Дальнейшее азотирование молекул пиридина

Азотирование (азазамещение) в молекуле пиридина приводит к диазинам — пиримидину, пиразину и пиридазину и триазинам, из которых практическое значение имеет 1,3,5-триазин, или смлш-триазин:

Разница в электроотрицательностях =СНгруппировки и атома азота достаточно велика (больше 0,5 ед. по Малликену), чтобы на СНгруппировках диазабензольного кольца сосредоточился высокий положительный заряд. Этот заряд особенно значителен у пиримидина в положениях 2, 6 и 4 и меньше всего в положении 5, у пиридазина в положениях 3 и 6, у пиразина он одинаков во всех СН-положениях. Положительный заряд на группах =СНособенно велик у силш-триазина во всех положениях. Поэтому они инертны к электрофильному замещению, так как (5+)-кольца препятствуют образованию переходного состояния а-комплекса:

Высокий заряд (8+) в кольце является также причиной их высокой инертности к окислителям. Этот заряд, как сказано выше, может быть причиной высокой cf к-конверсии несвязывающих электронов.

N-орбиталей за счет возбуждения их до Зр.-уровня. Поэтому константы диссоциации протонных форм диазинов чрезвычайно малы, а следовательно, очень малы основные свойства атомов азота. Так, рЛ^, = -2,3 (пиридазин в Н₂0), -1,3 (пиримидин), -0,6(пиразин). Отсюда следует, что оснбвные свойства минимальны у пиридазина, максимальны у пиразина.

В растворах 10 М H2SO4 образуется 10% пирадазиния PirH*, 30% пиримидиния РшН* и 70% пиразиния PzH*.

В крепких растворах безводных минеральных кислот только пиридазин может присоединить вторую молекулу кислоты. Следует отметить, что несмотря на очень слабую основность диазинов они растворяются в воде за счет образования водородных связей J^N***H—О—Н на обоих атомах азота.

На основе пиридазина синтезируются эффективные гербициды, особенно пригодные для уничтожения сорняков на полях сахарной свеклы. Пиразин получается дегидрированием гексагидропроизводного — пиперазина:

Известны дибензозамещенные пиразина (феназин и его производные), которые используют как феназиновые красители, например, сафранин, нейтральный красный и др. Эти красители имеют ароматические хромофоры на основе феназина, которые поляризуются с помощью ауксохромовNH₂, +.

—N Аг и др., в результате чего окраска из желтой переходит в красную.

Однако важнейшую роль в природе выполняют производные пиримидина и пурина. В пурине пиримидин сконденсирован с имидазолом. Если пиримидин и пурин являются молекулами, обладающими всеми свойствами ароматических соединений, то их аминои оксипроизводные могут существовать в двух изомерных формах — ароматической и неароматической (кетонной, иминной).

Пиримидиновые и пуриновые основания являются элементарными кирпичиками, из которых строятся важнейшие после белков и целлюлозы биополимеры — нуклеиновые кислоты, те живые «печатные станки» (матрицы), на которых формируются белки в живой клетке, точно повторяющие аминокислотную последовательность белка каждого живого индивида (подробнее о биологической роли нуклеиновых кислот, их структуре и функциях будет сказано в последнем разделе):

Именно таутомерное превращение этих молекул обеспечивает участие биополимеров — нуклеиновых кислот в поддержании (защите) и развитии жизни во Вселенной. Таутомерные превращения при сохранении стабильности молекул создают условия их конденсации в полимерные цепи, в создании самых разнообразных структур за счет образования прочнейших зациклизованных водородных связей внутри молекул нуклеиновых кислот и между ними. Она же создает возможность взаимосвязи биомолекул с окружающей средой, связывание ими аминокислот, белков, ферментов и других биомолекул.

