Фізико-хімічні властивості та методи одержання піримідину

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Піримідин - гетероциклічна сполука, найпростіший представник 1,3-діазинів.

Рис. 1

Піримідин був відомий ще на початку минулого століття як продукт розщеплення сечової кислоти. Пізніше він набув самостійного значення і його роль в багатьох біологічних процесах, у створенні лікарських препаратів сильно зросла за останні десятиліття. Піримідин (грец. pyr -- вогонь) (1,3-діазин, м-діазин) - шестичленний гетероцикл з двома атомами Нітрогену, що розміщені у ядрі в 1- і 3-положеннях. Його похідні входять до складу нуклеїнових кислот, які беруть участь у процесах синтезу білка в організмі (програмують цей синтез) і відповідають таким чином за передачу спадкових ознак.

1. Методи одержання

Піримідин і його похідні найчастіше одержують конденсацією сечовини або тіосечовини з 1,3- дикарбонільними сполуками. Так при взаємодії малонового естеру із сечовиною в присутності натрій етоксиду утворюється похідна піримідину - барбітурова кислота, що існує в оксо- та гідроксиформі. Завдяки енольній (лактимній) формі барбітурова кислота реагує з :

Таким чином, похідні піримідину одержують конденсацією 1,3-діоксосполук з речовинами, що містять дві аміно- або іміногрупи при одному атомі вуглецю (сечовина, гуанідин або амідини) з наступним галогенуванням і відновленням барбітурової кислоти.

Піримідин частіше одержують синтетично:

Конденсація дикетонів з гуанідином

2. Фізичні властивості

Піримідин являє собою безбарвні кристали зі специфічним запахом, які добре розчинні у воді, етанолі, діетиловому етері, хлороформі. Погано розчиняються в рідких вуглеводнях. Для нього характерна висока температура кипіння, яка становить 124?С, і низька температура топлення - 21?С, густина 1,016 г/мл. Піримідин стійкий до холодних розчинів лугів, повільно розкладається в киплячому 1М розчині NaOH. Піримідиновий цикл входить до складу тиміну, цитозину, урацилу, які містяться в нуклеїнових кислотах.

3. Хімічні властивості

Піримідинове кільце утворює чотири атоми Карбону і два атоми Нітрогену - всі в стані spІ-гібридизації. Оскільки spІ-гібридизація для кожного з цих атомів характеризується розміщенням трьох валентних зв'язків атома в одній площині, можна зробити висновок, що молекула піримідину має площинну будову. Спряжена кільцева система з шести -електронів, при плоскій будові молекули забезпечують високу ароматичність піримідину. Розподіл електронної густини в піримідині ще більше нерівномірний ніж в піридині. Тут спостерігається сильне накладання мезомерного та індукційного ефектів. Введення другого атома Нітрогену в цикл обумовлює залучення в сферу впливу індукційного ефекту більшого числа атомів Карбону. Однак при цьому діють фактори, які посилюють вплив і мезомерного ефекту. Таким фактором, наприклад, є те що атоми Нітрогену в молекулі розміщені в 1,3-положеннях, що веде до збільшення ступеня ймовірності резонансних структур з відповідним розподілом електронних зарядів.

Взаємодія неподілених електронних пар атома Нітрогену з - електронами в ароматичній системі призводить до зменшення основності атомів Нітрогену в піримідині. Так, якщо для п'ятичленного аналога піримідину - імідазолу дорівнює 7,0, то для самого піримідину дорівнює 1,3, а для піридину 5,2. Зіставивши наведені величині можна зробити висновок про пониження основності гетероциклів при переході від п'ятичленних до шестичленних нітрогеновмісних циклів зі збільшенням числа атомів Нітрогену.

Отже піримідин, вважається ароматичною сполукою зі спряженою системою зв'язків, близько до піридину. Наявність у молекулі гетероциклу двох атомів Нітрогену значною мірою знижує електронну густину на атомах Карбону. Це зумовлює зменшення здатності піримідину до реакцій електрофільного заміщення (наприклад, галогенування, оксиметилювання тощо) і підвищення активності в реакціях нуклеофільного заміщення (введення в ядро різних функціональних груп). Піримідин реагує за механізмом електрофільного заміщення у положення 5, а в реакціях нуклеофільного заміщення в положення 2, 4, 6.

У складі нуклеїнових кислот піримідин міститься у вигляді гідрокси- та амінопохідних, що називаються піримідиновими основами. Це насамперед урацил, тимін і цитозин. Зупинимось на деяких типових реакціях піримідину.

Електрофільне заміщення.

Через електроно-акцепторний вплив двох атомів Нітрогену піримідин практично не вступає в реакції електрофільного заміщення. Але якщо піримідиновий цикл активований одним або кількома електронодонорними замісниками (, тощо), можливі реакції електрофільного заміщення (нітрування, галогенування, сульфування, нітрозування) переважно в положення 5.

