загрузка...
загрузка...
На головну

Азотомісткі АРОМАТИЧНІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ З'ЄДНАННЯ

  1. АЗОТ І ЙОГО СПОЛУКИ
  2. АРОМАТИЧНІ Діазо- І Азосоединения, барвники
  3. АРОМАТИЧНІ ВУГЛЕВОДНІ (АРЕНИ)
  4. Болтові з'єднання металевих конструкцій
  5. У більшості випадків естрадному драматургу слід домагатися, щоб тема програми, її склад давали можливість органічного, смислового з'єднання двох відділень.
  6. Види з'єднання резисторів

Гетероциклічними називають органічні сполуки, до складу циклу яких крім атомів вуглецю входять один або кілька атомів інших елементів - гетероатомов. Найбільш важливе значення мають гетероцикли, що містять атоми N, О і S. Включення цих гетероатомов замість груп СН = СН-, СН = або -СН2- в циклічну систему не надто сильно змінює загальну геометрію молекули і мало впливає на напругу в циклі. Особливий інтерес викликає велика група гетероциклов, мають циклічні пов'язані системи кратних зв'язків, в яких може брати участь неподіленого електронних пара гетероатома, що знаходиться на р-орбіталі. Такого роду гетероцикли нагадують своєю стійкістю бензол і отримали назву ароматичні гетероцикли. Саме ці сполуки, що містять в циклі один або кілька атомів азоту, і будуть об'єктом нашого розгляду.

П'ятичленні гетероцикли.П'ятичленні гетероциклічні сполуки можна розглядати як продукт заміщення в бензольному циклі одного угруповання -СН = СН- на гетеро-атом з неподеденной парою електронів. Увага буде приділена піроліл, індол і імідазолу, оскільки ці азотовмісні сполуки або їх похідні складають основу багатьох природних біологічно активних речовин і лікарських засобів.

Пірол. Молекула пиррола містить систему сполучених зв'язків, включаючи неподеленную пару електронів атома азоту:

Чотири атома вуглецю молекули піролу знаходяться в sp2- -стоянні, а атом азоту - в sp2-I Стані, відповідно всі  -зв'язку між ними розташовані в одній площині. Неподіленого електронних пари атома азоту знаходиться на p-орбіталі і бере участь в сполученні з ?-електронами сусідніх подвійних зв'язків. Енергія делокализации електронів в ?-системі пиррола становить 110кДж / моль, отже, він має ароматичний характер. Атом азоту є донором електронної пари для ?-системи, тому на вуглецевих атомах циклу щільність ?-електронів збільшена, причому в а-положенні більше, ніж в B-положенні. Це робить пірол електроноізбиточним гетероциклом, завдяки чому він легше вступає в реакції електрофільного заміщення в порівнянні з бензолом і легко окислюється.

Пірол - безбарвна рідина (т. Кип. 131 ° С) з запахом хлороформу, практично нерозчинна у воді і швидко темніють на повітрі через окислення. Молекула пиррола містить полярну зв'язок N-Н і є дуже слабкою NH-кислотою (рКа = 17,5). При взаємодії з лужними металами пірол утворює солі, стійкі під час відсутності води:

Оскільки неподіленого електронних пари атома азоту де-локалізована, то пірол є дуже слабкою основою. У сильнокислой середовищі ароматична система пиррола порушується внаслідок протонування, і він легко полімеризується з утворенням чорної смоли. Тому пірол називають ацідофобних, т. е. що не витримує присутності кислот.

Реакції електрофільного заміщення в піролі зазвичай проводять у лужному середовищі. Навіть такий слабкий електрофіл, як I2, в цих умовах заміщає чотири водневих атома пиррола, утворюючи тетраіодпіррол:

)

Реакція супроводжується окисленням вуглецевих атомів пиррола і відновленням атомів йоду.

