Гетероциклические соединения

Введение

«Гетерос» - по-гречески разный. Это циклические соединения, в кольца которых, кроме углеродных атомов входят атомы других элементов, например, азота, серы, кислорода (N,S,O) и др. они называются гетероатомами.

Эти соединения имеют большое биологическое значение, они распространены в природе в виде витаминов, алкалоидов, пигментов и других составных частей животных и растительных клеток, участвуют в построении аминокислот, входящих в состав белков; они входят в состав нуклеотидов, нуклеиновых кислот.



Классификация

В основу классификации положены фора ядра и число гетероатомов.

1) Пятичленные гетероциклы:

а) с одним гетероатомом;

б) с двумя гетероатомами и тд.

2) Шестичленные гетероциклы:

а) с одним гетероатомом;

б) с двумя гетероатомами и тд.

3) Гетероциклы с конденсированной системой ядер.

Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом

Важнейшими представителями являются следующие:

НС СН НС СН HC CH

НС СН НС СН HC CH

О S NH

фуран Тиофен Пиррол

Все эти соединения в своем составе имеют по четыре углеродных атома и один гетероатом. У этих соединений имеются две двойные связи, между которыми имеется одинарная связь (это напоминает диеновые углеводороды с сопряженной системой двойных связей). Однако, в химическом отношении ионии больше напоминают ароматические соединения. Каждый углеродный атом у них затрагивает 3 электрона на образование обычных ?-свзей, то есть связей, образованных гибридизированными электронными облаками, а один электрон образует Р - электронное облако (в виде правильной восьмерки).

У гетероатома на образование ?-связей израсходовано два электрона, а еще два электрона образуют Р-электронные облака. В результате видим, то в ядре имеется 6 Р - электронных облаков, которые взаимно перекрываясь, образуют сплошное Р - электронное облако, как и в бензоле. Поэтому они и напоминают по свойствам ароматические соединения, особенно ярко они выражены у тиофена. Как и у ароматических соединений, у них прочное ядро - при обычных химических реакциях не разрывается. И более характерными для них являются реакции замещения атомов водорода.

Более подвижен водород в ?-положении, то есть при углероде, который расположен рядом с гетероциклом.

Приведенные гетероциклы легко переходят друг в друга, по реакции Ю.К.Юрьева, которая протекает при катализаторе Al₂O₃ и при t=450⁰C.

НС СН +H₂S НС СН

НС СН +H₂O НС СН

О +NH₃ +NH₃ S

+H₂O +H₂S

HC CH

HC CH

NH

При реакциях гидрогенизации этих гетероциклов образуются их гидрированные производные, у которых уже нет двойных связей.

Н₂C СН₂ Н₂C СН₂ H₂C CH₂

Н₂C СН₂ Н₂C СН₂ H₂C CH₂

О S NH

тетрагидрофуран тетрагидротиофен тетрагидропиррол

Фуран- это бесцветная жидкость, со слабым запахом хлороформа. Температура кипения 31.9⁰С. это вещество нейтрального характера. Не растворим в воде. Фуран и его гомологи содержатся в древесном дегте. В промышленности фуран получают из фурфурола путем отщепления окиси углерода (СО).

НС СН HC CH

Ni, 200⁰C + CO

НС С - С = О HC CH

О Н О

фурфурол фуран

В природе широко встречаются производные тетрагидрофурана - это фурановые формы сахаров.

Тиофен - это бесцветная жидкость, с запахом бензола, температура кипения 84⁰С, не растворим в воде. Содержится в каменноугольной смоле, которая образуется при коксовании каменного угля. Выделяется с фракцией бензола.

В химическом отношении тиофен ярче всех проявляет ароматические свойства. Он легче, чем бензол, хлорируется, сульфируется, нитруется. В природе имеется ряд производных тиофена, один из них является биотином. Это витамин H.



C = O

HN NH

HC CH

H₂C CH - (CH₂)₄ - C = O

S OH

Биотин - витамин роста

Он входит в состав ферментов, участвующих в процессах карбоксилирования. При недостатке биотина наблюдается прекращение роста, заболевание кожи, выпадение волос, шерсти у животных и др.

Пиррол - это бесцветная жидкость, с запахом хлороформа, буреет на воздухе вследствие окисления. Температура кипения 130⁰С, практически не растворим в воде. Пиррол обладает слабовыраженными кислотными свойствами, а именно: атом водорода в иминогруппе NH может замещаться металлами (Na или K).

