А Е Щеголев Органическая химия 2016 / 12 Гетероциклические соединения

Рибонуклеиновые кислоты, подобно ДНК, являются необходимыми компонентами живых клеток. Разные типы РНК имеют различные биологические функции.

В клетке встречаются в основном три типа РНК: рибосомальные, транспортные и информационные. Рибосомальные РНК имеют молекулярную массу 104 106. Транспортные РНК способны связываться с аминокислотами, причѐм каждый вид только с определѐнной аминокислотой; их молекулярная масса 3 104. Информационные РНК, участвуя в передаче генетической информации, определяют аминокислотную последовательность синтезируемого белка. Все вместе они образуют белоксинтезирующий аппарат клетки.

Генетическая информация — это набор данных, определяющих структурные и функциональные свойства клеток. Носителями генетической информации служат ДНК (в отдельных случаях РНК); генетическая информация (генетический код) об аминокислотной последовательности белка зашифрована в нуклеотидной последовательности нуклеиновых кислот.

Каждая аминокислота синтезируемого белка кодируется последовательностью трѐх нуклеотидов (триплетом, кодоном), однако большинство аминокислот кодируется более чем одним триплетом, часто — двумя различными триплетами, в некоторых случаях даже четырьмя. В процессе митоза генетическая информация передаѐтся при расплетении двух цепей спирали ДНК. Затем происходит репликация (дубликация, копирование) за счѐт того, что на каждой старой цепи синтезируется новая дочерняя цепь, при этом происходит строго специфическое связывание пар нуклеиновых оснований А–Т и Г–Ц водородными связями, благодаря чему получается точная копия молекул ДНК.

12.6. АЛКАЛОИДЫ

Алкалоиды — азотосодержащие органические основания природного (преимущественно растительного) происхождения. Обычно алкалоидам присваивают тривиальные названия, используя видовые или родовые названия растений–алкалоидоносов с прибавлением суффикса -ин, например, атропин (выделен из растения Atropa belladonna), стрихнин (выделен из

Strychnos nux Vomica).

Большинство алкалоидов — гетероциклические соединения. В растениях они существуют обычно в виде солей органических кислот — лимонной, яблочной, щавелевой, янтарной и др.

В настоящее время выделено несколько тысяч алкалоидов. Содержание их в растениях невелико (0.001 2%), однако известны уникальные

670

растения, в которых оно достигает 10 18% (например, хинное дерево, листья табака). Часто алкалоиды локализуются лишь в определѐнных органах растения, например, в листьях, семенах, клубнях, корнях, коре. Некоторые алкалоиды — сильные яды (например, стрихнин). Многие алкалоиды обладают специфическим, зачастую уникальным физиологическим действием и используются в медицине (например, атропин, кофеин, кодеин, папаверин, эфедрин). Это обычно бесцветные кристаллические вещества горького вкуса, практически не растворимые в воде, но растворимые в органических растворителях. Их соли, напротив, хорошо растворимы в воде и не растворимы в органических растворителях.

Алкалоиды экстрагируют (обычно с помощью хлороформа или 1,2- дихлорэтана) из предварительно обработанного щелочными агентами (водным раствором аммиака, карбоната натрия и др.) растительного сырья либо непосредственно из этого сырья водным раствором кислоты или спиртом (обычно этанолом).

Химическая классификация алкалоидов основана на строении угле- родно-азотного скелета молекулы (например, изохинолиновые алкалоиды, пуриновые алкалоиды и др.). Рассмотрим некоторые представители разных групп алкалоидов.

Пирролидиновые и пиридиновые алкалоиды

1) Гигрин — алкалоид, выделенный из растения Erythroxylon coca.

O

N CH2-C-CH3

CH3

Был открыт в 1862 году Вѐлером и Лоссеном.

Гигрин — бесцветная маслянистая жидкость; температура кипения 92–94 С / 20 мм рт.ст. Оказывает общее стимулирующее действие.

2) Никотин содержится в листьях табака (до 8%).

Его получают из отходов табачной промышленности. Впервые в чистом виде получен в 1828 году, синтез проведѐн в 1904 году Пикте.

Никотин — бесцветная маслянистая жидкость, растворимая в воде; температура кипения 246 С. Токсичный алкалоид. Летальная доза для че-

671

ловека 40 мг. Воздействует на центральную и вегетативную нервные системы, сужает кровеносные сосуды. При окислении триоксидом хрома CrO3 образуется никотиновая кислота (гл. 12.4.1, 12.4.8).

