Реакционная способность ароматических гетероциклов.

1)Ароматические свойства. Пиридин по электронному строению напоминает бензол. Все атомы углерода и атом азота находятся в состоянии sp²-гибридизации, и все σ-связи (C-C, C-N и C-H) лежат в одной плоскости. Из трех гибридных орбиталей атома азота две участвуют в образовании

Рис. 13.1. Пиридиновый атом азота (а), распределение электронов по орбиталям (б) и сопряженная система в молекуле пиридина (в) (связи С-Н для упрощения рисунка опущены)

σ-связей с атомами углерода, а третья орбиталь содержит неподеленную пару электронов и в образовании связи не участвует. Атом азота с такой электронной конфигурацией называют пиридиновым.

За счет электрона, находящегося на негибридизованной р-орбитали, атом азота участвует в образовании единого электронного облака с р -электронами пяти атомов углерода. Т. о, пиридин является π,π-сопряженной системой.

В результате большей электроотрицательности пиридиновый атом азота понижает электронную плотность на атомах углерода ароматического кольца, поэтому системы с пиридиновым атомом азота называют π-недостаточными.

Пиррол также относится к ароматическим соединениям. Атомы углерода и азота в немнаходятся sp2-гибридизации. Однако в отличие от пиридина атом азота в пирроле имеет другую электронную конфигурацию

Рис. Пиррольный атом азота (а), распределение электронов по орбиталям (б) и сопряженная система в молекуле пиррола (в) (связи С-Н для упрощения рисунка опущены)

Три sp2-гибридные орбитали образуют три σ-связи - две с атомами углерода, одну с атомом водорода. Атом азота в таком электронном состоянии получил название пиррольного.

Шестиэлектронное облако в пирроле благодаря р,п -сопряжению делокализовано на пяти атомах цикла, поэтому пиррол представляет собой π-избыточную систему.

В фуране и тиофене два атома азота вносят разный вклад в образование делокализованного электронного облака: пиррольный атом азота поставляет пару и-электронов, а пиридиновый - один p-электрон.

Ароматичностью обладает также пурин, представляет конденсированную систему двух гетероциклов - пиримидина и имидазола.

Делокализованное электронное облако в пурине включает 8 π-электронов двойных связей и неподеленную пару электронов атома N-9.

Гетероциклические ароматические соединения обладают высокой термодинамической устойчивостью.

2) Кислотно-основные и нуклеофильные свойства

Основные свойства гетероциклических соединений обусловлены неподеленной парой электронов гетероатома, способной присоединять протон. Пиридин является основанием и с сильными кислотами образует пиридиниевые соли.

Имидазол и пиразол могут проявлять как основные, так и кислотные свойства, т. е. являются амфотерными соединениями.

3) Особенности реакций электрофильного замещения

Пиррол и фуран относятся к π-избыточным системам. У них легче протекают реакции электрофильного замещения по сравнению с бензолом. Способность гетероциклических соединений подвергаться глубоким превращениям под действием кислот называют ацидофобностью (боязнью кислот), а сами гетероциклы - ацидофобными.

Пиридин является электронодефицитными. Они гораздо труднее, чем бензол, вступают в реакции электрофильного замещения.

Пятичленные 1)Гетероциклы с одним гетероатомом. Важнейшим представителем пятичленных гетероциклов с одним гетероатомом является пиррол.

Индол является структурным фрагментом белковой аминокислоты триптофана и продуктов его метаболических превращений - триптамина и серотонина

Фуран. Соединения фуранового ряда встречаются в растительном мире:

2)Гетероциклы с двумя гетероатомами. Имеют общее название азолы. Важнейшими из них являются имидазол, пиразол и тиазол. В отличие от гетероциклов с одним гетероатомом, не разрушаются при действии кислот, а образуют с ними соли.

Имидазол. Этот гетероцикл является структурным фрагментом белковой аминокислоты гистидина и продукта ее декарбоксилирования - биогенного амина гистамина.

Имидазол, конденсированный с бензольным кольцом - бензимидазол - входит в состав ряда природных веществ, в частности витамина В₁₂, а также вазодилатирующего средства дибазола.

Пиразол. В природе не обнаружены. Наиболее известным производным пиразолон. На основе пиразолона созданы - анальгин, бутадион.

Тиазол. В цикле содержатся два разных гетероатома. Структура тиазола встречается в составе важных биологически активных веществ - тиамина и ряде сульфаниламидных препаратов (противомикробного средства фталазола )

Шестичленные гетероциклы.

1) Гетероциклы с одним гетероатомом

Пиридин. представитель ароматических гетероциклов - легко вступает в реакции замещения, чем присоединения; его атомы углерода устойчивы к действию окислителей. Он термодинамически устойчив.

Пиридин проявляет основные свойства; Структура полностью насыщенного пиридина - пиперидина - лежит в основе анальгетика промедола.

Важными производными пиридина являются некоторые витамины группы В, выступающие в роли структурных элементов кофер- ментов.

2) Гетероциклы с двумя гетероатомами

В этой группе наиболее важными являются гетероциклы, содержащие два атома азота. Они имеют общее название диазины и различаются взаимным расположением атомов азота.

Эти гетероциклы содержат атомы азота пиридинового типа, поэтому каждый из диазинов представляет собой шестиэлектронную ароматическую систему.

 

Три пиримидиновых основания - урацил,тимин и цитозин - компоненты нуклеотидов и нуклеиновых кислот.

