杂环化学是有机化学的一个重要组成部分。所有的有机化合物，从结构上可以分为两大类，即链状化合物和环状化合物。在环状化合物中，所有的“环节”原子都是碳原子组成的，称为环状化合物。如果在“环节”原子中除了碳原子以外，还含有一个或者多个非碳原子时，则称为杂环化合物。杂环化学就是研究杂环化合物的化学。

杂环化合物中的非碳“环节”原子称为杂原子。在有机化学中，周期表中碳以外的其他元素，通常被看成是杂原子，并用以构成杂环化合物。实际上，到目前为止，有些元素——如零族和第Ⅱ族元素等，还尚未发现由它们组成的、稳定的杂环化合物。另外，金属元素的原子也能参与构成环状结构的分子，然而这种分子的键型结构和物理、化学性质都与一般的化合物不同，通常把它们称作金属有机化合物，而不作为杂环化合物来讨论。

在杂环化合物中，各种不同的“环节”原子的排列组合方式和键合类型是多种多样的，所以如此构成的杂环化合物的数目是十分的惊人的。据统计，在现今已知的有机化合物中，杂环化合物的数量，占总数的65%以上。因此，杂环化合物在有机化学的各领域研究中都占有极其重要的地位。

杂环化合物不仅种类繁多，而且在自然界中分布较为广泛。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分子结构也含有杂环。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。

 在此，就不对杂环化合物品种多样性、应用广泛性进行过多的陈述。以下将杂环化合物中具有代表的几种物质向读者进行简要的介绍。最常见的杂原子是氧、硫和氮。如：

     呋喃          四氢呋喃          噻吩             四氢噻吩

      吡咯         四氢吡咯          吡喃              吡啶

   咪唑         吡嗪               喹啉                   吲哚

以上所列只是一小部分杂环化合物的母体。在杂环化合物中，成环的原子数，环中杂原子的种类（除O，S，N外，还可以是B、P、Si等等多种原子）和数目，环系的饱和程度等各不相同，同时还有单环或稠环体系以及由它们衍生的许多化合物。按定义，在前面一些章节中曾经遇到的内酯、内酐、交酯、内酰胺等，也应属于杂环化合物，但这些化合物的性质与相应的开链化合物相同，而且很容易开环形成开链化合物，因此一般不将这些化合物归入杂环化合物章节中讨论。本章所讨论的杂环化合物是指那些环系构成了环闭共轭体系的杂环，它们具有不同程度的芳香性，它们与不具环闭共轭体系的杂环化合物在性质上有较大的区别。

第一节 杂环化合物及生物碱

一、杂环化合物和生物碱

1.分类

杂环化合物可按环的大小分类，其最重要的是五元杂环和六元杂环两大类；又可按照杂环中杂原子数目的多少，分为含有一个杂原子的杂环及含有两个或者两个以上杂原子的杂环；还可以按照环的形式分为单杂环和稠杂环。上述分类方法是以环 的骨架为基础的。

2.命名

杂环化合物的中文命名有两种方法。一种是外文名词音译，并以一口字旁表示是环状化合物，例如“呋喃”、“噻吩”、“吡咯”等，分别读作“夫南”、“塞分”、“比络”。另一种方法是以相应于杂环的碳环命名，也就是将杂环看作是相应的碳环化合物中碳原子被杂原子替代而成的产物。下面括号中的名称就是按照这种命名方法命名的。按照音译得来的名称与机构之间没有联系，而后一种方法则能够反映出结构特点。但一般习惯采用的还是音译的名称。根据1980年中国化学会颁布的有机化学命名原则，只对物特定名称的杂环才采用以其相应的碳环作母体的命名方法，所以下面列出环系，一般不采用括号中的名称。

2.1 五元杂环

           呋喃(furan)    噻吩(thiophene)    吡咯(pyrrole)   

咪唑(imidazode)   吡唑(pyrazole)   噻唑(thiazole)

(1,3-二氮杂环戊二烯)(1,2-二氮杂环戊二烯) (1-硫-3-氮杂环戊二烯)

相应于上述各杂环的碳环是环戊二稀、按照第二种命名方法，上述杂环就叫某环戊二烯。

单杂环编号时是以杂原子为1，如环中有两个相同的杂原子，则由取代基（或H）的一个杂原子开始，如果环中有两个或几个不同的杂原子，则按照O—S—N的顺序编号，杂原子的号数应最小，如噻吩则是S为1。有时也常以α，β表示不同碳原子的位置，与杂原子相邻的为α。

2.2 六元杂环

      吡喃            吡啶       嘧啶(pyrimidine)   吡嗪（pyrazine）

                  （氮杂苯）   (1,3-二氮杂苯)      (1,4-二氮杂苯)

