Автор работы: Пользователь скрыл имя, 07 Апреля 2015 в 23:56, доклад
Циклические соединения, в состав которых кроме атомов углерода и водорода входят другие, так называемые гетероатомы – N, O, S, P, Se называются гетероциклическими соединениями. По программе курса мы рассматриваем синтез и реакционную способность наиболее важных гетероциклов, содержащих атомы N, O, S (пятичленные, шестичленные и некоторые конденсированные гетероциклы).
Таутомерия
Антипирин, амидопирин, анальгин и бутадион относят к ненаркотическим анальгетикам. Антипирин, амидопирин, анальгин оказывают общее действие на организм человека в качестве жаропонижающих и обезболивающих средств, бутадион применяют в качестве анальгетика при болях в суставах. Растворимость анальгина в водных средах значительно выше растворимости антипирина и амидопирина из-за наличия в его структуре группировки SO3Na, в результате чего улучшается всасываемость анальгина и ускоряется его действие в качестве анальгетика. Ниже приведены схемы синтеза антипирина, амидопирина, анальгина и бутадиона.
Синтез антипирина и амидопирина
Синтез анальгина
Синтез бутадиона
Некоторые другие биологически активные производные пятичленных гетероциклов, содержащих два гетероатома
Пенициллин G, 3,3-диметил-7-оксо-6-[(2-
Оксициллин, 3,3-диметил-7-оксо-6-[(2-
Ампициллин, 6-[(2-амино-2-фенилацетил)
Пенициллины являются b-лактамами пенициллоиновых кислот и обладают выраженной бактерицидной активностью. b-Лактамный цикл относится к четырехчленным и следовательно нестабилен, при нагревании раскрывается, и пенициллины превращаются в производные пенициллоиновых кислот (пятичленные и шестичленные γ- и δ-лактамы относительно устойчивы). С учетом термической нестабильности пенициллинов разработаны специальные методы их выделения из культуральных сред, например, лиофильная сушка (удаление воды при пониженном давлении без нагревания).
Шестичленные гетероциклы с одним атомом азота
В данном курсе будут рассмотрены методы получения, строения и реакционная способность пиридина и хинолина.
Пиридин
Бесцветная жидкость с сильным неприятным запахом. При стоянии окисляется, желтеет.
Синтез пиридина
1) Из каменноугольной смолы;
2) По реакции Чичибабина:
Строение пиридина.
Пиридин относится к ароматическим соединениям, ароматический секстет которого состоит из 5р-ē атомов углерода и 1р-ē атома азота, НПЭ атома азота находится на sp2-гибридной орбитали и не участвует в образовании секстета, что обуславливает наличие осно́вных свойств пиридина.
Распределение электронов в атоме азота пиридина:
За счет большей электроотрицательности атома азота по сравнению с атомом углерода, электронная плотность р-ē в пиридине стянута к атому азота, поэтому ароматическая система пиридина называется p-дефицитной.
Реакционная способность пиридина
Пиридин проявляет свойства третичного амина, вступает в реакции электрофильного замещения (b-положение) и реакции нуклеофильного замещения (a(g)-положение).
I. Осно́вные и нуклеофильные свойства
Пиридин относится к очень слабым основаниям, Кb 10-9 и слабым нуклеофилам. Причиной является электронное строение атома азота (sp2): из-за бо́льшей доли s-орбитали (по сравнению с sp3-гибридизацией) НПЭ атома азота находится достаточно близко к ядру, что снижает возможности атома азота предоставлять эту пару при образовании солей и проявлении нуклеофильных свойств. Тем не менее пиридин легко образует соли с минеральными и органическими кислотами, алкилируется и ацилируется.
II. Реакции электрофильного замещения
Реакции электрофильного замещения идут с трудом в очень жестких условиях в положение b (b/) (аналогия с пиразолом и имидазолом).
Механизм реакций, SEAr
Реакция идет через образование соли из пиридина с реагентом (при сульфировании) или с катализатором (при нитровании и бромировании), а затем двухзарядного s-комплекса.
III. Реакции нуклеофильного замещения
Реакции нуклеофильного замещения не были характерны для бензола и его гомологов. Введение в ароматическое ядро атома азота приводит к его обеднению электронами и, как следствие, появлению реакций нуклеофильного замещения. Но электороноакцепторные свойства атома азота недостаточно велики, поэтому реакции идут в жестких условиях в a(g)-положение.
IV. Восстановление (гидрирование)
При восстановлении пиридина в зависимости от природы восстановителя получают циклические вторичные амины, содержащие в 3-ем положении двойную связь – пиперидеины-3, либо полностью насыщенные - пиперидины.
Пиперидин имеет кресловидную конформацию, атом азота находится в sp3-гибридизации, и пиперидин является более сильным основанием (Кb 10-3), чем пиридин. Для пиперидина характерны свойства, аналогичные свойствам вторичных алифатических аминов. Пиперидин входит в состав природных соединений, например – алкалоиды конин и анабазин.
Биологически активные производные пиридина и пиперидина
1.Гомологи пиридина, пиридинкарбоновые кислоты и их производные.
