Лабораторный практикум.

”Гетерофункциональные соединения”.

Цель: сформировать знания специфических химических свойств гетерофункциональных соединений, как основу для понимания их метаболических превращений в организме, а также имеющих лекарственное значение.

Ход работы.

Опыт 1. Качественная реакция на молочную кислоту (реакция Уфельмана).

В пробирку взять 3 – 4 капли фенола, добавить 1 каплю хлорида железа (III). К полученному феноляту железа добавить 1 каплю молочной кислоты. Какое окрашивание наблюдается? Написать уравнения химических реакций.

Опыт 2. Декарбоксилирование салициловой кислоты и обнаружение продуктов реакции.

В сухую пробирку насыпать немного салициловой кислоты (прикрыть дно пробирки), надеть газоотводную трубку, конец трубки опустить в пробирку с 5 каплями известковой воды Ca(OH)₂ . нагреть салициловую кислоту. Что наблюдается? Написать уравнения реакций.

Разобрать прибор, снять газоотводную трубку, капнуть в пробирку 2 капли FeCl₃. Какое наблюдаете окрашивание? Почему?

Опыт 3. Обнаружение кислотных свойств ацетоуксусного эфира.

Смешайте в пробирки 2 – 3 капли воды и 1 каплю фенолфталеина и прибавьте 1 каплю 2Н NaOH. Раствор при этом окрасится в красный цвет. Добавьте 2 – 3 капли ацетоуксусного эфира – окраска исчезнет.

Опыт 4. Кетонное расщепление ацетоуксусного эфира.

В пробирку с газоотводной трубкой налейте 2 мл ацетоуксусного эфира в 1 мл 2Н H₂SO₄ и нагрейте. Трубку опустите в пробирку с несколькими каплями баритовой воды, при появлении мути перенесите отводную трубку в пробирку с раствором I₂, KI, обеспеченным 2Н NaOH – выделяется желтоватый осадок йодоформа.

Опыт 5. Доказательства наличия двух карбоксильных групп в винной кислоте.

В пробирку поместите 1 каплю 15% раствора винной кислоты, 2 капли 5 % раствора KOH, встряхните! Охладите под струёй воды. Что наблюдаете? Добавьте ещё в пробирку 4 – 5 капель KOH.

Запишите уравнения реакций получения кислой и средней солей винной кислоты.

Глава 7. Биологически-активные гетероциклические соединения.

Вопросы к занятию.

1. Понятие о гетероциклических соединениях и их классификация по количеству гетероатомов, их виду и размеру цикла.

2. Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом. Кислотно-основные свойства атома азота на примере пиррола.

3. Химические свойства и строение пиррола, индола и их производных. Биороль порфинов.

4. Пятичленные гетероциклы с двумя атомами азота (азолы), строение и номенклатура. Бироль строений этого типа.

5. Шестичленные гетероциклы с одним гетероатомом и их химические свойства на примере пиридина, хинолина. Никотиновая кислота и её амид. Соединения хинолина в медицине.

6. Шестичленные гетероциклы с двумя гетероатомами (пиримидин).

7. Пурин и его производные (аденин, гуанин, ксантин). Кофеин, теофиллин, теобромин.

Азотосодержащие ароматические гетероциклические соединения

Гетероциклическими называют органические соединения, в со­став цикла которых помимо атомов углерода входят один или не­сколько атомов других элементов — гетероатомов. Наиболее важное значение имеют гетероциклы, содержащие атомы N, О и S. Вклю­чение этих гетероатомов вместо групп —СН=СН—, —СН= или —СНз— в циклическую систему не очень сильно изменяет об­щую геометрию молекулы и мало влияет на напряжение в цик­ле. Особый интерес вызывает обширная группа гетероциклов, имеющих циклические сопряженные системы кратных связей, в которых может принимать участие неподеленная электронная пара гетероатома, находящаяся на р-орбитали. Такого рода гетероциклы напоминают своей устойчивостью бензол и получи­ли название ароматические гетероциклы. Именно эти соедине­ния, содержащие в цикле один или несколько атомов азота, и будут объектом нашего рассмотрения.