相应于吡喃的母体碳环是1,4-环己二烯，而相应于吡啶、嘧啶、吡嗪的碳环则是苯。

2.3 稠杂环

    吲哚 (indole)            嘌呤(purine)                 茚

      (氮杂茚)           （1,3,7,9-四氮杂茚）     

相应于吲哚、嘌呤的母体活性碳环是茚，而相应于苯并吡喃、喹啉、异喹啉及蝶啶的母体碳环是萘。

苯并呋喃(benzopyran)     喹啉  异喹啉(isoquionline)   喋啶(pteridine)

(氧杂萘)            （1-氮杂萘）  （2-氮杂萘）      （1,3,5,8-四氮杂萘）

稠杂环常用有其特定的编号方法，如嘌呤、喋啶等。

二、杂环化合物的结构

1.五元杂环化合物的结构

从这三种杂环的经典结构式来看,它们都具有共轭二烯的结构,具有醚、硫醚、胺的化学性质。然而它们除了有加成反应倾向外,其典型化学性质却类似苯,能起亲电取代反应如硝化、磺化、卤化等,具有一定芳香性。结构上可看作苯环中的一个链节被杂原子(O、S或NH)置换而成的。杂原子上的一对p电子代替了上的一对π电子。根据物理方法证明,呋喃、噻吩和吡咯是一个平面结构,环上每个碳原子的p轨道上有一个电子,杂原子p轨道上有两个电子,p轨道垂直于五元环的平面,互相重叠构成闭合共轭体系,其π电子数为6个,符合休克尔4n+2规则。同时从核磁共振谱上亦显示有类似苯环的环电流影响,使环上质子的吸收峰移向低场,δ值在7左右。所以这三个五元杂环均具有芳香性,其分子结构见图     。

         呋喃的分子结构                            噻吩的分子结构

                               吡咯的分子结构

                             图   五元杂环的分子结构

呋喃、吡咯和噻吩分子的π电子云分布如图   。

呋喃

噻吩

吡咯

环形π电子云分布于杂环平面的上下两方

噻吩、吡咯、呋喃的共轭能分别为125.5kJ/mol、90.4kJ/mol、71.1kJ/mol

2.六元杂环化合物的结构

吡啶的构造式是：

吡啶的构造与苯类似，构成环的原子（碳原子和氮原子）处在同一平面内，形成一个六个电子参与的环状共轭体系。符合Huckel规则，具有芳香性。

三、杂环化合物的化学性质

1.取代反应

1.1 呋喃

呋喃具有芳香性，能发生环上的亲电取代反应。

1.1.1 卤化 在常温下，呋喃直接用氯气氯化时反应进行得很剧烈，甚至有爆炸的危险。在-40℃度时用氯气氯化则可得到2—氯呋喃，但产率不稳定，不可避免地生成一部分2，5-二氯呋喃。这表明呋喃的亲电取代很容易进行。呋喃的溴化常在二氧六环的溶剂中进行。使用二氯六环为溶剂，一方面降低反应物的浓度；另一方面可以吸收反应放出的热量，使反应不致过于剧烈。

1.1.2 硝化 呋喃容易被强酸破坏，所以直接用或-硫酸的混合物硝化得不到硝基呋喃。乙酰酯是比较温和的硝化剂，可以用来硝化活性大的杂环化合物。乙酰酯使用乙酐和在低温情况下制备。