1) Нітрування.

2) Бромування.

Нуклеофільне заміщення.

Нуклеофільні реагенти атакують у молекулах піримідину та його похідних електронодефіцитні положення 2,4 та 6. Так, при взаємодії 4-метилпіримідину з натрій амідом у середовищу рідкого аміаку утворюються моно- і діамінопохідні піримідину:

4. Основні властивості

Основні властивості піримідину та його похідних виражені слабко, незважаючи на наявність у молекулі двох основних центрів, у реакціях з мінеральними кислотами він утворює солі за участі лише одного атома Нітрогену:

5. Похідні піримідину

До похідних піримідину належать урацил, тимін і цитозин - піримідинові основи, які входять до складу РНК і ДНК, що відіграють важливу роль в процесі синтезу білка і передачі генетичної інформації.

Серед похідних піримідину важливу біологічну роль відіграють гідрокси- і амінопіримідини. Вони входять до складу нуклеїнових кислот, вітамінів, антибіотиків, лікарських препаратів т. ін.

Цитозин.

Цитозин -- одна з 5 основних азотистих основ, що використовується в зберіганні і транспортуванні генетичної інформації в межах клітини як складова частина нуклеїнових кислот (ДНК і РНК). Це похідна піримідину, з гетероциклічним ароматичним кільцем і двома замісниками: аміногрупою в 4 положенні і кето-групою в 2 положенні. Нуклеозид цитозину називається цитидином. У нуклеїнових кислотах цитозин формує три водневі зв'язки із гуаніном. Цитозин (2-окси-6-амінопіримідин) - кристалічна речовина білого кольору, погано розчиняється у воді, краще - в органічних розчинниках, плавиться при 320-325?С. Цитозин - амфотерна сполука. Інтенсивно поглинає УФ-випромінювання.

Урацил.

Урацил (2,4-діоксипіримідин) -- піримідинова азотиста основа, що є компонентом рибонуклеїнової кислоти (РНК) і, як правило, відсутнія в дезоксирибонуклеїновій кислоті (ДНК), входить до складу нуклеотиду уридину. Урацил (2,6-діоксипіримідин ) - безбарвна кристалічна речовина, мало розчинна у воді, плавиться при 335?С ( з розкладом ). Також інтенсивно поглинає УФ-випромінювання в області 227-284 нм.

Внаслідок лактимно-лактамної таутомерії молекула урацилу знаходиться у вигляді двох структур: лактимної і лактамної. Для лактамної форми характернее існування також форми ??? у вигляді цвітер-іона завдяки, як вважають, мезомерномузаміщенню електронної густини. Це надає в цілому лактамній формі ароматичні властивості:

Тимін.

Тимін - також відомий як 5-метилурацил, піримідинова азотиста основа. Як пропонує альтернативна назва, тимін може бути отриманих за рахунок метилування 5-го атома вуглецю урацилу. В живих організмах тимін входить до складу дезоксинуклеїнової кислоти (ДНК). В РНК тимін у більшості випадків замінюється на урацил. У ДНК, тимін (T) зв'язується з аденіном за допомогою двох водневих зв'язків, допомагаючи стабілізації структури нуклеїнової кислоти.

Тимін, зв'язаний з дезоксирибозою, утворює нуклеозид дезокситимідин (звичайно синонім терміну -- тимідин). Тимідин може бути фосфорильований одним, двома або трьома фосфатними групами, утворюючи, відповідно, ТМФ (TMP), ТДФ (TDP) і ТТФ (TTP) -- (тимідин- моно- ді- і трифосфат).

Одна із загальних мутацій ДНК залучає створення зв'язків між двома сусідніми тимінами або цитозинами під дією ультрафіолетового світла, створюючи петлі з ланцюжків ДНК, що запобігають нормальному функціонуванню генетичного апарату. Тимін (2,4-діокси-5-метилпіримідин, або 5-метилурацил) - біла кристалічна речовина, погано розчинна у воді, краще - в багатьох органічних розчинниках, при підлужуванні його розчинність зростає, плавиться при 320?С ( з розкладом). Як і попередня сполука інтенсивно поглинає УФ-випромінювання в тій самій області.

Барбітурова кислота.

Барбітурова кислота (2,4,6-тригідроксипіримідин) - безбарвна кристалічна речовина (т. пл. 245?С), малорозчинна у воді та етиловому спирті, добре розчиняється в діетиловому етері. Барбітурова кислота в 5-6 разів сильніша за оцтову. 5-Монозаміщені кислоти барбітурової також досить сильні (напр. 5-етилбарбітурова кислота), а 5,5-дизаміщені (наприклад 5,5-діетилбарбітурова кислота) -- дуже слабкі кислоти, слабші за карбонатну кислоту.

