Гетероциклические соединения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Гетероциклические соединения



Циклические соединения, в состав которых кроме атомов углерода и водорода входят другие, так называемые гетероатомы - N, O, S, P, Se называются гетероциклическими соединениями. По программе курса мы рассматриваем синтез и реакционную способность наиболее важных гетероциклов, содержащих атомы N, O, S (пятичленные, шестичленные и некоторые конденсированные гетероциклы).

Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом (ГА)

Номенклатура

пиррол электрофильный биологический азотсодержащий

Строение

Все три цикла относятся к ароматическим. Атомы углерода, азота, кислорода, серы находятся в sp²-гибридизации, ароматический секстет электронов составлен из 4р-з_ат.С и 2р-з_ГА (см. также тему “Арены, критерии ароматичности”). Ароматические системы этих гетероциклов относятся к -избыточным, т.к. на 5 атомов цикла приходится 6р-з. Аналогично устроены молекулы фурана и тиофена.

Реакционная способность

Являясь ароматическими системами, пятичленные гетероциклы вступают преимущественно в реакции электрофильного замещения в специальных условиях. Их реакционная способность значительно выше реакционной способности бензола, для реакций требуются более мягкие реагенты. Примерный ряд изменения реакционной способности коррелируются с электроотрицательностью гетероатома (чем выше эта величина, тем выше реакционная способность гетероцикла).



Пиррол

Пиррол представляет собой бесцветное масло, легко окисляющееся при стоянии. Для производных пиррола характерно красное окрашивание сосновой палочки, смоченной конц. соляной кислотой.

Методы получения

Реакционная способность

Для пиррола характерны реакции электрофильного замещения, S_EAr, протекающие в особых условиях и преимущественно по -положению. Пиррол проявляет также свойства NH-кислоты.

I. Кислотно-осномвные свойства пиррола

Пиррол является слабой NH-кислотой, рКа _N-H 3.8, и способен реагировать со щелочными металлами и сильными основаниями.



Пирролат калия используют для получения 1- и 2-алкилпирролов по следующей схеме:

Осномвные свойства атома азота пиррола практически отсутствуют за счет включения его неподеленной пары электронов в ароматический секстет, но пиррол способен протонироваться по положениям 1,2,3, образующиеся при этом катионы после разрыва С-С и С-N-связей далее полимеризуются. Это свойство разрушаться под действием минеральных кислот называется ацидофобностью. Следствием ацидофобности является недопустимость ведения реакций пиррола в кислой среде.

II. Реакции электрофильного замещения, S_EAr

Молекула пиррола поляризована в сторону более электроотрицательного атома азота. Из двух возможных у-комплексов (б или в), образующихся после атаки электрофила, более устойчивым является б-,у-комплекс, и реакции идут преимущественно по -положению (если это положение занято, то по или ).

1. Нитрование

При нитровании пиррола не используют нитрующую смесь или азотную кислоту вследствии его ацидофобности, применяют мягкий нитрующий агент - ацетилнитрат, который получают из азотной кислоты и уксусного ангидрида.

2. Сульфирование

Сульфирование пиррола проводят с помощью пиридин-сульфотриоксида (получение в теме «Пиридин»), серную кислоту нельзя использовать. На первом этапе образуется соль 2-пирролсульфокислоты и пиридина, который является третичным амином. Далее действуют более сильным основанием - гидроксидом бария и получают бариевую соль 2-пирролсульфокислоты. Сульфокислоты пиррольного ряда нестабильны и их выделяют в виде бариевых солей.



3. Галоидирование

Для моногалоидирования используют диоксан-бромид и хлористый сульфурил, эти же реагенты применяют для моногалоидирования фенола. Бромирование бромом приводит к тетрабромпроизводному.

4. Формилирование, ацетилирование

Формилирование - введение формильной группы (СНО) и ацетилирование относятся к реакциям ацилирования. Они позволяют ввести карбонильную группу, которую можно легко модифицировать.

а) Реакция Вильмейера-Хаака

В этой реакции в качестве донора формильной группы используют диметилформамид.

б) Ацетилирование

III. Гидрирование пиррола

При гидрировании пиррола получают насыщенный азотсодержащий гетероцикл - пирролидин, он является циклическим вторичным амином. Этот гетероцикл входит в состав алкалоида никотина (см. тему «Алкалоиды»).



Биологические свойства производных пиррола

Пиррол является родоначальником обширного класса соединений, относящихся к порфиринам, - это гемоглобин, хлорофилл, билирубин (красящее вещество желчи). В живой клетке эти пигменты синтезируются из порфобилиногена, участвующего в процессе основного метаболизма.

К биологически важным конденсированным производным пиррола относится бензо[b]пиррол - индол. Существует обширная химия производных индола. Ниже приводятся некоторые биогенные его производные.



Фуран

Представляет собой бесцветное масло, легко окисляется при стоянии. Для фурана и его производных характерно зеленое окрашивание сосновых палочек, смоченных конц. соляной кислотой.

Методы получения

Реакционная способность

Фуран вступает в реакции электрофильного замещения S_EAr преимущественно по б-положению (аналогично пирролу). Фуран, как и пиррол ацидофобен.

1. Нитрование



2. Сульфирование

Сульфокислоты фуранового ряда также неустойчивы, как и кислоты ряда пиррола, поэтому их выделяют в виде солей.