用乙酰酯硝化呋喃，在低温条件下，可得到2-硝基呋喃，但产率一般不高。

1.1.3磺化 硫酸是强酸，不能用来磺化呋喃。磺化呋喃的常用的磺化剂是吡啶—三氧化硫络合物。反应一般是在二氯乙烷中进行。

1.1.4 Frieldel-Crafts反应 呋喃的Frieldel-Crafts反应烷基化很难得到一烷基取代产物，反应时不可避免地会产生树脂状物质。呋喃的Frieldel-Crafts烷基化反应在合成上用途不大。

呋喃的Frieldel-Crafts酰基化可以得到2-乙酰基呋喃。当用三氟化硼作催化剂时产率较高。例如：

呋喃卤化、硝化、磺化和Frieldel-Crafts反应都是亲电取代反应。反应首先是发生在位，如果位有取代基，则发生在位。不管是位还是位，反应的活性都比苯高。

1.2  噻吩

噻吩对热很稳定，加热至850℃仍不分解。噻吩的化学性质与苯相似对于亲电取代噻吩的活性比苯大。

1.2.1 卤化 与呋喃、吡咯不同，噻吩可以在常温下用卤素直接卤化，得到一取代产物。

卤化首先发生在位。一元溴化产率较高，可达78%。噻吩的氯化和碘化也能得到一元取代物。

1.2.2 硝化 噻吩用乙酯硝化，主要得到2-硝基噻吩。

1.2.3 磺化 噻吩环对酸稳定，噻吩在常温时用浓硫酸磺化得到2-噻吩磺酸。

噻吩存在于煤焦油中，由于噻吩和苯的沸点很近，所以分馏煤焦油时噻吩和苯一起馏出，两者不能用一般的精馏方法分开。工业上分离噻吩的方法是在常温下，用浓硫酸多次萃取含噻吩的粗苯。噻吩磺化后溶于浓硫酸，而苯不溶。分层后分离出2-噻吩磺酸。在加热的条件下，将2-噻吩磺酸水解，得到噻吩。

上述方法在工业上用来精制煤焦油粗笨，以便得到精苯——去噻吩苯。

噻吩也可以用温和的磺化基吡啶—三氧化硫磺化。

1.2.4 Friedel-Crafts反应 噻吩进行Friedel-Crafts反应时，需要小心的选择反应条件和催化剂，以免发生副反应。例如，使用乙酐作酰基化剂，磷酸作催化剂，可以得到较高产率的2-乙酰基噻吩。

上述条件下，如果使用无水AlCl3作为催化剂，得到的常常是树脂状物质。

1.3  吡咯

吡咯也具有芳香性，容易发生亲电取代反应反应的条件比苯温和，对于亲电取代，吡咯的活性比苯高的多。

1.3.1 卤化 吡咯直接卤化不能得到一卤化物，即使在较低的温度下，得到的也常常是四卤化物。

与卤素反应，吡咯的反应活性类似于苯胺。

1.3.2 硝化 吡咯用乙酯硝化，在较低的温度下，可以得到一元硝化物。

1.3.3 磺化 吡咯可以用温和的磺化剂进行磺化。例如：用吡啶-三氧化硫进行磺化，反应的比较顺利。

1.4  吡啶

吡啶具有芳香性能进行环上亲电取代。但是，由于氮的电负性大，降低了环碳原子上的电子密度，因而吡啶的亲电取代反应比苯难于进行。只有在较高温度下，用不同的亲电试剂和催化剂，才能发生卤化、硝化、磺化反应。例如：

1.4.1 卤化 卤化反应在气相中进行：

1.4.2 硝化 以钾和硫酸作为硝化试剂，在高温的条件下，能进行硝化反应。

1.4.3 磺化 磺化反应应用发烟硫酸作为磺化剂，在硫酸汞作为催化剂的条件下进行的，产率高。

吡啶不能发生Friedel-Crafts烷基化和酰基化反应。

吡啶的亲电取代主要发生在位上。

2.加成反应

2.1 呋喃

呋喃是具有芳香型的杂环化合物。但是，呋喃的共振能（67KJ·mol-1）比苯的共振能（146KJ·mol-1）小的多，从而使它在某些化学反应中呈现出共轭二烯的性质。例如，呋喃与溴在低温下能生成少量的1,2-加成和1,4-加成产物。

   2.2 噻吩

 噻吩用还原剂如钠和乙醇还原得到二氢噻吩，催化加氢则得四氢噻吩。

3.氧化反应

3.1 吡啶

吡啶用过氧化氢或过酸氧化生成N-吡啶氧化物，这个氧化物简称为氧化吡啶。例如：

4.酸碱性

吡咯环中的氮原子带有孤电子对，但是吡咯基本上不显碱性。相反，吡咯氮原子上的氢显示弱酸性（）。吡咯能与强碱反应生成盐。例如：

四、杂环化合物及其衍生物

1.呋喃及其衍生物

（1）呋喃

呋喃为无色有特殊气味的液体，沸点为31.36℃，不溶于水，而溶于乙醇、乙醚。可以又糠酸（α-呋喃甲酸）加热脱羧酸而成。用作有机合成原料。

（2）α-呋喃甲醛

α-呋喃甲醛是呋喃的重要衍生物之一，俗名糠醛。

用烯酸（盐酸或硫酸）处理米糠、玉米芯、高粱杆或花生壳等农副产品，其中含有多聚戊糖，后者在酸的作用下失水环化成为糠醛。

      戊醛糖

由戊糖制备糠醛的反应说明，杂环化合物可以由开链化合物合成。

纯净的糠醛是无色液体，沸点161.7ºC，在光、热及空气中，很快变为黄色、褐色，以至黑色，并产生树脂状聚合物。

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有用原料，可用于制造酚醛树脂、医药(如呋喃西林、痢特灵等)、农药等。

