Гетероцикл входящий в витамин с

В наше время большинство образованных людей хотя бы в общих чертах имеют представления о белках, жирах и углеводах и о роли этой триады веществ в процессах жизнедеятельности. Меньшая осведомленность проявляется в отношении так называемых гетероциклических соединений, или гетероциклов, значение которых в химии живого, однако, ничуть не меньше, а разнообразие проявлений даже заметно шире, чем у белков, жиров и углеводов. Гетероциклы, а конкретнее, некоторые производные пуринов и пиримидинов, играют фундаментальную роль в передаче наследственных признаков. Неудивительно, что в школьных учебниках по органической химии имеются упоминания, как об этих соединениях, так и о строении и функциях нуклеиновых кислот. Вместе с тем на основании предельно сжатой информации учащимся нелегко создать целостное представление о причинах, по которым Природа выбрала для реализации этих целей именно гетероциклы. Необходимостью восполнить этот пробел и продиктована настоящая статья. В ней нашли отражение преимущественно общие и биохимические аспекты химии гетероциклов. Механизмы функционирования нуклеиновых кислот обсуждаются во многих других книгах.

ТИПЫ ГЕТЕРОЦИКЛОВ И ГЕТЕРОАТОМОВ

Если, соблюдая правила валентности, в молекуле циклогексана любой из атомов углерода заменить на азот, получится один из простейших гетероциклов — пиперидин. Аналогично из бензола можно «сконструировать» пиридин, а из циклогексена — 1,2,3,6-тетрагидропиридин.
Известно огромное множество гетероциклических соединений. Они различаются размером и числом колец, количеством и типом гетероатомов, их взаимным расположением и т.д. В основе самой общей классификации гетероциклов лежат углеводороды. Например, циклические углеводороды подразделяют на циклопарафины (их представитель — циклогексан), циклоолефины (например, циклогексен) и ароматические углеводороды, главный представитель которых — бензол. Соответственно этому и гетероциклы делятся в общем виде на гетероциклопарафины (пиперидин), гетероциклоолефины (1,2,3,6-тетрагидропиридин) и гетероароматические соединения (пиридин и др.). Дальнейшая классификация базируется главным образом на типе гетероатома.
Наиболее специфическую и важную в практическом отношении группу гетероциклов составляют гетероароматические соединения. В них встречаются два главных типа гетероатома, дающих начало соответственно двум типам гетероароматических структур. Гетероатом первого типа, условно называемый пиридиновым, встречается в самом пиридине и его аналогах с атомами кислорода или серы — катионах пирилия и тиапирилия. Он вносит в ароматический ансамбль один p-электрон и сам остается двоесвязанным. Гетероатом второго типа обычно входит в состав пятичленных гетероциклов, например, пиррола, фурана или тиофена. Он вносит в ароматический секстет два p-электрона и сам образует только одинарные связи. Такой гетероатом называется пиррольным.
В гетерокольце может быть и несколько гетероатомов как одного типа (пиримидин), так и разных типов (имидазол). Известны циклы, состоящие только из гетероатомов, как, например, боразин, называемый за свою устойчивость «неорганическим бензолом», или менее устойчивый пентазол. Большая группа гетероциклов состоит из двух и более колец, которые могут быть соединены простой связью, как в 2,2′-дипиридиле или сочленены общим ребром, как в пурине.
В природе наиболее распространены пяти- и шестичленные гетероциклы; они чаще всего используются и в научных исследованиях. Однако в последнее время химики все больше внимания уделяют макрогетероциклам. Так, синтезированы восемнадцатичленный аналог пиридина аза[18]аннулен и семнадцатичленный аналог пиррола аза[17]аннулен. Важнейшим природным макрогетероциклом является порфин, молекула которого состоит из четырех пиррольных колец, соединенных между собой метиновыми мостиками -СН=.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ СПЕЦИФИКА ГЕТЕРОЦИКЛОВ