Пятичленные гетероциклы. Пятичленные гетероцикличе­ские соединения можно рассматривать как продукт замещения в бензольном цикле одной группировки —СН=СН— на гетероатом с неподеленной парой электронов. Внимание будет уделено пирролу, индолу и имидазолу, поскольку эти азотсодержащие со­единения или их производные составляют основу многих природ­ных биологически активных веществ и лекарственных средств.

Пиррол. Молекула пиррола содержит систему сопряжен­ных связей, включая неподеленную пару электронов атома азота:

Четыре атома углерода молекулы пиррола находятся в sp²-coстоянии, а атом азота — в sp²-I состоянии, соответственно все σ-связи между ними расположены в одной плоскости. Неподеленная электронная пара атома азота находится на р-орбитали и участвует в сопряжении с π-электронами соседних двойных связей (рис. 10).

пиррол пиррольный атом азота

Рис. 10. Распределение электронов пиррольного атома азота по орбиталям

Энер­гия делокализации электронов в π-системе пиррола составляет 110 кДж/моль, следовательно, он имеет ароматический характер. Атом азота является донором электронной пары для π-системы, поэтому на углеродных атомах цикла плотность π-электронов увеличена, причем в α-положении больше, чем в β-положении. Это делает пиррол электроноизбыточным гетероциклом, благо­даря чему он легче вступает в реакции электрофильного заме­щения по сравнению с бензолом и легко окисляется.

Пиррол - бесцветная жидкость (т. кип. 131 °С) с запахом хло­роформа, практически нерастворимая в воде и быстро темнею­щая на воздухе из-за окисления. Молекула пиррола содержит полярную связь N—Н и является очень слабой NH-кислотой (рКа ⁼ 17,5). При взаимодействии со щелочными металлами пиррол образует соли, устойчивые в отсутствие воды:

пирролий-катион пиррол пиррил-анион

неустойчив, легко полимеризуется

Поскольку неподеленная электронная пара атома азота де-локализована, то пиррол является очень слабым основанием. В сильнокислой среде ароматическая система пиррола наруша­ется вследствие протонирования, и он легко полимеризуется с образованием темной смолы. Поэтому пиррол называют ацидофобным, т. е. не выдерживающим присутствия кислот.

Реакции электрофильного замещения в пирроле обычно про­водят в щелочной среде. Даже такой слабый электрофил, как I₂, в этих условиях замещает четыре водородных атома пиррола, об­разуя тетраиодпиррол:

Реакция сопровождается окислением углеродных атомов пир­рола и восстановлением атомов иода.

Наиболее реакционноспособно к электрофильному замещению в пирроле α-положение. Так, конденсацией пиррола с муравьи­ной кислотой можно получить порфин:

порфин

Эта конденсация, естественно, тоже сопровождается окис­лением α-углеродных атомов пиррола и восстановлением угле­родных атомов муравьиной кислоты.

Плоский макроцикл порфина является ароматической со­пряженной системой, π-электронное облако которой содержит 26 электронов (22 электрона одиннадцати двойных связей и две неподеленные электронные пары двух атомов азота). Это соот­ветствует правилу ароматичности 4n+2, где п = 6. Порфины, частично или полностью замещенные в пиррольных циклах, на­зываются порфиринами. Это активные хелатообразующие четы-рехдентатные лиганды, входящие в состав важных природных комплексных соединений: гемоглобина, цитохромов, хлорофилла (разд. 10.4).

При биологическом окислении в печени гемоглобина и дру­гих порфиринсодержащих метаболитов образуются билирубиноиды, содержащие линейную тетрапиррольную систему. Наиболее важный из них - билирубин имеет оранжевую окраску.