Витамины В6 (катализаторы азотистого обмена)
Описание синтезов некоторых производных пиридина
Хинолин
Хинолин является конденсированным производным пиридина. По агрегатному состоянию - бесцветная жидкость с резким сладковатым запахом, легко окисляется.
Синтез хинолина (по Скраупу)
Для синтеза используют анилин и глицерин в присутствии концентрированной серной кислоты, растворителем является нитробензол, последний выполняет также роль дегидрирующего агента на заключительной стадии синтеза. На первой стадии из глицерина под действием концентрированной серной кислоты образуется акролеин, к которому происходит присоединение анилина с последущей циклизацией и выделением воды. Промежуточный 1,2-дигидрохинолин дегидрируется с помощью нитробензола, который превращается в анилин.
Реакционная способность
Аналогично пиридину хинолин проявляет свойства третичного амина (образует соли, четвертичные соли), а также вступает в реакции электрофильного и нуклеофильного замещения.
I. Реакции электрофильного замещения, SEAr
Если реакции идут в кислой среде пиридиновый фрагмент молекулы за счет протонирования становится труднодоступным для атаки электрофила (Е+), поэтому Е+ атакует бензольный фрагмент молекулы, и реакции идут по положениям 5 и 8 (в этом случае резонансный гибрид энергетически более выгоден). При отсутствии кислоты электрофильные реакции идут по положению 3. Хинолин более реакционноспособен, чем пиридин, но значительно уступает нафталину.
II. Реакции нуклеофильного замещения, SNAr
Биологически активные производные хинолина
Хинозол, нитроксилин, энтеросептол являются антисептиками при инфекционных заболеваниях желудочно-кишечного тракта.
Шестичленные гетероциклы с двумя атомами азота
В данном курсе не рассматриваются методы получения и реакционная способность этих гетероциклов. Описывается только строение пиримидиновых оснований, входящих в состав РНК и ДНК, и витамин В1.
Пиримидины являются ароматическими соединениями, оба атома азота носят пиридиновый характер. Пиримидины - очень слабые основания (слабее пиридина), вступают в реакции электрофильного и нуклеофильного замещения в более жестких условиях, чем пиридин. Ниже приведены формулы наиболее важных производных пиримидина.
Пиримидиновые основания, входящие в состав ДНК и РНК и витамин В1
Для пиримидиновых оснований характерна лактим-лактамная таутомерия, при этом равновесие сильно сдвинуто вправо, т.к. лактамная форма более стабильна. В состав нуклеозидов и нуклеотидов пиримидиновые основания входят в виде лактамной формы.
Витамин В1
Витамин В1 является водорастворимым витамином, участвует в углеводном обмене.
Конденсированные гетероциклы с четырьмя атомами азота – пурины
Пурин является ароматическим соединением (10 р-ē, три атома азота – пиридиновые, один атом азота - пиррольный), очень слабое основание, NH-кислота. Для пурина характерны две таутомерные формы – 9Н- и 7Н-пурины. Методы получения и реакционная способность пурина не рассматриваются. Описывается строение пуриновых оснований (РНК, ДНК), пуриновых алкалоидов и мочевой кислоты, а также их качественные реакции.
Пуриновые основания
Аденин и гуанин (в виде лактама) входят в состав ДНК и РНК.
Метаболиты РНК
Пуриновые алкалоиды
Пуриновые алкалоиды – теофиллин, теобромин и кофеин, относятся к производным 7Н-ксантина. Качественной реакцией на производные 7Н-ксантина является образование окрашенных солей Со+2 серо-голубого и розового цвета.
Теофиллин (теоцин)
1,3-диметилксантин, алкалоид листьев чая.
Теобромин
3,7-диметилксантин, алкалоид бобов какао.
Кофеин
1,3,7-триметилксантин, алкалоид листьев чая и зерен кофе, солей Со+2 не образует, так как отсутствуют подвижные атомы водорода.
Все приведенные выше алкалоиды являются стимуляторами центральной нервной системы, как и мочевая кислота – конечный продукт расщепления нуклеиновых кислот и первое гетероциклическое соединение, полученное в индивидуальном виде Шееле в 1776 г. Соли мочевой кислоты – ураты входят в состав мочевых камней человека.
Для мочевой кислоты характерна лактим-лактамная таутомерия, образование солей идет по гидроксильной группе лактимной формы.
Мурексидная проба – качественная реакция для ксантинов и мочевой кислоты.
Нуклеиновые кислоты (НК)
НК – макромолекулы кислотного характера, содержащиеся в ядрах клетки. Отвечают за наследственные признаки, осуществляют контроль за синтезом белка. Представляют собой белые волокнистые осадки, гидролиз которых дает пуриновые (пиримидиновые) основания, рибозу (дезоксирибозу) и фосфорную кислоту.
Условия гидролиза:
- кислотный, мягкий – 1н HCl, 1000С, 1 час;
- кислотный, жесткий – 70% HClO4, 1000С, 1 час;
- щелочной – 0,3н, КОН, 370С, 20 ч.
Общая схема гидролитического расщепления НК:
НК ® нуклеотиды ® нуклеозиды + H3PO4 ® В + пентоза
В – пуриновые и пиримидиновые основания:
В состав нуклеиновых кислот входят фрагменты следующих соединений: