Гетероциклические соединения

СОДЕРЖАНИЕ: Характеристика гетероциклических соединений, их биологическое значение, распространение в природе, участие в построении аминокислот и классификация. Строение гемма крови и хлорофилла. Структура фурана, фурфурола, имидазола, тиазола, пирана, пиридина.

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 HCCH

О SNH

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 Al₂ O₃ и при t=450⁰ C.

НС СН +H₂ SНС СН

НС СН +H₂ O НС СН

О+NH₃ +NH₃ S

+H₂ O +H₂ S

HC CH

HCCH

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

Н₂ C СН₂ Н₂ C СН₂ H₂ CCH₂

О SNH

тетрагидрофуран тетрагидротиофен тетрагидропиррол

Фуран- это бесцветная жидкость, со слабым запахом хлороформа. Температура кипения 31.9⁰ С. 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).

НССН HC CH

Ni, 200⁰ C + CO

НС С – С = О HCCH

О Н О

фурфурол фуран

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

Тиофен – это бесцветная жидкость, с запахом бензола, температура кипения 84⁰ С, 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

H₂ C CH – (CH₂ )₄ – C = O

SOH

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 130⁰ С, практически не растворим в воде. Пиррол обладает слабовыраженными кислотными свойствами, а именно: атом водорода в иминогруппе NHможет замещаться металлами (Na или K).

НС СН HCCH

+NaOH +Н₂ О

НССН HC CH

NH N – Na

пиррол N – натрий пиррол

Вместо Na можно ввести углеводородный радикал, действуя галогенпроизводными:

НССН HC CH HC CH

^+CH3I ^{изомеризация}

НССН 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).

НССН HC CH H₂ C CH₂

^+2H ^+2H

НССН H₂ C CH₂ H₂ C CH₂

NH NHNH

пирролпирролинпирролидин

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

NNH

CHCH

NHN

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

N N

CH Fe CH

N N

4 3

CH₃ CH₂ – CH₂ CH₂ – CH₂ CH₃

O=CC = O

OHHO

Строение хлорофилла:

CH₃ CH=CH₂ CH₃ CH₂ – CH₃

1 2

N N

CH Mg CH

N N

4 3

H – C

CH₃ CH₂ C=O C=O CH₃

CH₂ O – CH₃

O=C – O – C₂₀ H₃₉

Пятичленные гетероциклы с двумя гетероатомами

К ним относятся:

Имидазол

HCN

HCCH .

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

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

Н₂ С СН₂

- тетрагидропиран

Н₂ ССН₂

Это пирановые формы сахаров.

Пиридин

Это жидкость с неприятным запахом, температура кипения 115⁰ С, 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

НССН НС СН

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

Н₂ С СН₂

Н₂ ССН – CH₂ – CH₂ – CH₃

NH пропил

2.Никотин

H₂ CCH₂

СН

НС С – HCCH₂

НССН CH₃ гидрированное ядро пиролла

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

H₂ CCH₂

СН

НС С – HCCH₂

NН

НССН гидрированное ядро пиридина

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

NCHHNCH

HO – C CH O = C CH

N NH

енольная форма кетонная форма

Тимин:

С – ОН C = O

NC – СН₃ HNC – 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

NCHHNCH₂

HO – CC – ОHO = CC= О

NNH

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.

Скачать архив с текстом документа