лекция гетероциклы.. Лекция гетероциклы. Биологически важные гетероциклические соединения

• Название: Биологически важные гетероциклические соединения
• Анкор: лекция гетероциклы
• Дата: 06.03.2021
• Размер: 227.5 Kb.
• Имя файла: Лекция гетероциклы.doc
• Тип: Документы; #182406

БИОЛОГИЧЕСКИ ВАЖНЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ
Гетероциклическими называют соединения в состав цикла которых, помимо атомов углерода входят атомы других элементов (гетероатомы).
Гетероциклические соединения, в особенности содержащие в циклах атомы азота и кислорода, чрезвычайно распространены в природе в виде алкалоидов, витаминов, пигментов и играют очень важную роль в биологических процессах. К гетероциклам принадлежит примерно половина известных природных веществ: это хлорофилл растений, гемин крови, пигменты желчи, нуклеиновые кислоты, почти все алкалоиды, пенициллин, витамины РР, В₁, В₆, В₁₂, индиго и др., а также примерно половина веществ, применяемых в медицине.

Гетероциклические соединения классифицируют

1. 
   По природе гетероатома (азот-, кислород-, серосодержащие)
   
2. 
   По числу гетероатомов (один, два и более)
   
3. 
   По размеру цикла (начиная с трехчленного; наиболее распространены в природе 5-ти и 6-ти членные гетероциклы)
   
4. 
   По степени насыщенности (насыщенные, ненасыщенные, ароматические)
   

Примерами насыщенных гетероциклов служат рассмотренные ранее лактиды, дикетопиперазины, лактоны, лактамы а также циклические ангидриды.



Насыщенные гетероциклы входят в состав алкалоидов, применяемых в медицине. Например, пиперидин входит в состав алкалоида лобелина и др. сходных по структуре соединений используемых в медицине в качестве аналептических средств. (увеличивают частоту и силу сердечных сокращений, повышают АД), а также обезболивающего препарата промедола . Гетероцикл пирролидин лежит в основе аминоилоты - пролин, входящей в состав сложных белков.


Конформации шестичленных насыщенных гетероциклов
Шестичленные гетероциклы существуют в виде двух конформационных изомеров «кресло» и «ванна» более устойчиво состояние «кресло», так как в этой конформации все заместители находятся на максимальном удалении друг от друга. Пример: пиран


«ванна» «кресло»

Если в гетероцикле есть более объемные, чем водород заместители, то они располагаются «по экватору». В этом положении они находятся на максимальном расстоянии друг от друга. Пример пентагидроксипиран ( -глюкоза).


Ароматические гетероциклы наиболее широко распространены в природе и имеют важное биологическое значение.

Делятся на:

Пятичленные ароматические гетероциклы –

-избыточные системы
Это –гетероциклы с одним или несколькими гетероатомами (пиррол, фуран, тиофен, имидазол, тиазол и др.) У них шесть электронов, находящихся в сопряжении, делокализовано на пяти атомах цикла. Электронная плотность на атомах углерода кольца повышена.

1) с одним гетероатомом



Пиррол Фуран Тиофен
2) с двумя гетероатомами (азолы)



Имидазол Пиразол Тиазол Оксазол
Шестичленные ароматические гетероциклы

--недостаточные
это гетероциклы с одним или несколькими гетероатомами (пиридин, пиримидин).

Из-за большей электроотрицательности атома азота по сравнению с углеродом электроны смещаются в сторону атома азота, проявляющего себя как электроноакцептор. Электронная плотность на атомах углерода кольца понижена.


Пиридин Пиримидин


Конденсированные ароматические гетероциклы


Имеют циклическую сопряженную систему, содержащую 10 электронов.

Реакционная способность гетерциклов.

Реакционная способность гетерциклов определяется природой гетератома и свойством ароматической системы.

1. 
   КИСЛОТНО-ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА
   

Если в гетероцикле присутствует пиррольный атом азота, то

А) основные свойства максимально снижены из-за участия неподеленной электронной пары в сопряжении, способность к присоединению протона низкая.

Б) кислотные свойства обусловлены наличием атома водорода, а сопряжение усиливает кислотные свойства. При взаимодействии с сильными основаниями (NaNH₂, металлиеским натрием) образуются соли.



Пиридиновый атом азота - его неподеленная электронная пара не участвует в сопряжении, поэтому пиридиновый атом азота является сильным основным (+Н⁺) и нуклеофильным (+С^+) центром.






Т.о., наличие в структуре гетероцикла пиррольного атома азота обуславливает его кислотные свойства, а наличие пиридинового – основные.

