Студопедия — <img src="http://ok-t.ru/studopediasu/baza2/451252222620.files/image048.jpg" />
Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника






 

Гетероциклические соединения – это органические вещества, в цикле которых помимо атомов углерода содержатся атомы других химических элементов, называемые гетероатомами. Валентность гетероатомов должна быть не менее двух. Поэтому в их роли чаще всего выступают кислород, азот, сера.

Некоторые соединения с атомами кислорода или азота имеют циклическую структуру. Это циклические ан­гидриды, циклические сложные эфиры (лактиды и лактоны), циклические амиды (дикетопиперазины и лактамы). Однако данные вещества легко вступают в реакции, сопровождающиеся раскрытием цикла, например, подвергаются гидролизу. Поэтому они не являются истинными гетероциклическими соединениями, для которых характерна высокая прочность цикла.

Значение гетероциклических соединений весьма велико. Они входят в состав многих веществ природного происхождения, участвуют в биохимических процессах, протекающих в организме человека и животных, входят в состав липидов, белков, нуклеиновых кислот, ферментов, витаминов, биологически активных веществ. Более половины всех лекарственных веществ содержит в своей структуре гетероциклы. Почти все алкалоиды имеют гетероциклическую структуру.

Понимание медико-биологических аспектов роли гетероциклических соединений невозможно без глубоких знаний вопросов их строения и свойств.

Учебно-методическое пособие «Биохимия гетероциклических соединений» предназначено для преподавателей, студентов факультета ветеринарной медицины, зооинженерного факультета и факультета заочного обучения. Пособие написано в соответствии с программой курса «Органическая и биологическая химия».

В пособии разбираются строение и свойства гетероциклических соединений с одним и несколькими гетероатомами и имеющие пяти-, шестичленную структуру, а также конденсированную систему циклов. Особое внимание уделяется медико-биологическому значению данных гетероциклических соединений и их важнейших производных.

Для закрепления изучаемого студентами материала в пособии приведены контрольные вопросы и тестовые задания, которые студентам необходимо выполнить по разделу «Гетероциклические соединения».

В конце пособия приведены предметный указатель и список необходимой литературы.


методические рекомендации при изучении раздела «Гетероциклические соединения»

 

Цель изучения раздела: разобрать строение, свойства и медико-биологическое значение важнейших групп гетероциклических соединений и их производных.

Основные теоретические вопросы при изучении раздела

  • Классификация и номенклатура гетероциклических соединений.
  • Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом.
  • Пятичленные гетероциклы с двумя гетероатомами.
  • Шестичленные гетероциклы с одним и двумя гетероатомами азота.
  • Гетероциклические соединения с конденсированными системами.

 

· КЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

 

Гетероциклические соединения очень разнообразны. Они различа­ются общим числом атомов в цикле, количеством и природой самих гетероатомов, степенью насыщенности цикла. Эти различия лежат в основе классификации гетероциклических соединений, которые делят­ся на группы в зависимости от числа атомов в цикле. Наиболее распространенными являются пяти - и шестичленные гетероциклы с од­ним и двумя гетероатомами.

Гетероциклические соединения могут быть насыщенными, ненасы­щенными и ароматическими. Ненасыщенные гетероцик­лы встречаются в природных и биологически активных соединениях чаще, чем насыщенные.

Большое значение имеют гетероциклы, конденсированные с бен­зольным кольцом или с другим гетероциклом.

В зависимости от природы гетероатома различают азот-, кислород- и серусодержащие гетероциклические соединения.

Названия ароматических гетероциклов, как правило, тривиаль­ные, но они приняты номенклатурой ИЮПАК, в том числе и в ка­честве названий родоначальных структур при построении системати­ческих названий. В номенклатуре ИЮПАК имеются и систематичес­кие названия для самих гетероциклов, но они пока мало использу­ются, особенно в химии пяти- и шестичленных гетероциклов.