Найбільш реакційно здатні до електрофільні заміщення в піролі а-положення. Так, конденсацією пиррола з мурашиної кислотою можна отримати порфина:

Ця конденсація, природно, теж супроводжується окисленням а-вуглецевих атомів пиррола і відновленням вуглецевих атомів мурашиної кислоти.

Плоский макроцикл порфина є ароматичною сполученої системою, ?-електронну хмару якої містить 26 електронів (22 електрона одинадцяти подвійних зв'язків і дві неподіленого електронні пари двох атомів азоту). Це відповідає правилу ароматичності 4n + 2, де n = 6. порфина, частково або повністю заміщені в піррольних циклах, називаються порфиринами. Це активні хелатообразующіе четирехдентатние ліганди, що входять до складу важливих природних комплексних сполук: гемоглобіну, цитохромів, хлорофілу (розд. 10.4).

При біологічному окисленні в печінці гемоглобіну і інших порфірінсодержащіх метаболітів утворюються білірубіноіди, містять лінійну тетрапіррольних систему. Найбільш важливий з них - білірубін має оранжеве забарвлення.

Ці речовини є пігментами жовчі, частина яких виділяється з сечею, повідомляючи їй характерний жовтий відтінок. Вони ж викликають пожовтіння шкіри при жовтяниці, що свідчить про надмірне руйнуванні порфінсодержащіх метаболітів в печінці. При гідруванні піролу відбувається поступове приєднання водню за кратними зв'язками:

 
 

 При цьому ароматична система пиррола руйнується і атом азоту переходить в sр3-стан. В результаті основність отриманих сполук набагато вище, ніж основність пиррола (pKa(BH+) = -3,8). Так, для піролідину р. Доа(ВН+) = 11,3. Пірролідіновой кільце входить до складу a-амінокислот (пролін, гидроксипролин), а також алкалоїдів (нікотин):

Індол (бензопіррол) є конденсованими гетероциклическим з'єднанням, що складається з бензольного і пиррольного ядра. Індол має циклічну пов'язану систему, яка містить 10 електронів. У індол електронодонорності дію атома азоту проявляється в підвищенні електронної щільності на вуглецевих атомах, особливо в положеннях 3, 5 і 7. На відміну від пиррола, в індол електрофільні реагенти насамперед атакують вуглецевий атом в положенні 3, що обумовлено впливом бензольного циклу. Індол, подібно піроліл, практично не володіє основними властивостями, ацідофобен, поводиться як слабка NH-кислота (рКа = 17), легко окислюється, через що швидко темніє на повітрі.

Серед біологічно активних похідних індолу перш за все слід зазначити a-амінокислоту - триптофан. В організмі триптофан гідроксилюється в 5-гідрокситриптофан, який в результаті декарбоксилювання перетворюється в серотонін. Серотонін відіграє винятково важливу роль в обміні речовин у вищих ссавців, регулюючи передачу імпульсів в нервових тканинах і кров'яний тиск.

Похідними індолу є найбільш сильні галюциногени: псилоцибін и діетіламід лізергінової кислоти (ЛСД). Останній - найбільш сильнодіючий наркотик, його діюча доза близько 10-3 мг. Ці галюциногени - антагоністи серотоніну, тому їх застосування порушує концентрацію се-ротоніна в мозку, що призводить до відхилення від нормального психічного стану.

 
 

 Імідазол. Заміна в піролі групи = СН- в Р-положенні на атом азоту  з неподіленої електронної парою на sp2орбіталі призводить до ароматичного гетероциклу - імідазолу. Атом азоту в положенні 1 ана логічний атому азоту в піролі. Його полярна зв'язок N-Н забезпечує імідазолу слабкі кислотні властивості (рКа = 14,2).

Атом азоту в положенні 3 знаходиться в sp2-II Стані, тому його неподіленого електронних пара бере участь в сполученні і забезпечує гетероциклами основні властивості (рКа(ВH+) = 6,95).