3. Галоидирование

Галоидирование хлором протекает через промежуточное соединение - продукт 1,4-присоединения хлора с дальнейшим отщеплением 2-х молей хлористого водорода.

4. Формилирование, ацетилирование

Формилирование фурана проводится с помощью цианистого водорода в присутствии хлористого водорода, образующийся промежуточный имин гидролизуют.

Механизм формилирования, S_EAr

5. Гидрирование

При гидрировании фурана получают насыщенный кислородсодержащий гетероцикл - тетагидрофуран, соединение относится к простым циклическим эфирам и используется в качестве растворителя в органическом синтезе.

Биологически активные производные фурана (структура и синтез)

Фурациллин



Фурациллин - кристаллическое вещество ярко желтого цвета, ограниченно растворимое в горячей воде, обладает бактерицидными свойствами. Существует ряд производных нитрофурана, обладающих выраженными бактерицидными свойствами (фурадонин, фуразидин (фурогин, фуромаг)).

Фурадонин

Фурадонин задерживает развитие микроорганизмов, устойчивых к действию сульфаниламидов и антибиотиков.

Фуросемид



Фуросемид является диуретиком (снижает артериальное давление, уменьшает отеки). Применяется при лечении сердечно-сосудистых заболеваний, цирроза печени, отека легких, гипертонии.

Тиофен

Тиофен представляет собой маслянистую жидкость, устойчивую при стоянии.

Методы получения

Реакционная способность

Тиофен вступает в реакции электрофильного замещения S_EAr. Он наименее реакционноспособен, по сравнению с пирролом и фураном, не ацидофобен. Реакции идут преимущественно в -положение тиофенового цикла. Тиофен можно нитровать и сульфировать соответствующими кислотами.

1. Нитрование

2. Галоидирование



Обратите внимание, что бромирование тиофена идет в бензоле, который менее реакционноспособен и выступает в роли растворителя.

3. Сульфирование

Данную реакцию используют для очистки бензола от примесей тиофена (при встряхивании бензола с концентрированной серной кислотой образуется -тиофенсульфокислота, которая растворяется в серной кислоте).

4. Гидрирование

При гидрировании тиофена образуется насыщенный серусодержащий гетероцикл - тиофан, он является циклическим сульфидом. Этот гетероцикл входит в состав витамина Н.

Биологически активные производные тиофена

Типепидин, 3-(ди-2-тиенилметилен)-1-метилпиперидин



Соединение обладает тиреоидным действием (биорегулирующее влияние на щитовидную железу).

Эпросартан, (Е)--[[2-бутил-1-[4-карбоксифенил)метил]-1Н-имидазол-5-ил] метилен]-2-тиофенпропановая кислота

Соединение обладает антигипертензивным действием (лечение гипертонии).

Пирантел, (Е)-1,4,5,6-тетрагидро-1-метил-2-[2-(2-тиенил)этенил]пиримидин), в виде тартрата - соли D-винной кислоты по вторичному и третичному атомам азота тетрагидропиримидинового цикла, обладает антигельминтным действием.



Пятичленные азотсодержащие гетероциклы с двумя гетероатомами

Общее название в зависимости от расположения гетероатомов - 1,2-азолы и 1,3-азолы.

1,2-Азолы

1,3-Азолы

В данном курсе не рассматриваются методы синтеза 1,2- и 1,3-азолов. Реакционная способность описывается только для наиболее важных, с точки зрения фармации, гетероциклов - пиразола и имидазола.

Строение пиразола и имидазола

Пиразол и имидазол относятся к ароматическим соединениям. Атом азота, имеющий протон, предоставляет свою НПЭ в ароматический секстет. Этот атом азота называется пиррольным. Второй атом азота, его называют пиридиновым, отдает только один р-з, его НПЭ расположена на sp²-гибридных орбиталях и обуславливает осномвные свойства обоих гетероциклов. Таким образом, ароматический секстет этих гетероциклов состоит из 3-х р-з атомов углерода, 2-х р-з НПЭ атома азота и одного р-з атома азота пиридинового типа.



Прототропная таутомерия производных пиразола и имидазола

Нумерация в циклах производится от пиррольного атома азота.

Реакционная способность

1. Кислотно-осномвные свойства

Имидазол и пиразол являются амфотерными соединениями, проявляя осномвные и NH-кислотные свойства. Из-за взаимного акцепторного влияния атомов азота, расположенных рядом, основность пиразола на четыре порядка меньше основности имидазола.



2. Реакции электрофильного замещения, S_EAr

Реакции электрофильного замещения, S_EAr протекают с трудом в жестких условиях (сравните с реакционной способностью гетероциклов с одним гетероатомом), в 10¹⁰ раз медленнее бензола. Причиной является протонирование в кислых условиях осномвного (пиридинового) атома азота и трудности при образовании двухзарядного -комплекса. Реакции идут преимущественно в положение 4 для пиразола и положение 5(4) для имидазола.

Примеры реакций



Строение и синтез лекарственных средств на основе пиразолона-3

Таутомерия

Антипирин, амидопирин, анальгин и бутадион относят к ненаркотическим анальгетикам. Антипирин, амидопирин, анальгин оказывают общее действие на организм человека в качестве жаропонижающих и обезболивающих средств, бутадион применяют в качестве анальгетика при болях в суставах. Растворимость анальгина в водных средах значительно выше растворимости антипирина и амидопирина из-за наличия в его структуре группировки SO₃Na, в результате чего улучшается всасываемость анальгина и ускоряется его действие в качестве анальгетика. Ниже приведены схемы синтеза антипирина, амидопирина, анальгина и бутадиона.