 

 

Нумерация атомов в гетероциклах начинается от гетероатома. В гетероциклах с одним гетероатомом атомы углерода иногда обоз­начаются греческими буквами, начиная от атома углерода, соседне­го с гетероатомом, как это показано на примерах пиррола и пири­дина. В гетероциклах с несколькими равноценными гетероатомами нумерация проводится так, чтобы гетероатомы получили наименьшие номера. Например, из двух возможных направлений нумерации в случае пиримидина правильным считается такое, при котором ато­мы азота получают номера 1 и 3, а не 1 и 5. Если имеются два атома азота с различным электронным строением (—N— и —NH—), то нумерацию ведут от —NH—, как это показано на примере имидазола (пурин составляет исключение). В гетероциклах с различными гетероатомами старшим считается кислород, далее сера и затем азот.

Названия производных гетероциклов строятся по общим прави­лам систематической номенклатуры органических соединений, например 2-метилпиридин (тривиальное название a-пиколин).

 

 

 

· ароматичность ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Наибольшее значение представляют пятичленные (пиррол, фуран, тиофен, имидазол, пиразол) и шестичленные (пиридин, пиримидин) ароматические гетероциклические соединения. Они соответствуют критериям ароматичности, т.е. имеют плоский цикл, сопряженную электронную систему, охватывающую все атомы цикла и содержащую согласно правила Хюккеля 4n+2 обобщенных р-электронов.

Пиррол - пятичленный гетероцикл с одним атомом азота. Атомы углерода и азота находятся в нем в sp2-гибридизации (рисунок 1). На негибридной р -орбитали атома азота в пир­роле находится неподеленная пара электронов. Она учас­твует в сопряжении с р -электронами четырех атомов углерода с образо­ванием единого 6 р-электронного облака. Три sp2-гиб­ридные орбитали образуют три s-связи. Атом азота с рассмотренным электронным строением принято называть пиррольным.

В других пятичленных гетероциклах, имеющих один гетероатом (фуран и тиофен) - неподеленная пара электронов соответственно атомов кислорода и серы, так же, как и пиррольного атома азота, включается в сопряжение с р -электронами атомов углерода с обра­зованием единого электронного облака, по числу электронов отве­чающего правилу Хюккеля.

Рисунок 1 - Электронное строение пиррола.

 

Пиридин представляет собой шестичленный гетероцикл с одним атомом азота и по своему электронному строению напоминает бензол (рисунок 2). Атомы углерода и атом азота находятся в состоянии sp2-гибридизации. Все s-связи (С—С, С—N и С—Н) лежат в одной плоскости. Из трех sp2-гибридных орбиталей две вступают в образование s-связей с двумя атомами углерода, а третья орбиталь содержит неподеленную пару электронов. За счет электрона, находящегося на негибридной р -орбитали, атом азота участвует в образовании единого 6 р-электронного облака с р -электронами пяти атомов углерода. Атом азотас таким электронным строением называют пиридиновым.

Рисунок 2 - Электронное строение пиридина.

 

 

Таким образом, структура пиридина удовлетворяет критериям ароматичности.

К ароматических гетероциклам, имеющим два гетероатома относятся имидазол, пиразол и пиримидин. В имидазоле и пиразоле один из атомов азота относится к пиррольному типу, а другой - к пиридиновому. Пиррольный атом азота вносит в сопряженную сис­тему два р -электрона, а пиридиновый - один р -электрон. Остальные три р-электрона поставляют три атома углерода.

В пири­мидине оба атома азота являются пиридиновыми и предоставляют по одному р -электрону в сопряжение с р -электронами четырех атомов углерода.

 

· ПЯТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛЫ С ОДНИМ ГЕТЕРОАТОМОМ

 

Среди соединений этой группы наиболее распространены пиррол, фуран и тиофен. Данные вещества относятся к ароматическим, т.к. содержат согласно правилу Хюккеля плоский замкнутый цикл и сопряженную систему, включающую (4n+2) электрона. В этих соединениях сопряженная система имеет 6 электронов: по одному от четырех sp2-гибридизованных атомов углерода и еще два электрона за счет неподеленной пары электронов атома азота (кислорода или серы).