2.吡咯及其衍生物

（1）吡咯

吡咯存在于煤焦油和骨焦油中，是无色液体，沸点131ºC，在空气中因氧化而迅速变黑。在微量无机酸存在下易聚合成暗红色树脂状物。

（2）吡咯的衍生物

吡咯的许多衍生物广泛分布于自然界，例如，叶绿素、血红素等，它们都是有重要生理作用的细胞色素，叫做卟啉(porphyrin)类化合物。

叶绿素和血红素具有相同的基本骨架—卟吩。卟吩是由四个吡咯环的α-碳原子通过次甲基()相连而成的复杂共轭体系，所以叶绿素、血红素等都有颜色。卟吩呈平面型，在四个吡咯环中间的空隙里四个氮原子可以分别以共价键及配价键与不同的金属离子结合，在叶绿素中结合的是镁，而血红素中结合的是铁；同时四个吡咯环的β位置还各有不同的取代基。

卟吩

（porphine）

叶绿素是含于植物的叶和茎中的绿色色素，它与蛋白质结合存在于叶绿体中，是植物进行光合作用所必需的催化剂，植物通过叶绿素吸收了太阳能才能进行光合作用。

叶绿素是叶绿素a 和叶绿素b 两种物质的混合物，它们在植物中的比例是a:b=3:1 其区别在于环Ⅱ上的R不同。

叶绿素（chlorophyll）

叶绿素a 是蓝黑色结晶，熔点150~153 ºC，其乙醇溶液呈蓝绿色，并有深红色荧光。叶绿素b 是深绿色粉末，熔点120~130 ºC，乙醇榕被呈绿或黄绿色，有红色荧光。二者都易熔于乙醇、乙醚、丙酮、氯仿等，而难溶于石油醚，都有旋光活性。

叶绿素可做食品、化妆品及医药上的无毒着色剂。

血红素是棕色针状结晶，有深紫色光泽，微溶于醋酸，极不稳定。血红素以游离状态存在于某些病理状态下的组织及正常组织中。血红素作为辅基与蛋白质结合成血红蛋白存在于红细胞中。血红素与蛋白质是通过分子中心的铁以配位键与蛋白质中组氨酸的咪唑环上的氮结合的，其第六配位键可与O2或CO2结合，在机体中将O2带至细胞中，将CO2由细胞中带出。一氧化碳分子的大小、形状与O2相似，但与血红蛋白的结合能力比O2强很多，所以吸入CO后，即阻止了血红蛋白与O2的结合，从而导致缺氧死亡。

血红素（heme）

叶绿素及血红素①都可用人工方法合成。

维生素B12含有类似于卟吩的环系，但其中两个吡咯环间少了一个次甲基，这种环系叫咕琳(corrin) 。维生素B12是天然产物中结构最复杂的化合物之一，但不属于高分子化合物。

维生素B12

维生素B12又名氰钴胺素(cyanocobalamine)，存在于动物肝脏中，为暗红色针状结晶，是抗恶性贫血的药物。

早在1926 年就发现动物的肝可以医治恶性贫血，从而生物化学家便开始了对肝中能医治恶性贫血的有效成分的研究，但由于它在肝中含量太少，而且它对强酸、强碱、高温都很敏感，在提纯过程中极易分解.所以在较长时期内没有什么进展，直至1948年才分离得到了纯的暗红色B12的结晶，自此关于B12的结构又成为有机化学的研究对象之一，至1954 年用X 射线衍射的方法才确定了B12的上述结构式。此后又经过了十余年时间及近百名科学工作者的努力于1972 年完成了B12的全合成。维生素B12的发现、提取至全合成是医学、生物化学、无机化学、有机化学、生理学以至物理学工作者共同努力的结果。它的研究过程很好地说明了对生物体中任何一部分作用机制的研究必须多种学科互相配合才能完成。

3.吡啶及其衍生物

（1）吡啶

吡啶含于煤焦油中，是一个叔胺，呈弱碱性；为无色液体，沸点115.5 ºC，极臭。它能与水任意说合，又能溶于乙醇、乙醚、苯、石油醚等许多极性或非极性有机溶剂中，并能溶解氯化铜、氧化锌、氯化汞、银等许多无机盐类，因此是非常有用的溶剂。同时也是合成某些杂环化合物的原料。

（2）吡啶及其衍生物

维生素PP、维生素B6及雷米封都是吡啶的重要衍生物。

维生素PP是B 族维生素之一，它参与机体的氧化还原过程，能促进组织新陈代谢，降低血中胆固醇，体内缺乏维生素PP能引起糙皮病，所以维生素PP也叫抗糙皮病维生素。

维生素PP包括β-吡啶甲酸及β-吡啶甲酰胺两种物质。

β-吡啶甲酸,熔点236~237 ºC

盐酸(niacin)或尼可酸(nicotinic acid)