3) Кониин — чрезвычайно токсичный алкалоид.

N CH2CH2CH3

H

Синтез кониина, осуществлѐнный Ладенбургом в 1886 году, был первым синтезом алкалоида:

Кониин — маслянистая жидкость, мало растворимая в воде; температура кипения 166 С. Это очень токсичное вещество, парализует окончания двигательных и чувствительных нервов, участвующих в иннервации кожи; при больших дозах смерть наступает вследствие прекращения дыхания.

4) Анабазин обнаружен в ежовнике безлистном, в небольших количествах содержится также в табачных листьях.

N

H

N

Анабазин — бесцветная маслянистая жидкость; температура кипения 276 С. Это чрезвычайно токсичный алкалоид. Его используют в качестве сильнодействующего инсектицида.

5) Лобелин обнаружен в растениях Lobelia inflata.

672

Обладает свойством возбуждать дыхательные центры и применяется в медицине для облегчения и усиления дыхания.

Тропановые алкалоиды

Тропан — бициклическое азотосодержащее соединение:

N CH3

Однако сам тропан алкалоидом не является.

6) Атропин содержится в растениях семейства паслѐновых — беладонне, дурмане, белене.

O

CH C-O

CH2OH

N CH3

Атропин — бесцветное кристаллическое вещество; температура плавления 116 С. Действует на парасимпатическую нервную систему, вызывает расширение зрачка. Применяется в офтальмологии. Кроме того, служит противоядием при отравлении мухомором. Особенностью атропина является его способность уже в малых дозах подавлять деятельность желѐз; так, он сокращает или совсем приостанавливает выделение слюны, пота, мочи, и это его свойство используют в медицине.

7) Кокаин — основной алкалоид растения Erythroxylon coca. В южноамериканских листьях его содержится до 1.3%.

O

C-O

O

Кокаин — бесцветное кристаллическое вещество; температура плавления 98 С. Стимулирует и возбуждает нервную систему, вызывает эйфорию, а затем торможение нервной системы. Вызывает сильную местную анестезию. Это одно из первых местноанестезирующих и наркотических средств. При частом применении может развиться болезненное пристрастие к нему. Большие дозы кокаина вызывают смерть вследствие паралича дыхательного центра.

673

Синтезирован в 1923 году Вильштеттером.

Алкалоиды индола и имидазола

8) Резерпин выделен из корней растений рода раувольфия.

Его строение установил и провѐл полный синтез Р. Вудворд в 1956 году. Резерпин — бесцветное кристаллическое вещество, нерастворимое в

воде; температура плавления 285 С. Применяется в медицине как гипотензивное средство (понижающее артериальное давление).

9) Стрихнин — одно из наиболее ядовитых веществ; его выделяют из семян многих видов чилибухи (Strychnos), особенно много — в рвотном орехе (Nux vomica).

N

N

O

O

Вмалых дозах применяется как тонизирующее средство.

10)Лизергиновая кислота входит в состав алкалоидов спорыньи.

HOOC N CH3

N

H

Полный синтез провѐл Р. Вудворд в 1954 году.

Лизергиновая кислота — бесцветное кристаллическое вещество, нерастворимое в воде; температура плавления 238 С.

674

Амид лизергиновой кислоты — эргин — проявляет высокую физиологическую активность: сужает кровеносные сосуды, действует на гладкую мускулатуру матки, облегчает роды.

Диэтиламид лизергиновой кислоты — препарат ЛСД-25 — является сильным галлюциногенным средством.

11) Пилокарпин содержится в листьях растения Pilocarpus pennatifo-

lius.

O O N

Физиологически очень активен, повышает деятельность желѐз, увеличивает отделение пота и слюны и усиливает перистальтику кишечника. Являясь антагонистом атропина, он при введении в глаз вызывает сужение зрачка. Используется при лечении глазных заболеваний и, кроме того, в качестве потогонного средства.

Хининовые алкалоиды

12) Хинин — алкалоид коры хинных деревьев, принадлежащих к семействам Cinchona и Remijia.

Полный синтез проведѐн Р. Вудвордом и В. Дѐрингом в 1944 году.

Хинин — бесцветный порошок, малорастворимый в воде; температура плавления 177 С. Является одним из первых противомалярийных средств.

13) Цинхонин — так же, как и хинин, это алкалоид коры хинных деревьев, принадлежащих к семействам Cinchona и Remijia.