 

Взаимопревращения между данными соединениями можно отразить схемой:

Пиррол представляет собойбесцветная жидкость (т. кип. 130 °С, т. пл. -18 °С) с запахом хлороформа. Он слабо растворим в воде, легко растворяется в большинстве органических раствори­телей; на воздухе темнеет и постепенно осмоляется. При воздействии на пиррол минеральных кислот образуется полимерная масса темного цвета, не имеющая практического применения. Такая неустойчивость пиррола в сильнокислой среде называется ацидофобностью (что означает «кислотобоязнь»). Эту особенность следует учитывать при экспериментальной работе с пирролом, например проведении реакций электрофильного замещения. Многие из при­меняемых реагентов являются сильными кислотами, например серная кислота в реакции сульфирования, азотная кислота в реакции нитро­вания, а в реакции галогенирования опасен выделяющийся галогеноводород.

Пиррол практически лишен основных свойств, так как неподеленная пара электронов азота является составной частью сопряженной системы ароматического кольца.

В реакциях с калием, натрием или амидом натрия NH-группа пиррола проявляет кислотный характер.

 

пиррол пирролнатрий

 

Пиррол как ароматическое соединение склонен к реакциям элек­трофильного замещения. В этих реакциях атакуются преимущественно α-атомы углерода, где электронная плотность несколько выше, чем на β-атомах углерода. Для устранения прямого действия кислоты реакции осуществляют с помощью реагентов, не содержащих протон.

 

пиррол 2 - ацетилпиррол

 

Пиррол способен восстанавливаться в присутствии катализаторов (Pd, Pt, Ni и др.) с образованием насыщенного гетероцикла пирролидина. При ступенчатом восстановлении пиррола, например цинком в хлороводородной кислоте, сначала образуется ненасыщенный гетероцикл 3-пирролин, затем пирролидин.

 

 

Пирролидин, являющийся циклическим вторичным амином, прояв­ляет более сильные основные свойства, чем аммиак. Цикл пирролидина встречается во многих природных соединениях, особенно рас­тительного происхождения. К ним относятся алкалоиды никотин, атропин, кокаин.

 

 

никотин

 

Пирролидиновое кольцо входит в состав аминокислот пролина и оксипролина, являющихся компонентами ряда белков.

 

пролин оксипролин

 

 

Кольцо пиррола и его производных входит в состав гемсодержащих белков (гемоглобина, миоглобина, цитохромов, каталазы и др.), витамина В12, хлорофилла.

 

 

 

гем

 

 

 

ВИТАМИН В12 (КОБАЛАМИН)

 

 

При распаде гемоглобина и ряда других гемопротеинов в организме человека и животных образуется желчный пигмент билирубин, представляющий собой линейную тетрапиррольную структуру.

билирубин

Фуран — бесцветная легкокипящая жидкость (т. кип. 31 °С), по растворимости и химическим свойствам напоминающая пиррол. Фу­ран также ацидофобен и при действии минеральных кислот подвер­гается полимеризации.

Реакции электрофильного замещения (нитро­вание, сульфирование, ацилирование) протекают для фурана ана­логично рассмотренным для пиррола. При гидрировании фурана в присутствии катализатора образуется тетрагидрофуран, ши­роко используемый как растворитель.

 

 

Одним из важнейших производных фурана является фурфу­рол (фуран-2-карбальдегид). В промышленности его получают в больших количествах из непищевого растительного сырья, содержа­щего полисахариды (отходы древесины, солома, кукурузная кочерыж­ка и др.). Фурфурол — маслянистая жидкость (т. кип. 162 °С), имею­щая запах ржаного хлеба; именно он и обусловливает аромат све­жеиспеченного хлеба.