β-吡啶甲酰胺,熔点128~131 ºC

烟酰胺（niacinamide）或尼可酰胺(nicotinamide)

二者的生理作用相同，它们都是白色结晶，对酸、碱、热等都比较稳定，存在于肉类、肝、肾、花生、米糠以及酵母等中。

β-吡啶甲酰胺是辅酶Ⅰ的一个重要组分，辅酶Ⅰ是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，简称NAD+：

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸

NAD+

（Nicotinamide Adenine Dinucleotide）

NAD+是生物氧化过程中很重要的辅酶，它可以使底物脱去氢，将羟基氧化为羰基，例如将乙醇氧化为乙醛。由于NAD+ 的氧化作用是发生于吡啶环上的，所以可将NAD+简写为如下形式：

NAD+简写式                                          NADH

（氧化型）                                       （还原型）

实际上是乙醇中氢以负离子形式对吡啶环γ位进行亲核加成，形成NADH。NAD+及NADH的氧化还原反应可以下式表示:

NAD+                                      NADH

此氧化及还原反应有立体专一性，即酶可识别乙醇前手性碳上的前R氢及前R氢；也可识别乙醛分子的re 面或si面。

维生素B6还包括吡哆醇、吡哆醛与吡哆胺。

吡哆醇                             吡哆醛

（pyridoxine）                     (pyridoxal)

吡哆胺

(pyridoxamine)

维生素B6在自然界分布很广，存在于蔬菜、鱼、肉、谷物、蛋类等中，它们参与生物体中的转氨作用，是维持蛋白质正常代谢必要的维生素。

雷米封是异烟酰肼的俗名，是抗结核药物：

异烟酰肼

雷米封的结构与β-吡啶甲酰胺相似，其作用是干扰结核菌正常利用β-吡啶甲酰胺而使其不能生长繁殖。

4.嘧啶及其衍生物

维生素B1是嘧啶的重要衍生物之一。

维生素B1(盐酸硫胺素，thiamine hydrochloride)

维生素B1的骨架是由嘧啶及噻唑环通过亚甲基联结成的，维生素B1在医药上叫做硫胺素，常用的是它的盐酸盐或盐，为白色结晶，易溶于水，对酸稳定，pH 大于5.5则分解。维生素B1是维持糖的正常代谢必需的物质，体内缺乏维生素B1时，可引起多发性神经炎、脚气病及食欲不振等。维生素B1存在于米糠、麦鼓、瘦肉、绿叶、花生、豆类、酵母等中。

5. 吲哚及其衍生物

吲哚是由苯环与吡咯环稠合而成，所以又称为苯并吡咯，其主要存在于煤焦油中，在素馨花、柑桔花中也存在少量的吲哚。吲哚为无色片状结晶，熔点52.5 ºC ，有粪便气味。与β-甲基吲哚(粪臭素)共存于粪便中。纯吲哚的极稀溶液有愉快香气，因此纯吲哚及粪臭素均可用于配制香精，但浓度必须适当。

吲哚与吡咯相似，有弱酸性。

吲哚的衍生物以多种多样的形式存在于自然界之。例如，色氨酸、β-吲哚乙酸、β-羟基吲哚和利血平都是吲哚的衍生物。他们的构造式分别为：

色氨酸

β-吲哚乙酸（indoleacetic acid）

β-羟基吲哚

利血平

色氨酸是蛋白质的组分之一，也是人类营养必需的氨基酸之一。β-吲哚乙酸是一种植物生长的调节剂，广泛存在于植物幼芽中的植物生长素，能促进植物生长，但是使用过量时反而抑制、甚至伤害植物。色氨酸是其生物合成的前身。β-羟基吲哚有很强的生理活性，是哺乳动物和人脑思维活动的重要物质。利血平是一种生物碱，有镇静和降压的作用，国产的“降压灵”中含有利血平。

β-吲哚乙酸是无色结晶，熔点1 ºC，微溶于水和氯仿，易榕于乙酸乙酯，在中性或酸性溶液中不稳定。其钾盐、钠盐或铵盐在水溶液中比较稳定，一般使用它的盐类作为植物生长调节剂。

低浓度的β-吲哚乙酸能促进植物生长，其主要作用是能加速插枝作物的生根，但浓度较高时则抑制作物的生长。

6. 嘌呤及核酸

嘌呤是嘧啶和咪唑并联的稠环体系，它有(Ⅰ)和(Ⅱ)两种互变异构体：

(Ⅰ)                               (Ⅱ)

