Шестичленные и конденсированные гетероциклические соединения. Алкалоиды.
В природе широко распространены гетероциклические соединения с шестичленными кислородсодержащими гетероциклами. К ним относятся различные красящие вещества растений, встречающиеся в корнях, стеблях, цветах и т.п. По строению они близки к циклическим пиранозным формам сахаров, и по-видимому образуются в растениях из углеводов.
Среди шестичленных гетероциклических соединений наиболее важное значение имеют пиридин и его производные.
Названия производных пиридина включает слово «пиридин» в качестве ключевого слова, название заместителя и его положение.
Пиридин- важнейший представитель шестичленных гетероциклов. Его можно рассматривать как производное бензола, в котором вместо группы =СН- включен азот.
Пиридин- бесцветная жидкость, обладает сильным, неприятным запахом. Смешивается со спиртом, водой, диэтиловым эфиров в любых соотношениях. При хранении не разлагается.
Пиридин- ароматическое соединение, имеющее как бензол, замкнутую π─электронную систему из шести электронов. Однако эта система, в отличие от бензольной, характеризуется неравномерным распределение π-электронной плотности в кольце. Это происходит из-за оттягивающего действия атома азата. Снижение электронной плотности наблюдается в α─ и γ─положениях и повышение – в β-положении. Поэтому пиридин вступает в реакции замещения значительно труднее, чем бензол.
Основным источником получения пиридина и его гомологов служит каменноугольная смола, уголь.
Наиболее известный препаративный метод синтеза производных пиридина предложен А.Ганчем. По этому методу замещенные пиридины получают циклоконденсацией эфиров β─кетокислот с альдегидами и аммиаком с последующим окислением полученных дигидропиридинов:
Существуют и более простые синтезы пиридина на основе непредельных и карбонильных соединений:
Синтез Реппе- проводит в присутствии сложного никелевого или кобальтового катализатора:
Эта реакция носит название- реакция Чичибабина (1937г)
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.
Поскольку неподеленная электронная пара не входит в ароматический секстет, пиридин обнаруживает и основные и кислотные химические свойств:
Вследствие пониженной π-электронной плотности в цикле пиридин подвергается реакциям замещения лишь в жестких условиях. При этом пиридиновый цикл в присутствии сильных минеральных кислот протонируется ( присоединяет ион водорода):
При действии соляной кислоты на пиридин получают солянокислую соль пиридина:
Проявляя основные свойства, пиридин и его гомологи известны под названием пиридиновых оснований.
Восстановление пиридинового кольца протекает свободно не только как гидрирование в присутствии платинового катализатора, но и при действии натрия в абсолютном спирте:
Пиперидин-бесцветная жидкость с более сильными основными свойствами, чем у пиридина.
Пиридиновый цикл способен раскрываться и превращаться в предельный углеводород (н-пентан) при нагревании с йодоводородной кислотой:
Пиридин имеет несколько метильных производных: монометилпиридины (пиколины), диметилпиридины (лутидины), триметилпиридины (коллидины).
Рассмотрим пиримидиновые кислоты, которые существуют в трех изомерных состояниях. Они обладают амфотерными свойствами и подобно кислотам, образуют соли, эфиры, амиды, галогенангидриды и т.д.
Важны производные пиридина- алкалоиды табака , чая, кофе - никотин, его изомер анабазин и никотирин.
При рассмотрении этой группы веществ необходимо отметить, что именно никотин определяет физиологическую необходимость курения. На долю никотина приходится 95-97% содержащихся в табаке алкалоидов.
В чистом виде никотин выделили из табака еще в 1828г. В свободном виде никотин представляет собой маслообразную жидкость, хорошо растворимую в большинстве органических растворителей. Природный никотин обладает левым вращением. Водные растворы никотина характеризуются резко щелочной реакцией, поскольку данный алкалоид является достаточно сильным основанием.
Свежеперегнанный никотин при хранении на воздухе очень быстро подвергается окислению, цвет его становится желтым, а через некоторое время темным.