 

 

В медицине находят применение производ­ные 5-нитрофурфурола. Они получаются при нитровании фурфурола непосредственно азотной кислотой в присутствии уксусного ангид­рида (который блокирует альдегидную группу от легкого окисления) и последующим взаимодействием 5-нитрофурфурола с соединениями, содержащими аминогруппу. Образующиеся при этом имины обладают бактерицидной и некоторыми другими видами физиологи­ческой активности. Наиболее часто используемые лекарственные средства этой группы – фурацилин и фуразолидон.

 

Данные соединения эффективны при гнойно-воспалительных процессах, вызываемых микроорганизмами (дизентерии, брюшном тифе и др.).

Тиофен среди пятичленных гетероциклов с одним гетероатомом в наибольшей степени проявляет ароматические свойства. Он и по физическим свойствам напоминает бензол. Тиофен — бесцветная жидкость (т. кип. 84 °С; у бензола 80 °С), име­ющая запах бензола, не растворимая в воде. Тиофен содержится в каменноугольном дегте и легких фракциях нефти, является примесью в техническом бензоле (до 0,5 %).

Тиофен как «π-избыточная» система легче бензола вступает в реакции электрофильного замещения. В отличие от пиррола и фурана, тиофен неацидофобен из-за своей высокой ароматичности. Напри­мер, тиофен легко сульфируется концентрированной серной кислотой при комнатной температуре, тогда как бензол в этих условиях с серной кислотой не реагирует. На этом основана очистка техничес­кого бензола от примеси тиофена: образовавшаяся тиофен-2-сульфо-кислота, будучи намного полярнее бензола, растворима в серной кислоте, что позволяет легко разделить два слоя — более легкий бензольный и нижний кислотный.

 

Для тиофена в меньшей степени, чем для пиррола и фурана, ха­рактерны реакции с потерей ароматичности, т.е. реакции присоеди­нения, например восстановления.

В медицине и фармации производные тиофена находят ограничен­ное применение. Они содержатся в препарате ихтиол, который пред­ставляет собой сложную смесь веществ, получаемых из сернистых сланцев. Кольцо гидрированного тиофена входит в состав витамина Н (биотина).

 

 

  • Пятичленные гетероциклы с двумя гетероатомами

Важнейшими представителями этой группы соединений являются гетероциклы, в которых один или оба гетероатома представлены ато­мами азота. К их числу относятся имидазол, пиразол и тиазол. Эти гетероциклы обладают аро­матичностью. Наличие в них второго гетероатома, более электроот­рицательного, чем атом углерода, приводит к уменьшению электрон­ной плотности на атомах углерода. Это делает рассматриваемые ге­тероциклы менее активными в реакциях электрофильного замещения по сравнению с соединениями, имеющими только один гетероатом.

 

Имидазол (систематическое название 1,3-диазол) — кристалличес­кое вещество (т. пл, 90°С; т. кип. 256 °С), хорошо растворимое в воде и этаноле.

Имидазол проявляет основные свойства за счет пиридинового атома азота и слабые кислотные свойства за счет пиррольного азо­та. Следовательно, имидазол как амфотерное соединение способен принимать или отщеплять протон. Подвижность атома во­дорода NH-группы создает возможность его переноса к пиридиново­му атому азота, являющемуся центром основности. Такой перенос протона обуславливает таутомерию имидазола, т. е. его суще­ствование в виде таутомерных форм, у которых положения 4 и 5 кольца равноценны. Например, 4- и 5-метилимидазол являются таутомерами, т. е. они настолько легко и быстро переходят один в дру­гой, что выделить их в виде индивидуальных соединений невозмож­но.

Реакционная способность имидазола в реакциях электрофильного замещения понижена. Например, реакции сульфирования и нитрова­ния протекают с большим трудом, в частности имидазол нитруется в 1010 раз медленнее, чем бензол. Причина этого заключается глав­ным образом в том, что в кислой среде имидазол превращается в имидазолий-катион, который практически невосприимчив к атаке электрофильным реагентом. В реакциях нитрования и сульфирования замещение идет преимущественно в положении 4 или 5.

Производными имидазола, имеющими важное биологическое зна­чение, являются аминокислота гистидин, входящая в состав белков, и ее производное гистамин.

