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 (S_N)

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 (S_E).

[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 (А_N). 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 альдегидную конденсацию, 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 р_z-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 рК_а=18

СН₃СООН рК_а=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;