К производным пиримидина относится барбитуровая кислота.

Барбитуровая кислота легко образует соли при действии щелочей.

Представителем шестичленных гетероциклических соединений с двумя различными гетероатомами служит фенотиазин.

Конденсированные гетероциклы. Из систем с двумя конденсированными гетероциклами важное значение имеют соединения пуринового ряда, в частности гидроксипурины и аминопурины, принимающие активное участие в процессах жизнедеятельности.

Гидроксипурины. Гипоксантин,ксантин и мочевая кислота образуются в организме при метаболизме нуклеиновых кислот.

Из аминопуринов наиболее важны аденин и гуанин, являющиеся структурными фрагментами нуклеиновых кислот.

Алкалоиды -основные азотсодержащие вещества природного (растительного) происхождения.

Алкалоиды группы пирролидина, пиридина и пиперидина. Никотин- токсичный алкалоид, содержание в листьях табака до 8%. Включает связанные простой связью

ядра пиридина и пирролидина. Воздействует на вегетативную нервную систему, сужает кровеносные сосуды.

Никотиновая кислота - одним из продуктов окисления никотина и используется для синтеза других препаратов.

Алкалоиды группы тропана. является бициклическим соединением, в состав которого входят пирролидино- вое и пиперидиновое кольца. К тропановым алкалоидам относятся атропин и кокаин.

Атропин содержится в растениях семейства пасленовых; расширяет зрачок. Кокаин - основной алкалоид южноамериканского кустарника; анестезирующие и наркотическое средство.

Алкалоиды группы хинолина и изохинолина .Хинин выделенн из коры хинного дерева. В состав хинина входят две гетероциклические системы - хинолиновая и хинуклидиновая. ( противомалярийное средства)

морфин - обладает сильным обезболивающим свойством. эфир морфина - кодеин - оказывает противокашлевое действие, а производное - героин - наркотик.

Другим алкалоидом группы изохинолина служит папаверин, (спазмолитическое средство). Синтетический аналог папаверина ношпа

Протоалкалоиды

В эту группу алкалоидов входят растительные основания, не имеющие в своей структуре какого-либо гетероцикла. Важнейшим их представителем является эфедрин:

29. Нуклеотиды. Структура нуклеиновых кислот. В химии нуклеиновых кислот входящие в их состав гетероциклические соединения пиримидинового и пуринового рядов обычно называют нуклеиновыми основаниями. Нуклеотид - фосфаты нуклеозидов.

Общий принцип строения нуклеотидов рассмотрим на примере фосфатов аденозина. Для связывания трех компонентов в молекуле нуклеотида используются сложноэфирная и N-гликозидная связи.

Циклофосфаты:

Структура нуклеиновых кислот. Первичная структура нуклеиновых кислот определяется последовательностью нуклеотидных звеньев, связанных ковалентными связями в непрерывную цепь полинуклеотида. (Важной характеристикой нуклеиновых кислот служит нуклеотидный состав, т. е. набор и количественное отношение нуклеотидных компонентов. Нуклеотидный состав устанавливают, как правило, путем исследования продуктов гидролитического расщепления нуклеиновых кислот)

Вторичная структура ДНК - пространственная организация полинуклеотидной цепи. молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей. Пуриновые и пиримидиновые основания направлены внутрь спирали. Между пуриновым основанием одной цепи и пиримидиновым основанием другой цепи возникают водородные связи. Эти основа- ния составляют комплементарные пары. Водородные связи образуются между аминогруппой одного основания и карбонильной группой другого (-NH...O=C-), а также между амидным и иминным атомами азота (-NH...N-). Например, как показано ниже, между аденином и тимином образуются две водородные связи, и эти основания составляют комплементарную пару, т. е. аденину в одной цепи будет соответствовать тимин в другой цепи. Другую пару комплементарных оснований составляют гуанин и цитозин, между которыми возникают три водородные связи.

30. Низкомолекулярные биорегуляторы. К низкомолекулярным биорегуляторам относится большая группа природных веществ с относительно небольшой молекулярной массой и высокой биологической активностью, выполняющих разнообразные функции в живых организмах.

Каротиноиды. Большинство каротиноидов относится к тетратерпенам. Они содержат значительное число сопряженных двойных связей и имеют желто-красный цвет. Содержатся в моркови, а также в томатах и сливочном масле. Наиболее известны три изомера - α-, β- и γ-каротины, различающиеся числом циклов и положением двойных связей. Все они являются предшественниками витаминов группы А. Молекула β-каротина:

Стероиды. Стероиды широко распространены в природе и выполняют в организме человека разнообразные функции. В основе структуры стероидов лежит скелет гонана, состоящий из конденсированных, нелинейно сочлененных циклогексановых колец А, В и С и циклопентанового кольца D. Формула холестана (холестерин):

Жирорастворимые витамины. К ним относятся витамины групп А, Е, K и убихиноны. Витамины группы А считаются факторами роста:

 

Витамины Е - в растительных маслах:

Витамины К- для нормальной свертываемости крови:

Флавоноиды. Флавоноиды являются продуктами жизнедеятельности растений. Они участвуют в клеточном обмене, выполняют функции регуляторов роста, развития и репродукции растений. Кверцетин:

Реакция Коновалова RH + HNO3 → RNO2 + H2O.

Реакция Вюрца 2R—Br + 2Na = R—R + 2NaBr.