Синтез антипирина и амидопирина



Синтез анальгина

Синтез бутадиона

Некоторые другие биологически активные производные пятичленных гетероциклов, содержащих два гетероатома

Пенициллин G, 3,3-диметил-7-оксо-6-[(2-фенилацетил)амино]-4-тиа-1-азабицикло[3.2.0]гептан-2-карбоновая кислота

Оксициллин, 3,3-диметил-7-оксо-6-[(2-феноксиацетил)амино]-4-тиа-1-азабицикло[3.2.0]гептан-2-карбоновая кислота

Ампициллин, 6-[(2-амино-2-фенилацетил)амино]-3,3-диметил-7-оксо-4-тиа-1-азабицикло[3.2.0]гептан-2-карбоновая кислота

Пенициллины являются -лактамами пенициллоиновых кислот и обладают выраженной бактерицидной активностью. -Лактамный цикл относится к четырехчленным и следовательно нестабилен, при нагревании раскрывается, и пенициллины превращаются в производные пенициллоиновых кислот (пятичленные и шестичленные г- и д-лактамы относительно устойчивы). С учетом термической нестабильности пенициллинов разработаны специальные методы их выделения из культуральных сред, например, лиофильная сушка (удаление воды при пониженном давлении без нагревания).

Шестичленные гетероциклы с одним атомом азота

В данном курсе будут рассмотрены методы получения, строения и реакционная способность пиридина и хинолина.

Пиридин

Бесцветная жидкость с сильным неприятным запахом. При стоянии окисляется, желтеет.

Синтез пиридина

1) Из каменноугольной смолы;

2) По реакции Чичибабина:



Строение пиридина.

Пиридин относится к ароматическим соединениям, ароматический секстет которого состоит из 5р-з атомов углерода и 1р-з атома азота, НПЭ атома азота находится на sp²-гибридной орбитали и не участвует в образовании секстета, что обуславливает наличие осномвных свойств пиридина.

Распределение электронов в атоме азота пиридина:

За счет большей электроотрицательности атома азота по сравнению с атомом углерода, электронная плотность р-з в пиридине стянута к атому азота, поэтому ароматическая система пиридина называется -дефицитной.

Реакционная способность пиридина

Пиридин проявляет свойства третичного амина, вступает в реакции электрофильного замещения (-положение) и реакции нуклеофильного замещения (()-положение).

I. Осномвные и нуклеофильные свойства

Пиридин относится к очень слабым основаниям, К_b 10^-9 и слабым нуклеофилам. Причиной является электронное строение атома азота (sp²): из-за бомльшей доли s-орбитали (по сравнению с sp³-гибридизацией) НПЭ атома азота находится достаточно близко к ядру, что снижает возможности атома азота предоставлять эту пару при образовании солей и проявлении нуклеофильных свойств. Тем не менее пиридин легко образует соли с минеральными и органическими кислотами, алкилируется и ацилируется.

II. Реакции электрофильного замещения

Реакции электрофильного замещения идут с трудом в очень жестких условиях в положение () (аналогия с пиразолом и имидазолом).



Механизм реакций, S_EAr

Реакция идет через образование соли из пиридина с реагентом (при сульфировании) или с катализатором (при нитровании и бромировании), а затем двухзарядного -комплекса.

III. Реакции нуклеофильного замещения

Реакции нуклеофильного замещения не были характерны для бензола и его гомологов. Введение в ароматическое ядро атома азота приводит к его обеднению электронами и, как следствие, появлению реакций нуклеофильного замещения. Но электороноакцепторные свойства атома азота недостаточно велики, поэтому реакции идут в жестких условиях в ()-положение.



IV. Восстановление (гидрирование)

При восстановлении пиридина в зависимости от природы восстановителя получают циклические вторичные амины, содержащие в 3-ем положении двойную связь - пиперидеины-3, либо полностью насыщенные - пиперидины.



Пиперидин имеет кресловидную конформацию, атом азота находится в sp³-гибридизации, и пиперидин является более сильным основанием (К_b 10^-3), чем пиридин. Для пиперидина характерны свойства, аналогичные свойствам вторичных алифатических аминов. Пиперидин входит в состав природных соединений, например - алкалоиды конин и анабазин.

Биологически активные производные пиридина и пиперидина

1.Гомологи пиридина, пиридинкарбоновые кислоты и их производные.

Витамины В₆ (катализаторы азотистого обмена)



Описание синтезов некоторых производных пиридина



Хинолин

Хинолин является конденсированным производным пиридина. По агрегатному состоянию - бесцветная жидкость с резким сладковатым запахом, легко окисляется.



Синтез хинолина (по Скраупу)

Для синтеза используют анилин и глицерин в присутствии концентрированной серной кислоты, растворителем является нитробензол, последний выполняет также роль дегидрирующего агента на заключительной стадии синтеза. На первой стадии из глицерина под действием концентрированной серной кислоты образуется акролеин, к которому происходит присоединение анилина с последущей циклизацией и выделением воды. Промежуточный 1,2-дигидрохинолин дегидрируется с помощью нитробензола, который превращается в анилин.