Во многих химических процессах, совершающихся в живых клетках, в той или иной форме участвуют различные гетероциклические соединения. Почему именно гетероциклы? — возникает вполне резонный вопрос. Чтобы ответить на него, надо хотя бы в общих чертах рассказать об основных физико-химических свойствах гетероциклов. Первое, что следует отметить, это чрезвычайно широкий диапазон реакционной способности гетероциклов. В зависимости от рН среды они образуют анионы или катионы, одни охотно реагируют с положительно заряженными реагентами (электрофилами), другие с отрицательно заряженными (нуклеофилами); одни легко восстанавливаются, но трудно окисляются, другие, напротив, легко окисляются, но трудно восстанавливаются. Имеются и амфотерные гетероциклические системы, проявляющие одновременно все перечисленные свойства. Важное биохимическое значение имеет способность многих гетероциклов образовывать прочные комплексы с ионами металлов. Все эти проявления реакционной способности так или иначе связаны с распределением электронной плотности в гетероциклических молекулах.
Рассмотрим в качестве примера пиридин. Специфика пиридинового атома азота состоит в том, что он оттягивает на себя часть электронного облака молекулы. В результате атомы углерода, прежде всего находящиеся в орто- и пара-положениях, приобретают частичный положительный заряд. Дефицит электронной плотности на углеродном остове — характерное свойство всех гетероциклов, содержащих гетероатомы пиридинового типа. Их важнейшая особенность — легкость взаимодействия с отрицательно заряженными реагентами — нуклеофилами. Типичный пример — реакция пиридина с амидом натрия, в результате чего образуется 2-аминопиридин. Реакции замещения водорода при действии положительно заряженных реагентов для таких гетероциклов протекают очень трудно или не идут совсем. Однако электрофилы легко присоединяются к пиридиновому атому азота за счет его неподеленной пары электронов. Например, с кислотами и алкилгалогенидами пиридин образует соответственно соли пиридиния и N-алкилпиридиния. Пиридин выступает в подобных реакциях фактически как основание.
Известно, что введение в органическую молекулу электроноакцепторных групп вызывает понижение энергии молекулярных орбиталей. В результате соединения труднее отдают электроны (плохо окисляются), но зато легче присоединяют их (охотнее восстанавливаются). Гетероатом пиридинового типа является акцептором электронов, из чего следует, что соответствующие гетероциклы должны быть склонны к легкому восстановлению. Это действительно так. Например, хлорид 1-бензил-3-карбамоилпиридиния восстанавливается до 1-бензил-3-карбамоил-1,4-дигидропиридина, который может быть окислен вновь до исходной соли . Эта обратимая реакция лежит в основе действия множества природных катализаторов — ферментов, прежде всего тех, которые обеспечивают дыхательный процесс и аккумулирование энергии . Пожалуй, самое известное превращение этого типа — окисление этилового спирта до ацетальдегида или обратное восстановление последнего до этанола.
Противоположная ситуация имеет место в случае пиррола и других гетероциклов с гетероатомом пиррольного типа. В молекулах этих соединений на пять кольцевых атомов формально приходится шесть p-электронов. В результате кольцевые углеродные атомы имеют избыточный отрицательный заряд. Для таких гетероциклов уже не характерны реакции с нуклеофилами, но их взаимодействие с электрофилами протекает очень легко. Например, пиррол бромируется на холоду сразу до тетрабромпиррола, и эту реакцию трудно остановить на стадии монозамещения. Гетероатом пиррольного типа практически лишен основных свойств. Напротив, для пиррола и других NH-гетероциклов характерно проявление кислотности. Так, при действии оснований они образуют N-анионы. Последние легко реагируют с различными электрофилами, что используется для получения разнообразных N-производных, например, 1-метилпиррола . Молекулярные орбитали в подобных гетероциклах имеют высокую энергию, поэтому они, в противоположность пиридину и его аналогам, трудно восстанавливаются, но легко окисляются. Так, контролируемым окислением пиррола и его N-замещенных можно получать полипирролы, обладающие замечательными электрофизическими характеристиками.
Соединения, содержащие одновременно гетероатомы пиррольного и пиридинового типа, как и следовало ожидать, проявляют амфотерные свойства. Показателен в этом отношении имидазол. Этот гетероцикл — один из самых распространенных, можно сказать ключевых, в живых организмах. Он входит в состав пуриновых оснований, витамина В12 , многих ферментов. Биологические функции имидазола связаны с исключительным разнообразием и гибкостью его физико-химических свойств. Так, отщепляя протон, он превращается в анион, а присоединяя протон, — в катион имидазолия. Кислотно-основные свойства имидазола таковы, что в организме при рН=7 около половины его молекул находятся в форме катиона, другая половина — в виде нейтральных частиц. Еще одна особенность имидазола состоит в склонности к образованию межмолекулярных водородных связей как с себе подобными молекулами, так и с водой, аминокислотами, другими биомолекулами. Водородные связи относятся к так называемым невалентным взаимодействиям. Хотя энергия одного невалентного взаимодействия на 1 — 2 порядка ниже энергии обычных ковалентных связей, именно невалентные взаимодействия и, прежде всего, водородные связи обеспечивают гибкость, быстроту и разнообразие биохимических процессов. Это объясняется множественностью межмолекулярных взаимодействий, которые, складываясь, становятся в химии живого определяющим фактором. Гетероциклические соединения с их полярностью, наличием неподеленных электронных пар, гетроатомов и связей N-H обладают уникальной способностью к невалентным взаимодействиям. В этой связи следует напомнить, что образование множества водородных связей между комплементарными парами оснований аденин-тимин и гуанин-цитозин обеспечивает достаточно прочное сцепление полинуклеотидных спиралей в молекулах двунитевых ДНК.

