Презентация "Гетероциклические соединения" по химии – проект, доклад

Гетероциклические соединения

Классификацмя гетероциклических соединений Производные пирола Производные имидазола и пиразола Производные индола Гетероциклические соединения, содержащие конденсированные бензольный и пиридиновый циклы Производные пиримидина Производные пурина

Гетероциклическими называют соединения, молекулы которых содержат циклы, включающие наряду с атомами углерода один или несколько гетероатомов: O, N, S.

К гетероциклическим соединениям (ГЦС) относятся многие алкалоиды, витамины, природные пигменты. Они являются структурными фрагментами молекул нуклеиновых кислот и белков. Более 60% наиболее известных и широко употребляемых лекарственных препаратов являются гетероциклическими соединениями.

Классификация ГЦС Гетероциклы классифицируют по следующим основным признакам: по природе и числу гетероатомов (простые и сложные)

Простые ГЦС (моноядерные)

Сложные ГЦС

по степени ненасыщенности – насыщенные (пиперидин, диоксан), ненасыщенные (фуран, пиридин, тиофен) и ароматические гетероциклы по числу циклических фрагментов в молекуле - моноциклические (моноядерные) и полициклические (полиядерные). Причем, циклы могут быть конденсированные (содержать два общих атома, например, индол), либо соединенные простой связью (например, бипиридил). В природе наиболее распространены пяти- и шестичленные гетероциклы, содержащие в качестве гетероатомов азот, а также кислород и серу. Моноциклические ГЦС - все простые ГЦС ; из сложных - диоксан, тиазол, оксазин. Полициклические ГЦС - индол, бипиридин (бициклические) , порфин и его производные (тетрациклические) краун-эфиры (crown англ. – корона), содержащие свыше четырех гетероатомов и более десяти звеньев в структуре цикла (звеном называют фрагмент из двух химически связанных атомов (рис. 2).

азотсодержащие ароматические гетероциклы Производные пирола

Пирол

Производные пирола: Тетрапиррольные соединения содержат ароматический макроцикл порфин, включающий четыре пиррольных кольца. Замещенные порфины называют порфиринами. В виде комплексов с металлами порфирины и частично гидрированные порфирины входят в состав гема (простетической группы гемоглобина – содержащегося в эритроцитах основного белка дыхательного цикла, переносчика кислорода от органов дыхания к тканям), зеленого пигмента растений хлорофилла, витамина В12.

Производные имидазола и пиразола

Имидазол и пиразол – 5-членные аароматические гетероциклы, содержащие два атома азота

Ароматические системы имидазола и пиразола включают по 6 p -электронов. При этом один из атомов азота цикла подает в ароматическую систему один р-электрон (пиридиниевый атом азота), другой атом азота – неподеленную пару электронов (пиррольный атом азота). Имидазол и пиразол содержат в молекуле кислотный центр (связь N-H) и основный центр (пиридиниевый атом азота) и являются амфотерными соединениями. При этом основные свойства преобладают над кислотными.

В результате присутствия в молекуле одновременно кислотного и основного центров имидазол и пиразол ассоциированы за счет образования межмолекулярных водородных связей.

Следствием такой ассоциации являются высокие температуры кипения и быстрый водородный межмолекулярный обмен между пиррольным и пиридиниевым атомами азота, который в случае замещенных гетероциклов приводит к существованию таутомеров.

Таутомерные формы быстро превращаются друг в друга и не могут быть выделены в индивидуальном состоянии. Особый вид таутомерии характерен для 5-гидроксипиразолов (пиразолонов-5). В растворе они существуют в виде равновесной смеси гидроки-(I) и оксо-(II,III) таутомерных форм.

В кристаллическом состоянии наиболее устойчива форма II.

Биологически активные производные имидазола и пиразола

Гистидин - -аминокислота, входящая в состав многих белков, в том числе гемоглобина; в составе ферментов осуществляет кислотный и основной катализ за счет амфотерных свойств имидазольного цикла.

Гистамин – биогенный амин, продукт декарбоксилирования гистидина; обеспечивает аллергические реакции организма.

Производные пиразолона- 5 - антипирин, амидопирин, анальгин – ненаркотические анальгетики, жаропонижающие и противовоспалительные средства.

Индол – ароматическое гетероциклическое соединение, содержащее конденсированные бензольный и пиррольный циклы.

Индол

Биологически активные производные индола

Триптофан – незаменимая (не синтезируется в организме человека) аминокислота, входящая в состав животных и растительных белков.

Производные индола

Серотонин

Серотонин – биогенный амин, продукт метаболизма триптофана. Обладает высокой биологической активностью, является нейромедиатором головного мозга.

Пиридин – моноциклическое соединение, представляющий 6-членный ароматический гетероцикл с одним атомом азота с неподеленной парой электронов .

Производные пиридина

Основные и нуклеофильные свойства. Благодаря наличию неподеленной пары электронов азота пиридин проявляет слабые основные свойства и с кислотами образует соли пиридиния.

Атом азота пиридина проявляет также нуклеофильные свойства и алкилируется алкилгалогенидами с образованием солей алкилпиридиния.

Подобные процессы лежат в основе механизма действия кофермента НАД+.

Никотиновая кислота (ниацин) и ее амид - никотинамид - две формы витамина РР. Биологическая роль ниацина (никотинамида): Входит в состав NAD+ и NADP+ дегидрогеназ и участвует в начальном этапе биологического окисления обеспечивавет слаженную работу антиоксидантных систем, содержащих сульфгидрильные группы (глутатион).