Таким чином, імідазол - амфоліт через наявність в молекулі і кислотного, і основного центрів, тому у нього є прекрасні можливості для міжмолекулярної асоціації за рахунок водневих зв'язків:

Наслідком подібної асоціації є швидкий міжмолекулярної обмін протонами, який призводить у разі лінійних ассоциатов до переносу протона з естафетного механізму, а в разі димарів - до прототропной таутомерія. Прототропная таутомерія між димерами імідазолу призводить до того, що його похідні, які мають однакові заступники в різних положеннях 4 і 5, невиразні, оскільки вони є бистровзаімопревращающіміся (менше 0,1 с) таутомерами, т. Е. Фактично одним і тим же речовиною.

Імідазол і його похідні, будучи, подібно молекулі води, одночасно і донорами і акцепторами протонів, мають виняткову здатність каталізувати електрофільне-нуклеофільниє реакції. Це обумовлено їх здатністю одночасно й узгоджено впливати на електрофільні і нуклеофільниє центри взаємодіючих з'єднань. Така властивість імідазолу грає важливу роль в механізмі дії гідролітичних ферментів, що сприяють гідролізу складних ефірів, амідів і пептидів.

Висока здатність до поляризації імідазолу і його похідних і підвищена нуклеофільність атома N-3 роблять ці сполуки активними лігандами по відношенню до катіонів d-металів. Тому в багатьох металопротеїдів зв'язок білка з катіоном металу здійснюється через атом N-3 имидазольного заступника а-амінокислоти гистидина.

Гистидин є однією з природних незамінних а-ами-амінокислот, що містить імідазольного заступник. Білки, що містять гістидин, завдяки імідазольна заступнику здатні: підтримувати нейтральне середовище рН = 7 біологічних систем, виступати каталізаторами електрофільне-нуклеофільних реакцій і утворювати досить міцні комплекси-метало-протеїди. При декарбоксилюванні гістидину утворюється гістамін, грає важливу роль в стимуляції скорочення

мускулатури кишечника, спастичних скорочень бронхів, а також у розвитку алергічних і імунних реакцій:

Шестичленні гетероцикли.Серед шестичленних азотовмісних гетероциклів розглянемо піридин, піримідин і їх похідні.

Піридин - безбарвна рідина, добре змішується з водою і органічними розчинниками, має неприємний характерний запах. Піридин токсичний, вражає центральну нервову систему.

 
 

 Піридин є ароматичним з'єднанням. Атоми вуглецю пиридинового кільця знаходяться в sp2-гібридному стані, а атом азоту - в стані sp2-II. В освіті циклічної  -сопряженной системи беруть участь шість p-електронів (по одному від кожного атома циклу, включаючи гетероатомом). Оскільки електронний торгівельний атома азоту в порівнянні з вуглецем більше, то азот стягує до себе  -Електронна хмара, знижуючи електронну щільність ароматичного кільця. Через це піридин є електронодефіцітним з'єднанням і важче, ніж бензол, вступає в реакції електрофільного заміщення. У піридині електронна щільність нерівномірно розподілена по атомам вуглецю, що підтверджується розрахунковими і експериментальними (спектральними) даними. Ступені окислення його а-вуглецевих атомів вище, ніж у інших вуглецевих атомів кільця.

На відміну від пиррола, у пиридина неподіленої пари електронів атома азоту не бере участі в утворенні ароматичного секстету. Завдяки наявності вільної електронної пари у атома азоту піридин і його похідні є підставами. З кислотами вони утворюють солі піридинію. Основность піридину (pKa(BH+) = 5,23) трохи більше, ніж у аніліну (pKa(BH+) = = 4,60),але значно менше основності аліфатичних амінів (pKa(BH +) = 10).

Розподіл електронної щільності в піридині визначає орієнтацію електрофільного заміщення в (3-положення, а нук леофільного - в а- і у-положення. Електрофільне заміщення у похідних піридину протікає з великими труднощами, так як воно зазвичай проводиться в кислому середовищі, де піридин існує в вигляді катіона. Позитивний заряд на атомі азоту ще більше знижує електронну густину в ядрі і ускладнює атаку ядра електрофільної часткою:

В реакції нуклеофільного заміщення по a-вуглецевого атома піридин вступає легше:

 
 

 Розглянуті реакції заміщення є одночасно реакціями міжмолекулярної окислення-відновлення.