Известно, что для нормального развития живым организмам требуются микроколичества различных металлов. К числу «металлов жизни», помимо широко распространенных натрия, калия, магния, кальция, железа, цинка, относятся и более экзотичные — молибден, кобальт, хром и некоторые другие. Все они находятся в организме в виде катионов, связанных координационными связями с лигандами. Роль последних играют прежде всего аминокислоты и азотистые гетероциклы. Можно сказать, что способность образовывать прочные комплексы с металлами как бы запрограммирована в самой структуре гетероциклов.
Жестко ориентированная в пространстве неподеленная электронная пара пиридинового атома азота идеально приспособлена для координации с любыми металлическими ионами. Так, пиридин образует линейный комплекс с ионом серебра, тетраэдрический — с хлоридом алюминия, плоскоквадратный — с хлоридом меди или дианионный комплекс — с хлоридом кобальта. Молекула пиридина может предоставить для координации с ионом металла лишь одну электронную пару. Такие лиганды называются монодентатными. Пожалуй, самым важным гетероциклическим монодентатным лигандом, с точки зрения биологии, является имидазол. Большое внимание привлекают полидентатные лиганды, способные предоставлять для координации сразу несколько электронных пар. Типичный пример бидентатного лиганда — 2,2′-дипиридил. Это соединение образует устойчивые комплексы с рядом металлов, в частности с ионом Fe2 +. В последние годы в связи с проблемой создания искусственных фотосинтетических систем широко исследуется рутениевый комплекс 2,2′-дипиридила, катализирующий фоторазложение воды на водород и кислород.
Важнейшим природным тетрадентатным лигандом является порфиновая система. В дианионе порфина внутрь полости цикла направлены оси всех четырех неподеленных электронных пар. В эту полость легко входят ионы многих металлов, которые прочно закрепляются в ней, образуя координационные связи с атомами азота. Порфиновая система с включенным в нее ионом магния входит в состав зеленого пигмента растений хлорофилла, а порфиновая система, связанная с ионом железа, в состав гемина — красного пигмента крови. Похожий комплекс с ионом двухвалентного кобальта является структурным фрагментом витамина B12 .