嘌呤是无色结晶，熔点216~217ºC，易溶于水，水溶液对石蕊呈中性，但能分别与酸或碱形成盐。

嘌呤本身不存在于自然界，但它的氨基及是羟基衍生物却广泛分布于动植物中。如尿酸是2,6,8-三羟基嘌呤，它是鸟类和爬虫类动物体中蛋白质代谢的最终产物，正常人的尿中只含少量尿酸。人体内如果嘌呤代谢紊乱，便会使血尿酸增高，而引起痛风性关节炎。

（烯醇式）                                酮式

                       （2,6,8-三羟基嘌呤）

尿酸最初是由尿结石中发现的，为白色结晶，难溶于水，有弱酸性。尿酸有以上两种互变异构体。

在许多含氮杂环中，与氮原子相邻的碳上连有羟基、氨基或巯基时，常有如上的互变异构现象。

核酸(nuclear acid)是除蛋白质及多糖以外的又一类有重要生理作用的天然高分子化合物，它们存在于所有细胞中。核酸与生物的生长、繁殖、遗传变异有着极为密切的关系。

核酸是由多个核苷酸( nucleotide) 组成的高分子化合物，核苷酸是由一分子戊糖和一分子含氮杂环组成的氮糖苷(核苷，nucleoside) 的磷酸酯。组成核苷酸的戊糖是D-核糖及D-脱氧核糖。含氮杂环是以下五种嘌呤或嘧啶的衍生物，括号中的英文字母为通用的简写。

腺嘌呤

adenine（A）

鸟嘌呤

guanine(G)

尿嘧啶

uracil(U)

胞嘧啶

cytosine(C)

胸腺嘧啶

thymine(T)

上述嘌呤及嘧啶的衍生物，都有互变异构体，哪一种异构体占优势则决定于榕液的pH，在生理系统中主要以左方异构体的形式存在。它们与糖形成核苷时，嘌呤衍生物以N9，嘧啶衍生物以Ni分别与糖中的C1以β-糖苷键相连。例如：

核苷可以看作是糖中半缩醛羟基与杂环中氮原子上的氢去水形成的，所以叫做氮糖苷。核糖腺苷酸就是核苷酸中的一种，它是腺苷的磷酸酯，在生物化学中简称AMP。

腺苷-5’-磷酸酯（AMP）

核酸就是由多个核苷通过磷酸分别连接两分子糖中C3及C5形成的高分子化合物，如图所示。

图 核糖核酸的部分结构示意

每一种核酸中所含的糖是相同的，所以根据其中所含的糖将核酸分为核糖核酸(RNA ribo-nucleic acid)及脱氧核糖核酸(DNA deoxyribonucleic acid) 两大类。每一类中不同核酸的区别只在于含氮杂环(在生化中叫做碱基)的种类及排列次序不同。

7. 花色素

花色素(cyanidin)是一类重要的植物色素，它们与糖结合成苷存在于花或果实中，叫花色苷(anthocyanin)。用酸水解花色苷即得糖及花色素的 ？ 盐。花色素具有2-苯基苯并吡喃的骨架，在3-，5-，7-，3'-，4'-，5'-等处常带有羟基。

2-苯基苯并吡喃

花色苷的颜色随介质的pH 及环境中不同金属离子而改变，所以同一种花色苷在不同的花中，或是同一种花由于种植的土壤不同，都能显出不同的颜色。例如，花青苷在pH 7~8 时呈淡紫色，pH<3 时呈红色，pH> 11则呈蓝色。颜色的改变是由于在不同介质中结构发生变化所致。玫瑰的红色及矢车菊的蓝色都是由花青苷构成的。

各种花色苷的区别就在于苯并吡喃环及与之相连的苯环上羟基的位置与数目，以及与之成苷的糖不同。花色素也是由两个碳的乙酰单位形成的。花色素、叶绿素、类胡萝卜素等都是安全的食品着色剂。

8. 维生素B2及叶酸

维生素B2也及叶酸属于蝶啶的衍生物。

维生素B2又名核黄素，其骨架结构叫做异咯嗪，也可看作是苯并蝶啶，在7，8位有两个甲基，10 位的氮原子与核糖醇相连。维生素B2是生物体内氧化还原过程中传递氢的辅酶，其加氢与脱氢过程发生于N1及N5上：

维生素B2在自然界分布很广，存在于小米、大豆、酵母、绿叶菜、肉、肝、蛋、乳等食物中。维生素B2为黄色结晶，熔点280ºC (分解) ，微溶于水和乙醇，水潜液有黄绿色荧光。维生素B2对碱敏感，于暗处对酸稳定。体内缺乏维生素B2时则患口腔炎、角膜炎、结膜炎等症。

叶酸也是B族维生素之一，广泛存在于蔬菜、肝、肾、酵母等中，为黄色片状结晶，不易溶于水和乙醇。叶酸参与体内嘌呤及嘧啶环的生物合成。体内缺乏叶酸则患巨幼细胞性贫血症。