Под действием сильных окислителей в никотине расщепляется пирролидиновое кольцо и образуется никотиновая кислота (витамин РР)
С помощью современных методов анализа в табачном сырье удалось обнаружить более 30 алкалоидов:
Витамины группы В6 также являются производными пиридина ( эти вещества будете изучать в курсе биохимии растений и животных).
ШЕСТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛЫ С ДВУМЯ ГЕТЕРОАТОМАМИ.
Гетероциклические соединения, содержащие в цикле два атома азота, называют диазинами, азот и кислород- оксазинами, азот и серу- тиазинами.
Из диазинов особенно важны пиримидин и его производные. Пиримидиновое кольцо входит в состав многих биологически важных веществ (нуклеиновых кислот, некоторых витаминов, лекарственных веществ и т.д.). Кислородные производные пиримидина- урацил, тимин и цитозин- известны под общим названием пиримидиновых оснований:
Эти соединения входят в состав нуклеиновых кислот (РНК и ДНК) и образуются при их гидролизе.
Простейший способ синтетического получения урацила заключается в конденсации мочевины с яблочной кислотой:
Тимин очень легко образуется при восстановлении метилцианоацетилмочевины водородом в присутствии платины:
Цитозин может быть получен при конденсации натриевой соли формилуксусного эфира с этил-изо-тиомочевиной:
К пиримидиновым производным принадлежит лучшие из сульфамидных препаратов. Витамин В1, или тиамин( аневрин), тоже содержит пиримидиновый цикл. Недостаток витаминов группы В приводит к заболеванию нервной системы.
Рассмотрим их строение.
Сложная гетероциклическая система, состоящая из двух конденсированных гетероциклов- пиримидина (1) и имидазола (2), называется ядром пурина.
Производные пурина имеют исключительное биологическое значение прежде всего потому, что некоторые его окси- и аминопроизводные входят наряду с пиримидиновыми основаниями в структуру нуклеиновых кислот и имеют, таким образом, отношение к программированию синтеза белков в организме и к явлениям наследственности.
Пуриновые основания- производные пурина, которые входят в состав нуклеиновых кислот:
Сюда же относится ряд других жизненноважных веществ, таких как аденозонтрифосфат (АТФ)- переносчик энергии в биохимических реакциях. Алкалоиды- кофеин и теобромин- также производные пурина.
В чайном растении образуются и накапливаются производные пурина: кофеин и сопровождающие его теобромин и теофиллин. Эти вещества находятся и в кофе, а теобромин содержится еще и в какао :
Кофеин широко применяется в медицине как стимулятор центральной нервной системы, вызывает повышение жизнедеятельности всех тканей организма, усиливает общий обмен, дыхание и кровообращение, возбуждение корковых процессов, обладает также диуретическим действием.
Субъективно общий эффект от физиологического действия кофеина на организм человека часто описывают как «подъем», чувство бессонницы и способность сосредоточиться на утомительных работах. Такой эффект длиться примерно 30 минут.
Кофеин в организме не накапливается, он разрушается и выводится. Для характеристики этого процесса учитывается время, которое потребуется для разрушения половины кофеина, попавшего в организм. Обычно оно колеблется от нескольких часов до нескольких суток и зависит от многих факторов.
Многочисленные медико-биологические исследования свидетельствуют о том, что его умеренное потребление не оказывает отрицательного действия на сердечно-сосудистую систему и не способствует возникновению онкологических заболеваний. Однако чрезмерное потребление ( более 600мг кофеина в день, что соответствует 6 чашкам чая) может привести к своеобразному наркологическому заболеванию- «кофенизму» (беспокойство, сердцебиение, бессонница, головная боль и т.п.) . Смертельная доза кофеина для человека около 10г, но отравиться обычным путем невозможно, так как для этого необходимо выпить около 200чашек чая за один раз.
Получают кофеин как из природного сырья (отходы чайного производства- чайная пыль, формовочный материал и т.п.), так и полным или частичным синтезом.