НС СН HC CH

+NaOH +Н₂О

НС СН HC CH

NH N - Na

пиррол N - натрий пиррол

Вместо Na можно ввести углеводородный радикал, действуя галогенпроизводными:



НС СН HC CH HC CH

^{+CH3I изомеризация}

НС СН HC CH HC C - CH₃

N - Na N - CH₃ NH

N - натрийпиррол N - метилпиррол ?-метилпиррол

При реакции гидрогенизации пиррола образуется два продукта: неполный продукт, он называется пирролин (в этом случае присоединяется только два атома водорода) и полный продукт, называется пирролидин (присоединяется еще два атома водорода).

НС СН HC CH H₂C CH₂

^{+2H +2H}

НС СН H₂C CH₂ H₂C CH₂

NH NH NH

пиррол пирролин пирролидин

Производными пирролидина являются две аминокислоты: пролин и оксипролин. Ядра пиррола и пирролина входят в ядро порфина, который образует различные производные, называемые порфиринами. К ним относятся красящее вещество крови - гемоглобин, и растений - хлорофилл.



Ядро порфирина:

1 2

CH

N NH

CH CH

NH N

CH

4 3

Гем крови содержит железо, которое связывает четыре пиррольных ядра и у всех ядер имеются боковые ответвления.

Строение гемма крови:

CH₃ CH=CH₂ CH₃ CH=CH₂

1 2

CH

N N

CH Fe CH

N N

CH

4 3

CH₃ CH₂ - CH₂ CH₂ - CH₂ CH₃

O=C C = O

OH HO 

Строение хлорофилла:

CH₃ CH=CH₂ CH₃ CH₂ - CH₃

1 2

CH

N N

CH Mg CH

N N

C

4 3

H - C

CH₃ CH₂ C=O C=O CH₃

CH₂ O - CH₃

O=C - O - C₂₀H₃₉

Пятичленные гетероциклы с двумя гетероатомами

К ним относятся:

Имидазол

HC N

HC CH .

NH

Ядро имидазола входит в состав аминокислоты гистидина, а также в состав более сложно построенного гетероциклического ядра - пурина, витамина В12, алкалоидов и других соединений.



Тиазол

HC N

HC CH

S

Тиазол имеет большое биологическое значение. Ядро полностью гидрированного тиазола входит в состав пенициллина. Ядро тиазола входит в состав витамина В₁ медицинского препарата сульфазола и др.

Шестичленные гетероциклы с одним гетероатомом

Представители:

СН₂ СН

НС СН НС СН

НС СН НС СН₂

О О

?-пиран ?-пиран

В природе пиран не встречается, но широко известны его производные - тетрагидропиран



СН₂

Н₂С СН₂

- тетрагидропиран

Н₂С СН₂

О

Это пирановые формы сахаров.

Пиридин

Это жидкость с неприятным запахом, температура кипения 115⁰С, смешивается с водой. В химическом отношении пиридин сильно напоминает ароматические соединения. Как и в бензольном ядре у него имеются 6 р-электронных облаков, по одному у атомов углерода и одно у азота. Перекрываясь взаимно, они обра- зуют сплошное р - электронное облако, как и в молекуле бензола.

СН +

НС - СН -

НС + СН +

N -

Так же, как и бензол, пиридин сульфируется, нитруется, галогенируется. Сам пиридин не окисляется, а окисляются только его производные, у которых имеются боковые радикалы. Отличия пиридина от ароматических соединений следующие:

1. В молекуле пиридина происходит смещение электронной плотности, а именно: азот имеет большую электронную плотность. Углерод в ?-положении - имеет меньшую электронную плотность. В бензоле же этого не наблюдается. У бензола смещение электронной плотности наблюдается в том случае, если вводится какой-либо заместитель.

В результате смещения электронной плотности молекула пиридина становится полярной. Дипольный момент ее составляет ?=2,2Д.

СН +

НС - СН -

НС + СН +

N -

2. В молекуле пиридина происходит введение электрофильных заместителей с большими трудностями, чем в бензоле, а нуклеофильные заместители вводятся легче, чем в бензоле.

Производные пиридина

1.никотиновая кислота. 2.амид никотиновой кислоты

СН ОН СН NH₂

НС С - С = О НС С - С = О

НС СН НС СН

N N

Никотиновая кислота и ее амид представляют собой витамин РР. Недостаток этого витамина вызывает заболевание пеллагру, выражающуюся в своеобразной сухости кожи, поражении центральной нервной системы.