Реакционная способность

Аналогично пиридину хинолин проявляет свойства третичного амина (образует соли, четвертичные соли), а также вступает в реакции электрофильного и нуклеофильного замещения.

I. Реакции электрофильного замещения, S_EAr

Если реакции идут в кислой среде пиридиновый фрагмент молекулы за счет протонирования становится труднодоступным для атаки электрофила (Е⁺), поэтому Е⁺ атакует бензольный фрагмент молекулы, и реакции идут по положениям 5 и 8 (в этом случае резонансный гибрид энергетически более выгоден). При отсутствии кислоты электрофильные реакции идут по положению 3. Хинолин более реакционноспособен, чем пиридин, но значительно уступает нафталину.

II. Реакции нуклеофильного замещения, S_NAr

Биологически активные производные хинолина



Хинозол, нитроксилин, энтеросептол являются антисептиками при инфекционных заболеваниях желудочно-кишечного тракта.

Шестичленные гетероциклы с двумя атомами азота

В данном курсе не рассматриваются методы получения и реакционная способность этих гетероциклов. Описывается только строение пиримидиновых оснований, входящих в состав РНК и ДНК, и витамин В₁.

Пиримидины являются ароматическими соединениями, оба атома азота носят пиридиновый характер. Пиримидины - очень слабые основания (слабее пиридина), вступают в реакции электрофильного и нуклеофильного замещения в более жестких условиях, чем пиридин. Ниже приведены формулы наиболее важных производных пиримидина.

Пиримидиновые основания, входящие в состав ДНК и РНК и витаминВ₁

Для пиримидиновых оснований характерна лактим-лактамная таутомерия, при этом равновесие сильно сдвинуто вправо, т.к. лактамная форма более стабильна. В состав нуклеозидов и нуклеотидов пиримидиновые основания входят в виде лактамной формы.



Витамин В₁

Витамин В₁ является водорастворимым витамином, участвует в углеводном обмене.

Конденсированные гетероциклы с четырьмя атомами азота - пурины

Пурин является ароматическим соединением (10 р-з, три атома азота - пиридиновые, один атом азота - пиррольный), очень слабое основание, NH-кислота. Для пурина характерны две таутомерные формы - 9Н- и 7Н-пурины. Методы получения и реакционная способность пурина не рассматриваются. Описывается строение пуриновых оснований (РНК, ДНК), пуриновых алкалоидов и мочевой кислоты, а также их качественные реакции.



Пуриновые основания

Аденин и гуанин (в виде лактама) входят в состав ДНК и РНК.

Метаболиты РНК

Пуриновые алкалоиды

Пуриновые алкалоиды - теофиллин, теобромин и кофеин, относятся к производным 7Н-ксантина. Качественной реакцией на производные 7Н-ксантина является образование окрашенных солей Со⁺² серо-голубого и розового цвета.

Теофиллин (теоцин)

1,3-диметилксантин, алкалоид листьев чая.



Теобромин

3,7-диметилксантин, алкалоид бобов какао.

Кофеин

1,3,7-триметилксантин, алкалоид листьев чая и зерен кофе, солей Со⁺² не образует, так как отсутствуют подвижные атомы водорода.

Все приведенные выше алкалоиды являются стимуляторами центральной нервной системы, как и мочевая кислота - конечный продукт расщепления нуклеиновых кислот и первое гетероциклическое соединение, полученное в индивидуальном виде Шееле в 1776 г. Соли мочевой кислоты - ураты входят в состав мочевых камней человека.



Для мочевой кислоты характерна лактим-лактамная таутомерия, образование солей идет по гидроксильной группе лактимной формы.

Мурексидная проба - качественная реакция для ксантинов и мочевой кислоты.

Нуклеиновые кислоты (НК)

НК - макромолекулы кислотного характера, содержащиеся в ядрах клетки. Отвечают за наследственные признаки, осуществляют контроль за синтезом белка. Представляют собой белые волокнистые осадки, гидролиз которых дает пуриновые (пиримидиновые) основания, рибозу (дезоксирибозу) и фосфорную кислоту.

Условия гидролиза:

- кислотный, мягкий - 1н HCl, 100⁰С, 1 час;

- кислотный, жесткий - 70% HClO₄, 100⁰С, 1 час;

- щелочной - 0,3н, КОН, 37⁰С, 20 ч.

Общая схема гидролитического расщепления НК:

НК нуклеотиды нуклеозиды + H₃PO₄ В + пентоза

В - пуриновые и пиримидиновые основания:

В состав нуклеиновых кислот входят фрагменты следующих соединений:

1. Пентозы

2. H₃PO₄ - фосфорная кислота

3. Пиримидиновые и пуриновые основания - цитозин, урацил, тимин, аденин, гуанин.

Нуклеозиды - фрагмент РНК, ДНК, состоящий из пуринового (пиримидинового) основания и соответствующей пентозы, относятся к N-гликозидам.

Рибонуклеозиды (названия): уридин (U)

цитидин (C)

аденозин (A)

гуанозин (G)

Общая формула

Пример - уридин (U)

2- Дезоксирибонуклеозиды (названия): 2- дезокситимидин (dT)

2- дезоксицитидин (dC)

2- дезоксиаденозин (dA)

2- дезоксигуанозин (dG)

Общая формула



Пример - 2- дезоксиаденозин (dA)

Нуклеотиды - это фосфаты нуклеозидов. В состав НК входят 3 и 5-монофосфаты.