NAD+

Диэтиламид никотиновой кислоты – кордиамин – эффективный стимулятор центральной нервной системы.

кордиамин

Пиридоксин и пиридоксаль – различные формы витамина B6, предшественники кофермента пиридоксальфосфата, участвующего в процессах синтеза аминокислот из кетокислот путем трансаминирования.

Пиридиновые алкалоиды. Ядро пиридина и пиперидина входит в состав многих алкалоидов – никотина и анабазина (алкалоиды, содержащиеся в листьях табака; чрезвычайно токсичны, используются как инсектициды), атропина (содержится в растениях семейства пасленовых; высокотоксичен; применяется в медицине как средство, вызывающие расширение зрачка), кокаина (содержится в листьях коки; стимулирует и возбуждает нервную систему, известен как одно из первых местно анестезирующих и наркотических средств).

Гетероциклические соединения, содержащие конденсированные бензольный и пиридиновый циклы.

Хинолин Изохинолин

Биологически активные производные хинолина и изохинолина

8-Гидроксихинолин и его производные – 8-гидрокси-5-нитрохинолин (5-НОК) и 8-гидрокси-7-иод-5-хлорхинолин (энтеросептол) – обладают сильным бактерицидным действием и используются как противовоспалительные и антисептические средства.

Действие этих препаратов основано на образование прочных хелатных комплексов с ионами металлов. Таким образом происходит связывание микроэлементов, необходимых для жизнедеятельности бактерий.

Хинин - алкалоид коры хинного дерева, эффективное противомалярийное средство. Алкалоиды опия: морфин - сильнейшее болеутоляющее средство, наркотик; папаверин - спазмолитическе и сосудорасширяющее средство.

Производные пиримидина

Пиримидин – 6-членный ароматический гетероцикл с двумя атомами азота.

Ароматическая система пиримидина включает 6 p -электронов и подобна ароматической системе пиридина: т.е. каждый атом цикла, в том числе и оба атома азота, подают в ароматический секстет один р-электрон. Химические свойства пиримидина подобны свойствам пиридина. Пиримидин является более слабым основанием, чем пиридин, за счет электроноакцепторного влияния второго атома азота (=1,3). Снижение, по сравнению с пиридином, электронной плотности на атомах углерода кольца приводит к инертности пиримидина по отношению к электрофильным реагентам и окислителям. Реакции нуклеофильного замещении и восстановления в ядре пиримидина, напротив, протекают легче, чем в пиридине.

Биологически активные производные пиримидина

Важную биологическую роль играют гидрокси- и аминопроизводные пиримидина

Урацил, тимин и цитозин – нуклеиновые основания; входят в состав нуклеозидов, нуклеотидов, нуклеиновых кислот. Существуют в таутомерных оксо- и гидроксиформах, переходы между которыми осуществляются за счет миграции протона между кислородом и азотом кольца.

Наиболее стабильными являются оксо-форма для цитозина и диоксо-формы для урацила и тимина. Оксо-формы нуклеиновых оснований образуют прочные межмолекулярные водородные связи.

Ассоциация такого типа играет важную роль в формировании структуры ДНК. Барбитуровая кислота и ее производные – барбитураты (веронал, люминал) – снотворные и противосудорожные средства.

Тиамин (витамин В1) содержит два гетероцикла – пиримидин и тиазол. Тиамин является предшественником кофермента кокарбоксилазы, принимающего участие в декарбоксилировании a -кетокислот и синтезе кофермента А.

Производные пурина

Пурин – ароматическое гетероциклическое соединение, содержащее конденсированные пиримидиновый и имидазольный циклы.

Пурин, подобно имидазолу, существует в виде двух таутомерных форм. Более стабильной является форма с атомом водорода в положении 7.

Пурин является амфотерным соединением и образует соли с сильными кислотами (по атому азота имидазольного цикла) и щелочными металлами (по NH-группе).

Биологически активные производные пурина

Важную биологическую роль играют гидрокси- и аминопроизводные пурина. Аденин и гуанин - нуклеиновые основания; входят в состав нуклеозидов, нуклеотидов, в том числе нуклеотидных коферментов, нуклеиновых кислот.

Для аденина известны две таутомерные формы, являющиеся результатом миграции протона между атомами азота имидазольного цикла. У гуанина, кроме того, существуют таутомерные гидрокси- и оксоформы.

Продуктами метаболизма пуриновых оснований являются гипоксантин, ксантин.

Конечным продуктом метаболизма пуринов в организме является мочевая кислота, которая выделяется с мочой. Соли мочевой кислоты – ураты – откладываются в суставах при подагре, а также в виде почечных камней. In vitro аденин и гуанин могут быть превращены соответственно в гипоксантин и ксантин дезаминированием под действием азотистой кислоты.

Такие превращения пуриновых оснований в составе нуклеиновых кислот приводят к мутациям. Пуриновые алкалоиды – кофеин, теофиллин, теобромин – метилированные по азоту производные ксантина; содержатся в чае, кофе, какао-бобах.

Кофеин – эффективное средство, возбуждающее центральную нервную систему и стимулирующее работу сердца. Теофиллин и теобромин менее эффективны, однако обладают сильными мочегонными свойствами.

Фураны Представляет собой бесцветное масло, легко окисляется при стоянии.

Биологически активные производные фурана

Нитрофураны, обладает бактерицидными свойствами – фурацилин, фурадонин, фуразидин

фурфурол фурацилин Фурадонин