гемоглобин билирубин

Эти вещества являются пигментами желчи, часть которых выде­ляется с мочой, сообщая ей характерный желтый оттенок. Они же вызывают пожелтение кожи при желтухе, что свидетельствует о чрезмерном разрушении порфинсодержащих метаболитов в печени. При гидрировании пиррола происходит постепенное присоеди­нение водорода по кратным связям:

пиррол пирролин пирролидин

При этом ароматическая система пиррола разрушается и атом азота переходит в sр³-состояние. В результате основность полученных соединений намного выше, чем основность пиррола (рK_а(ВН⁺) = -3,8). Так, для пирролидина рК_а(ВН⁺) = 11,3. Пир­рол идиновое кольцо входит в состав α-аминокислот (пролин, гидроксипролин), а также алкалоидов (никотин):

пролин 4-гидроксипролин никотин

Индол (бензопиррол) является конденсированным гетеро­циклическим соединением, состоящим из бензольного и пиррольного ядра. Индол имеет циклическую сопряженную систему, содержащую 10 электронов. В индоле электронодонорное действие атома азота проявля­ется в повышении электронной плотности на уг­леродных атомах, особенно в положениях 3, 5 и 7. В отличие от пиррола, в индоле электрофильные реагенты прежде всего атакуют углеродный атом в положении 3, что обусловлено влиянием бензольного цикла. Индол, подобно пирролу, практиче­ски не обладает основными свойствами, ацидофобен, ведет себя как слабая NH-кислота (рК_а = 17), легко окисляется, из-за чего быстро темнеет на воздухе.

триптофан 5-гидрокситриптофан серотонин

Среди биологически активных производных индола прежде всего следует отметить α-аминокислоту — триптофан. В орга­низме триптофан гидроксилируется в 5-гидрокситриптофан, который в результате декарбоксилирования превращается в се-ротонин. Серотонин играет исключительно важную роль в обмене веществ у высших млекопитающих, регулируя передачу им­пульсов в нервных тканях и кровяное давление.

псилоцибин диэтиламид лизергиновой кислоты (ЛСД)

Производными индола являются наиболее сильные галлюци­ногены: псилоцибин и диэтиламид лизергиновой кислоты (ЛСД). Последний — наиболее сильнодействующий наркотик, его дейст­вующая доза около 10^-3 мг. Эти галлюциногены — антагонисты серотонина, поэтому их применение нарушает концентрацию серотонина в мозге, что приводит к отклонению от нормального психического состояния.

Имидазол. Это достаточно высокоплавкое и высококипящее вещество (т. пл. 90 "С, т. кип. 256 °С) представляет собой пятичленный гетероцикл с двумя атомами азота, находящимися в 1-м и 3-м положениях кольца. Один из этих атомов аналогичен атому азота в пирроле и ответствен за слабокислотные свойства имидазола, другой похож на пиридиновый атом

азота и обусловлавливает слабоосновные свойства имидазола. Таким образом, имидазол является амфотерным соединением; он способен образовывать соли с сильными кислотами и щелочными металлами.

имидазол

Наличие в молекуле имидазола NH-кислотной группировки и основного атома азота —N= служит причиной образования молекулярных ассоциатов за счет водородных связей.

Следствием такой ассоциации является быстрый межмолекулярный водородный обмен, который приводит к прототропной таутомерии – таутомерии азолов – у некоторых гетероциклов, в частности имидазола, пиразола и их производных.

Прототропная таутомерия между димерами имидазола приводит к тому, что его производные, имеющие одинаковые заместители в разных положениях 4 и 5, неразличимы, поскольку они являют­ся быстровзаимопревращающимися (менее 0,1 с) таутомерами, т. е. фактически одним и тем же веществом.

Имидазол и его производные, являясь, подобно молекуле во­ды, одновременно и донорами и акцепторами протонов, обладают исключительной способностью катализировать электрофильно-нуклеофильные реакции. Это обусловлено их способностью одно­временно и согласованно воздействовать на электрофильные и нуклеофильные центры взаимодействующих соединений. Такое свойство имидазола играет важную роль в механизме действия гидролитических ферментов, способствующих гидролизу слож­ных эфиров, амидов и пептидов.

Высокая поляризуемость имидазола и его производных и по­вышенная нуклеофильность атома N-3 делают эти соединения активными лигандами по отношению к катионам d-металлов. Поэтому во многих металлопротеидах связь белка с катионом металла осуществляется через атом N-3 имидазольного замести­теля α-аминокислоты гистидина.

