Гетероциклические соединения

Гетероциклические соединения.

 

План

1.    Классификация гетероциклических соединений.

2.    Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом.

3.    Пятичленные гетоциклы с двумя и больше гетероатомами.

4.    Шестичленные гетероциклы с одним гетероатомом

5.    Шести и семичленные гетероциклы с двумя гетероатомами. Бициклические гетероциклы.

6.    Нуклеиновые кислоты. Строение и структура нуклеиновых кислот.

7.    ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты).

8.    РНК (рибонуклеиновые кислоты).

 

1.    Классификация гетероциклических соединений.

 

Гетероциклические соединения – это органические вещества, содержащие в своих молекулах циклы, в образовании которых кроме атомов углерода участвуют атомы других элементов (гетероатомы).

Размер цикла может быть разным. Наиболее распространены в природе пяти и шестичленные циклы, в состав которых входят атомы азота, кислорода или серы.

В зависимости от природы гетероатома различают нитроген-, оксиген- и серосодержащие циклы. Их также различают по числу гетероатомов, числу звеньев в цикле и других признаках.

По степени насыщенности все гетероциклические соединения могут быть насыщенными, ненасыщенными и ароматическими.

 

Примеры наиболее важных гетероциклов.

 

 

2. Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом.

 

В эту группу входят пятичленные ароматические гетероцыклы: пиррол, фуран, тиофен.

Пиррол

Пиррол С₄H₄NН – пятичленный гетероцикл с одним атомом азота.

Бесцветная жидкость с температурой кипения 130С, плохо растворимая в воде, на воздухе быстро окисляется и темнеет.

Электронное строение молекулы пиррола объясняет его свойства как слабой кислоты и ароматического соединения.

Атомы углерода и азота находятся в состоянии sp²-гибридизации σ-Связи C–C, C–H и C–N образованы гибридными орбиталями. Цикл имеет плоское строение. На негибридной р-орбитали азота находится неподеленная пара электронов, которые вступают в сопряжение с четырьмя р-электронами атомов углерода. Таким образом, в циклической системе сопряжения находится 6 электронов, что определяет ароматические свойства пиррола.

Пиррол значительно активнее бензола в реакциях электрофильного замещения, т.к. атом азота, предоставляя в систему сопряжения два электрона (+М-эффект), повышает электронную плотность в цикле.

Пример – замещение 4-х атомов водорода при иодировании:

Устойчивость пиррола как ароматической структуры значительно меньше, чем бензола. Под действием сильных минеральных кислот электронная пара азота все же используется для солеобразования и свойства пиррола резко меняются: ароматичность исчезает (в системе сопряжения остается всего 4 электрона) и проявляются свойства диена, например, способность к полимеризации.

Связывание неподеленной электронной пары атома азота системой сопряжения приводит к резкому ослаблению основных и проявлению кислотных свойств. Как слабая кислота пиррол вступает в реакцию с металлическим калием, образуя соль – пиррол-калий:

 

 

 

Пиррол может участвовать в реакциях присоединения:

– гидрирование приводит к образованию пирролидина

–  под действием сильных минеральных кислот пиррол вступает в реакции полимеризации.

Пиррол применяют для синтеза различных органических веществ.
Пиррольные структуры содержатся в гемоглобине, хлорофилле, витамине В₁₂ и некоторых других природных соединениях. В состав молекул этих сложных веществ входит тетрапиррольный фрагмент (порфин) в виде комплекса с металлом:

где Ме – металл
(Fe в гемоглобине, Mg в хлорофилле, Co в витамине В₁₂).

 

3. Пятичленные гетоциклы с двумя и больше гетероатомами.

При присутствии нескольких гетероатомов в пятичленном цикле с сопряженными двойными связями электронная плотность в кольце распределена неравномерно, это отображается на химических свойствах этих соединений.

Пятичленные гетероциклы сдвумя гетероатомами более стабильны; для них характерная меньшая активность в реакциях электрофильного замещения сравнительно с пятичленными гетероциклами и одним гетероаатомом.

Имидазол.

Имидазол (т. кипения 256°С) это пятичленный гетероцикл с двумя атомами азота, которые находятся в 1-ом и 3-ем положениях кольца.

Один с этих атомов аналогичный атому азота в пирроле и ответственный за слабокислотные свойства имидазола, другой похожий на пиридиновый атом азота и отвечает за слабоосновные свойства имидазола. Таким образом имидазол амфотерное соединение, образует соли с сильными кислотами и щелочными металлами.