ГЕТЕРОЦИКЛЫ: ФЕРМЕНТЫ И ВИТАМИНЫ

Как правило, ферменты представляют собой белки с большой молекулярной массой. В их состав часто входят несколько полипептидных цепей, переплетенных друг с другом за счет невалентных взаимодействий. Благодаря такой надмолекулярной организации молекула фермента приобретает объемную форму, на поверхности которой имеются всевозможные неровности: углубления, ниши, щели. В одной из таких неровностей расположена активная зона фермента, в которую, как ключ в замок, входит реагирующая молекула. Как и каждый хороший замок, фермент откликается только на свой «ключ», то есть на молекулы строго определенного вещества — субстрата. Поэтому каждый тип превращения в организме требует участия своего специфического фермента.
В состав активных центров многих ферментов входят остатки гетероциклических соединений, в частности пиридина и имидазола. Имидазольный фрагмент входит в состав аминокислоты гистидина. Наряду с индолсодержащей аминокислотой триптофаном, это одна из наиболее важных природных аминокислот гетероциклического ряда. Благодаря уникальным кислотно-основным свойствам, имидазольное кольцо может катализировать присоединение нуклеофилов к карбонильной группе. Эта реакция — одна из важнейших как в лабораторной практике, так и в живой природе.
Наряду с чисто белковыми ферментами, существует множество ферментов, в состав которых входит и небелковая часть, называемая коферментом. Большинство последних — производные азотистых гетероциклов: пиридина, пиримидина, тиазола и др. Многие коферменты не могут быть синтезированы в организмах человека и животных, поэтому они должны поступать с пищей. Готовые коферменты или их близкие химические предшественники называются витаминами.

Логично ожидать, что при такой значимости гетероциклов в химии живого они должны были найти применение и в медицине. Это действительно так. По данным на начало 90-х годов, из 1070 наиболее широко применяемых синтетических лекарственных препаратов 661 (62 %) относились к гетероциклам.
Еще задолго до развития фармацевтической химии люди лечили болезни, используя гетероциклические соединения из природной аптеки: листья, плоды и кору деревьев, корни и стебли трав, вытяжки из насекомых и т.д. Вероятно, ни о каком другом природном соединении не сложено столько историй, как о хинине. Хинин — один из представителей многочисленного семейства алкалоидов — азотсодержащих органических соединений преимущественно растительного происхождения. Почти все алкалоиды являются производными азотистых гетероциклов. Хинин сыграл историческую роль в борьбе с малярией. Примером другого алкалоида является папаверин, который используют в медицине как спазмолитическое и сосудорасширяющее средство.
Мало кто из нас обходится в течение дня без чашки чая или кофе, Их бодрящий эффект вызывают присутствующие в листьях чая и в плодах кофе алкалоиды пуриновой группы — кофеин, теобромин и теофиллин. Все они являются стимуляторами центральной нервной системы, повышают жизнедеятельность тканей, усиливают общий обмен веществ. Теофиллин и теобромин применяются в медицине, как сосудорасширяющие средства, а также диуретики. Разумеется, их готовят сейчас синтетическим путем. Двадцатый век называют иногда веком Великой лекарственной революции. Одним из ее ярких символов, безусловно, следует считать b-лактамные антибиотики — пенициллин и цефалоспорин, спасшие миллионы человеческих жизней. Оба они также являются производными гетероциклических соединений.
В последние годы наметился прорыв в решении такой сложной задачи, как создание эффективных противовирусных препаратов. В 1988 году американским ученым Г. Эллион и Дж. Хитчингсу была присуждена Нобелевская премия за создание ацикловира — первого высокоэффективного препарата против герпесных вирусных инфекций. Несколько ранее те же ученые получили и внедрили в клиническую практику азидотимидин, применяемый как средство против СПИДа. В связи с тем, что действие ацикловира и азидотимидина направлено на генетический аппарат вирусов, неудивительно, что оба препарата относятся к пуринам и пиримидинам.
Успехи в борьбе с инфекционными заболеваниями отодвинули их, как основную причину смертности, на третье место. В то же время на два первых места вышли сердечно-сосудистые и раковые заболевания. Вместе с расстройствами нервной системы, распространенными также чрезвычайно широко, их часто называют болезнями ХХ века. Современная революция в психофармакологии началась еще в 50-е годы с производных одного из гетероциклов — фенотиазина. Классическим и, пожалуй, самым ярким их представителем является хлорпромазин (аминазин). Только в США применение хлорпромазина за короткое время позволило высвободить несколько миллионов больничных коек, занятых людьми с различными психическими расстройствами. В 60-е годы в клиническую практику была введена другая группа успокаивающих препаратов, также относящаяся к гетероциклам. Речь идет о производных 1,4-бензодиазепина. Наиболее известные из них — диазепам, нитразепам, феназепам и др. За короткое время по количеству потребляемых таблеток они стали одними из самых распространенных в мире лекарств.
Точно так же в ряду сердечно-сосудистых препаратов в последние годы на первых местах обосновались производные 1,4-дигидропиридина, например, фенигидин. Распространенным противораковым средством является 5-фторурацил.