675

Цинхонин — бесцветный порошок, трудно растворимый в воде; температура плавления 205 С. Наряду с хинином применялся в качестве «противолихорадочного» средства в составе хинной коры.

Изохинолиновые алкалоиды

14) Папаверин — алкалоид опия.

Папаверин — бесцветное кристаллическое вещество, практически нерастворим в воде; температура плавления 147 С. Применяется в качестве спазмолитического и сосудорасширяющего средства.

15) Морфин — так же, как и папаверин, является алкалоидом опия.

HO

O

N CH3

HO

Полный синтез был осуществлѐн в 1951 1956 гг.

Морфин — бесцветное кристаллическое вещество, растворимое в кислотах и щелочах; температура плавления 254 С. Является сильным обезболивающим средством, наркотик, вызывает эйфорию. Регулярное применение вызывает привыкание. Ослабляет и парализует действие центральной нервной системы.

16) Кодеин также является алкалоидом опия.

H3CO

O

N CH3

HO

676

Растворим в кислотах, но нерастворим в щелочах. В виде солей его используют в медицине в качестве болеутоляющего и противокашлевого средства.

Пуриновые алкалоиды

17) Кофеин содержится в зѐрнах кофе, листьях чая.

O CH3

H3C N N

ON N

CH3

Кофеин — бесцветное кристаллическое вещество, растворимое в воде; температура плавления 235 С. Это эффективное средство, возбуждающее центральную нервную систему и стимулирующее работу сердца.

18) Теофиллин — алкалоид чая.

ON N

CH3

Обладает сильными мочегонными свойствами (является диуретиком). 19) Теобромин — алкалоид какао.

O CH3

HN N

ON N

CH3

Так же, как и теофиллин, обладает мочегонным действием.

677

ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ

1.Почему при действии кислот на пиррол протонирование осуществляется по -углеродному атому, а по атому азота?

2.Какое соединение образуется в результате взаимодействия пиррола с гидридом натрия и затем с йодметаном?

3.Приведите механизм декарбоксилирования пирролкарбоновых кислот при нагревании.

4.Приведите реакции с участием фуранов, подтверждающие более низкую ароматичность фурана по сравнению с тиофеном и пирролом (реакции, приводящие к образованию неароматических продуктов).

5.Существуют ли 2-гидроксифураны? Ответ мотивируйте.

6.Какие фенилгидразоны необходимы для проведения синтеза следующих индолов по реакции Фишера: 3-метилиндола, 2-метил-3- этилиндола, 3-этил-2-фенилиндола? Приведите необходимые схемы и механизмы превращений.

7.Расположите 1,3-азолы в порядке уменьшения их основности. Объясните.

8.Какие проблемы связаны с N-алкилированием имидазолов?

9.Сравните попарно 1,2- и 1,3-азолы — какие из них более оснόвны? Почему?

10.Почему некорректно название 2-метилпиразол?

11.Какие факторы способствуют более сложному течению реакций электрофильного замещения в пиридине по сравнению с бензолом?

12.Сравните поведение пиридина и бензола в реакциях окисления цикла и восстановления цикла.

13.Сравните реакционную способность бромбензола, 2-бромпиридина и 3-бромпиридина в реакциях нуклеофильного замещения атома галогена на этоксигруппу при взаимодействии с этилатом натрия.

14.Приведите основные таутомерные формы для 2-гидроксипиридина, 3-гидроксипиридина и 2-аминопиридина.

15.Что происходит при обработке смеси 1 моля 2-метилпиридина и 1 моля 3-метилпиридина диизопропиламидом лития (1 моль) и затем йодметаном (1 моль)?

16.Приведите механизм реакций нитрования хинолина и изохинолина. Объясните направление реакций.

17.Какое положение в хинолине и изохинолине наиболее склонно к реакциям с нуклеофильными реагентами и почему?

18.Почему дипротонные соли диазинов трудно образуются?

19.Какой из хлордиазинов вступает в реакции нуклеофильного замещения в наиболее жѐстких условиях? Почему?

20.Как исходя из пентан-2,4-диона можно получить следующие соедине-

678

ния: 4,6-диметилпиримидин, 4,6-диметилпиримидин-2-он, 2-амино- 4,6-диметилпиримидин?

21.Изобразите структуру замещѐнного пурина, образующегося при нагревании 4,5,6-триаминопиримидина с формамидом. Приведите механизм реакции.

679