Для обозначения фосфатов вводится малая латинская буква - р. Для 5-фосфатов “р” ставится до буквы, обозначающей нуклеозид. Для 3-фосфатов “р” ставится после буквы, обозначающей нуклеозид.

Рибонуклеотиды

1. Рибонуклеозид-5-монофосфат

Общая формула

Пример - цитозин-5-монофосфат (рС)



По аналогии: уридин-5-монофосфат (pU)

аденозин-5-монофосфат (pA)

гуанозин-5-монофосфат (pG)

2. Рибонуклеозид-3-монофосфат

Общая формула

По аналогии с описанным выше: цитидин-3-монофосфат (Cp)

уридин-3-монофосфат (Up)

аденозин-3-монофосфат (Ap)

гуанозин-3-монофосфат (Gp)

2 м-Дезоксирибонуклеотиды

1. 2 м-Дезоксирибонуклеозид-5-монофосфат

Общая формула



2-дезокситимидин-5-монофосфат (pdT)

2-дезоксицитидин-5-монофосфат (pdC)

2-дезоксиаденозин-5-монофосфат (pdA)

2-дезоксигуанозин-5-монофосфат (pdG)

2. 2 м-Дезоксирибонуклеозид-3-монофосфат

Общая формула

2-дезокситимидин-3-монофосфат (dTp)

2-дезоксицитидин-3-монофосфат (dCp)

2-дезоксиаденозин-3-монофосфат (dAp)

2-дезоксигуанозин-3-монофосфат (dGp)

Нуклеозидциклофосфаты - один из продуктов гидролиза РНК.



Нуклеозидполифосфаты

НАД (NAD) - никотинамидаденозиндифосфат. Кофермент участвуюет в окислительно-восстановительных реакциях при метаболизме, при этом происходит присоединение гидрид-аниона по 4-му положению пиридинового фрагмента молдекулы.

АТФ (ATP) -аденозинтрифосфат (фосфолирирующий агент).



С помощью АТФ происходит фосфолирирование фрагмента рибозы, при этом АТФ превращается в дифосфат.

Первичная структура нуклеиновых кислот

Фрагмент молекулы РНК



Фрагмент молекулы ДНК

Цепи НК образуют спирали (виток 10 нуклеотидов). Спирали ДНК - двойные, в них всегда соблюдается комплементарность (соответствие) нуклеотидных оснований - А-Т; Г-Ц. Основания направлены внутрь спиралей и сшивают двойную спираль с помощью водородных связей.

Некоторые лекарственные средства на основе пуриновых и пиримидиновых оснований

Азидотимидин, 3-азидо-2,3-дидезокситимидин

Азидотимидин - ингибитор обратной транскриптазы, нарушает синтез ДНК на основе РНК в ретровирусах, аналогичных вирусу СПИДа. Азидотимидин - один из первых препаратов, использованных для лечения этого заболевания.

Фторурацил, 5-фторурацил

Нарушает синтез НК (лечение СПИДа), проявляет противораковую активность.

Понятие об алкалоидах

Алкалоиды - азотсодержащие органические основания (вторичные и третичные амины) природного происхождения, содержащиеся в растениях в виде солей органических кислот.

Номенклатура

По типу углеродного скелета, включающего атом азота, различают алкалоиды пиридинового, хинолинового, изохинолинового, изохинолинфенантренового, тропанового и других рядов.

Далее приводятся структурные формулы некоторых алкалоидов, преимущественно использующихся в медицине (хинин, морфин, папаверин).

Алкалоиды группы хинолина, изохинолина, изохинолинфенантрена

Хинин

(6-метокси-4-хинолинил)(5-винил-1-азабицикло[2.2.2]окт-2-ил)метанол

Содержится в коре хинного дерева. В чистом виде - белое кристаллическое вещество, избирательно действующее на малярийных плазмодий, используется при лечении малярии.

Папаверин

6,7-диметокси-1-(3?,4?-диметоксибензил)изохинолин

Папаверин содержится в снотворном маке, выделяют из опия (высохшего на воздухе млечного сока несозревших плодов снотворного мака, содержание 0,5-1%). Папаверин понижает тонус и расслабляет гладкую мускулатуру. Применяют в медицине в качестве спазмолитика и регулятора артериального давления. Папаверин входит в состав препарата папазол (совместно с дибазолом), снижающего артериальное давление.

Морфин

7,8-дегидро-4,5-эпокси-17-метилморфинан-3,6-диол

Выделен из опия, где его содержание колеблется от 10-20%. Морфин встречается в небольших количествах примерно в 50 видах растений. Морфин относится к наркотическим анальгетикам, обладает противишоковым и снотворным действием. К морфину развивается привыкание, при передозировке происходит угнетение дыхательного центра вплоть до летального исхода.

При обработке морфина уксусным ангидридом происходит ацетилирование обеих гидроксильных групп, полученное соединение называется героином (полусинтетический наркотик).

Кодеин

7,8-дегидро-4,5-эпокси-3-метокси-17-метилморфинан-6-ол



Выделен из опиумного мака, подавляет возбудимость кашлевого центра. Как и морфин является наркотиком, но более слабым.

Алкалоиды группы пиридина

Никотин

3-(1-метил-2-пирролидинил)пиридин

Никотин является бесцветным маслом, хорошо растворимым в воде. Содержится в табаке, ежовнике. Относится к ядам растений. Никотин возбуждает центральную нервную систему, стимулирует работу желез внутренней секреции, сокращает кровеносные сосуды.