Гистидин является одной из природных незаменимых α-аминокислот, содержащей имидазольный заместитель. Белки, со­держащие гистидин, благодаря имидазольному заместителю спо­собны: поддерживать нейтральную среду рН ≈ 7 биологических систем, выступать катализаторами электрофильно-нуклеофильных реакций и образовывать достаточно прочные комплексы-металлопротеиды. При декарбоксилировании гистидина образуется гис-тамин, играющий важную роль в стимуляции сокращения мускулатуры кишечника, спастических сокращений бронхов, также в развитии аллергических и иммунных реакций:

гистидин гистамин

Пиразол – является изомером имидазола. Атомы азота в цикле пиразола расположены рядом. В химическом поведении этих двух изомерных пятичленных гетероциклов имеется много общего. Подобно имидазолу пиразол амфотерен и склонен к образованию ассоциатов. Для монозамещенных производных пиразола также характерна прототропная таутомерия.

пиразол

Производные пиразола в природе не обнаружены. Наиболее известным производным пиразола является пиразолон-5, для кото­рого практически обнаружены четыре изомерные формы — две гидрокси- и две оксо-формы, между которыми имеет место таутомерное равновесие.

Пиразолон-5

гидроксиформы оксоформы

На основе пиразолона-5 созданы известные лекарственные средства — антипирин, амидопирин, анальгин. Они являются производными оксоформы, которая показана последней.

антипирин амидопирин анальгин

2,3 – диметил -1-фенил- 2,3 – диметил -1- фенил-

– пиразолон -5 4 – диметиламинопиразолон - 5

Антипирин является одним из первых синтетических жаро­понижающих, болеутоляющих и успокаивающих средств. До не­давнего времени использовался и амидопирин. Анальгин, по активности и быстроте действия превосходящий амидопирин и антипирин, является сульфопроизводным амидопирина.

Шестичленные гетероциклы. Среди шестичленных азотсо­держащих гетероциклов рассмотрим пиридин, пиримидин и их производные.

Пиридин - бесцветная жидкость, хорошо смешивается с водой и органическими растворителями, имеет неприятный ха­рактерный запах. Пиридин токсичен, поражает центральную нервную систему.

Степени окисления углеродных атомов в пиридине

Пиридин является ароматическим соединением. Атомы угле­рода пиридинового кольца находятся в sp-гибридном состоянии, а атом азота - в состоянии sp²-II. В образовании циклической π-сопряженной системы участвуют шесть p-электронов (по одному от каждого атома цикла, включая гетероатом) (рис. 11).

пиридин пиридиновый атом азота

Рис. 11. Распределение электронов пиридинового атома азота по орбиталям

Поскольку электро­отрицательность атома азота по сравнению с углеродом больше, то азот стягивает к себе π-электронное облако, понижая электронную плотность ароматического кольца. Из-за этого пиридин является электронодефицитным соединением и труднее, чем бензол, всту­пает в реакции электрофильного замещения. В пиридине элек­тронная плотность неравномерно распределена по атомам угле­рода, что подтверждается расчетными и экспериментальными (спектральными) данными. Степени окисления его α-углеродных атомов выше, чем у других углеродных атомов кольца.

В отличие от пиррола, у пиридина неподеленная пара элек­тронов атома азота не участвует в образовании ароматического секстета. Благодаря наличию сво­бодной электронной пары у ато­ма азота пиридин и его произ­водные являются основаниями. С кислотами они образуют соли пиридиния.

пиридин пиридиний-катион

Основность пиридина (рК_а(ВН⁺) = 5,23) несколько больше, чем у анилина (рК_а(ВН⁺) = 4,60), но значительно меньше основности алифатических ами­нов (рК_а(ВН⁺) ≈ 10).

Распределение электронной плотности в пиридине определяет ориентацию электрофильного замещения в β-положение, а нуклеофильного – в α- и γ-положения. Электрофильное замещение у производных пиридина протекает с большим трудом, так как оно обычно проводится в кислой среде, где пиридин существует в виде катиона. Положительный заряд на атоме азота еще больше понижает электронную плотность в ядре и затрудняет атаку ядра электрофильной частицей:

пиридин 3-нитропиридин

В реакции нуклеофильного замещения по α-углеродному атому пиридин вступает легче:

Рассмотренные реакции замещения являются одновременно реакциями межмолекулярного окисления-восстановления.

