Гетероциклические соединения
Общие сведения, распространение и значимость
К классу гетероциклов относят производные органических соединений, имеющих циклический скелет, в составе которого присутствуют атомы других элементов – так называемые гетероатомы.
Несмотря на то, что современная химия позволяет ввести в состав молекулярного цикла атом практически любого элемента периодической системы, наиболее распространены гетероциклы, содержащие в качестве гетероатомов элементы-неметаллы II и III периодов, в первую очередь, важнейшие элементы-органогены, такие как азот, кислород, сера, фосфор.
Гетероциклические соединения, как и карбоциклические, могут быть насыщенными и ненасыщенными.
Многие насыщенные гетероциклические соединения упоминались в предшествующих главах. В основном, мы сталкивались с циклическими вторичными аминами, такими как пиперидин и морфолин, ангидридами и лактамами – производными окси- и аминокислот.
Насыщенные гетероциклы по химическим свойствам почти не отличаются от аналогичных соединений с открытой цепью. Так, пиперидин и морфолин реагируют, в основном, как простые вторичные амины, хотя обладают повышенной основностью; бутиролактон и бутиролактам проявляют характерные свойства ангидрида и амида карбоновой кислоты, соответственно.
Причина не прекращающегося, и, более того, постоянно возрастающего интереса ученых к гетероциклическим соединениям кроется, в первую очередь, в их разносторонней биологической активности. Оценить значимость гетероциклов в современной биохимии и фармакологии можно хотя бы из того, что около 50% публикаций в научных журналах, посвященных этим областям знания, так или иначе с ними связаны.
Ароматические азотсодержащие гетероциклы широко распространены в природе; некоторые из них являются основой важнейших молекул, необходимых для существования живых организмов. Так, производные гетероциклической системы пиримидина (урацил, тимин, цитозин) и имидазопиримидина, сокращенно называемого пурином (аденин, цитозин), входят в состав ДНК – генетического аппарата всех живых существ.
Гетероциклические фрагменты входят в состав многих α-аминокислот – «кирпичей» макромолекул белка, например:
Необходимые для существования животных и растений соединения – гемоглобин и хлорофилл – тоже относятся к классу гетероциклов.
Производное гетероциклической системы порфирина (гем) является важнейшей частью биомолекулы гемоглобина, ответственной за перенос кислорода в организме как гомийотермных, так и пойкилотермных животных. Родственный ему гетероцикл хлорин представляет собой основу хлорофилла.
Хлорин и порфирин различаются тем, что первый имеет одну гидрированную связь в пиррольном ядре.
Способность хлорофилла и гемоглобина выступать в качестве «переносчиков газа» основана на возможности расширения координационного числа и изменении степени окисления атома металла в обеих молекулах. В обоих случаях полиядерная сопряженная гетероциклическая система является своего рода амортизатором, стабилизирующим положительный заряд на атоме металла.
Отметим, что структурное родство систем гема и хлорофилла (даже заместители похожи) наводит на мысль об их общем эволюционном происхождении.
Самые разнообразные системы гетероциклического ряда являются основой молекул витаминов.
Другим примером биологически важного гетероциклического соединения является молекула витамина B12 (цианокобаламина), представляющая собой производное гетеросистемы коррина. Как в случае гема и хлорофилла, катион Co2+ удерживается в хелатной лигандной системе, образованной ядром коррина, однако в данном случае в качестве дополнительных лигандов выступают цианид-анион и связанный белковой цепью бензимидазол.
Большое число производных гетероциклов применяется в качестве лекарственных средств. К ним относятся, например, разнообразные антибиотики, в том числе, ряда пенициллина, многие сульфаниламиды, анальгетики, транквилизаторы, противовирусные препараты и т. д.
Необходимо, разумеется, отметить простейшие производные 5-нитрофурфурола, которые в течение более чем ста лет широко применяются как антисептические средства.
Многие гетероциклические соединения являются сильными ядами, например, никотин и ЛСД. В небольшом количестве (активная доза от 50 мкг) ЛСД проявляет свойства галлюциногенного препарата, однако превышение допустимой дозы вызывает необратимые изменения в мозге и, соответственно, летальный исход.
Известно огромное количество природных окрашенных гетероциклических соединений, которые обусловливают окраску цветов, плодов, насекомых и т.д. На основе гетероциклов синтезировано большое количество важных в промышленном отношении красителей. К синтетическим относятся синий индиго (применяется, в частности, для окраски джинсовой ткани) и метиленовый синий (водорастворимый краситель, антисептик), красный тиоиндиго, комплексные нерастворимые фиолетовые пигменты – фталоцианины.
В растительном мире весьма распространены красители на основе производных бензопирана: флавоны, флавонолы и антоцианидины. Окраска этих соединений варьируется в широком интервале – от бледно-желтой до темно-фиолетовой.
Флавоны и флавонолы придают различные оттенки кремовой и желтой окраски цветов, плодовых деревьев, клевера; солевые формы антоцианидина обусловливает окраску ярких цветов (розы, лилии) и плодов (вишня, яблоки, клубника).
|
|
||
|
|
|
|