Анабазин

3-(2-пиперидинил)пиридин



Анабазин бесцветное масло, хорошо растворимое в воде. Содержится в табаке и ежовнике. По своему действию на человека подобен никотину. Гидрохлорид анабазина используется в качестве лекарственного средства, облегчающее отвыкание от табакокурения (анабазин гидрохлорид).

Кониин

2-н-пропилпиперидин

Содержится в цекуте, является парализующем ядом. Кониин - первый алкалоид, полученный синтетически.

Алкалоиды группы тропана

Атропин

8-метил-8-азабицикло[3.2.1]окт-3-ил тропат

Атропин содержится в виде рацемата в красавке (Atropa belladonna, отсюда название атропин), дурмане, белене. В офтальмологии используется сульфат атропина в качестве спазмолитика. Атропин применяют также в качестве антидота при отравлении никотином, наркотиками, снотворным.

Кокаин

метил 3-(бензоилокси)-8-метил-8-азабицикло[3.2.1]октан-2-карбоксилат

Кокаин содержится в листьях коки. Алкалоид парализует перефирическую нервную систему, являясь сильным анестетиком. Проявляет свойства наркотика и к нему развивается привыкание.

Контрольные вопросы к главе «ГЕТЕРОЦИКЛЫ».

1. Напишите структурные формулы: а) -метилфурана; б) 2-бром-4-метилфурана; в) фурфурола; г) 5-нитрофурфурола; д) N-метилпиррола; е) 2-карбоксипиррола; ж) -тиофенсульфокислоты; з) -ацетилтиофена; и) бензо[b]фурана; к) бензо[b]тиофена; л) индола.

2. Напишите структурные формулы: а) хлористого пиридиния; б) N-оксида пиридина; в) 5-нитроникотиновой кислоты; г) 2-аминопиридина; д) -пиридона; е) 2-метилхинолина; ж) 8-гидроксихинолина; з) 5-нитроизохинолина.

3. Назовите следующие соединения:



4. Назовите следующие соединения:

5. Приведите реакции частичного и полного гидрирования фурана, пиррола и тиофена. Назовите полученные соединеия, охарактеризуйте их свойства. Сравните отношение к действию кислот фурана, пиррола и продуктов полного гидрирования этих соединений. Почему фуран и пиррол проявляют ацидофобность (неустойчивость к кислотам)?

6. Напишите реакции: а) нитрования пиррола; б) сульфирования пиррола; в) бромирования пиррола; г) сульфирования фурана; д) ацетилирования тиофена. Действием каких реагентов и в каких условиях можно провести эти реакции?

7. Напишите реакции пиридина со следующими соединениями: а) соляной кислотой; б) серной кислотой при комнатной температуре: в) иодистым метилом; г) триоксидом серы. Назовите полученные соединения.

8. Напишите схему каталитического гидрирования пиридина. Сравните пиридин и пиперидин по основности, отношению к иодистому метилу, уксусному ангидриду, азотистой кислоте. Приведите реакции.

9. С какими из приведенных ниже соединений реагирует пиридин? Приведите схемы возможных реакций: а) HBr; б) Н₂SO₄, 0C; в) Н₂SO₄, SO₃, 350C; г) Н₂SO₄, НNO₃, 300C; д) Br₂, 350C; е) KMnO₄, H₂O; ж) СН₃СООН; з) С₂Н₅Вr; и) (CH₃CO)₂O; к) KOH, H₂O; л) КОН (т), t; м) NaNH₂, NH₃ (ж), 130C.

10. Охарактеризуйте химические свойства хинолина: основность, отношение к нуклеофильным и электрофильным реагентам. Напишите реакции хинолина со следующими соединениями: а) соляной и серной кислотами на холоду; б) иодистым метилом; в) нитрующей смесью; г) амидом натрия. Назовите полученные соединения. Приведите механизм реакций (в) и (г). В какое положение вступают замещающие группы и почему?

11. Напишите все стадии синтеза амидопирина, анальгина и бутадиона исходя из ацетоуксусного эфира.

12. Почему пиридин, пиперидин, пирролидин, пиразол, имидазол, хинолин и изохинолин обладают свойствами оснований? Напишите реакции этих соединений с соляной и уксусной кислотами.

13. Сравните свойства пиридина, пиперидина и пирролидина как циклических аминов. С помощью какой реакции их можно различить?

14. Получите изомерные пиридинкарбоновые кислоты из соответствующих пиколинов. Для никотиновой кислоты напишите реакции со следующими реагентами: а) HBr; б) KOH; в) NH₃, t; г) (C₂H₅)₂NH, t; д) C₂H₅OH/H⁺; е) CH₃I.

15. Приведите формулы пиримидиновых и пуриновых оснований, входящих в состав ДНК и РНК в виде соответствующих таутомерных форм. Сравните строение рибонуклеозида и рибонуклеотида (на примере урацила), укажите принципиальное отличие в структуре, определите к какому классу производных относятся нуклеозиды и нуклеотиды. Чем отличаются рибонуклеозиды и 2 ?-дезоксирибонуклеозиды, приведите примеры?

16. Приведите стуктурные формулы алкалоидов пиридинового и изохинолинового рядов. На примере анабазина подвердите, что этот алкалоид является основанием и амином.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Опыт 1. Взаимодействие углеводородов с бромом.