Каталітичне гідрування пиридина воднем протікає поступово і важко, а призводить у результаті до Піперидин:

Реакція супроводжується відновленням атомів вуглецю кільця, а також переходом всіх його атомів, включаючи атом азоту, в електронний стан sp3. Тому основність азоту зростає: Рkа(ВН +) = 11,0.

Атом азоту в піридині є нуклеофілом і здатний алкилироваться з утворенням четвертинних алкілпірідініевих солей:

При цьому електронодефіцітность пірідініевого ядра підвищується через появу позитивного заряду на атомі азоту.

Похідні піридину. Багато природні сполуки: вітаміни, коферменти, алкалоїди та велике число лікарських препаратів - є похідними піридину.

нікотин - безбарвне масло з тютюновим запахом, його зміст в листі тютюну доходить до 8%. З'єднання дуже отруйна, летальна доза для людини - 40 мг. Впливає на вегетативну нервову систему і звужує кровоносні судини. Не виключено, що це є наслідком зміни стану води всередині клітин відповідних тканин через проникнення в них нікотину - гидрофобного з'єднання (розд. 11.3 і 11.4).

Одним з продуктів окислення нікотину в жорстких умовах є нікотинова кислота (Р-піридинкарбонової кислота), яка має амфотерні властивості: рКа(СООН) = 2,07, Рkа(ВН+) = 4,73. Подібно а-амінокислот вона в кристалічному стані і частково в розчинах існує у вигляді таутомерію з біполярно-іонної структурою. Нікотинова кислота - провітамін, оскільки її амід - нікотинамід - є вітаміном PP. Недолік цього вітаміну викликає захворювання шкіри, зване пелагрою. Діетиламід нікотинової кислоти - кордіамін використовується як ефективний стимулятор центральної нервової системи.

Нікотінаміднуклеотіди. Важливими представниками цієї групи сполук є коферменти нікотин-амідаденіндінуклеотід (НАД+) І його фосфат (НАДФ+):

У молекулах цих коферментів через наявність позитивно зарядженого атома азоту і електроноакцепторних амидной угруповання електронодефіцітность пиридинового ядра зростає настільки, що вони здатні виявляти окисні властивості. Тому ці коферменти в комплексі з ферментами беруть участь в окисно-відновних реакціях (розд. 9.3.3) у вигляді окислених форм НАД+ і НАДФ+, Що містять нікотинамідні залишок у вигляді пірідініевого катіона, і відновлених форм НАД (Н) і НАДФ (Н), де зазначений фрагмент, прийнявши два електрона і протон, перетворився в 1,4-дигідропіридинового угруповання:

Всі окислювально-відновні перетворення биосубстратов під дією нікотінаміднуклеотідов є реакціями міжмолекулярної дисмутації за рахунок вуглецевих атомів учасників реакції. При переході окисленої форми коферментів в відновлену відбувається накопичення енергії, що виділяється при окисленні субстрату. Накопичена відновленої формою енергія після цього витрачається в інших ендергоніческіх процесах за участю цих коферментів (розд. 9.3.3).

Піридоксальфосфат і вітамін В6. У піридоксаль- фосфаті за рахунок електронодефіцітності пиридинового кільця у вуглецевого атома альдегідної групи підвищується схильність до окислювально-відновним перетворенням. Тому ця сполука є коферментом окислювально-відновних реакцій трансамінування a-кетокислот а-амінокислотами і в реакціях декарбоксилювання ряду амінокислот (розд. 21.2.5).

