Органическая химия (стр. 21 )

     

  2-метилпиридин  3-метилпиридин  4-метилпиридин

  (α-пиколин)  (β-пиколин)  (γ-пиколин)

В пиридине атомы углерода и азота находятся в sp2 – гибридизованном состоянии, каждый из атомов вносит по одному  p - электрону в сопряженную систему, причем атом азота, как более электроотрицательный элемент в сравнении с углеродом, проявляет отрицательнеый мезомерный (-М) и отрицательный индуктивный (-I) эффекты.

Электроноакцепторное электронное влияние азота приводит к снижению электронной плотности в кольце гетероцикла, особенно в положениях атомов С-3 и С-5, что затрудняет взаимодействие с электрофильными реагентами. 

В тоже время, дефицит электронной плотности в кольце обеспечивает возможность взаимодействия пиридина с нуклеофильными реагентами, реакции протекают по типу замещения в положения атомов С-2, С-4, С-5.

Электрофильное замещение чрезвычайно затруднено и протекает при высокой температуре (250 - 300оС), в присутствии солей нитратов или сульфатов, олеума, катализаторов (металлы или галогениды металлов) и с очень низким выходом продукта реакции (5-30%):

       К реакциям нуклеофильного замещения относятся реакции амминирования (а) гидроксилирования (б) и алкилирования (в):

Способность пиридина вступать в реакции нуклеофильного замещения является отличительной чертой в сравнении с бензолом.

       Реакции окисления и восстановления. Пиридин, как и бензол, устойчив к действию сильных окислителей. Гомологи пиридина окисляются с образованием пиридинкарбоновых кислот, т. е. с сохранением пиридинового кольца. Таким способом получают в промышленности никотиновую кислоту, которая является витамином РР:

  никотиновая кислота

Пиридиновое кольцо гидрируется значительно легче, чем бензольное. Полное гидрирование пиридина  осуществляется каталитически в мягких условиях  (170 - 200оС) с образованием пиперидина. При более высокой температуре происходит раскрытие кольца  с образованием аминопентана, а воздействие  иодида водорода восстанавливает пиридин до пентана:

        Основные свойства. Неподеленная пара электронов атома азота в пиридине находится на sp2 - гибридной орбитали  и не учавствует в сопряжении, поэтому пиридин (в отличие от пиррольного азота) проявляет основные свойства при взаимодействии с сильными кислотами, образуя  кристаллические пиридиниевые соли, например, реакция с соляной кислотой:

  хлорид пиридиния

Хинолин и изохинолин  в большинстве химических превращений напоминают свойства пиридина. Реакции нуклеофильного замещения более характерны для гетероциклического кольца (б), а электрофильное замещение (а) протекает по бензольному кольцу.

Основные свойства (в) конденсированных гетероциклов менее выражены, чем в пиридине, что обусловлено электроноакцепторным влиянием бензольного кольца. 

Гетероциклическое кольцо более устойчиво к действию сильных окислителей, разрушение бензольного кольца в гетероцикле приводит к образованию пиридиндикарбоновых кислот. Ниже приведены указанные реакции на примере хинолина:

11.2.  Применение  шестичленных азотсодержащих  гетероциклов

и их производных

       Важным представителем производных пиримидина является барбитуровая кислота (2,4,6-тригидроксипиримидин). Некоторые производные барбитуровой кислоты (барбитураты), имеющие в положении  атома С-5 углеводородные заместители, используют в качестве анестезирующих,  снотворных и противосудорожных средств.        

Структура пиримидина и пурина входят в состав пиримидиновых (урацил, тимин, цитозин) и пуриновых (аденин и гуанин) оснований нуклеиновых кислот РНК (рибонуклеиновая кислота) и ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Нуклеиновые кислоты отличаются входящими в них гетероциклическими основаниями, так, урацил входит только в РНК, а тимин – только в ДНК.

       

2,4-дигидрокси  2,4-дигидрокси-  4-амино-2-гидрокси

  пиримидин  5-метилпиримидин  пиримидин

  (урацил)  (тимин)  (цитозин) 

     

  6-аминопурин  3-амино-6-гидроксипурин  барбитуровая

  (аденин)  (гуанин)  кислота

       

Пуриновые основания, в отличие от пиримидиновых оснований,  встречаются  в свободном виде в растительных и животных тканях. Гуанин, например, содержится в чешуе рыб (из которой его и выделяют) и придает ей характерный блеск. Аденин входит в состав некоторых природных антибиотиков.

Аденин  и гуанин в организме дезаминируются с образованием ксантина (2,6-диоксопурин), который далее окисляется до мочевой кислоты (2,6,8-триоксопурин).

Мочевая кислота - кристаллическое вещество, плохо растворимое в воде, содержится в небольших количествах в тканях и моче. Мочевая кислота образует соли - ураты, которые не растворимы в  воде. При некоторых заболеваниях, например при подагре и мочекаменной болезни, ураты вместе с мочевой кислотой откладываются в суставах и мочевыводящих путях.

Наиболее значимыми природными соединениями пурина являются метилированные  производные ксантина, обнаруженные в листьях чая, зернах кофе и шелухе какао бобов, в орехах кола:

   

  кофеин  теофиллин  теобромин

Кофеин (1,3,7-триметилксантин) -  хорошо растворяется только в горячей воде. Кофеин обладает мочегонным действием, активирует работу желудочно - кишечного тракта, а также обладает наркотическим эффектом при чрезмерном употреблении, так как он стимулирует образование новых рецепторов, возбуждающих центральную нервную систему. Кофеин усиливает действие алкоголя.

Теофиллин  хорошо растворяется в горячей воде, а  теобромин  мало растворим в воде, обладают мочегонным  и спазмолитическим действием.

Алкалоиды - это  азотсодержащие гетероциклические органические соединения растительного происхождения и обладающие сильным физиологическим действием. В растениях алкалоиды находятся в виде оснований или солей с минеральными кислотами (серная или соляная) или органическими кислотами (лимонная, яблочная, салициловая, уксусная и др.). Содержание алкалоидов в растениях от 0,1 – 2 % до 10 – 15 %. Их обнаруживают в листьях, плодах, семенах, корнеплодах, коре.

Известно более 1000 различных алкалоидов. Все алкалоиды в больших дозах являются ядами, а в малых дозах – это физиологически активные соединения.

Классификация основана на отнесении алкалоидов по характеру гетероциклического основания (8 групп), некоторые из них представлены ниже.

а) Производные пиридина и пиперидина:

   

  никотин  анабазин  кониин

Никотин – алкалоид разных видов табака, содержание  0,6–8 %, это бесцветная жидкость, почти не обладает запахом. Легко окисляется с образованием никотиновой кислоты. В малых дозах возбуждает нервную систему, повышает кровяное давление, является нервным ядом, летальная доза – 40 мг. Сульфат никотина применяют в сельском хозяйстве как инсектофунгицид контактного действия.

Анабазин – алкалоид ежовника безлистного, в небольших количествах содержится в листьях табака. Это бесцветная маслянистая жидкость, обладает высокой токсичностью,  из-за этого не применяется в медицине.

Кониин – это бесцветная маслянистая жидкость. Содержится в листьях болиголова, очень ядовит, вызывает паралич дыхательных путей.

б) Производные тропана:

       

  атропин  скаполамин  кокаин

Атропин – содержится в  корневище скополии кавказской, применяется в глазной практике как средство для расширения зрачка, а также как спазмолиттическое средство. Его токсическое действие проявляется в сильном возбуждении, возникновении галлюцинаций, бессознательная моторике.