Налейте в три пробирки по 1 мл бромной воды. В первую пробирку добавьте 2 мл н-гептана, во вторую - 2 мл циклогексена. Встряхните содержимое пробирок. В третью пробирку пропустите ацетилен, полученный из карбида кальция. Наблюдения и выводы запишите в лабораторный журнал.

Получение ацетилена: В колбу Вюрца, снабженную капельной воронкой и газоотводной трубкой, положите 2 г карбида кальция (СаС₂). Газоотводную трубку опустите в пробирку, которая наполнена бромной водой. Из капельной воронки прибавьте к карбиду кальция 2-3 мл воды. При этом образуется ацетилен.

Опыт 2. Окисление углеводородов раствором перманганата калия.

Налейте в три пробирки по 1 мл раствора перманганата калия. В первую пробирку добавьте 2 мл н-гептана, во вторую - 2 мл циклогексена. Встряхните содержимое пробирок. В третью пробирку пропустите ацетилен, полученный из карбида кальция. Наблюдения и выводы запишите в лабораторный журнал.

Опыт 3. Получение ацетиленидов меди.

В пробирку налейте 1 мл раствора аммиачного комплекса однохлористой меди. В пробирку пропустите ацетилен, полученный из карбида кальция. Наблюдения и выводы запишите в лабораторный журнал.

Опыт 4. Горение углеводородов.

Налейте в фарфоровые чашечки по 2 мл н-гептана и циклогексена, подожгите (опыт проводить под тягой!). Подожгите ацетилен, полученный из карбида кальция. Проследите за окраской пламени. Напишите уравнения горения н-гептана, циклогексена, ацетилена. Наблюдения и выводы запишите в лабораторный журнал.

Опыт 5. Проба Бельштейна.

Для открытия галогенов используется медная проволочка. Перед определением прокалите проволочку в пламени горелки. Охладите ее на воздухе и опустите в хлороформ. Смоченный хлороформом кончик проволоки внесите в пламя горелки. Хлороформ горит (обратите внимание на цвет пламени). При дальнейшем прокаливании проволочки пламя горелки окрашивается в зеленый цвет.

Хлор, который содержался в хлороформе, соединяется с медью, образуя хлорид меди (II). Галоидные соли меди при испарении окрашивают пламя в зеленый цвет.

Наблюдения и выводы запишите в лабораторный журнал.

Опыт 6. Получение этилата натрия.

В сухую пробирку налейте 1 мл абсолютного этилового спирта и внесите небольшой кусочек натрия (0,1 г). Наблюдения и выводы запишите в журнал.

Опыт 7. Получение глицерата меди.

Налейте в пробирку 0,5 мл 2% раствора сернокислой меди и 1 мл 10%-ого раствора едкого натра. При этом образуется студенистый голубой осадок гидроксида меди (II). В эту же пробирку добавьте 4 капли глицерина. Осадок гидроксида меди растворяется, а раствор окрашивается в синий цвет.

Затем добавьте 1 мл 20% HCl, окраска исчезает. Это качественная реакция на гликоли и полиолы. Наблюдения и выводы запишите в журнал.

Опыт 8.Окисление альдегидов и кетонов.

а) Налейте в две пробирки по 1 мл свежеприготовленного аммиачного раствора гидроксида серебра и добавьте в одну пробирку 2 мл формалина (40%-ый раствор формальдегида в воде), в другую - 1 мл ацетона. Перемешайте содержимое пробирок и поместите их на 5 минут в водяную баню, нагретую до 50С. Проследите за изменениями, происшедшими в обеих пробирках. Выводы запишите в журнал.

б) Налейте в две пробирки по 5 мл раствора Фелинга и добавьте в одну пробирку - 0,5 мл ацетона, в другую - 1 мл формалина. Погрейте обе пробирки на кипящей водяной бане 5-7 минут. Проследите за происшедшими изменениями. Наблюдения и выводы запишите в журнал.

Опыт 10. Получение йодоформа из ацетона.

В пробирку налейте 0,5 мл ацетона, 2 мл воды и добавьте несколько кристаллов йода, затем прибавьте 5 капель концентрированного раствора гидроксида натрия. Смесь встряхните. Постепенно образуется желтый осадок йодоформа.

Опыт 11. Получение бисульфитного производного ацетона.

Налейте в пробирку 1 мл насыщенного раствора бисульфита натрия и 3 мл ацетона, хорошенько встряхните и охладите под холодной водой. Наблюдения и выводы запишите в журнал.

Опыт 12. Выделение жирных кислот из мыла и получение кальциевых солей.

Получите у лаборанта 10 мл раствора мыла в воде. Раствор разлейте в две пробирки по 5 мл.

а) В первую пробирку с раствором мыла добавьте 2 мл разбавленной серной кислоты. Происходит обменная реакция и выделяется жирная кислота, которая в воде не растворяется. Поэтому раствор становится мутным.

Нагрейте полученную смесь, а затем охладите. При нагревании жирные кислоты всплывают наверх, а при охлаждении они затвердевают. Наблюдения и выводы запишите в журнал.

б) Во вторую пробирку с раствором прибавьте 2 мл раствора хлористого кальция. Энергично взболтайте. Образуется осадок кальциевых солей высших жирных кислот. Эти соли не растворяются в воде. Наблюдения и выводы запишите в журнал.