Разумеется, рассказанное — лишь небольшая часть того, чем интересны гетероциклы. Следовало бы также упомянуть о выдающейся роли гетероциклов в дыхательном процессе и консервации энергии, фотосинтезе, производстве пестицидов, красителей, термостойких полимеров, аналитических реагентов и многих других практически важных материалов. В последние годы с гетероциклами тесно связана новая бурно прогрессирующая область науки — супрамолекулярная химия, исследующая закономерности самоорганизации молекул и их распознавания друг другом.

источник

ТЕМА 10. Биологически важные гетероциклические соединения

Гетероциклические соединения (гетероциклы) – соединения, включающие в цикл один или несколько атомов, отличных от углерода (гетероатомов). Гетероциклические системы лежат в основе структуры соединений различных классов биологически активных веществ, таких как ДНК, РНК, многих лекарственных препаратов, а также алкалоидов. Последние представляют собой азотсодержащие гетероциклы растительного происхождения, обладающие выраженным физиологическим действием. К ним относятся различные наркотические средства, никотин, кофеин, морфин, атропин и др.

Наибольшее значение для организма имеют ароматические азотсодержащие гетероциклы — сопряженные системы, содержащие атом (атомы) азота и удовлетворяющие критерию ароматичности. Ароматические гетероциклы можно подразделить на две группы.

1. p-Избыточные системы — молекулы с повышенной электронной плотностью внутри цикла. Это происходит, когда пара р-электронов атома азота вступает в сопряжение с p-электронами атомов углерода (р, p-сопряжение). В этом случае гетероатом является электронодонором, а повышение электронной плотности внутри цикла облегчает протекание реакций по механизму S_Е (в a-положение к гетероатому); соединения легко окисляются. Простейшим примером p-избыточной гетероциклической системы является пиррол:

Электронодонорный атом азота, называемый пиррольным, является NH-кислотным центром. Кислотные свойства выражены очень слабо; например, пиррол взаимодействует со щелочными металлами и их амидами. Восстанавливается пиррол с трудом в жестких условиях, образуя гетероцикл пирролидин, обладающим сильноосновными свойствами. Пиррольное ядро входит в состав порфина, порфирина (тетрапиррольные соединения), природной аминокислоты триптофана, в состав индола (бензопиррола):

2. p-Дефицитные системы — гетероциклы с пониженной электронной плотностью внутри цикла. В этом случае в сопряжении с p-электронами атомов углерода участвует только один p-элекгрон атома азота, а электронодефицитное состояние обусловлено большей по сравнению с атомом углерода электроотрицательностью атома азота. В этом случае гетероатом является акцептором протона за счет пары электронов, не участвующей в сопряжении, и проявляет основные свойства (пиридиновый атом азота). Электронодефицитное состояние ароматической системы приводит к затруднению реакции S_Е (в b-положении к гетероатому). Простейшим примером такой гетероциклической системы является пиридин:

Соединения, содержащие пиридиновый цикл, с трудом окисляются, но легче восстанавливаются (гидрируются). Например, в хинолине (бензопиридине), представляющем конденсированную ароматическую систему, окислению легче подвергается бензольное кольцо, а восстановлению — пиридиновое.

Однако гомологи пиридина легко окисляются даже в мягких условиях. Так, при окислении b-пиколина (2-метилпиридина) образуется никотиновая кислота (витамин РР):

Ядро пиридина и пиперидина входит в состав витаминов (РР, группы В), анестетиков и т.д.

