III группа: 6-членные гетероциклы с 1 гетероатомом азота
(гет10) Пиридин. За счет атома азота пиридин проявляет основные свойства. Ядро пиридина содержится в молекулах некоторых алкалоидов - никотина, витамина "РР".
(гет11) Никотиновая кислота и ее амид (никотинамид) получили известность как две формы витамина РР, применяющегося в медицине для лечения пеллагры. Никотинамид является составной частью ферментных систем, ответственных за окислительно-восстановительные процессы в организме, а диэтиламид никотиновой кислоты (кордиамин) служит эффективным стимулятором ЦНС.
IV группа: 6-членные гетероциклы с 2 гетероатомами
Представителем этой группы гетероциклических соединений является пиримидин. (гет12) Производные пиримидина объединяются в группу пиримидиновых оснований. Сюда относятся кислородные производные пиримидина: урацил, тимин, цитозин. Для кислородных производных пиримидина характерен новый вид структурной изомерии, которая называется таутомерией.
Явление, при котором изомеры переходят один в другой и находятся в состоянии равновесия, называется таутомерией. А изомеры, обратимо переходящие один в другой, называются таутомерными формами. Те случаи таутомерии, в которых происходит обратимое превращение лактимной и лактамной групп, называется лактим-лактамной таутомерией. Лактимы - это оксисоединения, в которых гидроксильная группа стоит при атоме углерода с двойной связью. Такие соединения крайне неустойчивы, в них все время происходит внутримолекулярная перегруппировка атомов: разрывается двойная связь, атом водорода из гидроксильной группы переходит к смежному по двойной связи атому азота. (гет13)
Разберем это явление на конкретных примерах.
а) Цитозин (4-амино-2-оксипиримидин)
Цитозин, как и другие кислородные производные пиримидина (урацил, тимин), может находиться в виде двух изомеров, один из них называется лактимной формой, другой - лактамной формой. (гет14)
б) Урацил (2,2-диоксипиримидин) (гет15)
в) Тимин (5-метилурацил) (гет16)
Пиримидиновые основания являются структурными компонентами нуклеиновых кислот (ДНК, РНК).
V группа. Конденсированные системы гетероциклов
Гетероциклические системы, состоящие из двух гетероциклов и имеющие два общих атома углерода, называются конденсированными.
[пурин, (гет17)] Пуриновая группировка входит во многие вещества (нуклеиновые кислоты, нуклеотидные коферменты), участвующие в осуществлении важнейших биологических процессов живых организмов. Пуриновое ядро является фрагментом некоторых алкалоидов.
Для гидроксилпроизводных пурина возможна лактим-лактамная таутомерия и прототропная таутомерия, связанная с переходм атома водорода от N-7 к N-9 и наоборот.
Пуриновые основания (аденин, гуанин)
Аденин (6-аминопурин) (гет18)
Гуанин (2-амино-6-оксипурин) (гет19)
Эти вещества характеризуются высокой стабильностью и имеют исключительное значение в биологии. Аденин является составной частью АТФ. Аденин и гуанин входят в состав нуклеиновых кислот (РНК, ДНК).
Ксантин (2,6-диоксипурин) (гет20)
Встречается в растениях. Вместе с кофеином он содержится в чае, в организме животных (в крови, печени, мозге).
Огромное значение в медицине имеют производные ксантина – теофиллин, теобромин и кофеин. Теофиллин обладает сильным мочегонным действием, возбуждает, стимулирует центральную нервную систему (ЦНС); кофеин действует на ЦНС возбуждающим образом, а в небольших количествах повышает работоспособность. На этом основано широкое применение чая, кофе, какао, содержащих кофеин.
Мочевая кислота (2,6,8-триоксипурин) (гет21)
Мочевая кислота – конечный продукт метаболизма пуриновых соединений в организме. Она выделяется с мочой в количестве 0,5-1,0 г в сутки. Соли мочевой кислоты называются уратами. При некоторых нарушениях в организме они откладываются в суставах, напр., при подагре, а также в виде почечных камней. В этих случаях для лечения применяют неорганические соли лития (напр., Li2CO3), которые образуют хорошо растворимые соли мочевой кислоты, быстро выделяемые из организма.
