Гетероциклические соединения
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… Читать ещё >
Гетероциклические соединения (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
«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 т. д.
2) Шестичленные гетероциклы:
а) с одним гетероатомом;
б) с двумя гетероатомами и т. д.
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 ?-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 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
Фуранэто 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 ?-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
?-пиран ?-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 образуют 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 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. Чрезвычайно 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 40 мг.
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 рэлектронных 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.