Производными пиридина является ряд алкалоидов. Это азотсодержащие органические соединения гетероциклического строения. Они содержатся и в растительных организмах и являются продуктами обмена веществ в растениях. Наиболее богаты алкалоидами двудольные растения(семейства маковых, пасленовых и др.)

Многие алкалоиды обладают сильным физиологически действием: в больших количествах они являются ядами, а в малых их часто применяют как ценные лекарственные средства. На вкус эти вещества горькие, железистого цвета.

К алкалоидам, производным пиридина относятся следующие:

1.Конин:

Это жидкость маслообразная, содержится в дурмане. Чрезвы- чайно ядовит, вызывает паралич двигательных нервных оконча ний.

СН₂

Н₂С СН₂

Н₂С СН - CH₂ - CH₂ - CH₃

NH пропил

2.Никотин

H₂C CH₂

СН

НС С - HC CH₂

N

НС СН CH₃ гидрированное ядро пиролла

N

ядро пиридина



Никотин это бесцветная маслянистая жидкость, смешивающаяся с водой, обладает запахом табака, на воздухе быстро буреет. Содержится в листьях табака (до 8%). Небольшие количества никотина возбуждают нервную систему, большие количества ядовиты, вызывают паралич дыхательных центров. Смертельная доза никотина для человека составляет около 40мг.

Водные суспензии никотина в больших количествах используются для борьбы с вредителями сельского хозяйства.

3. Анабазин

СН₂

H₂C CH₂

СН

НС С - HC CH₂

NН

НС СН гидрированное ядро пиридина

N

ядро пиридина

Это важнейший алкалоид ядовитого азиатского растения ежовника безлистного. Анабазин, подобно никотину, очень ядовит и обладает высоким инсектицидным действием.

Шестичленные гетероциклы с двумя гетероатомами

Важнейшим представителем является пиримидин: Это кристаллическое вещество, обладающее слабоосновными свойствами Пиримидиновое ядро встречается в многочисленных природных соединениях витаминах, коферментах, нуклеиновых кислотах. В молекуле пиримидина два азота. В ядре наблюдается смещение электронной плотности. Наибольшая электронная плотность у атомов азота и у 5-го углеродного атома. В молекуле пиримидина образуется секстет из р- электронных облаков. Это придает соединению ароматический характер.

₆ CH+ .

N - _{1 5} CH - ,

HC+^{2 4}СН +

³ N -

В природе большое биологическое значение имеют окси и аминопроизводные пиримидина, так называемые пиримидиновые основания:

1. Урацил - 2,6-диоксипиримидин

2. Тимин - 2,6-диокси-5-метилпиримидин

3. Цитозин - 2-окси-6-аминопиримидин

4. Барбитуровая кислота - 2,4,6 - триоксипиримидин.

Эти соединения входят в состав нуклеотидов, нуклеиновых кислот. Они проявляют кето-енольную таутомерию, то есть могут находиться в енольной и кетонной формах.

Урацил:

С - ОН C = O

N CH HN CH

HO - C CH O = C CH

N NH

енольная форма кетонная форма



Тимин:

С - ОН C = O

N C - СН₃ HN C - СН₃

HO - C CH O = C CH

N NH

енольная форма кетонная форма

Цитозин:

С - NH₂ C - NH₂

N CH N CH

HO - C CH O = C CH

N NH

енольная форма кетонная форма

Барбитуровая кислота:

С - ОН C = O

N CH HN CH₂

HO - C C - ОH O = C C = О

N NH

енольная форма кетонная форма

Производными барбитуровой кислоты являются снотворные вещества: барбитол, люминал и др.

Производным пиримидина является витамин В₁:

C - NH₂ - HCL

N C - CH₂ - N C - CH₃

CH₃ - C CH HC C - CH₂ - CH₂ - OH

N S

Витамин В₁ содержится большом количестве в оболочке рисовых зерен, отрубях, дрожжах, ростках пшеницы. При отсутствии или недостатке его в пище у человека развивается болезнь бери-бери, а у животных - полиневрит.



Список использованной литературы

1. Березов Т.Т. , Коровкин Б.Ф. Биологическая химия. Под ред. Дебова С.С. / М., «Медицина», 1990.

2. Николаев А.Я. Биохимия. / М., «Высшая школа», 1989.

3. Строев Е.А. Биологическая химия. / М., «Высшая школа», 1986.

4. Бышевский А.Ш.. Терсенев О.А. Биохимия для врача. /Екатеринбург, 1994.

5. Кушманова О.Д., Ивченко Г.М. Руководство к лабораторным занятиям по биологической химии. / М., «Медицина», 1983.