīng)呈紅色。

口引噪的衍生物在自然界中分布很廣，例如6-口引噪乙酸、色氨酸、5

一羥色胺、靛藍等。8一口弓I噪乙酸是一種植物生長調(diào)節(jié)劑，用來刺激植物

的插枝生長及促進無子果實的形成；色氨酸是蛋白質(zhì)的組分；5—羥色胺

存在于人和哺乳動物的腦中，是保持思維正常活動不可缺少的物質(zhì)；靛藍

是人類最早使用的天然染料之一。

CH2C00HNH

NH

CH2C00H

2

H2CH2NH2

B一口引噪乙酸色氨酸5一羥色胺

NH

靛藍

H

.苯并口比喃及其衍生物

苯并毗喃是苯環(huán)與毗喃環(huán)稠合而成的雜環(huán)化合物，廣泛存在于天然產(chǎn)

物中。許多天然色素是它的衍生物，有些中草藥的有效成份以它為基本結(jié)

構(gòu)。

567

8

4

3

67

85

4

3

O

1

2

O

1

2

苯并毗喃2一苯基苯并毗喃(花色素母體)

*(1)花色素

植物的花果之所以具有五顏六色，主要是由花色素引起的?；ㄉ爻?/p>

與糖結(jié)合成甘，這種昔稱為花色昔?；ㄉ逝c酸一起加熱時，水解而生成

糖和花色素的牽羊鹽。研究各種植物中的花色素后發(fā)現(xiàn)，花色素具有2

一苯基苯并叱喃的骨架，在3—，5-,7-,3'—、4'—、5'一等處常

帶有羥基，由于苯環(huán)上羥基的位置與數(shù)目以及與之成昔的糖不同，形成不

同的花色甘。植物界最常見的是天竺葵素、青芙蓉素、飛燕草素三種，它

們在苯環(huán)上的羥基數(shù)目不同。

+CI

OH

OH+CI

OH

HO

+CI

OH

OHOHHOHO

氯化天竺葵素氯化青芙蓉素氯化飛燕草素

花色昔的一種極為有趣的現(xiàn)象是顏色與介質(zhì)的pH值密切相關(guān)。同一

種花色甘，在不同的PH值中能顯示不同顏色。例如青芙蓉素二葡萄糖昔

在pH7?8時呈淡紫色，當pH<3時呈紅色，pH>ll時則呈藍色。故同一

種花由于種植的土壤酸堿性不同，或是同一種花由于本身的汁液不同，而

呈現(xiàn)不同的顏色。

C6H11O5

C6H11O5

OHOH

C6H11O5

OC6H11O5

0

+0

pH<3（紅色）

H0

o

pH7-8（淡紫色）

C6H11O5

C6H11O5

0

HO

O

pH>ll（藍色）

黃酮色素苯并一Y一毗喃酮又稱色酮，為白色固體。2一苯基苯并

-Y一毗喃酮則稱為黃酮，是黃酮素母體。

00

0

Y一叱喃酮色酮黃酮

黃酮的多羥衍生物統(tǒng)稱黃酮色素,是存在于植物的根、莖、葉和花中的

黃色或棕色色素，例如茶樹等植物中的棚皮素,就是黃酮的五羥基衍生物。

黃酮素的許多衍生物都可以入藥，如董苓背有鎮(zhèn)靜解熱作用，杜鵲素（二氫黃

酮衍生物）是治療老年慢性支氣管炎的中草藥。

喳琳嗤咻是苯環(huán)與哦碇環(huán)稠合而成的化合物，存在于煤焦油中，也

可用合成方法制得，有些生物堿中也含有嗤咻環(huán)。

口奎咻為無色油狀液體，放置一段時間逐漸變黃色。沸點238℃,熔點

-15℃,易與水蒸氣一同揮發(fā)，具有特殊氣味。微溶于水，易溶于乙醇、乙

酸、氯仿等有機溶劑。是一種高沸點溶劑。

喳咻具有閉合的共枕體系，由于氮原子上還有一對P電子未參與環(huán)上

共軌體系，所以喳琳與此咤相似，具有弱堿性，但堿性比叱咤弱。它可以與

無機酸成鹽，也可以與碘甲烷生成季鏤鹽。

口奎咻環(huán)中含有氮原子的叱咤環(huán)，電子云密度低于相并聯(lián)的苯環(huán),因此嗤

琳發(fā)生親電取代時，反應(yīng)