Полный синтез кофеина осуществляют по методу Траубе из мочевины и циануксусной кислоты с промежуточным образованием ксантина, который подвергают метилированию, в результате чего получают кофеин:
Синтез кофеина можно осуществить на основе мочевой кислоты:
При экспертизе чая и кофе и кофейных напитков исследуют количество кофеина. В низкосортном кофе содержание кофеина больше, чем в высокосортном. «Кофейный» кофеин оказывает на организм более жесткое воздействие, чем «чайный», поскольку находится в свободном состоянии.
Мочевая кислота.
Это одно из наиболее важных производных пурина. Это кристаллическое вещество, плохо растворимое в воде. Обладает слабовыраженными свойствами двухосновной кислоты- два атома водорода способны замещаться металлом: при этом образуются соли- ураты.
Мочевая кислота выделяется в небольших количествах с мочой человека как продукт белкового обмена. При некоторых заболеваниях (например: подагре) количество ее в моче увеличивается. В больших количествах содержится в экскрементах птиц и пресмыкающихся.
Понятие о строении мочевой кислоты дает ее окисление. Перманганат калия окисляет мочевую кислоту в алантоин, разрушая пиримидиновый цикл; а при окислении азотной кислотой, наоборот, сохраняется пиримидиновый цикл, а разрушается имидазольный и образуется аллоксан:
Синтез аланина и гуанина.
При действии на мочевую кислоту пятихлористым фосфором, образуется 2,6,8-трихлорпурин из которого при действием аммиака можно получить два очень важных производных пурина- гипоксантин и аденин:
Если же на 2,6,8-трихлорпурин подействовать алкоголятом или аммиаком в жестких условиях, то после обработки иодоводородной кислотой образуются еще два важных производных пурина- ксантин и гуанин:
Гуанин и аденин наряду с пиримидиновыми основаниями принимают участие в построении нуклеиновых кислот.
Гуанин находится в рыбьей чешуе, от чего зависит ее блеск. Извлеченный из чешуи растворителем, он применяется для получения искусственного жемчуга (выкристаллизовавается на внутренней стороне бус)
АЛКАЛОИДАМИ называют особую группу азотистых органических соединений основного характера, имеющих сложный состав. Они содержатся в растительных организмах и часто обладают сильным физиологическим и фармокологическим действием.
Большинство алкалоидов обладает оптической активностью. Многие из них получили названия, производимые от названий растений, в которых они содержатся.
Алкалоиды хорошо кристаллизуются. Немногие алкалоиды являются жидкостями (например, конин, никотин). Жидкие алкалоиды обычно не содержат кислорода. Окрашенные алкалоиды редки.
Почти все алкалоиды образуют кристаллические соли. Эти соли часто используют для выделения алкалоидов и их очистки.
Алкалоиды содержатся далеко не во всех растениях. Число алкалоидоносных видов невелико.
Распределение алкалоидов между ботаническими семействами неравномерно. Существует несколько семейств, особенно богатых алкалоидами, однако в ряде других семейств не известно ни одного представителя. В большинстве случаев в растениях находится смесь нескольких алкалоидов- до 15-20 (мак, хинное дерево).
Из большого числа выделенных из растений алкалоидов только незначительная часть расшифрована до конца.
Большинство изученных алкалоидов имеет в своей основе более или менее сложнопостроенные гетероциклические соединения, но они могут быть классифицированы по природе гетероциклов:
Алкалоиды группы пиридина (конин, никотин, анабазин)
Алкалоиды группы хинолина (хинин, цинхинин, стрихнин)
Алкалоиды группы изохинолина (папаверин, наркотин, курарин)
Алкалоиды фенантрено-изохинолина (морфин, кодеин, тебаин)
Алкалоиды группы конденсированных пирролидин-пиперидиновых циклов, группы тропина (атропин, кокаин)
Алкалоиды группы пурина (кофеин, теобромин).