Кроме создания структур живых организмов производные пиримидина и пурина широко используются в структурах алкалоидов, таких как кофеин (кофе и чая), теофиллин и теобромин (чая), многочисленных природных красителей. Они широко используются для синтеза лекарственных и ростовых веществ, среди них такие, как снотворные лекарства — производные барбитуровой кислоты. К производным пиримидина принадлежат лучшие из сульфамидных лекарств, в том числе сульфадимезин:

Остаток 2-метил-4-аминопиримидина входит в состав витамина В, и фермента карбоксилазы.

Ростовое вещество растений — кинетин, включающее кроме аденина остаток фурана, ускоряет рост растений за счет усиленного деления клеток:

Важнейшим производным. пурина является мочевая кислота, которая у птиц и рептилий служит средством удаления избытка азота из организма, аналогично мочевине млекопитающих:

Соли мочевой кислоты (ураты), возникающие в больших концентрациях при нарушении обмена веществ у больных, откладываются в суставах в виде одной из разновидностей почечных камней, среди которых нередко преобладают фосфаты или карбонаты кальция.

Очень важным производным пиримидина является барбитуровая кислота, от которой производится множество снотворных лекарств, таких как диэтилбарбитуровая кислота (веронал, или барбитал), люминал (или фенобарбитал) и др.:

Большое значение в химии и технологии имеют производные симм- триазина. Все они получаются циклической полимеризацией синильной кислоты Н—С—N и ее производных — хлорциана С1—C=N, циановой кислоты НО—C=N и ее эфиров, цианамида NH₂— C=N идр.:

На основе хлористого цианура синтезированы многочисленные активные триазиновые красители, которые связываются с полимерными материалами (шелк, шерсть и др.) ковалентной химической связью, возникающей за счет удаления подвижного С1 в виде НС1.

Из шестичленных гетероциклов с четырьмя атомами азота, кроме рассмотренного пурина, немалый интерес и значение имеет птеридин.

(1,3,5,8-тетраазанафталин) и его производные. Птеридин с точки зрения структуры и свойств интересен тем, что оказывается, несмотря на свою ароматичность, недостаточно устойчивым к действию кислот и щелочей. В этом отношении он сильно уступает пурину.

Так, уже при действии разбавленной НС1 раскрывается пиримидиновый цикл и остается пиразиновый:

Эта особенность птеридина заставляет рассмотреть стабильность молекул при азазамещении.

В ряду азолов: пиррол — имидазол — триазол — пентазол азазамещение стабилизирует пятичленный ароматический гетероцикл в порядке увеличения числа атомов азота, поскольку цикл пиррола является электро, но избыточным (число ароматш1сских л-электронов — их шесть — больше числа атомов, их носителей, которых всего пять). Следовательно, стабилизация молекул за счет дальнейшего азазамещения здесь обусловлена а-электроноакцепторным влиянием атомов азота.

В ряду пиридин — пиримидин (пиридазин, пиразин) — триазин наблюдается дальнейшая ароматическая стабилизация молекул, в частности к действию протона, т. е. в кислых средах. Циклы оказываются устойчивыми и в щелочных средах.

В пгеридине все атомы азота занимают внешние позиции. Внутренних (экранированных) атомов азота нет. В кислой среде под действием Н_г.О* происходит кислотный гидролиз пиримидинового цикла вероятнее всего в положении 2. Механизм подобного рода реакций не изучен, по-видимому, он очень сложен. Дестабилизация сконденсированных диазинов — пиримидина и пиразина обусловлена так же, как у азамакроциклов, искажением более устойчивых струкгур (нафталин, порфин) при азазамещении, в результате чего валентные углы между химическими связями отклоняются от стандартных, заданных гибридизацией луг.

Из производных птеридина достойны особого внимания белый краситель крыльев бабочек — лейкоптерин, имеющий загадочные хромофорные свойства, фолиевая кислота (витамин В_!0) из зеленых листьев растений, которая входит в состав ферментов, регулирующих реакции переноса формильной группы, и рибофлавин (витамин В₂), который в составе ферментов осуществляет реакции переноса водорода:

На примере гидрирования и дегидрирования рибофлавина легко убедиться в переходе сложных циклических л-систем из состояния ароматического в состояние сопряженное и обратно.