Реферат: 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.