Кроме того, пиридиновый атом азота проявляет нуклеофильные свойства, реагируя с галогеналканами, образуя алкилпиридиниевые ионы, которые в свою очередь с такими сильными нуклеофилами, как гидрид-ион, дают четвертичные алкилпиридиниевые соли. Реакция лежит в основе действия кофермента НАД + , содержащего замещенный катион пиридиния:

Наконец, сочетание в одной молекуле пиррольного и пиридинового атомов азота обусловливает амфотерные свойства, которые выражены слабо вследствие «слабости» NH-кислотного и N-основного центров. Таким образом, не происходит полного переноса протона, как в случае аминокислот, однако возможно образование межмолекулярных водородных связей, как в случае имидазола:

а также взаимодействие соединений с кислотами и щелочами (в отличие от пиррола). Ядро имидазола входит, в частности, в состав аминокислоты гистидина и продукта ее декарбоксилирования – биогенного амина гистамина.

Сочетание в молекуле двух пиридиновых атомов азота приводит к увеличению дефицита электронов внутри цикла и еще большему по сравнению пиридином понижению активности (инертности) соединений в реакциях S_Е а также уменьшению их основности по сравнению с пиридином. Так, шестичленный гетероцикл с двумя пиридиновыми атомами азота – пиримидин – в реакции с серной кислотой образует соли только по одному атому азота:

Для многих замещенных гетероциклов с двумя атомами азота, а также для некоторых гетерофункциональных соединений характерно явление таутомерии.

Таутомерия – это равновесная динамическая изомерия, сопровождающаяся миграцией (переносом) подвижной группы между двумя или несколькими реакционными центрами в молекуле. Если осуществляется перенос протона Н + , то таутомерия называется прототропная. Пример прототропной таутомерии – таутомерия гомологов имидазола (перенос протона между двумя атомами азота):

Таким образом, в основе явления таутомерии лежит кислотно-основное взаимодействие. К разновидностям прототропной таутомерии можно отнести лактим-лактамную (перенос протона между атомами азота и кислорода), енамин-иминную (перенос протона между атомами азота и углерода) и кето-енольную (перенос протона между атомами кислорода и углерода).

Первые два вида таутомерии удобно рассмотреть на примере гидрокси- и аминопроизводных пиримидина (соединений, входящих в состав нуклеиновых кислот), например цитозина (прямые стрелки указывают направление смещения таутомерного равновесия; изогнутые – направление миграции протона):

Кето-енольная таутомерия пировиноградной кислоты описывается равновесием:

В большинстве случаев кетонный таутомер оказывается гораздо более устойчивым. Присутствие енольного таутомера, однако, можно подтвердить образованием (при взаимодействии с фосфорной кислотой) фосфоенолпирувата – важнейшего метаболита в процессе гликолиза:

В некоторых случаях может происходить значительная стабилизация енольной формы либо за счет возникновения термодинамически выгодной сопряженной системы, либо за счет образования водородных связей. Так, молекула щавелевоуксусной кислоты преимущественно находится в форме енольного таутомера, поскольку в ней реализуется система сопряженных связей (включает шесть атомов) и образуется внутримолекулярная водородная связь (показана точками):

Производные пиримидина входят в состав ряда алкалоидов и сульфаниламидов.

Присутствие гидроксильных групп придает соответствующим производным пиримидина кислые свойства. Особенно сильные кислотные свойства проявляет 2,4,6- тригидроксипиримидин – барбитуровая кислота – более сильная, чем уксусная.

Барбитуровая кислота представляет собой циклический уреид малоновой кислоты. Она может быть получена при взаимодействии малонового эфира с мочевиной в присутствии этоксида натрия.

Для барбитуровой кислоты характерны лактим-лактамная и кето-енольная таутомерии.

