Posobie_GETEROCIK.i_VM_org.soed

Министерство здравоохранения Российской Федерации

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Саратовский государственный медицинский университет имени В.И. Разумовского» Министерства здравоохранения Российской Федерации

(ГБОУ ВПО Саратовский ГМУ им. В.И. Разумовского Минздрава России)

Методические рекомендации к занятиям по химии биологически важных гетероциклических и высокомолекулярных органических соединений

учебно – методическое пособие для студентов 1 курса медицинского университета

САРАТОВ

2013

УДК 541.64 : 547.1 : 577.1 (075.8)

ББК 24.23 + 24.5 + 28.072 я 73

Авт. Знак М545

Методическое пособие предназначено для студентов I курса лечебного, педиатрического, стоматологического и медико – профилактического факультетов Саратовского государственного медицинского университета и разработано в соответствии с «Программой для студентов факультетов по специальности: Лечебное дело, Педиатрия, Стоматология, Медико - профилактическое дело медицинских вузов».

В пособии вопросы теории и практики соединены в единую форму занятий. Выполнение опытов построено как самостоятельное научное исследование. В каждом занятии указаны вопросы для самоподготовки, теоретическая часть, упражнения и варианты тестированных заданий для самостоятельной работы студентов. Последовательность расположения заданий служит установлению логической связи между основными понятиями и раскрытию обобщающих закономерностей.

Составители: докт. хим. наук П.В. Решетов; канд. хим. наук М.И. Скуратова; канд. биол. наук Р.Т. Куцемако, проф. РАЕ С.Б. Орлов, канд. хим. наук Л.Н. Куликова.

© Саратовский медицинский университет, 2013.

© П.В. Решетов М.И. Скуратова, Р.Т. Куцемако, С.Б. Орлов, Л.Н. Куликова

ФГУП НТЦ “Информрегистр” номер государственной регистрации

обязательного экземпляра электронного издания 0321301984; регист-

рационное свидетельство №31282 от 06.08.2013 г.

2

1.Биологически важные гетероциклические соединения

Цель занятия: изучение строения и химических свойств биологически

важных гетероциклических соединений и их производных; их роль в орга-

низме.

Студент должен знать:

-возможные электронные состояния для атома азота и влияние их на основность органических соединений;

-строение и свойства пяти - и шестичленных ароматических азотсо-

держащих гетероциклических соединений;

- строение и свойства пиримидиновых и пуриновых производных.

Студент должен уметь:

-объяснить свойства пятичленных и шестичленных гетероциклов;

-уметь объяснить роль их производных в организме.

Вопросы для самоподготовки:

1.Что такое гетероциклические соединения?

2.Как классифицируются гетероциклические соединения?

3.Почему пиррол, пиридин, пиримидин, пурин являются аромати-

ческими? (Докажите это).

4.Почему пиррол обладает только кислотными, а пиридин только основными свойствами? Приведите примеры реакций.

5.Какими кислотно – основными свойствами обладает пурин? На-

пишите уравнения соответствующих реакций.

6.Отличаются ли условия проведения реакций SE для пиррола и пиридина? Объясните причину.

7.Какие виды таутомерии характерны для барбитуровой кислоты и ее производных, для мочевой кислоты, гуанина, производных ксантина? В каких таутомерных формах они более устойчивы?

3

8.Какова биологическая роль гетероциклических соединений в ор-

ганизме?

ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Гетероциклическими соединениями называются молекулы, в цикл которых, кроме атомов углерода, входит один или несколько гетероатомов,

чаще всего это N, О, S.

		N		N N	N
N	O	S	N	N	N N
H			H		H
Пиррол	Фуран	Тиазол	Индол	Пиримидин	Пурин

Гетероциклические соединения классифицируются следующим об-

разом:

Гетероциклические соединения

Предельные						Непредельные
(лактамы, ангидриды)				Ароматические		(пирролин)
	Моноциклические					Конденсированные
5-членные		6-членные		Бициклические			Полицикли-
				N	N	Трициклические	ческие
с 1-м ГА	с 2-мя ГА		с 1-м ГА
	N	N		N	N		Резерпин,
							морфин
					H	N
N	N	N	N	Пурин
						Акридин
H	H
Пиррол	Имида-	Пирими-	Пиридин
	зол	дин

Химия гетероциклических соединений является одним из важных разделов органической химии. Многие жизненно важные соединения со-

держат гетероциклы. Например, ферменты (дегидрогеназа, декарбоксилаза и др.), витамины (В1, В6, В12 и др.), гормоны, алкалоиды, антибиотики (пе-

4

нициллин). Гетероциклические соединения входят в состав нуклеиновых кислот (НК): аденин, гуанин, тимин, цитозин, урацил – азотистые основа-

ния – материальные носители наследственности. Четыре пиррольных кольца, соединенные метиленовыми мостиками (-СН=) образуют порфи-

риновую структуру, которая в сочетании с Fe+2 образует основу гемогло-

бина, с Мg+2 – хлорофилла, с Со+2 – витамина В12.

Гетероциклы составляют основу многих химиотерапевтических пре-

паратов: фурацилин, фурагин – содержат ядро фурана; 5-НОК, энтеросеп-

тол – ядро хинолина; антипирин, амидопирин – ядро пиразола, оратат ка-

лия – ядро пиримидина; рибоксин – ядро пурина.

Номенклатура гетероциклических соединений сложна. Поэтому ши-

роко используются тривиальные и полутривиальные названия. Некоторые закономерности можно отметить лишь для N-содержащих гетероциклов.

5-членные гетероциклы с двумя гетероатомами, содержащие атом N,

называются азолами. Вид второго гетероатома обозначается приставкой.