叶酸

（folic acid）

第二节 生物碱

一、生物碱概述

生物碱(alkaloid) 是指一类存在于生物体中的结构复杂并具很强生理作用的含氮碱性有机物。由于它们主要存在于植物中，所以也常叫做植物碱，至今分离出的生物碱已有数千种。一种植物中可以含有多种生物碱，同一科的植物所含生物碱的结构往往是相似的。

氨基酸是生物碱合成的前身。

生物碱对于植物本身有什么作用还不清楚，但它对人类是很重要的，因为许多生物碱对人有很强的生理作用，是非常有效的药物，尤其我国使用中草药的历史已有数千年之久。例如当归、甘草、贝母、常山、麻黄、黄连等许多草药中的有效成分都是生物碱。对生物碱的结构与性质的研究为寻找优良的药物开辟了新的途径。因此它是世界各国都在注意的问题。

大多数生物碱都是结构复杂的多环化合物，分子中大都含有含氮的杂环。生物碱多与酸如乳酸、酒石酸、苹果酸、拧橡酸、草酸、琥珀酸、乙酸、磷酸等结合成盐存在于植物的不同器官中，也有少数以游离碱、糖苷、酯或酰胺的形式存在。

生物碱大多为固体，难溶于水，而能溶于乙醇等有机榕剂。大部分生物碱具旋光性。许多试剂能与生物碱生成不溶性的沉淀或发生颜色反应，这些试剂叫做生物碱试剂，可以用它们检出生物碱。

与生物碱能生成沉淀的试剂有丹宁、苦味酸、磷钨酸、磷铝酸、碘化汞钾(HgI2+ KI)等。它们可以使生物碱由水溶液中沉淀出来。能与生物碱产生颜色反应的有硫酸、、甲醛及氨水等。

生物碱常根据其基本骨架或杂环来分类，而根据它所来源的植物来命名。

二、生物碱的提取方法

1. 有机溶剂提取法 由临床证明具有疗效的植物细粉和碱液水溶液[10%氨水，Na2CO3或Ca(OH)2]拌匀研磨,以析出游离生物碱,再用有机溶剂(如氯仿、苯)浸泡。有机溶剂浸出液用稀酸(如1%～2%盐酸)抽提,则生物碱成为盐而溶于水中。水溶液浓缩,加无机碱[氨水,Na2CO3或Ca(OH)2],又析出游离生物碱,再用有机溶剂抽提,抽提液浓缩,冷后可析出生物碱结晶。

2. 稀酸提取法 植物细粉用稀酸水溶液(0.5%～1%硫酸或乙酸)浸泡或加热提取。所得水溶液流过阳离子交换树脂层,则生物碱阳离子与离子交换树脂的阴离子结合留于交换树脂上,其他非离子性杂质则随溶液流去。留在离子交换树脂上的生物碱用稀氢氧化钠溶液洗脱,再用有机溶剂抽提出生物碱。

提出的生物碱结晶,经纯化后,测定其物理常数如熔点,比旋光度等,以及用化学方法和现代物理方法确定其结构,并与医药学工作者配合,试验其药理作用及疗效等。

三、生物碱的代表

1. 烟碱

烟草中含有10 余种生物碱，烟碱是其中之一，它是结构比较简单的生物碱，以苹果酸盐及柠檬酸盐的形式存在。

烟碱

（nicotin）

烟碱又名尼古丁，属于吡啶族生物碱。它是无色能溶于水的液体，沸点246 ºC，天然存在的是左旋体。烟碱有剧毒，少量对中枢神经有兴奋作用，能增高血压，量大时能抑制中枢神经系统，使心脏麻痹以致死亡。（+)一烟碱的毒性比(一)一烟碱小得多。烟碱可用作农业杀虫剂。

2.咖啡碱

咖啡碱(咖啡因)是存在于咖啡、茶叶中的一种生物碱，属于嘌呤族生物碱。

咖啡碱是白色针状结晶，有苦昧，能溶于热水；有兴奋中枢神经的作用，并能止痛和利尿。因此咖啡及茶一直被人们当作饮料。可可碱存在于可可豆及茶叶等中，也有与咖啡碱相似的生理作用。

3.麻黄碱

麻黄碱是含于草药麻黄中的一种生物碱，又叫麻黄素。它是一个仲胺，不具含氮杂环，结构与肾上腺素相似。

麻黄素分子中含两个不相同手性碳原子，应有两对对映异构体，其中一对叫麻黄碱，一对叫假麻黄碱，天然存在的是(—)—麻黄碱及(+)一假麻黄碱。前者的生理作用最强。我国出产的麻黄含(—)—麻黄碱最多，质量最好。