Большую роль в качестве снотворных и противосудорожных средств играют 5,5- дизамещенные производные барбитуровой кислоты, так называемые барбитураты. Их получают аналогично барбитуровой кислоте, используя дизамещенные эфиры малоновой кислоты. Для барбитуратов возможна только лактим-лактамная таутомерия. Они легко образуют водорастворимые соли с одним эквивалентом щелочи

Примерами барбитуратов служат 5,5-диэтилбарбитуровая кислота, барбитал (веронал) R = R’ = C₂H₅, ее натриевая соль, барбитал-натрий, 5-этил-5-фенилбарбитуровая кислота, фенобарбитал (люминал) R=C₂H₅, R’ = C₆H₅.

Тиамин (витамин В₁) – один из важнейших витаминов – содержит два гетероциклических кольца – пиримидиновое и тиазольное, связанные метиленовой группой.

Из бициклических гетероциклов наиболее распространены в природе соединения пуринового и перидинового рядов.

Пурин — бициклическое гетероциклическое соединение, обработанное конденсированными ядрами пиримидина и имидазола

Пуриновая система ароматична. Она включает 8 p-электронов двойных связей и неподеленную пару электронов атома азота в положении 9, что соответствует правилу Хюккеля (4п + 2, где п = 2). Пурин (т. пл. 216 °С) устойчив к действию окислителей, хорошо растворим в воде, амфотерен, образует соли не только с сильными кислотами, но (благодаря наличию NH-группы) и со щелочными металлами. Наиболее важны гидрокси- и аминопурины, принимающие активное участие в процессах жизнедеятельности.

6- Гидроксипурин (гипоксантин), 2,6- дигидроксипурин (ксантин) и 2,6,8- тригидроксипурин (мочевая кислота) – образуются в организме при метаболизме нуклеиновых кислот. У гидроксипуринов возможна как лактим-лактамная таутомерия, так и миграция атома водорода между атомами азота в положениях 7 и 9 имидазольного кольца, по аналогии с имида-золом.

Мочевая кислота – конечный продукт метаболизма пуриновых соединений в организме. Она выделяется с мочой в количестве 0,5-1 г в сутки. Мочевая кислота двухосновна, плохо растворима в воде, но легко растворяется в щелочах, образуя соли с одним или двумя эквивалентами щелочи.

Соли мочевой кислоты называют уратами. При некоторых нарушениях в организме они откладываются в суставах (подагра), а также в виде почечных камней. В результате нагревания мочевой кислоты с азотной кислотой с последующим добавлением аммиака к охлажденной реакционной смеси появляется интенсивное фиолетовое окрашивание. Оно используется для качественного обнаружения соединений, содержащих пуриновое ядро (мурексидная реакция).

По химическому поведению ксантин и гипоксантин в значительной степени аналогичны мочевой кислоте. Они амфотерны и образуют соли с кислотами и щелочами. N-метилзамещенные производные ксантина относятся к алкалоидам.

Аминопурины. Наиболее важные 6-аминопурин, или аденин и 1-амино-6-гидроксипурин, или гуанин, являющиеся обязательными компонентами нуклеиновых кислот. Аденин входит в состав некоторых коферментов. Для аденина возможна прототропная таутомерия за счет миграции атома водорода между N-7 и N-9.

В водных растворах HN-7-таутомер преобладает в 2,5 раза, возможно вследствие внутримолекулярной водородной связи между атомом водорода NH-группы и атомом азота аминогруппы и С-6. Для гуанина возможна также лактим-лактамная таутомерия.

При действии азотистой кислоты на аденин и гуанин происходит их дезаминирование с образованием гипоксантина и ксантина соответственно

Птеридиновая система ароматична, устойчива к действию окислителей, проявляет основные свойства. В природе довольно широко распространены гидрокси- и аминоптеридины. В частности, остаток 2-амино-6-метил-4-оксо-птеридина входит в состав фолиевой кислоты, а фрагмент 2,4- диоксоптеридина присутствует в важнейшем витамине рибофлавине – факторе роста живых организмов (витамин В₂).