Электрофильное замещение в кольце имидазола протекает по положениям 4 или 5, в которых электронная плотность намного больше, чем в положении 2. Атомы азота в молекуле имидазола равноценны, благодаря равновесию:

Наличие второго атома азота в кольце значительно понижает в нем электронную плотность, что стабилизирует молекулу в целом. Имидазол не боится кислой среды, а электрофильное замещение протекает значительно труднее, чем в случае с пирролом. Как слабая кислота, имидазол образует металлопроизводные с натрием или реактивами Гриньяра, подобно пирролу.

 

Пиразол.

Это пятичленный гетероцикл с двумя атомами азота; по своим химическим свойствам сходен с ароматическими углеводородами (легко нитруется, сульфируется), обладает основными свойствами.

Пиразол в природе не встречается. Все его производные получают синтетическим путем. При частичном восстановлении пиразола получается пиразолин, а окислением последнего по С₅ получают пиразолон-5.  

Ядро пиразолона-5 лежит в основе таких лекарственных препаратов, как амидопирин и анальгин.  

АНАЛЬГИН по активности и быстроте действия превосходит амидопирин и является сульфопроизводным последнего. Анальгин широко применяется как болеутоляющее, жаропонижающее и противовоспалительное средство при головных болях, невралгиях, радикулите, гриппе, ревматизме.

АНТИПИРИН

Это кристаллы горьковатого вкуса, хорошо растворимые в воде, этаноле, хлороформе, ацетоне.

Антипирин обнаруживают по красному окрашиванию с FеС1₃ или по зеленому – с NO₂^–; количественно определяют иодометрически в присут. CH₃COONa.

Области применения : жаропонижающее, противовоспалительное. и болеутоляющее средство; для получения амидопирина, анальгина.

4. Шестичленные гетероциклы с одним гетероатомом

Пиридин

Пиридин С₅H₅N – шестичленный гетероцикл с одним атомом азота.

Это бесцветная жидкость с неприятным запахом, т.кип. 115°С. Хорошо растворяется в воде и органических жидкостях. Ядовит.

Электронное строение молекулы пиридина сходно со строением бензола. Атомы углерода и азота находятся в состоянии sp²-гибридизации. Все σсвязи C–C, C–H и C–N образованы гибридными орбиталями, углы между ними составляют примерно 120°. Поэтому цикл имеет плоское строение. Шесть электронов, находящихся на негибридных р-орбиталях, образуют π-электронную ароматическую систему.

Из трех гибридных орбиталей атома азота две образуют σ-связи С–N, а третья содержит неподеленную пару электронов, которые не участвуют в π-электронной системе. Поэтому пиридин, подобно аминам, проявляет свойства основания. Его водный раствор окрашивает лакмус в синий цвет. При взаимодействии пиридина с сильными кислотами образуются соли пиридиния.

Наряду с основными свойствами пиридин проявляет свойства ароматического соединения. Однако его активность в реакциях электрофильного замещения ниже, чем у бензола. Это объясняется тем, что азот как более электроотрицательный элемент оттягивает электроны на себя и понижает плотность электронного облака в кольце, в особенности в положениях 2, 4 и 6 (орто– и пара-положения).

Поэтому, например, реакция нитрования пиридина проходит в жестких условиях (при 300°C) и с низким выходом. Ориентирующее влияние атома азота на вступление нового заместителя при электрофильном замещении в пиридине подобно влиянию нитрогруппы в нитробензоле реакция идет в положение 3.

Как и бензол, пиридин может присоединять водород в присутствии катализатора с образованием насыщенного соединения пиперидина.

Пиперидин проявляет свойства вторичного амина (сильное основание).

Пиперединовое кольцо входит в состав одного с наиболее эффективных анастетиков- промедола.

Пиперединовое и пиридиновое ядра встречаются в многих алкалоидах. Важные производные пиримидина- некоторые витамины группы В, никотиновая кислота и никотинамид.

Никотиновая кислота.

Никотиновая кислота или витамином В₃ и ее производная никотинамид используются организмом в процессе преобразования пищи в энергию. Никотиновая кислота содержится во многих видах продуктов, и хорошо сбалансированная разнообразная диета обеспечивает организм необходимым количеством никотиновой кислоты. Рекомендованная диетическая норма составляет 15 мг для пожилых мужчин и 13 мг для пожилых женщин.