麻黄碱为无色结晶，易溶于水和氯仿、乙醇、乙醚等有机榕剂。麻黄碱的生理作用也与肾上腺素相似，有兴奋交感神经、增高血压、扩张气管的作用，可用于支气管哮喘症。

4.秋水仙碱

秋水仙素，一种生物碱，因最初从百合科植物秋水仙中提取出来，故名，也称秋水仙碱。纯秋水仙素呈黄色针状结晶，熔点157℃。易溶于水、乙醇和氯仿。味苦，有毒。秋水仙素能抑制有丝，破坏纺锤体，使染色体停滞在中期。这种由秋水仙素引起的不正常，称为秋水仙素有丝。在这样的有丝中，染色体虽然纵裂，但细胞不，不能形成两个子细胞，因而使染色体加倍。自1937年美国学者布莱克斯利（A.F.Blakeslee）等，用秋水仙素加倍曼陀罗等植物的染色体数获得成功以后，秋水仙素就被广泛应用于细胞学、遗传学的研究和植物育种。

5.颠茄碱

颠茄碱也叫阿托平，它是含子许多茄科植物，如颠茄、曼陀罗、天仙子等中的一种生物碱。

颠茄碱(atropine)

分子中所含氮杂环叫托烷(或莨菪烷) ，属于托烷族(莨菪族)生物碱。

托烷

颠茄碱是白色结晶，熔点114~ 1l 6 ºC，难榕于水，易溶于乙醇，有苦味。医药上用作抗胆碱药，能抑制汗腺、唾液、泪腺、胃液等多种腺体的分泌并能扩散幢孔，用于医治平滑肌痊孪、胃和十二指肠溃疡病；也可用作有机磷及锦剂中毒的解毒剂。

6.吗啡碱

罂粟科植物鸦片中含有20 余种生物碱，其中含量最多的是吗啡。吗啡是1817 年被提纯的第一个生物碱，但它的结构至1952 年才确定。

吗啡属于异喹啉族生物碱，是微溶于水的结晶，有苦味。吗啡对中枢神经有麻醉作用，有极快的镇痛效力，是医药上使用的局部麻醉剂。但它是一种成瘾性药物，因此必须严格控制使用。

可待因是吗啡的甲基醚，与吗啡有同样的生理作用，成瘾性较吗啡差，用于镇咳。存在于大麻中的毒品海洛因是吗啡的二乙酰基衍生物。

罂粟碱也是存在于鸦片中的异喹啉族生物碱。在医药上可用作平滑肌松弛剂及脑血管扩张剂。

小结

习题

1、命名或写出下列结构式：

a . b.  c.  

d. e.  f. 

g. h.糠醛 

i.咪唑   j.3-甲基吲哚    k.8-羟基喹啉    l.2-苯基苯并吡喃

2、 下列维生素各属哪一类化合物 

a. 维生素A     b. 维生素B1, B2, B6, B12       c. 维生素PP 

d. 维生素C     e. 维生素D     f. 维生素K         g. 叶酸  

3、从结构的角度来讲，你所学过的生物体中有颜色的物质有哪几种？

                                                                                                                                   4、下列化合物哪个可溶于酸，哪个可溶于碱，或既可溶于酸又溶于碱？

a.    b. 

c. d. 

5、写出下列化合物的互变平衡体系：

    a. 腺嘌呤   b. 鸟嘌呤   c.  尿嘧啶   d.  胞嘧啶   e.  胸腺嘧啶   f. 尿酸                                                                   

6、核苷与核苷酸的结构有什么区别?

7、写出尿嘧啶与脱氧核糖形成的核苷酸。

8、水粉蕈素是由一种蘑菇中分离出的有毒核苷，其系统命名为9-β-D-呋喃核糖基嘌呤。写出水粉蕈素的结构式。

9、5-氟尿嘧啶是一种抗癌药物，在医药上叫做5-Fu-。写出其结构式。

10、写出下列反应的产物：

a. 

b. 

c. 

d. 

e. 

f. 

g. 

h. 

i. 

11、为什么吡咯不显碱性而噻唑显碱性？

12、写出由4－甲基吡啶合成雷米封的反应式。

13、怎样鉴别下列各组化合物？

  a. 糠醛  苯甲醛      b. 苯与噻吩     c.吡咯与四氢吡咯     d.吡啶与苯

15、古柯碱也叫柯卡因，是一种莨菪族生物碱，有止痛作用，但有成瘾性。如果将它用盐酸水解，将得到什么产物？

16   马钱子碱是一种极毒的生物碱，分子中哪个氮碱性强？

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