Барбітурову кислоту добувають конденсацією сечовини з малоновим естером. Тому її можна розглядати як циклічний уреїдмалонової кислоти. Барбітурова кислота - таутомерна сполука, в якій одночасно виявляють два види таутомерії - кето-енольну і лактам-лактимну.

Внаслідок спільного виявлення кето-енольної і лактам-лактимної таутомерії барбітурова кислота існує у двох таутомерних формах -- триоксоформі і тригідроксиформі. За допомогою рентгеноструктурного аналізу встановлено, що переважним таутомером є триоксоформа.

Похідні барбітурової кислоти - веронал ілюмінал:

На сьогоднішній день ці, доволі токсичні снодійні препарати витіснені більш ефективними і не шкідливими препаратами такої самої дії.

Загалом піримідинові основи знаходяться головним чином у формі лактаму. У клітинах організму вони знаходяться у вигляді N-глікозидів рибози або дезоксирибози. До піримідинових похідних відносяться також високоефективні сульфамідні препарати - сульфізин, сульфадимезин, вітамін.

Вітамін (тіамін). Містить у своїй структурі два гетероциклічні кільця - піримідинове і тіазольне, зв'язані групу через метиленову.

Добутий з природних джерел або синтетично, вітамін -- це заміщена амонієва сіль. Вітамін міститься в дріжджах, пшеничному хлібі, квасолі, горосі, сої, менше - у картоплі, моркві, капусті. При нестачі вітаміну в організмі розвивається захворювання бері-бері, яке набуло поширення в країнах Азії та Індокитаю, де основний продукт харчування - очищений рис.

Вітамін - безбарвна кристалічна речовина, добре розчиняється у воді. Водні розчини тіаміну в кислому середовищі витримують нагрівання до високих температур без зниження біологічної активності. У нейтральному і лужному середовищах вітамін при нагріванні швидко руйнується.

У тканинах тварин вільний вітамін міститься в невеликих кількостях. Фізіологічно активною формою вітамін у живих організмах є кофермент кокарбоксилаза (тіаміндифосфат), що входить до складу ферментів, які беруть участь у процесах вуглеводного обміну.

Оротова кислота міститься у тваринних тканинах і рослинах. Особливо багаті нею дріжджі, печінка і молоко. Вона є попередником у біосинтезі піримідинових основ - урацилу, цитозину і тиміну. У вигляді калієвої солі (калій орорату) оротова кислота використовується у медицині як стимулятор обмінних процесів при захворюваннях серця, печінки, жовчних шляхів тощо.

Висновок

Отже, піримідин - шестичленний гетероцикл з двома атомами Нітрогену, що розміщені у ядрі в м-положеннях. Його похідні входять до складу нуклеїнових кислот, які беруть участь у процесах синтезу білка в організмі. Піримідин і його похідні найчастіше одержують конденсацією сечовини або тіосечовини з 1,3-дикарбонільними сполуками. Піримідин являє собою безбарвні кристали зі специфічним запахом, які добре розчинні у воді, етанолі, діетиловому етері, хлороформі. Погано розчиняються в рідких вуглеводнях. Наявність у молекулі гетероциклу двох атомів Нітрогену значною мірою знижує електронну густину на атомах Карбону. Це зумовлює зменшення здатності піримідину до реакцій електрофільного і підвищення активності в реакціях нуклеофільного заміщення.

піримідин гетероциклічний електрофільний дикарбонільний

Список літератури

1. Ю.О. Ластухін, С.А. Воронов. Органічна хімія. Підручник для вищих навчальних закладів. - Львів: Центр Європи, 2010. - 864с.

2. Черних В.П., Зіменковський Б.С., Гриценко І.С. Органічна хімія: Підруч. для студ. вищ. навч. закл. / За заг. ред. В. П. Черних. - 2-ге вид., випр. і доп. - Х: Вид-во НФаУ; Оригінал, 2008. - 752с.

3. Иваский В.И. Химия гетероциклических соединений: Учеб. пособие для ун-тов. - М.: Высш. школа, 1978. - 559с.

4. Кононський О.І. Органічна хімія. Підручник - К.: Дакор., 2003. - 568с

5. Чирва В.Я., Ярмолюк С.М., Толкачова Н.В., Земляков О.Є. Органічна хімія: Підручник. - Львів: БаК, 2009. - 996с.

6. Блике Ф., в сб.: Гетероциклические соединения, под ред. Р. Эльдерфилда, пер. с англ., т. 1, М., 1953.

7. Беленький Л.И., Гультяй В.П., «Химия гетероциклических соединений», 1981, № 6, с. 723--43.

Размещено на Allbest.ru