Диетический дефицит никотиновой кислоты, называемый пеллагрой, наблюдается достаточно редко.

 

5. Шести и семичленные гетероциклы с двумя гетероатомами. Бициклические гетероциклы.

 

Пиримидин и пурин

Пиримидин С₄Н₄N₂ – шестичленный гетероцикл с двумя атомами азота.

Проявляет свойства очень слабого основания, т.к. атомы азота в sp²-гибридизованном состоянии довольно прочно удерживают неподеленную электронную пару.
Для пиримидина, подобно пиридину, характерна 6π-электронная ароматическая система. Поэтому его цикл обладает повышенной устойчивостью

Пурин С₅H₄N₄ – соединение, в молекуле которого сочетаются структуры шести- и пятичленного гетероциклов, содержащих по два атома азота.

Проявляет амфотерные свойства. Слабые основные свойства связаны с атомами азота шестичленного (пиримидинового) цикла. Слабые кислотные свойства обусловлены группой N-H пятичленного цикла (по аналогии с пирролом).

Эти соединения являются основой пиримидиновых и пуриновых оснований, входящих в состав природных высокомолекулярных веществ – нуклеиновых кислот.

Пиримидиновые основания

Пиримидиновые основания – производные пиримидина, входящие в состав нуклеиновых кислот: урацил, тимин, цитозин.

Для оснований, содержащих группу –ОН, характерно подвижное равновесие структурных изомеров, обусловленное переносом протона от кислорода к азоту и наоборот:

Подобное динамическое равновесие структурных изомеров называют “таутомерией“. Данный частный случай относят к лактим-лактамной таутомерии.

 

Пуриновые основания

Пуриновые основания – производные пурина, входящие в состав нуклеиновых кислот: аденин, гуанин.

Гуанин существует в виде двух структурных изомеров:

 

6. Нуклеиновые кислоты. Строение и структура нуклеиновых кислот.

 

Нуклеиновые кислоты — это природные высокомолекулярные соединения (полинуклеотиды), которые играют огромную роль в хранении и передаче наследственной информации в живых организмах. Молекулярная масса нуклеиновых кислот может меняться от 100 тыс. до 60 млрд. Они были открыты и выделены из клеточных ядер еще в XIX веке, однако их биологическая роль была выяснена только во второй половине XX века.

Нуклеиновые кислоты – это биополимеры, макромолекулы которых состоят из многократно повторяющихся звеньев – нуклеотидов. Поэтому их называют также полинуклеотидами.

В состав нуклеотида – структурного звена нуклеиновых кислот – входят три составные части:

·                 азотистое основание – пиримидиновое или пуриновое

·                 моносахарид – рибоза или 2-дезоксирибоза;

·                 остаток фосфорной кислоты.

 

 

Гетероциклические основания образуют  соединения с рибозой или 2-дезоксирибозой.  Эти соединения называют нуклеозидами.

 

               β-рибоза                              β-дезоксирибоза
        (C₅H₁₀O₅)                             (C₅H₁₀O₄)

 

Пиримидиновые основания входят в состав нуклеозидов – структурных компонентов нуклеиновых кислот. Нуклеозиды образуются за счет отщепления водорода от N–H-связи в молекуле азотистого основания и гидроксила при С₁ в молекуле углевода рибозы (или 2-дезоксирибозы). Например:

 

Пуриновые нуклеозиды:

 

Пиримидиновые нуклеозиды:

 

При присоединении к нуклеозиду фосфорной кислоты образуется нуклеотид.

Нуклеотид – основная структурная единица нуклеиновых кислот, их мономерное звено. Нуклеиновые кислоты, состоящие из рибонуклеотидов, называются рибонуклеиновые кислоты (РНК). Нуклеиновые кислоты, состоящие из дезоксирибонуклеотидов, называются дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК). В состав молекул РНК входят нуклеотиды, содержащие основания аденин, гуанин, цитозин и урацил. В состав молекул ДНК входят нуклеотиды, содержащие аденин, гуанин, цитозин и тимин. Для обозначения оснований используют однобуквенные сокращения: аденин — А, гуанин — G, тимин — Т, цитозин — С, урацил — U.

Пуриновые или пиримидиновые основания, рибоза и дезоксирибоза, а также фосфорная кислота связаны в молекулах нуклеотидов однотипно. Пентозы, с одной стороны, посредством одного углеродного атома соединяются с соответствующим основанием: с пуриновым по его 9-му атому азота, с пиримидиновым – по 3-му атому азота, а с другой – эфирной связью соединяются с монофосфорной, дифосфорной или трифосфорной кислотами, образуя соответствующие мононуклеотиды.