Поєднання трьох індивідуальних речовин: пірідоксол, піридоксаміну и піридоксалю - Розглядають як вітамін B6 (Піридоксин), так як в організмі вони все здатні перейти в пиридоксальфосфат, який бере участь в хімічних реакціях, пов'язаних з діяльністю даного вітаміну. Відсутність в їжі вітаміну B6 супроводжується різким порушенням обміну білків і ліпідів, що веде до розвитку атеросклерозу, різних дерматитів і порушення кровотворення.

Піримідин і його похідні. Піримідин містить два атоми азоту в положеннях 1 і 3 шестичленного циклу, що має ароматичну шестіелектронную  -систему. У зв'язку з тим, що обидва атоми азоту знаходяться в sp2-II Стані і їх неподіленого електронні пари не беруть участь в утворенні ароматичної системи, піримідин проявляє властивості слабкої основи (Pка(ВH+) = 1,3):

Основность пиримидина різко знижена в порівнянні з пиридином (рКа(ВН+) = 5,2) через електроноакцепторних властивостей другого атома азоту, що знаходиться в ядрі. Протонізації одного атома азоту настільки знижує основность іншого атома азоту, що подальше солеутворення в природних умовах не відбувається.

Велике значення в хімії нуклеїнових кислот мають наступні оксо- і Амінопохідні пиримидина: урацил, тимін и цитозин.

 
 

 Для цих сполук теоретично можлива прототропная лакто-лактамна таутомерія. Відповідні таутомери розрізняються не тільки положенням протона (у атома кисню або у атома азоту), а й електронним станом атома азоту (sp2-II або sp2-I):

У таутомерів є загальний амбідентних аніон, негативний заряд якого делокалізованних між атомами, які беруть участь в таутомерія. Остання обставина пояснює двоїсту реакційну здатність розглянутих з'єднань, т. Е.

утворювати і О- та N-похідні. Дослідження кислотно-основних властивостей і спектральних характеристик зазначених оксопірімідінов і споріднених їм сполук свідчать, що і в кристалах, і в розчинах для них характерна тільки лактамна форма, а їх іони амбідентних.

урацил и тимін в природних умовах є слабкими двоосновний кислот, причому їх моноаніони існують у вигляді двох таутомерів, що розрізняються становищем залишився протона у атомів азоту N-1 або N-3 і розподілом делокалізованних негативного заряду:

Таким чином, в біологічних середовищах з рН <7,5 урацил і тимін існують в молекулярній формі.

цитозин - Амфоліт: він протоніруется по атому N-1, що має вільну від участі в сполученні електронну пару, а за рахунок депротонування атома N-3 проявляє слабкі кислотні властивості:

У біологічних середовищах з рН = 3 - 6 цитозин існує у вигляді суміші катіонів і молекул, а при рН = 7 - в молекулярній формі.

 
 

 Серед природних оксіпірімідінов важливу роль відіграють оротовая и барбітурова кислоти. Оротовая кислота (урацил-6-карбонова кислота) є метаболітом, які беруть участь у перетворенні аспарагінової кислоти в піримідинові похідні. В умовах організму це досить сильна двухосновная кислота:

Оротат калію - стимулятор обмінних процесів в організмі.

Для барбітурової кислоти характерна кето-енольна таутомерія з переважанням кетотаутомера (= 98%). Барбітурова кислота - досить сильна СН-кислота. Лактімная форма для цієї кислоти не виявлено.

У медицині як снодійні і протисудомних засобів застосовують 5,5-дизаміщених барбітурові кислоти: бар-біта и фенобарбітал, звані барбітуратами. Вони існують тільки в лактамной формі і є слабкими NH-кислотами:

 
 

 Пурин та його похідні. пурин - Ароматичне Біциклічні гетероциклическое з'єднання, що містить ядро ??пиримидина і імідазолу. його ароматична  -система включає 8  -електронів подвійних зв'язків і неподеленную електронну пару одного з атомів азоту імідазольного фрагмента. Пурин, подібно імідазолу, є прототропной таутомерну системою за рахунок міграції протона між атомами азоту N-7 і N-9. Пурин - амфоліт, так як виявляє і основні (рКа(ВН+) = 2,4), і кислотні властивості (рКа = 9,9):

