Травень В.Ф. - Органическая химия. В 3 т. Т. 3

Это многообразие предъявляет соответствующие требования к модели «сладкого» рецептора. В ходе изучения механизмов вкуса был предложен ряд моделей. Одна из них основана на том, что все вещества сладкого вкуса содержат донорную и акцепторную группы, способные к образованию водородных связей. Эти группы обозначают АН и В соответственно. Они располагаются на расстоянии от 2,5 до 4,0 Å одна от другой. Предполагается, что и рецептор должен содержать группы с аналогичными свойствами.

Эта простая модель, предложенная в 1967 г., впоследствии неоднократно уточнялась. Было введено требование о пространственном барьере, поскольку многие D-аминокислоты имеют сладкий вкус, а соответствующие L-аминокислоты его не имеют.

Наиболее полной моделью рецептора сладкого вкуса в настоящее время является восьмиточечная модель, предложенная И. Тинти и К. Нофре (1991 г.). Она предполагает наличие восьми взаимодействий типа водородных связей и ван-дер-ваальсовых сил между сладкой молекулой и рецептором.

Указанные взаимодействия способствуют образованию короткоживущего комплекса, который и обеспечивает генерацию сигнала, поступающего затем через нервную систему в мозг. Конечно, не каждое сладкое соединение обеспечивает все требуемые восемь взаимодействий с рецептором сладкого вкуса. Чем больше наблюдается таких взаимодействий, тем большая интенсивность сладкого вкуса достигается.

Основываясь на восьмиточечной модели, химики смогли синтезировать сакроновую кислоту, которая по интенсивности сладкого вкуса в 200 000 раз превышает сахарозу. Следует подчеркнуть, что поиск новых сладких веществ актуален не только для изучения зависимости между строением органических соединений и их свойствами. Заменители сахара в ряде случаев необходимы тем людям, кто по медицинским показаниям не может пользоваться обычным сахаром. Речь идет прежде всего о больных диабетом. Кроме того, расщепление природного сахара в организме человека сопровождается выделением значительного количества калорий, а эти калории при нарушении обмена веществ способствуют накоплению жировых отложений (см. подробнее об этом в гл. 26, разд. «Дополнения»).

В противоположность углеводам, заменители сахара не обладают способностью расщепляться в физиологических условиях с выделением энергии. Кроме того, при использовании заменителей сахара также возникают свои проблемы. Например, сахарин, длительное время рекомендовавшийся для замены сахара в пище, как в настоящее время установлено, способен вызывать онкологические заболевания. Аспартам, который примерно в 100 раз слаще сахара, безвреден, и его часто рекомендуют в ка-

честве заменителя сахара. Однако он неустойчив в водных растворах и при нагревании. Этих недостатков лишен алитам, чей сладкий вкус в 2000 раз интенсивнее вкуса сахарозы.

H

N-[N-циклонониламино(4-цианофенилимино)метил]-2- аминоуксусная кислота (сакрононовая кислота)

O H OH

гернандулцин

Вследствие токсичности ряда синтетических заменителей сахара значительное внимание уделяется поиску новых сладких соединений природного (а точнее, растительного) происхождения. Некоторые из таких соединений уже приобрели и коммерческое применение. Среди новых заменителей сахара растительного происхождения обращает на себя внимание гернандулцин.

Это соединение имеет, по крайней мере, три точки, потенциально способные контактировать с рецептором сладких молекул: оксогруппа, гидроксигруппа и двойная связь боковой цепи. Оно примерно в 1000 раз слаще сахара. Его несомненным преимуществом является значительно более простое строение по сравнению с другими синтетическими «сахарами».

Открытие и изучение гернандулцина дают основание надеяться, что в природе существуют и другие сравнительно простые структуры, имеющие сладкий вкус.

Глава 25. ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ

СОЕДИНЕНИЯ

Соединения, которые наряду с атомами углерода содержат в цикле один или несколько гетероатомов, называют гетероциклическими соединениями. Хотя гетероциклические соединения чрезвычайно разнообразны, в этой главе рассмотрены лишь наиболее распространенные гетероароматические соединения, содержащие в ароматическом цикле гетероатомы.