Гидроксисоединения
Гидроксисоединения – это вещества, которые в своем составе содержат гидроксильные группы.
К ним относятся спирты, фенолы и др. классы органических соединений.
Спирты – это гидроксосоединения, в молекулах которых гидроксильные группы находятся у насыщенного атома углерода в состоянии sp3 гибридизации.
Спирты классифицируют по количеству гидроксильных групп на одноатомные, содержащие 1 гидроксильную группу (напр., этанол) и многоатомные, содержащие 2 или более гидроксильных групп (напр., глицерин, сорбит). Сорбит применяется в качестве заменителя сахара.
Инозит – это структурный компонент липидов мозгового вещества.
(гидр1,2,3)
В зависимости от характера звеньев, с которыми соединяются гидроксильные группы, спирты делятся на:
1. первичные, в которых гидроксильные группы находятся у первичного звена атома углерода. Пр. СН3–CH2–CH2–OH (пропанол-1);
2. вторичные спирты - у которых гидроксильная группа соединяется со вторичным звеном атома углерода. Пр.: пропанол-2 (гидр4)
3. третичные – в которых гидроксильные группы соединяются с третичным звеном атома С. Пр.: 2-метилпропанол-2 (гидр5)
Химические свойства спиртов
- Реакции окисления спиртов. В организме окисление спиртов протекает в присутствии ферментов, которые называются дегидрогеназы. При этом происходит дегидрирование спиртов. Молекула спирта теряет 2 атома водорода – это эквивалентно отщеплению двух протонов и двух электронов (2Н+ и 2е—) или Н+ и одного гидрид-иона (Н-).
1. Окисление первичных спиртов [пропанол-1 в пропаналь +НАДН+ Н+, (гидр6)]
2. Окисление вторичных спиртов. [пропанол-2 в ацетон +НАДН+ Н+, (гидр7)]
Т.о., при окислении первичных спиртов образуются альдегиды, а вторичных – кетоны.
- Реакции нуклеофильного замещения (SN)
в общем виде.
[субстрат+реагент-нуклеофил=продукт+уходящая группа нуклеофуг, (гидр8)]
В ходе реакций нуклеофильного замещения атакующий реагент - нуклеофил отдает свою пару электронов субстрату, образуя продукт. Уходящая группа – нуклеофуг отделяется со своей парой электронов. Рассмотрим реакцию нуклеофильного замещения на примере получения хлорэтана из этанола. (гидр9)
Поскольку гидроксильная группа (-ОН) в составе субстрата этанола является плохо уходящей группой, то прямое нуклеофильное замещение осуществить не удается. Поэтому гидроксильную группу в присутствии ионов Н+ переводят в ониевую группировку, при этом образуется ион этилоксония, от которого отделяется молекула воды – хорошо уходящая группа. Реагент - нуклеофил Сl- с парой электронов присоединяется к атому углерода субстрата, образуя продукт - хлорэтан, который в медицинской практике используется для ингаляционного наркоза.
- Реакции хелатообразования. Многоатомные спирты, проявляя более выраженные кислотные свойства, по сравнению с одноатомными спиртами, вступая в реакции с Сu(ОН)2 (осадком голубого цвета в щелочной среде) образуют растворимый хелатный комплекс ярко-синего цвета - эта реакция используется как качественная на многоатомные спирты. При этом в молекулах многоатомных спиртов реагируют гидроксильные группы a-диольного фрагмента. Например: a-диольный фрагмент, (гидр10)
[2глицерина+ Cu(OH)2+ 2OH-= анионный хелатный комплекс глицерата меди (II)+ 4воды, (гидр11)]
Фенолы
Фенолы - это гидроксисоединения, в молекулах которых гидроксильные группы соединяются с атомомами углерода бензольного кольца.
Фенолы классифицируют по количеству гидроксильных групп на:
1. одноатомные, содержащие одну гидроксильную группу, напр., фенол;
2. многоатомные, содержащие 2 или более гидр. групп. Многоатомные: пирокатехин в организме является структурным компонентом биологически активных соединений; резорцин используется для лечения кожных и инфекционных соединений; гидрохинон участвует в о-в процессах. [пирокатехин, резорцин, гидрохинон, (гидр12,13,14)]
Химические свойства фенолов
- Реакции окисления фенолов.