Каталитическое гидрирование пиридина водородом протека­ет постепенно и трудно, а приводит в итоге к пиперидину:

пиридин пиперидин

Реакция сопровождается восстановлением атомов углерода коль­ца, а также переходом всех его атомов, включая атом азота, в электронное состояние sp³. Поэтому основность азота возраста­ет: рК_а(ВН⁺) = 11,0.

Атом азота в пиридине является нуклеофилом и способен алкилироваться с образованием четвертичных алкилпиридиниевых солей:

При этом электронодефицитность пиридиниевого ядра повыша­ется из-за появления положительного заряда на атоме азота.

Производные пиридина. Многие природные соедине­ния: витамины, коферменты, алкалоиды и большое число лекар­ственных препаратов - являются производными пиридина.

Никотин - бесцветное масло с табачным запахом, его содер­жание в листьях табака доходит до 8 %. Соединение очень ядо­вито, летальная доза для человека - 40 мг. Воздействует на веге­тативную нервную систему и сужает кровеносные сосуды. Не исключено, что это является следствием изменения состояния воды внутри клеток соответствующих тканей из-за проникновения в них никотина - гидрофобного соединения (разд. 11.3 и 11.4).

никотин никотиновая кислота

никотинамид кордиамин

Одним из продуктов окисления никотина в жестких усло­виях является никотиновая кислота (β-пиридинкарбоновая ки­слота), которая имеет амфотерные свойства: рК_а(СООН) = 2,07, рК_а(ВН⁺) = 4,73. Подобно α-аминокислотам она в кристалличес­ком состоянии и отчасти в растворах существует в виде таутомера с биполярно-ионной структурой. Никотиновая кислота - про­витамин, поскольку ее амид — никотинамид — является вита­мином PP. Недостаток этого витамина вызывает заболевание кожи, называемое пеллагрой. Диэтиламид никотиновой кисло­ты - кордиамин используется как эффективный стимулятор центральной нервной системы.

Никотинамиднуклеотиды. Важными представителя­ми этой группы соединений являются коферменты никотин-амидадениндинуклеотид (НАД⁺) и его фосфат (НАДФ⁺):

НАД⁺ (R=H)

НАДФ⁺ (R= -РО(ОН)₂)

В молекулах этих коферментов из-за наличия положительно заряженного атома азота и электроноакцепторной амидной группи­ровки электронодефицитность пиридинового ядра возрастает на­столько, что они способны проявлять окислительные свойства. По­этому эти коферменты в комплексе с ферментами участвуют в окис­лительно-восстановительных реакциях (разд. 9.3.3) в виде окислен­ных форм НАД⁺ и НАДФ⁺, содержащих никотинамидный остаток в виде пиридиниевого катиона, и восстановленных форм НАД(Н) и НАДФ(Н), где указанный фрагмент, приняв два электрона тон, превратился в 1,4-дигидропиридиновую группировку:

сопряженная окислительно-восстановительная пара

НАД^{+ =} - 0,320 В НАДФ^{+ =} - 0,324 В

Все окислительно-восстановительные превращения биосубстра­тов под действием никотинамиднуклеотидов являются реакция­ми межмолекулярной дисмутации за счет углеродных атомов участников реакции. При переходе окисленной формы коферментов в восстановленную происходит накопление энергии, вы­деляемой при окислении субстрата. Накопленная восстановлен­ной формой энергия затем расходуется в других эндэргонических процессах с участием этих коферментов (разд. 9.3.3).

Пиридоксальфосфат и витамин B₆. В пиридоксальфосфате за счет электронодефицитности пиридинового кольца у углеродного атома альдегидной группы повышается склонность к окислительно-восстановительным превращениям. Поэтому это со­единение является коферментом окислительно-восстановительных реакций трансаминирования α-кетокислот α-аминокислотами и в реакциях декарбоксилирования ряда аминокислот.

пиридоксальфосфат

Витамин В₆ (пиридоксин)

Сочетание трех индивидуальных веществ: пиридоксола, пиридоксамина и пиридоксаля – рассматривают как витамин В₆ (пиридоксин), так как в организме они все способны перейти в пиридоксальфосфат, участвующий в химических реакциях, свя­занных с деятельностью данного витамина. Отсутствие в пище витамина В₆ сопровождается резким нарушением обмена белков и липидов, что ведет к развитию атеросклероза, различных дер­матитов и нарушению кроветворения.