在苯環(huán)的5一位或8一位上進行：

2

+

2

+

3H

+

3

H

67

8

4

1

但是，當喳琳進行親核取代反應(yīng)時，取代基則進入含氮原子的毗咤環(huán)

的鄰位或?qū)ξ唬?一位或4

一位）：

N

二甲苯100C

N

NH2

當唾啾被高錦酸鉀氧化時，因苯環(huán)破裂而生成2,3一口比咤二甲酸。若

強熱此二元竣酸則脫竣生成煙酸：

COOHCOOH

OO

COOH

口奎咻2,3一毗淀二甲酸煙酸

喳琳與還原劑（錫和鹽酸、鈉和乙醇等）作用或催化加氫可生成四氫

口奎啾（哦咤環(huán)還原），它是比瞳咻更強的堿，具有芳香仲胺的性質(zhì)。如在

更強烈的條件下（箱催化加氫或氫碘酸等）苯環(huán)可再加氫，生成強堿性的

十氫口奎啾：

NHNH

喳琳用于制造藥物、染料和試劑，還用于保護解剖標本等。喳咻可以

用合成法制?。?/p>

NH2

+

CH2CH22

13.2生物堿（NaturalBase）

13.2.1生物堿概述（IntroductionofNaturalBases）

生物堿是指一類含氮的堿性有機化合物。由于是從生物體（主要是植物）

內(nèi)取得，所以稱為生物堿。它們多是含氮雜環(huán)衍生物,但也有少數(shù)非雜環(huán)的

生物堿。

生物堿在植物界分布很廣，動物體中的含量則很少。不同的植物所含

生物堿差異也很大。在雙子葉植物的罌粟科、茄科、毛艮科、豆科中含量

比較豐富，而在裸子植物、薔薇植物、隱花植物中的含量則極少。生物堿

大都與有機酸（蘋果酸、檸檬酸、草酸、琥珀酸、醋酸、乳酸等）或無機酸（磷

酸、硫酸、鹽酸）結(jié)合成鹽存在于植物體內(nèi)，但也有少數(shù)以游離堿、甘或酯

的形式存在。

生物堿對植物本身有什么作用當前還不清楚，但許多生物堿對人和動

物有強烈的生理作用。例如當歸、甘草、貝母、黃麻、黃連等許多藥物中

的有效成份都是生物堿。

有關(guān)生物堿的研究已有約兩個世紀的歷史，并從各種植物中分離提取

了幾千個品種，且大多數(shù)生物堿的結(jié)構(gòu)已經(jīng)測定，并用人工合成加以證實。

目前，中草藥的研究和生物堿的研究正相得益彰，既促進了中藥的發(fā)展，又

促進了有機合成藥物的發(fā)展，為生命科學(xué)開拓了廣闊的前景。

13.2.2生物堿的一般性質(zhì)（GeneralPropertiesofNaturalBases）

1.生物堿的物理性質(zhì)

生物堿大多數(shù)是無色結(jié)晶固體，少數(shù)為非結(jié)晶體和液體。一般都有苦味,

有些極苦而辛辣，還有些能刺激唇舌，使之有焦灼感。大多數(shù)生物堿分子中

含有手性碳原子,具有旋光性；不溶或難溶于水,能溶于乙醇、乙醛、丙酮、

氯仿和苯等有機溶劑中。但也有例外，如黃麻堿、煙堿、咖啡因等可溶于

水。

2.生物堿的化學(xué)性質(zhì)

生物堿一般呈堿性，能與無機酸或有機酸結(jié)合成鹽，這種鹽一般易溶于

水。

(1)生物堿的沉淀反應(yīng)

一般生物堿的中性或酸性水溶液均可與數(shù)種或某種沉淀試劑反應(yīng)，生

成沉淀。沉淀試劑的種類很多，大多數(shù)為重金屬鹽類或分子較大的復(fù)鹽，例

如碘化汞鉀(K2Hgi4)、碘化祕鉀(Bil3?KI)、磷鴇酸(H3P04*12WO3?2H2O)、

磷鋁酸(Na3P04?12Mo03)、硅鴇酸(12WO3?Si02?4H20)、碘一碘化鉀、

糅酸、氯化汞(HgCI2)、10%苦味酸、AuC13鹽酸溶液、PtC14鹽酸溶液等，

其中最靈敏的是碘化汞鉀和碘化秘鉀。

利用生物堿的沉淀反應(yīng)，可以檢驗生物堿的存在。

(2)生物堿的顏色反應(yīng)