25.1.КЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА

Гетероциклические соединения классифицируют по размеру цикла, характеру гетероатомов, по наличию ароматичности, а также по числу гетероатомов и конденсированных циклов в молекуле.

По размеру цикла

При нумерации атомов цикла гетероатом получает первый номер. Гетероциклические соединения с бoльшим размером цикла в этом курсе

не рассматриваются.

По характеру гетероатома

Азотсодержащие гетероциклические соединения имеют атом азота в цикле.

Кислородсодержащие гетероциклические соединения имеют атом кислорода в цикле.

И так далее.

По наличию ароматичности

Неароматические гетероциклические соединения не имеют циклической сопряженной системы (4n + 2) π-электронов.

Для этих соединений характерны свойства, типичные для ациклических соединений соответствующих классов. Например, тетрагидрофуран и 1,4-диоксан обладают свойствами простых эфиров, а пирролидин и пиперидин — свойствами вторичных аминов. По этой причине свойства неароматических гетероциклических соединений в этой главе не рассматриваются.

25.2.1.Способы получения

Пиррол является доступным гетероароматическим соединением. Его получают, в частности, при фракционной перегонке каменноугольной смолы.

Тиофен в промышленных масштабах получают взаимодействием смеси бутана, бутенов и 1,3-бутадиена с серой при высокой температуре:

тиофен

Фуран и его производные в значительных количествах доступны при переработке растительного сырья. Кислотным гидролизом стеблей кукурузы, соломы и других растительных отходов получают фурфурол.

OCHO

фурфурол

Среди способов получения пятичленных гетероароматических соединений, применяемых в лабораторной практике, можно отметить следующие.

Синтез Пааля–Кнорра

Нагреванием 1,4-дикарбонильного соединения с аммиаком или амином получают замещенные пирролы (реакция Пааля–Кнорра, 1885 г.):

2,5-диметилпиррол

Реакцию проводят в запаянных трубках без растворителя. При нагревании 1,4-дикарбонильного соединения с дегидратирующим агентом (P2O5) или неорганическим сульфидом (P2S5) получают соответственно замещенные фураны или тиофены.

25.2.2.Физические свойства и строение

Свежеперегнанный пиррол — бесцветная жидкость (т. кип. 130 °С) с характерным запахом; на воздухе и на свету быстро окрашивается в красно-ко- ричневый цвет, со временем — осмоляется. Фуран представляет собой бесцветную жидкость (т. кип. 31 °С); имеет слабый запах хлороформа; в воде не растворяется, но смешивается со всеми органическими растворителями. Тиофен — бесцветная жидкость (т. кип. 84,1 °С); обладает слабым запахом; не растворяется в воде, смешивается с органическими растворителями.

Молекулы всех пятичленных гетероароматических соединений имеют плоское строение. Ароматический секстет π-электронов в этих молекулах образуется за счет π-электронов атомов углерода и неподеленных электронов гетероатомов, находящихся на негибридизованных рz-орбиталях. Для примера ниже показаны атомно-орбитальные модели пиррола и фурана.

Каждый из атомов углерода и гетероатомов в этих соединениях находится в состоянии sp2-гибридизации и имеет по одной негибридизованной 2pz-ор- битали, ориентированной перпендикулярно плоскости цикла. Эти орбитали эффективно перекрываются и формируют ароматические секстеты π-электронов в молекулах (об ароматичности гетероаренов см. т. II, разд. 8.5).

Теория резонанса подтверждает ароматический характер фурана, пиррола и тиофена. Набор из следующих пяти резонансных структур описывает, например, делокализацию π-электронов в основном состоянии пиррола.

Ароматическое состояние π-электронов в обсуждаемых соединениях подтверждается и расчетами в рамках теории МО. Для примера результаты расчета молекулярно-орбитальной структуры фурана по методу МОХ показаны на рис 25.1. Шесть π-электронов в молекуле фурана находятся на трех связывающих молекулярных π-орбиталях, имеющих значения собственных энергий ниже уровня энергии α.

Из расчета следует, что энергия ВЗМО фурана (равная α + 0,62β) заметно выше, чем энергия ВЗМО бензола (α + β). То же справедливо для пир-