Пиримидин и его производные. Пиримидин со­держит два атома азота в положениях 1 и 3 шестичленного цикла, имеющего ароматическую шестиэлектронную π-систему. В связи с тем, что оба атома азота находятся в sp²-II состоянии и их неподеленные электронные пары не участвуют в образовании ароматической системы, пиримидин проявляет свойства слабого основания (рКа(ВН⁺) = 1,3):

Основность пиримидина резко понижена по сравнению с пири­дином (рК_а(ВН⁺) = 5,2) из-за электроноакцепторных свойств второго атома азота, находящегося в ядре. Протонизация одного атома азота настолько понижает основность другого атома азота, что дальней­шее солеобразование в естественных условиях не происходит.

Большое значение в химии нуклеиновых кислот имеют сле­дующие оксо- и аминопроизводные пиримидина: урацил, тимин и цитозин:

урацил тимин цитозин

Для этих соединений теоретически возможна прототропная лактим-лактамная таутомерия. Соответствующие таутомеры различаются не только положением протона (у атома кислорода или у атома азота), но и электронным состоянием атома азота (sp²-II или sp²-I):

лактимный лактамный

таутомер таутомер

У таутомеров имеется общий амбидентный анион, отрицатель­ный заряд которого делокализован между атомами, участвую­щими в таутомерии. Последнее обстоятельство объясняет двойст­венную реакционную способность рассмотренных соединений, т. е. способность образовывать и О- и N-производные. Исследования кислотно-основных свойств и спектральных характеристик ука­занных оксопиримидинов и родственных им соединений свиде­тельствуют, что и в кристаллах, и в растворах для них характер­на только лактамная форма, а их ионы амбидентны.

Урацил и тимин в естественных условиях являются слабы­ми двухосновными кислотами, причем их моноанионы сущест­вуют в виде двух таутомеров, различающихся положением ос­тавшегося протона у атомов азота N-1 или N-3 и распределени­ем делокализованного отрицательного заряда:

смесь таутомеров моноаниона дианион

рК рК

урацил (R=H) 9,4 13,9

тимин (R=СН₃) 9,9 13,9

Таким образом, в биологических средах с рН<7,5 урацил и тимин существуют в молекулярной форме.

Цитозин - амфолит: он протонируется по атому N-1, имеюще­му свободную от участия в сопряжении электронную пару, а за счет депротонирования атома N-3 проявляет слабые кислотные свойства:

катион молекула анион

цитозина цитозина цитозина

В биологических средах с рН = 3÷6 цитозин существует в виде смеси катионов и молекул, а при рН ≈ 7 - в молекулярной форме.

Среди природных оксипиримидинов важную роль играют оротовая и барбитуровая кислоты. Оротовая кислота (урацил-6-карбоновая кислота) является метаболитом, участвующим в превращении аспарагиновой кислоты в пиримидиновые произ­водные. В условиях организма это довольно сильная двухоснов­ная кислота:

оротоновая кислота

Оротат калия - стимулятор обменных процессов в организме.

Для барбитуровой кислоты характерна кето-енольная тауто­мерия с преобладанием кетотаутомера ( ≈ 98 %). Барбитуровая кислота - достаточно сильная СН-кислота. Лактимная форма для этой кислоты не обнаружена.

барбитуровая кислота

В медицине в качестве снотворных и противосудорожных средств применяют 5,5-дизамещенные барбитуровые кислоты: барбитал и фенобарбитал, называемые барбитуратами. Они суще­ствуют только в лактамной форме и являются слабыми NH-кислотами:

барбитал (веронал) R₁=R₂=С₂Н₅

фенобарбитал (люминал) R₁= С₂Н₅; R₂= С₆Н₅

Пурин и его производные. Пурин - ароматическое бициклическое гетероциклическое соединение, содержащее ядро пиримидина и имидазола. Его ароматическая π-система включает 8 π-электронов двойных связей и неподеленную электронную пару одного из атомов азота имидазольного фрагмента. Пурин, подобно имидазолу, является прототропной таутомерией системой за счет миграции протона между атомами азота N-7 и N-9.