Например,

N N

N S

имидазол тиазол

Шестичленные гетероциклы с атомом N имеют окончание -ИН. На-

пример, пиридИН, пиримидИН.

Производные гетероциклов называются и по международной, и по рациональной номенклатурам.

Нумерацию кольца (для указания положения заместителя и т.д.) на-

чинают с гетероатома и ведут таким образом, чтобы заместитель получил наименьший номер. Если в цикле несколько гетероатомов, то начинают нумерацию с наиболее электроотрицательного и ведут так, чтобы гетероа-

томы получили наименьшие номера.

5

	4									4
				3
5		N				4		N3	5		N3
		2
					5	2
									6	2
		N 1
							S1				N
										1
	имидазол					тиазол			пиримидин

По рациональной номенклатуре атомы, стоящие рядом с гетероато-

мом, обозначаются буквами греческого алфавита ( , , , , и т.д.) и

строится название

	4		3-метилпиридин,
5			CH3
		3	-метилпиридин,
6
	N 1	2	-пиколин

При нумерации конденсированных гетероциклов важно определить главный цикл и атомы, участвующие в конденсации, т.к. они, как правило,

не нумеруются. В конденсированных циклах с бензолом главным является гетероцикл (индол, хинолин). В других конденсированных гетероциклах главным является гетероцикл с большим числом гетероатомов, либо боль-

ший гетероцикл, если они одинаковы, то главным будет цикл, содержащий азот:

	4			5	4		6
5		3	6		3	1 N		5		N 7
6		2	7		2	2		4		8
		N1			N1		3N		N 9
	7			8
	Индол			Хинолин				Пурин

6

1.1. Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом

Пиррол

4	3
5 ..	2
N1

H

Все атомы в пирроле находятся в sp2 – гибридном состоянии, негиб-

ридизованные р –орбитали этих атомов образуют единое облако, делока-

лизованное по всей молекуле. Причем атомы углерода поставляют для об-

разования этого облака по одному электрону, а атом азота свою электрон-

ную пару. Образуется ароматический секстет (на пять атомов цикла в со-

пряжении участвует шесть электронов). Таким образом, пиррол – элек-

тронноизбыточная ароматическая система (выполняетяся правило Хюкке-

ля: 4n + 2 = 6, n = 1).

Пиррол является ацидофобным соединением, легко вступает в реак-

ции электрофильного замещения с мягкими электрофильными агентами.

Химические свойства:

1) Реакции SE идут, в первую очередь, в положения α (2 и 5), а затем β (3 и

4). Это реакции галоидирования, нитрования, сульфирования, ацилирова-

ния, алкилирования:

7

+2 Br2				Br	Br
			+2 Br2
-2 HBr	Br N	Br	-2 HBr	Br N	Br
	H			H
	2,5-дибромпиррол
			2,3,4,5-тетрабромпиррол
CH3-COONO2
нитроацетат
- СН3СООН	N		NO2
	H	2-нитропиррол
+C5H5N *SO3, NaOH
сульфопиридин			SO3H +	C5H5N
	N
N
				пиридин
	H
H
	2-сульфопиррол
+CH3-CO-Cl
ацетилхлорид
-HCl	N		COCH3

H

2-ацетилпиррол

+CH3I

-HI	N	CH3

H

2-метилпиррол

2)Реакции SN не характерны, т. к. пиррол электронноизбыточная система.

3)Кислотно - основные свойства: пиролл проявляет слабые кислотные свойства - образует соли только с сильными основаниями (с металличе-

ским калием и 30 % р-ром КОН):

	2 K		+ KH
N	KOH	N	+ HOH
H		K

Пирролат калия

Пирролат калия

8

4)Окислительно - восстановительные свойства: пиррол стоек к дейст-

вию окислителей. При восстановлении (гидрировании) пиррола образу-

ются продукты частичного или полного восстановления:

	+H2,Cat,t,P	+H2,Cat,t,P
N	N	N
H	H	H
	Пирролин	Пирролидин

Пирролидин входит в состав аминокислот (пролин, оксипролин).

Винилпирролидин полимеризуется и образует полимер перистон – заменитель плазмы крови.

1.2. Шестичленные гетероциклы с одним гетероатомом

Пиридин

SN

SE SE

N

..

SN SN

Атом азота в пиридине находится в sp2 – гибридном состоянии. Од-

нако, в отличие от пиролла, атом азота в пиридине вносит в π – систему один электрон, образующий с пятью р – электронами атомов углерода ароматический секстет (π, π - сопряжение) и выступает в роли электроно-

акцептора. Одна из sp2 – гибридных орбиталей азота занята неподеленной парой электронов и не участвует в сопряжении.

Пиридин не ацидофобен. Реакции электрофильного замещения SE

протекают по - положению (электронная плотность повышена), реакции

9

нуклеофильного замещения SN протекают в и – положения (электрон-

ная плотность понижена).

Химические свойства

1)Реакции SЕ (нитрование, сульфирование, галоидирование):

+HNO (конц), H SO (конц), t			NO2
3	2	4
	-H2O		3-Нитропиридин
			N
	+ H2SO4 (конц),t		SO3H
	-H2O		3-Сульфопиридин
N			N
	+Br2, AlBr3, t		Br
			3-Бромпиридин
	-HBr		N

2)Реакции SN :

	+KOH кристал., t
	-KH	N	OH 2-Гидроксипиридин
	CH3ONa, t
	метилат натрия
N	-NaH	N	OCH	2-Метоксипиридин
				3
	NaNH2 амид натрия , t
	-NaH	N	NH2	2-Аминопиридин

3) Кислотно - оснóвные свойства: пиридин не проявляет кислотных свойств. Для него характерны основные свойства (водный раствор пири-

дина имеет щелочную реакцию среды). С кислотами образует соли пири-

диния:

10