Оксо- і Амінопохідні пурину - аденін и гуанін входять до складу нуклеїнових кислот. У молекулі аденіну у трьох атомів азоту N-l, N-3 і N-7 неподіленого електронні пари не беруть участі в сполученні, перебуваючи на sp2-орбіталей, у двох інших атомів азоту неподіленого електронні пари, перебуваючи на р-орбіталях, активно беруть участь в сполученні. Для аденіну, як і для пурину, спостерігається прототропная таутомерія за рахунок міграції протона між N-7 і N-9. Зазвичай аденін зображують з протоном у атома N-9, хоча в його водних розчинах зміст таутомерію N7H в 2,5 рази вище. Аденін є амфо-літом, здатним, в залежності від кислотності середовища, або приєднувати протон до Піримідинові атому азоту, утворюючи катіон, або отщеплять протон від имидазольного атома азоту з утворенням аніону:

У біологічних середовищах з рН = 7 аденін знаходиться в основному у вигляді молекул, а в кислих середовищах (рН = 3 - 6) - у вигляді суміші молекул і катіонів. Аденін входить до складу деяких ко-ферментів, аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ) і її похідних АДФ і АМФ.

 
 

 Для гуаніну характерна лактамна форма, тому неподіленого електронних пари атома N-1 знаходиться на р-орбіталі і активно бере участь в сполученні. Відповідно до -кіслотно-основними властивостями гуанін, в залежності від рН-середовища, в водних розчинах може перебувати в формі катіона, молекули, моно- або діаніона:

У біологічних середовищах з рН = 3 - 6 гуанін знаходиться в вигляді суміші молекул і катіонів, а при рН = 7 - 9 - молекул і моноаніонов. Таким чином, з усіх азотистих основ нуклеїнових кислот найбільш сильні основні властивості проявляє аденін.

В умовах організму цитозин і гуанін - слабкі підстави, а урацил і тимін - слабкі кислоти. Для всіх цих гетероциклічних сполук характерне утворення водневих зв'язків, при якому вони виступають одночасно і як донори, і як акцептори протонів. Ця їх здатність реалізується при побудові нуклеїнових кислот (розд. 23.4).

Серед оксопроізводних пурину слід виділити кофеїн и сечову кислоту. Кофеїн міститься в кавових зернах, бобах какао і чайному листі. Це сильнодіючий збудник центральної нервової системи і стимулятор роботи серця. Кофеїн є підставою і утворює солі з кислотами.

Сечова кислота - продукт обміну речовин в живих організ-мах. У значних кількостях зустрічається в екскрементах птахів (= 25%) і особливо змій (= 90%). Сечова кислота є двоосновний NH-кислотою (рКа 1 = 5,4, а рКа 2 = 11,3) і утворює два ряди солей-уратів, більшість з яких, як і сама сечова кислота, погано розчиняються у воді.



Попередня   237   238   239   240   241   242   243   244   245   246   247   248   249   250   251   252   Наступна

Окислювально-ВІДНОВЛЮВАЛЬНІ властивості | СТРУКТУРА І ВЛАСТИВОСТІ ПЕПТИДІВ | СТРУКТУРА І ВЛАСТИВОСТІ БІЛКІВ | ВУГЛЕВОДИ і полісахариди | БУДОВА, ізомери і властивості моносахаридів | Хімічні властивості моносахариди та їх похідних | Катаболізму ГЛЮКОЗИ - ГЛІКОЛІЗ | гомополісахаридів | Гетерополісахарид, протеоглікани, глікопротеїни | ЕЛЕКТРОННІ СТАНУ атома азоту У ЙОГО З'ЄДНАННЯХ І ВЛАСТИВОСТІ ЦИХ СПОЛУК |

загрузка...
© um.co.ua - учбові матеріали та реферати