生物堿還可以和生物堿顯色劑發(fā)生顯色反應(yīng)。顯色劑的種類也很多，

隨生物堿的結(jié)構(gòu)不同而有所區(qū)別。常用的顯色劑有:鋼酸一硫酸試劑、鋁酸

一硫酸試劑、甲醛一硫酸試劑、鋁酸鉀、純硝酸、濃鹽酸和氯化鎂等。

13.2.3生物堿的一般提取方法

(GeneralExtractionMethodsofNaturalBases)

從植物中提取生物堿，一般有下面三種方法：

1.加酸一堿提取法

首先將含有較豐富生物堿的植物用水清洗干凈，瀝干研碎，再用適量

的稀鹽酸或稀硫酸處理，使生物堿成為無機酸鹽而溶于水中，然后往此溶

液中加入適量的氫氧化鈉使生物堿游離出來,最后用有機溶劑萃取游離的

生物堿，蒸去有機溶劑便可得到較純的生物堿。

2.加堿提取法

在某些情況下，可把研碎的植物直接用氫氧化鈉處理，使原來與生物堿

結(jié)合的有機酸與加入的氫氧化鈉作用，生物堿就會游離出來,最后用溶劑萃

取。

3.蒸儲法

有些生物堿(如煙堿)可隨水蒸氣揮發(fā)，則可用水蒸氣蒸僧法提取。

13.2.4個別化合物(SomeNaturalBases)

*1.煙堿

煙堿又稱尼古丁(Nicotine),是煙草所含的十二種生物堿中含量最多的

一種(生煙葉含量為2-8%)。它在煙葉中以蘋果酸鹽或擰橡酸鹽的形式存在。

煙堿由此咤環(huán)與四氫毗咯環(huán)所組成：

CH3

N-甲基2(34比咤基)四氫毗咯

煙堿是無色油狀液體，味辛辣，沸點247℃,呈左旋性。能溶于水、乙醇、

乙醛等溶劑。能隨水蒸氣揮發(fā)而不分解。

強氧化劑(HNO3)與煙堿作用淇分子中的四氫毗咯環(huán)被破壞，生成煙酸:

3

COOH

煙堿煙酸

煙堿有劇毒，它能引起頭痛、嘔吐、吸入量達40毫克能致死?？捎米?/p>

農(nóng)用殺蟲劑。2.麻黃堿

麻黃堿（麻黃素）存在于中草藥麻黃中。在結(jié)構(gòu)上它是一個非雜環(huán)生物

堿，也是芳香族的醇胺，學(xué)名為1一苯基一2一甲氨基一1一丙醇。

HC*

CH3

3

分子中含有兩個不同的手性碳原子，有兩對對映異構(gòu)體，其中左旋麻黃

堿有生理作用。麻黃堿是無色晶體，熔點38.1℃,易溶于水、乙醇，可溶于氯

仿、乙醛、苯和甲苯中。麻黃堿可以興奮交感神經(jīng)，增高血壓，擴張氣管，用

于治療支氣管哮喘癥。

3.茶堿、可可堿和咖啡堿

茶堿、可可堿和咖啡堿分別存在于茶葉、可可豆和咖啡中，也可以用人

工合成。

CH3

3

H

H3

CH3

CH3

CH3

3

茶堿可可堿咖啡堿

（1,3-二甲基黃喋吟）（3,7-二甲基黃喋吟）（1,3,7-三甲基黃喋

吟）

它們是無色針狀結(jié)晶，有苦味，易溶于熱水，難溶于冷水。茶堿熔點

270~272℃,可可堿熔點357℃,咖啡堿熔點235℃。

茶堿、可可堿和咖啡堿都是黃喋吟的衍生物。黃喋吟又稱為2,6-二羥

基喋吟，存在于動物的血液、肝臟和尿中o它有酮式一烯醇式的互變異構(gòu)體。

茶堿有利尿作用和松弛平滑肌作用?？Х葔A又稱咖啡因，有興奮中樞

神經(jīng)、止痛、利尿作用?？煽蓧A能抑制胃小管再吸收和利尿作用。

4.金雞納堿（奎寧）

金雞納堿又稱奎寧（quinine）,在金雞納樹皮中含量達15%,分子中

含有喳琳環(huán)，屬喳琳族生物堿。分子結(jié)構(gòu)如下：CH30

CHCH2

奎寧是無色針狀晶體，無水物熔點172.8C,味極苦，微溶于水,易溶