Имидазол, имея в своем составе и пиридиновый и пиррольный атомы азота является амфотерным соединением; он способен образовывать соли с сильными кислотами и щелочными металлами.



Наличие кислотного и основного центров в имидазоле приводит к образованию 1. межмолекулярных водородных связей


2. прототропной таутомерии –связанной с переходом протона от кислотного к основному центру.



Эта особенность строения имидазольного кольца позволяет участвовать его производным в ферментативных реакциях как катализаторов кислотно-основных превращений и в некоторых ферментативных реакциях нуклеофильного замещения (гидролиз белков).

2. РЕАКЦИИ ЗАМЕЩЕНИЯ В АРОМАТИЧЕСКИХ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЯХ

π- Избыточные гетероциклы имеют повышенную электронную плотность внутри кольца и высокую склонность к реакциям электрофильного замещения по сравнению с бензолом.

π- Недостаточные гетероциклы являются электронодефицитными. Они гораздо труднее, чем бензол, вступают в реакции электрофильного замещения S_Е.

В пиридине электрофильное замещение S_Е идет в β- положение.



Для пиридина возможны также реакции нуклеофильного замещения S_N, не характерные для бензола. В таких реакциях атакуются α и γ-положения.

ЛАКТИМ-ЛАКТАМНАЯ ТАУТОМЕРИЯ

Этот вид таутомерии характерен для азотсодержащих гетероциклов с фрагментом N=C—ОН.

Взаимопревращение таутомерных форм связано с переносом протона от гидроксильной группы, напоминающей фенольную ОН-группу, к основному центру — пиридиновому атому азота и наоборот. Обычно лактамная форма в равновесии преобладает.



Биологически активные производные гетероциклов

1. 
   Производные имидазола: гистидин - заменимая природная аминокислота и продукт его декарбоксилирования гистамин (стимулирует сокращения мускулатуры кишечника, бронхов, вызывает аллергические и иммунные реакции).
   

2. Производные пиридина:

А. Никотиновая (-пиридинкарбоновая) кислота и ее амид – никотинамид или витамин РР (при недостатке возникает заболевание кожи – пеллагра).


Б. Изоникотиновая (-пиридинкарбоновая) кислота и ее гидразид – лекарственный препарат тубазид –противотуберкулезное средство.



В. Никотинамидный фрагмент входит в состав кофермента НАД⁺ (никотинамидадениндинуклеотид) участвующего в окислительно-восстановительных реакциях в организме.

Реакция окисления этанола с участием кофермента НАД+



В ходе окисления, субстрат теряет два атома водорода, т.е. два протона и два электрона. Кофермент НАД+ , приняв два электрона и протон восстанавливается до НАДН при этом нарушается ароматичность. Эта реакция обратима.

При переходе окисленной формы кофермента в восстановленную происходит накопление энергии, выделяемой при окислении субстрата. Накопленная восстановленной формой энергия затем расходуется в других эндэргонических процессах с участием этих коферментов.
3. Производные пиримидина

Пиримидиновые нуклеиновые основания: тимин (2,4-дигидрокси-5-метилпиримидин), урацил (2,4-дигидроксипиримидин), цитозин (2-гидрокси –4-аминопиримидин). Входят в состав нуклеиновых кислот в лактамной форме.







Барбитуровая кислота 2,4,6-тригидроксипиримидини ее производные барбитураты (барбитал и фенобарбитал) – снотворные, противосудорожные средства.



Для барбитуровой кислоты характерно 2 вида таутомерии : лактим-лактамная и кето-енольная.
4. Производные индола:

Триптофан - незаменимая природная аминокислота и продукт его декарбоксилирования – триптамин. При окислительном декарбоксилировании образуется серотонин. Предполагается, что серотонин нейромедиатор головного мозга. Нарушение его нормального обмена ведет к шизофрении.


5. Производные пурина:

пуриновые основания аденин (6-аминопурин), гуанин (2-амино-6-гидроксипурин). Входят в состав нуклеиновых кислот.





гипоксантин (6-гидроксипурин), ксантин (2,6-дигидроксипурин), мочевая кислота (2,6,8-тригидроксипурин). Образуются в организме при метаболизме нуклеиновых кислот.

Лактим-лактамная таутомерия на примере мочевой кислоты


Мочевая кислота двухосновна, образует два вида солей. Соли мочевой кислоты называются ураты. При некоторых нарушениях в организме они откладываются в суставах (при подагре), в виде почечных камней.

Аммониевая соль мочевой кислоты называется мурексид. «Мурексидная проба» называется качественная реакция на мочевую кислоту и другие пуриновые основания.