[гидрохинон в хинон, (гидр15)]
Система хинон-гидрохинон в организме участвует в биологическом окислении.
- Реакции электрофильного замещения (SE).
[субстрат+ реагент-электрофил=продукт+ уходящая группа-электрофуг, (гидр16)]
Рассмотрим механизм реакции электрофильного замещения в ароматическом ряду на примере нитрования бензола.
1. образование реагента-электрофила: HNO3+2H2SO4®H3O++NO2++2HSO4-
2. взаимодействие реагента-электрофила с бензолом. (гидр17)
Образование p-комплекса реагента-электрофила и бензольного кольца происходит за счет пары электронов сопряженной системы. Преобразование p-комплекса в s-комплекс сопровождается нарушением ароматичности и переходом атома углерода в состояние sp3 гибридизации. При отщеплении протона от s-комплекса ароматичность восстанавливается и образуется производное бензола – нитробензол. К реакциям электрофильного замещения относятся реакции: нитрования, сульфирования фенола. Рассмотрим сульфирование фенола:
[фенол+ 3 серной к-ты= 2,4,6-трисульфофенол+ 3воды, (гидр18)]
Карбонильные соединения
Карбонильные соединения – это вещества, которые в своем составе содержат карбонильную группу >C=O.
В зависимости от характера связанных заместителей карбонильные соединения делятся на классы:
1. альдегиды [общая формула, (гидр19)]
2. кетоны [общая формула, (гидр20)]
3. карбоновые кислоты [общая формула, (гидр21)]
Строение карбонильных групп
(гидр22,23)
В карбонильной группе атом углерода находится в состоянии sp2-гибридизации. Его конфигурация плоская; величина валентного угла составляет 120°; атом углерода соединен двумя ковалентными связями с атомом кислорода. Одна - сигма связь, другая - p-связь, возникающая за счет перекрывания Рz-орбиталей атомов углерода и кислорода. p-связь является сильно поляризованной, её электронная плотность смещена к более электроотрицательному атому кислорода, на котором возникает частичный отрицательный заряд, а на карбонильном атоме углерода – частично положительный заряд.
Альдегиды
(гидр24)
В молекуле альдегидов выделяют следующие реакционные центры:
1. основной нуклеофильный центр;
2. электрофильный центр;
3. СН-кислотный центр.
Химические свойства альдегидов
- Реакции нуклеофильного присоединения (АN). Альдегиды и кетоны выступают в реакции нуклеофильного присоединения при взаимодействии со спиртами R-OH, аминами R-NH2, тиолами R-SH, синильной кислотой НСN, аммиаком NH3. В ходе реакций нуклеофильного присоединения происходит разрыв p-связи в карбонильной группе. К карбонильному атому углерода присоединяется реагент-нуклеофил, а к атому кислорода - нуклеофильная частица.
[пропаналь+ метанол= полуацеталь (1-метоксипропанол-1), (гидр25)]
протекает в избытке спирта по типу реакций этерификации.
[полуацеталь+ метанол=ацеталь (1,1-диметоксипропан)+ вода, (гидр26)]
Ацетали и полуацетали имеют важное биологическое значение. В виде цикла полуацетали в организме присутствуют как углеводороды. Реакции образования ацеталей лежат в основе получения природных полисахаридов: крахмала, гликогена и др.
- Реакции окисления альдегидов.
[этаналь+2Cu(OH)2®этановая к-та+ 2CuOH+ вода, (гидр27)]
2CuOH®Cu2O¯+H2O
Оксид Cu2O выпадает в виде осадка кирпично-красного цвета
Альдегиды при взаимодействии с мягкими окислителями, напр., Cu(OH)2, при нагревании окисляется до карбоновых кислот. Реакция при этом сопровождается образованием оксида меди (I) Cu2O – осадка красно-кирпичного цвета. Эта реакция используется как качественная на альдегидные группы.
- Реакции конденсации. В ходе этих реакций происходит усложнение углеродной цепи. Рассмотрим конденсацию альдегида – пропаналя. (гидр28)
Различают альдегиднуюконденсацию, протекающую в присутствии разбавленных растворов щелочи, и кротоновую конденсацию, протекающую в присутствии кислот в более жестких условиях. В случае кротоновой конденсации от образующего конденсата (альдоля) отщепляется молекула Н2О и образуется непредельный альдегид. (гидр29)
В организме конденсация альдегидов протекает с участием ферментов, которые называются альдолазы.
Карбоновые кислоты
Карбоновые кислоты - это вещества, которые в своем составе содержат карбоксильную группу
[COOH, (гидр30)]
Карбоновые кислоты классифицируют по количеству карбоксильных групп на:
1. одноосновные или монокарбоновые кислоты, содержащую одну карбоксильную группу:
НСООН – муравьиная кислота (метановая);
СН3СООН – уксусная кислота (этановая);
СН3СН2СООН – пропионовая кислота (пропановая);
СН3(СН2)2СООН – масляная кислота (бутановая);
СН3(СН2)3СООН – валериановая (пентановая);
СН3(СН2)4СООН - капроновая (гексановая);
2. Поликарбоновые кислоты, содержащие 2 или более карбоксильные группы:
Предельные дикарбоновые кислоты:
щавелевая (этандиовая) кислота; соли – оксалаты;
малоновая (пропандиовая) кислота; соли – малонаты;
янтарная (бутандиовая) кислота; соли – сукцинаты;
глутаровая (пентандиовая) кислота; соли – глутараты.
Непредельная бутендиовая кислота HOOC-CH=CH-COOH см. лекцию №2.
(гидр31,32,33,34)
В зависимости от наличия младших функциональных групп кислоты делятся на:
1. гидроксикислоты, содержащие группу –ОН:
молочная кислота; соли – лактаты;
яблочная кислота; соли - малаты;
лимонная кислота; соли – цитраты;
салициловая кислота.
(гидр35,36,37,38)
2. Кетонокислоты – это кислоты, содержащие карбонильную группу >С=О.
Пировиноградная кислота (ПВК), соли – пируваты.
Щавелево-уксусная кислота (ЩУК), соли – соли ЩУК.
Ацето-уксусная кислота, соли – соли ацетоуксусной кислоты.
(гидр39,40,41)
Особо выделяют группу высших жирных карбоновых кислот, входящих в состав липидов.
1. Предельные высшие жирные кислоты:
С17Н35СООН стеариновая кислота;
С15Н31СООН пальмитиновая кислота;
С23Н47СООН лигноцериновая кислота;
(гидр42) цереброновая кислота.
2. Непредельные высшие жирные кислоты:
С17Н33СООН олеиновая кислота;
С17Н31СООН линолевая кислота;
С17Н29СООН линоленовая кислота;
С23Н45СООН нервоновая кислота.
Строение карбоксильной группы:
[ее рисунок, (гидр43)]
Карбоксильная группа представляет собой плоскую сопряженную систему, в которой возникает р,p-сопряжение при взаимодействии рz-орбитали атома кислорода гидроксогруппы с p-связью. Наличие р,p-сопряжения в карбоксильной группе карбоновых кислот способствует равномерному распределению отрицательного заряда в ацилат-ионе, образующемся при отщеплении протона.
[ацилат-ион, (гидр44)]
Равномерное распределение отрицательного заряда в ацилат-ионе показывают следующим образом: (гидр45)
Наличие р,p-сопряжения в карбоксильной группе карбоновых кислот значительно повышает кислотные свойства карбоновых кислот по сравнению со спиртами.
С2Н5ОН рКа=18
СН3СООН рКа=4,76
В кабоновых кислотах частичный положительный заряд на карбонильном атоме углерода меньше, чем в альдегидах и кетонах, поэтому кислота менее активна к восприятию атаки нуклеофильного реагента. Соответственно, реакции нуклеофильного присоединения более характерны для альдегидов и кетонов.
R-СООН
R-гидрофобная часть молекулы;
СООН-гидрофильная часть молекулы.
С увеличением длины углеводородного радикала понижается растворимость кислот, степень гидратированности и стабильность ацилат-аниона. Это приводит к уменьшению силы карбоновых кислот.
В карбоновых кислотах выделяют следующие реакционные центры: (гидр46)
1. основный нуклеофильный центр;
2. электрофильный центр;
3. ОН-кислотный центр;
4. СН-кислотный центр;