Материал: химия биополимеров часть 3

Пиримидиновые основания являются структурными компонентами нуклеиновых кислот (ДНК, РНК). Для пиримидиновых оснований характерна лактим-лактамная таутомерия.

Лактимы - гидроксильные соединения, в которых гидроксигруппа стоит при атоме углерода с двойной связью.

Такие соединения крайне неустойчивы, в них происходит внутримолекулярная перегруппировка атомов: разрывается двойная связь, атом водорода из гидроксильной группы переходит к смежному по двойной связи атому азота.

Цитозин (4-амино-2-гидроксипиримидин)

Лактимная форма Лактамная форма

Урацил (2,4-дигидроксипиримидин)

Лактимная форма Лактамная форма

Тимин (2,4-дигидрокси-5-метилпиримидин или 5-метилурацил)

Лактимная форма Лактамная форма

Тиамин (витамин В₁)

Витамин В₁ входит в структуру кофермента кокарбоксилазы.

Фрагмент Фрагмент

пиримидина тиазола

Оротат калия

ǀ

Н

Оротат калия - стимулятор обменных процессов в организме.

Конденсированные системы гетероциклов

Гетероциклические системы, состоящие из двух гетероциклов и имеющие 2 общих атома углерода, называются конденсированными.

Пурин

Ядро Ядро

пиримидина имидазола

К пуриновым основаниям относятся аденин, гуанин. Они входят в состав РНК, ДНК.

Аденин (6-аминопурин)

Аденин является составной частью АТФ (аденозин-5’-трифосфат).

Гуанин (2-амино-6-гидроксипурин)

Лактимная форма

При метаболизме нуклеиновых кислот в организме образуются гипоксантин, ксантин и мочевая кислота.

Лактимная форма Лактамная форма

Ксантин (2,6-дигидроксипурин)

Лактимная форма Лактамная форма

Производными ксантина являются такие лекарственные препараты, как теофиллин, теобромин, кофеин и др.

Мочевая кислота (2,6,8-тригидроксипурин)

Лактимная форма Лактамная форма

Мочевая кислота – конечный продукт метаболизма пуриновых оснований в организме. Она выделяется с мочой в количестве 0,5-1,0 г в сутки. Соли мочевой кислоты называются уратами. При некоторых нарушениях в организме они откладываются в суставах, например, при подагре, а также в виде почечных камней. В этих случаях для лечения применяют неорганические соли лития (Li₂CO₃), которые образуют хорошо растворимые соли мочевой кислоты, быстро выделяющиеся из организма.

Контрольные вопросы

1. Классификация гетероциклических соединений. Пятичленные гетероциклические соединения с одним гетероатомом. Пиррол. Электронное строение пиррольного атома азота. Производные пиррола (индол, триптофан, серотонин). Структура гема. Гемоглобин и его роль в организме. Фуран, тиофен и их производные.

2. Пятичленные гетероциклические соединения с двумя гетероатомами. Имидазол, кислотно-основные свойства, производные. Тиазол и его производные.

3. Шестичленные гетероциклические соединения с одним атомом азота. Пиридин. Электронное строение пиридинового атома азота. Производные пиридина (витамин РР).

4. Шестичленные гетероциклические соединения с двумя атомами азота. Пиримидин. Производные пиримидина (цитозин, урацил, тимин). Лактим-лактамная таутомерия.

5. Конденсированные гетероциклы. Пурин. Производные пурина (аденин, гуанин, гипоксантин, ксантин, мочевая кислота). Лактим-лактамная таутомерия.

Типовые задания

Задание 1. Пиридиновое ядро входит в состав витамина PP. Докажите, что пиридин является ароматическим соединением.

Решение. Молекула пиридина отвечает критериям ароматичности, сформулированным для ароматических углеводородов, а именно имеет плоский σ-скелет, сопряженную замкнутую электронную систему, охватывающую все атомы цикла и содержащую шесть π-электронов, удовлетворяя формуле Хюккеля (4n+2=6; n=1).

Задание 2. Пуриновое ядро входит в состав азотистых оснований. Докажите, что пиридин является ароматическим соединением.

Р ешение. Пурин является ароматическим соединением, образуя единое электронное облако из 10 π-электронов, что удовлетворяет правилу Хюккеля при n = 2.

Задание 3. В живом организме имидазол (радикал α-аминокислоты гистидина) выполняет роль катализатора ряда ферментативных реакций, выступая донором – акцептором протонов. Какие особенности строения имидазола обуславливают его кислотно-основные свойства?

Решение. Гистидин представляет собой замещенную α-аминопропионовую кислоту, содержащую гетероциклический радикал – имидазол у β-углеродного атома.

Имидазол является ароматическим соединением (4n+2=6, n=1). С двумя двойными связями цикла вступает в сопряжение неподеленная пара электронов пиррольного атома азота. Пиридиновый атом азота участвует в образовании общей сопряженной системы одним р-электроном.

Наличие гетероатомов в молекуле имидазола приводит к смещению электронной плотности сопряженной системы к более электроотрицательным атомам азота. С другой стороны, неодинаковое участие атомов азота в образовании сопряженного π-электронного облака обусловливает индивидуальные особенности пиридинового и пиррольного атомов азота.

Пиридиновый атом азота, имея неподеленную пару электронов, обладает основными свойствами. Имидазол образует соли как с сильными минеральными кислотами, так и с органическими кислотами средней силы, например с салициловой кислотой.

Наличие атома водорода у пиррольного атома азота приводит к проявлению имидазолом кислотных свойств, как и у пиррола. Однако имидазол является более сильной кислотой, чем пиррол. Причина повышения кислотности заключается во влиянии пиридинового атома азота, который, действуя как электроноакцепторный заместитель, стабилизирует образующийся анион. Имидазол способен образовывать соли с щелочными и щелочноземельными металлами.

Амфотерный характер имидазола обусловливает его участие в реакциях в виде аниона или катиона в зависимости от условий реакции. В нейтральной среде молекулы имидазола связаны между собой межмолекулярными водородными связями. В такую межмолекулярную ассоциацию входит до 20 молекул имидазола. Этим объясняется высокая температура кипения имидазола (256^ОС).

Таким образом, кислотно-основные свойства имидазола связаны с наличием в гетероцикле двух атомов азота. Пиридиновый атом азота обусловливает основные свойства, пиррольный – кислотные.