Опыт 13. Получение изоамилацетата.

Внесите в пробирку 2 мл изоамилового спирта (3-метилбутанол-1), 2 мл ледяной уксусной кислоты и 0,5 мл концентрированной серной кислоты. Смесь перемешайте и нагревайте 5 минут на водяной бане. Наблюдения и выводы запишите в журнал.

Содержимое пробирки охладите и вылейте в другую пробирку с водой. Эфир всплывет наверх. Уксусноизоамиловый эфир имеет запах грушевой эссенции.

Опыт 14. Непредельные кислоты. Свойства олеиновой кислоты.

а) Получение соли олеиновой кислоты.

Налейте в пробирку 1 мл олеиновой кислоты и добавьте 2 мл воды. Обратите внимание на растворимость олеиновой кислоты в воде. Добавьте 2 мл концентрированной щелочи (NaOH); встряхните смесь. Наблюдения и выводы запишите в журнал.

б) Окисление олеиновой кислоты.

К 1 мл олеиновой кислоты прибавьте 2 мл раствора марганцовокислого калия. Энергично перемешайте содержимое пробирки. Олеиновая кислота окисляется до диоксистеариновой кислоты, а марганцовокислый калий восстанавливается с выделением двуокиси марганца. Наблюдения и выводы запишите в журнал.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

Опыт 1. Свойства толуола: растворимость в воде, взаимодействие с бромной водой и раствором перманганата калия.

А) Налейте в пробирку 2 мл толуола и 2 мл воды. Встряхните пробирку. Смесь расслаивается. Толуол в воде не растворяется. Обратите внимание на то, что толуол легче воды.

Б) В две пробирки налейте по 2 мл толуола и добавьте в одну 2 мл бромной воды, а в другую - 2 мл раствора перманганата калия. Обе пробирки встряхните.

Наблюдения и выводы запишите в лабораторный журнал.

Опыт 2. Нитрование толуола.

В плоскодонную колбу на 10 мл налейте 2 мл концентрированной серной кислоты и 1 мл концентрированной азотной кислоты. Полученную нитрующую смесь охладите до комнатной температуры. Прилейте к ней 1 мл толуола. Закройте пробкой и энергично встряхивайте в течение 5-6 минут. Затем вылейте смесь в стакан с холодной водой. Образовавшая смесь орто- и пара-нитротолуолов собирается на дне стакана в виде желтоватых маслянистых капель. Наблюдения и выводы запишите в лабораторный журнал.

Опыт 3. Гидролиз хлористого бензила и хлорбензола.

Налейте в одну пробирку 1 мл хлористого бензила, а в другую 1 мл хлорбензола. Затем в каждую пробирку прибавьте по 2 мл спиртового раствора азотнокислого серебра. Смеси встряхните. Вследствие различия подвижности галогена осадок хлорида серебра появляется только в первой пробирке, так как хлористый бензил легко гидролизуется с образованием HCl. Хлорбензол с нитратом серебра не реагирует. Напишите уравнение реакции взаимодействия хлористого бензила с нитратом серебра.

Опыт 4. Растворимость в воде фенола.

а) Налейте в пробирку 1 мл воды и добавьте 0,5 г фенола, встряхните. Пробирку сохраните для опытов 6. Наблюдения и выводы запишите в журнал.

Опыт 5. Получение фенолята натрия.

К смеси воды и фенола, из опыта 4 добавьте по каплям 10%-ый раствор едкого натра до полного растворения фенола. Образовавшийся раствор фенолята натрия разделите на две пробирки. В первую пропустите углекислый газ, во вторую добавьте несколько капель разбавленной серной кислоты. Наблюдения и выводы запишите в журнал.

Опыт 6. Бромирование фенола.

Налейте в пробирку 1 мл раствора фенола в воде, добавьте к нему 1 мл бромной воды, наблюдается выпадение белого осадка. Наблюдения и выводы запишите в журнал.

Опыт 7. Окисление глюкозы реактивами Толенса и Фелинга.

а) Налейте в пробирку 2 мл 5%-ого раствора глюкозы и 2 мл аммиачного раствора оксида серебра. Смесь нагрейте на водяной бане в течение 5 минут. Наблюдения и выводы запишите в журнал.

б) К 5 мл раствора Фелинга добавьте 1 мл 5%-ого раствора глюкозы. Нагрейте на кипящей водяной бане. Наблюдения и выводы запишите в журнал.

Опыт 8. Получение ацетилцеллюлозы.

Поместите в пробирку 0,5 г ваты. Прилейте к ней 25 мл ледяной уксусной кислоты, 25 мл уксусного ангидрида и 0,5 мл концентрированной серной кислоты. Реакционную смесь нагрейте на водяной бане до полного растворения в ваты. Вылейте смесь в стакан с 200 мл воды. Ацетилцеллюлоза выпадает в виде хлопьев. Наблюдения и выводы запишите в журнал.

Опыт 9. Реакция крахмала с йодом.

Налейте в пробирку 2 мл раствора крахмала и 2 капли раствора йода. Раствор окрашивается в синий цвет вследствие образования комплексных соединений и адсорбции. Пробирку нагрейте на водяной бане. Синяя окраска исчезнет. При охлаждении она появляется вновь. Реакция с йодом является качественной реакцией на крахмал.

Размещено на Allbest.ru

...