пурин

Пурин - амфолит, так как проявляет и основ­ные (рК_а(ВН⁺) = 2,4), и кислотные свойства (рК_а = 9,9):

катион пурина таутомер N₇Н таутомер N₉Н анион пурина

рК_а(ВН⁺) = 2,4 молекула пурина рК_а = 9,9

Оксо- и аминопроизводные пурина — аденин и гуанин вхо­дят в состав нуклеиновых кислот. В молекуле аденина у трех атомов азота N-l, N-3 и N-7 неподеленные электронные пары не участвуют в сопряжении, находясь на sр²-орбиталях, у двух других атомов азота неподеленные электронные пары, находясь на р-орбиталях, активно участвуют в сопряжении. Для аденина, как и для пурина, наблюдается прототропная таутомерия за счет миграции протона между N-7 и N-9. Обычно аденин изобража­ют с протоном у атома N-9, хотя в его водных растворах содер­жание таутомера N₇H в 2,5 раза выше. Аденин является амфолитом, способным, в зависимости от кислотности среды, или присоединять протон к пиримидиновому атому азота, образуя катион, или отщеплять протон от имидазольного атома азота с образованием аниона:

катион аденина молекула аденина анион аденина

В биологических средах с рН ≈ 7 аденин находится в основном в виде молекул, а в кислых средах (рН = 3÷6) — в виде смеси молекул и катионов. Аденин входит в состав некоторых коферментов, аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) и ее произ­водных АДФ и АМФ.

Для гуанина характерна лактамная форма, поэтому неподелен­ная электронная пара атома N-1 находится на р-орбитали и активно участвует в сопряжении. В соответствии с кислотно-основными свойствами гуанин, в зависимости от рН-среды, в водных растворах может находиться в форме катиона, молекулы, моно- или дианиона:

катион гуанина молекула гуанина

анион гуанина дианион гуанина

В биологических средах с рН = 3÷6 гуанин находится в виде сме­си молекул и катионов, а при рН = 7÷9 - молекул и моноанионов. Таким образом, из всех азотистых оснований нуклеиновых кислот наиболее сильные основные свойства проявляет аденин.

В условиях организма цитозин и гуанин - слабые основания, а урацил и тимин - слабые кислоты. Для всех этих гетероцикли­ческих соединений характерно образование водородных связей, при котором они выступают одновременно и как доноры, и как акцепторы протонов. Эта их способность реализуется при по­строении нуклеиновых кислот.

Следует обратить внимание, что в имидазольном кольце произ­водных возможна имин-иминная таутомерия , которая на примере гипоксантина может быть показана следующим образом:

гипоксантин

Превращение аденина в гипоксантин легко осуществляется фер­ментативным способом, поэтому гипоксантин обнаружен во многих тканях растений и животных.

Как и аденин, гуанин в организме дезаминируется с образова­нием 2,6-диоксипурина, именуемого ксантином.

Ксантин представляет собой важное промежуточное звено азо­тистого обмена. Следует обратить внимание на то, что окисление гипоксантина приводит к ксантину, а из него, в свою очередь, при окислении возникает мочевая кислота.

гипоксантин ксантин мочевая кислота

Мочевая кислота - продукт обмена веществ в живых организмах. В значительных количествах встречается в экскрементах птиц (≈ 25 %) и особенно змей (≈ 90 %). Мочевая кислота явля­ется двухосновной NH-кислотой (рК = 5,4, а рК = 11,3) и об­разует два ряда солей-уратов, большинство из которых, как и сама мочевая кислота, плохо растворяются в воде.

Важными природными производными ксантина являются алка­лоиды теофиллин, теобромин и кофеин, обнаруженные в чае, какао и кофе.

Они представляют собой метильные гомологи ксантина, а имен­но, теофиллин - это 1,3-диметилксантин, теобромин представляет собой 3,7-диметилксантин, а кофеин - 1,3,7-триметилксантин.

1,3-диметилксантин 3,7-диметилксантин 1,3,7-триметилксантин

теофиллин теобромин кофеин

Искусственным путем теобромин и кофеин, оказывающие сти­мулирующее действие на центральную нервную систему, можно по­лучить из ксантина.