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 σ-свзей, то есть связей, образованных гибридизированными электронными облаками, а один электрон образует Р - электронное облако (в виде правильной восьмерки).

У гетероатома на образование σ-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 α-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                         α-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

       γ-пиран                              α-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 α-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 μ=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                  4СН +       

              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.