Алкалоидами называют гетероциклические азотсодержащие основания растительного происхождения, обладающие выраженным физиологическим действием. Как правило, алкалоиды представляют собой третичные амины и содержатся в растениях в виде солей органических кислот – лимонной, яблочной, щавелевой, янтарной и др. Их выделение, очистка и установление строения – весьма трудоемкая задача, которая включает использование методов современной органической химии (хроматография, ИК-, УФ- и ЯМР-спектроскопия, масс- спектрометрия, рентгеноструктурный анализ). Алкалоиды – обычно бесцветные кристаллические вещества горького вкуса, практически не растворимые в воде, но растворимые в органических растворителях – эфире, хлороформе, бензоле. Их соли, напротив, хорошо растворимы в воде и не растворимы в органических растворителях. К настоящему времени известно более 5000 алкалоидов. Большинство из них оптически активны. В основе структуры алкалоидов лежит какой-либо гетероцикл. Это обстоятельство учитывается при химической классификации алкалоидов. Ранее применялась также классификация алкалоидов по ботаническому признаку, т. е. по группам растений, из которых они и выделены (алкалоиды пасленовых, алкалоиды опия и т. д.).

Антибиотиками называют вещества, синтезируемые микроорганизмами и способные препятствовать развитию других микроорганизмов.

По химической структуре антибиотики относятся к различным классам органических соединений. Синтез антибиотиков труден, поэтому в промышленных масштабах их получают микробиологическим или полусинтетическим путем.

В основе структуры пенициллинов лежит пенициллановая кислота, содержащая два конденсированных гетероциклических кольца

Природные и полусинтетические пенициллины представляют собой N-ацилированные различными ацильными радикалами производные 6-аминопенициллановой кислоты. Природа радикала в ацильной группе учитывается в названии пенициллина. Например, соединение с R = С₆Н₅СН₂– называют бензилпенициллином, а с R = C₆H₅OCH₃ – феноксиметилпенициллином.

6-Аминопенициллановая кислота может рассматриваться как дипептид. Основная особенность строения пенициллинов, долгое время препятствовавшая установлению их структуры, заключается в наличии четырехчленного b-лактамного кольца, не встречавшегося ранее в природных соединениях. b-Лактамное кольцо чрезвычайно лабильно. В мягких условиях оно гидролизуется с разрывом связи С7 – N4, что приводит к потере биологической активности.

Природные пенициллины обладают довольно избирательнымспектром, полусинтетические – гораздо более широким спектром антимикробного действия.

Цефалоспориновые антибиотики близки по строению к пенициллинам а также содержат b-лактамное кольцо. В основе их структуры лежит цефалоспорановая кислота, содержащая два конденсированных гетероциклических кольца – шестичленное частично гидрированное 1,3-тиазиновое (А) и четырехчленное b-лактамное (В).

Антибиотики цефалоспориновой группы являются производными 7- аминоцефалоспорановой кислоты. Они обладают широким спектром действия и тормозят рост некоторых штаммов бактерий, устойчивых к пенициллину.

Стрептомицин относится к аминогликозидам, грамицидин и инсулин – к пептидам, а левомицетин (хлоромицетин) – к производным аминодиола. Этот антибиотик имеет относительно простое строение и является пока единственным, производимым полностью синтетическим путем.

Тетрациклины представляют собой производные частично гидрированного нафтацена – соединения, состоящего из четырех линейно конденсированных шестичленных коциклов. Тетрациклины обладают широким спектром антимикробного действия и могут быть использованы даже при вирусных заболеваниях.

Контрольные задания

1. Воспалительные процессы при подагре вызываются осаждением в суставах мононатриевой соли мочевой кислоты. В какой таутомерной форме мочевая кислота участвует в образовании натриевой соли?

2. Спазмолитическое средство дибазол является гидрохлоридом 2-бензимидазола. Какой из двух атомов азота имидазольного ядра участвует в реакции образования этой соли.

3. В каком сочетании нет соответствия между названием гетероцикла и его формулой:

а) цитозин; б) гуанин; в) аденин; г) фуран; д) пиридин.

4. Приведите структурную формулу пиррола. Является ли это соединение ароматическим?

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: При сдаче лабораторной работы, студент делает вид, что все знает; преподаватель делает вид, что верит ему. 9553 — | 7356 — или читать все.

85.95.179.73 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

источник