Гистамин для взрослых организмов является заменимой аминокислотой, а для растущих – необходимым фактором питания.

 

 

Гистамин образуется в организме человека и животных из гистидина ферментативным путем в результате реакции декарбоксилирования. Он снижает кровяное давление, расширяя стенки кровеносных сосудов, стимулирует секрецию соляной кислоты в желудке, участвует в аллергических реакциях организма.

 

Конденсированная система бензимидазола входит в состав некоторых биологически активных веществ, например витамина В12, и является основой лекарственного средства дибазола (2-бензилбензимидазола).

Пиразол (1,2-диазол) — кристаллическое вещество (т. пл. 70 °С; т. кип. 187°С), хорошо растворимое в воде, этаноле, эфире. В отли­чие от имидазола, пиразол и его производные в природе не встреча­ются, однако на основе пиразола синтезированы многие лекарствен­ные средства.

Химические свойства пиразола во многом подобны свойствам имидазола. Пиразол проявляет одновременно кислотные и основные свойства.

В реакциях электрофильного замещения (сульфирование, нитрова­ние, галогенирование) пиразол ведет себя аналогично имидазолу. Место электрофильной атаки зависит от условий реакции, но чаще всего электрофильный реагент вступает в положение 4 с наибольшей электронной плотностью.

Многие лекарственные средства на основе пиразола являются производными пиразолона-3. К таким соединениям относятся антипирин (1,5-диметил-2-фенилпиразолон-3) и амидопирин (1,5-диметил-4-диметиламино-2-фенилпиразолон-3).

Антипирин, амидопирин, а также водорастворимое сульфопроизводное амидопирина анальгин, применяются как жаропонижа­ющие и болеутоляющие средства. С этой же целью используется производное насыщенного пиразола — бутадион.

амидопирин антипирин

 

Тиазол (1,3-тиазол) — представитель ароматических гетероциклов с двумя различными гетероатомами. Он обладает слабыми основны­ми свойствами и образует соли с сильными кислотами за счет пири­динового атома азота. Структура тиазола встречается в составе важных биологически активных веществ — тиамина (витамина В1), противомикробного сульфаниламидного препарата норсульфазола.

тиамин (витамин В1)

 

 

· шестичленные гетрероциклы с одним и двумя







Дата добавления: 2015-09-04; просмотров: 3084. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!



Обзор компонентов Multisim Компоненты – это основа любой схемы, это все элементы, из которых она состоит. Multisim оперирует с двумя категориями...

Композиция из абстрактных геометрических фигур Данная композиция состоит из линий, штриховки, абстрактных геометрических форм...

Важнейшие способы обработки и анализа рядов динамики Не во всех случаях эмпирические данные рядов динамики позволяют определить тенденцию изменения явления во времени...

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА Статика является частью теоретической механики, изучающей условия, при ко­торых тело находится под действием заданной системы сил...

Йодометрия. Характеристика метода Метод йодометрии основан на ОВ-реакциях, связанных с превращением I2 в ионы I- и обратно...

Броматометрия и бромометрия Броматометрический метод основан на окислении вос­становителей броматом калия в кислой среде...

Метод Фольгарда (роданометрия или тиоцианатометрия) Метод Фольгарда основан на применении в качестве осадителя титрованного раствора, содержащего роданид-ионы SCN...

Методика обучения письму и письменной речи на иностранном языке в средней школе. Различают письмо и письменную речь. Письмо – объект овладения графической и орфографической системами иностранного языка для фиксации языкового и речевого материала...

Классификация холодных блюд и закусок. Урок №2 Тема: Холодные блюда и закуски. Значение холодных блюд и закусок. Классификация холодных блюд и закусок. Кулинарная обработка продуктов...

ТЕРМОДИНАМИКА БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ. 1. Особенности термодинамического метода изучения биологических систем. Основные понятия термодинамики. Термодинамикой называется раздел физики...

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2024 год . (0.009 сек.) русская версия | украинская версия