В молекулах ДНК и РНК отдельные нуклеотиды связаны в единую полимерную цепь за счет образования сложноэфирных связей между остатками фосфорной кислоты и гидроксильными группами при 3-м и 5-м атомах углерода моносахарида:

Нуклеотиды за счет конденсации ОН-групп фосфорных кислот и пентозов полимеризуются в РНК и ДНК.

 

7. ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты)

Макромолекула ДНК представляет собой две параллельные неразветвленные полинуклеотидные цепи, закрученные вокруг общей оси в двойную спираль.

 

Такая пространственная структура удерживается множеством водородных связей, образуемых азотистыми основаниями, направленными внутрь спирали.

 

Пространственная структура полинуклеотидных цепей ДНК и РНК была определена методом рентгеноструктурного анализа. Одним из самых крупных открытий биохимии XX века оказалась модель трехмерной структуры ДНК, которую предложили в 1953 г. Дж.Уотсон и Ф.Крик. Эта модель состоит в следующем.

 1.   Молекула ДНК представляет собой двойную спираль и состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных в противоположные стороны вокруг общей оси.

2.   Пуриновые   и   пиримидиновые   основания   расположены внутри спирали, а остатки фосфата и дезоксирибозы — снаружи.

3.  Диаметр спирали 20 А (2 нм), расстояние между соседними основаниями вдоль оси спирали 3,4 А, они повернуты относительно друг друга на 36°. Таким образом, на полный виток спирали (360°) приходится  10 нуклеотидов, что соответствует длинеспирали по оси 34 А.

4.   Две спирали удерживаются вместе водородными связями между парами оснований. Водородные связи возникают между пуриновым основанием одной цепи и пиримидиновым основанием другой цепи. Эти основания составляют комплементарные пары (от лат. complementum – дополнение).

Водородные связи между другими парами оснований не позволяют им разместиться в структуре двойной спирали. Таким образом,

·                 ТИМИН (Т) комплементарен АДЕНИНУ (А),

·                 ЦИТОЗИН (Ц) комплементарен ГУАНИНУ (Г).

Способность ДНК не только хранить, но и использовать генетическую информацию определяется следующими ее свойствами:

– молекулы ДНК способны к репликации (удвоению), т.е. могут обеспечить возможность синтеза других молекул ДНК, идентичных исходным

– молекулы ДНК могут направлять совершенно точным и определенным образом синтез белков, специфичных для организмов данного вида

 

Двухспиральная структура ДНК с комплементарными полинуклеотидными цепями обеспечивает возможность самоудвоения (репликации) этой молекулы. Этот сложный процесс можно упрощенно представить следующим образом.

Перед удвоением водородные связи разрываются, и две цепи раскручиваются и расходятся. Каждая цепь затем служит матрицей для образования на ней комплементарной цепи :

Таким образом, после репликации образуются две дочерние молекулы ДНК, в каждой из которых одна спираль взята из родительской ДНК, а другая (комплементарная) спираль синтезирована заново. Синтез новых цепей происходит с участием фермента ДНК-полимеразы.

Длина полинуклеотидных цепей ДНК практически неограничена. Число пар оснований в двойной спирали может меняться от нескольких тысяч у простейших вирусов до сотен миллионов у человека . Каждой тысяче пар оснований соответствует длина оси спирали (называемая контурной длиной) 3400 А и молекулярная масса примерно 660 тыс

 

8. РНК (рибонуклеиновые кислоты)

В отличии от ДНК, молекулы РНК состоят из одной полинуклеотидной цепи. Число  нуклеотидов в цепи колеблется от 75 до нескольких тысяч, а молекулярная масса РНК может изменяться в пределах от 2500 до нескольких млн.

Полинуклеотидная цепь РНК не имеет строго определенной структуры. Она может складываться сама на себя и образовывать отдельные двухцепочечные участки с водородными связями между пуриновыми и пиримидиновыми основаниями .

Схема двухцепочечного участка РНК.

 

Водородные связи в РНК не подчиняются таким строгим правилам, как в ДНК. Так, гуанин (G) может образовывать водородные связи как с урацилом (U), так и с цитозином (С). Поэтому двухцепочечные участки РНК некомплементарны, и нуклеотидный состав РНК может меняться в широких пределах.