Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Органическая химия.Казань

.pdf
Скачиваний:
129
Добавлен:
19.03.2015
Размер:
2.42 Mб
Скачать

100

Гидролиз АТФ до АДФ (аденозиндифосфорной кислоты)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

NH2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

O

O O

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

HO-P-O-P-O-P

-O-CH2

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

OH OH OH

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ H2O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H

H

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H

 

H

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

OH

OH

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

АТФ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

NH2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

HO-

P-O-P-O-CH2

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

OH OH

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H

 

 

H

 

 

+ H3PO4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

OH

 

OH

 

 

 

 

АДФ

Наиболее важными представителями никотинамиднуклеотидов являются никотинамидадениндинуклеотид (NAD, или в русской литературе НАД) и его фосфат (NADP, или НАДФ). Эти соединения выполняют важную роль коферментов большого числа ферментов дегидрогеназ и, следовательно, являются участниками окислительно-восстановительных реакций. В соответствии с этим, они могут существовать как в окисленной (НАД+, НАДФ+), так и восстановленной (НАДН, НАДФН) формах.

 

 

101

 

 

 

Никотинамид

 

 

 

Аденин

 

 

 

 

 

 

O

 

 

 

NH2

 

C

 

 

N

N

 

NH2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

O

O

N

 

 

N

 

N

NH2

CH2O P O P-O-CH2

 

 

 

 

OH HO

OH

OH

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O

 

 

 

 

 

OH OR

R=H Никотинамидадениндинуклеотид (НАД+)

R=PO3H2 Никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ+)

H H

O

 

 

 

NH2

 

 

 

 

 

 

 

C

 

 

N

N

 

 

NH2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

O

O

N

 

 

 

 

N

NH2

 

 

 

 

CH2O

P O P-O-CH2

 

 

 

O

 

 

OH HO

OH OH

 

 

 

 

 

O

OH OR

R=H Никотинамидадениндинуклеотид (НАДH)

R=PO3H2 Никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФH)

Типичными примерами биохимических реакций с участием НАД+ служат окисление спиртовых групп в альдегидные (например, превращение ретинола в ретиналь), а с участием НАДН – восстановление карбонильных групп в спиртовые (например, превращение пировиноградной кислоты в молочную).

Лекарственные средства нуклеиновой природы

При лечении некоторых опухолевых заболеваний в качестве лекарственных средств используют синтетические производные пиримидинового и пуринового рядов, по строению похожие на естественные метаболиты (в данном случае - на нуклеиновые основания), но не полностью им идентичные, а являющиеся анти-

102

метаболитами. Задача такого синтетического вещества состоит в подмене метаболита в естественных биореакциях. Антиметаболиты должны быть способны лишь частично выполнять в организме функции метаболитов. Например, 5- фторурацил выступает в роли антагониста урацила и тимина, 6-меркаптопурин

– аденина. Конкурируя с метаболитами, они нарушают на разных этапах синтез нуклеиновых кислот в организме.

 

O

 

SH

 

 

 

F

 

 

H N

 

N

 

N

 

 

 

 

O

N

 

N

N

 

H

 

H

 

 

 

5-фторурацил 6-меркаптопурин

Являясь химическими имитаторами метаболитов, лекарственные вещества такого рода «обманывают» контролирующие ферментные системы, встраиваются в метаболическую схему и заменяют собой настоящий метаболит, например, в рвстущей цепочке ДНК или РНК; для торможения роста и развития патогенных вирусов при создании ацикловира – высокоэффективного антигерпесного препарата (герпес – вирусные заболевания с характерным высыпанием сгруппированных пузырьков на коже и слизистых оболочках).

OH

N N

H2N N N O OH

ацикловир

Важной характеристикой синтетических антиметаболитов является то, что они обладают малой токсичностью и не оказывают нежелательных побочных эффектов благодаря высокой степени их узнаваемости системами организма, для которых эти лекарственные вещества структурно «выглядят» почти не чужеродными, биогенными.

У п р а ж н е н и я 1. Напишите реакцию образования нуклеотида из 2-дезоксирибозы, цито-

зина и фосфорной кислоты. Дайте название этому веществу.

2.Изобразите водородные связи между парами комплементарных оснований: аденин – урацил, тимин – аденин. Какое из этих нуклеиновых оснований не встречается в ДНК, а какое – в РНК?

3.Напишите реакцию полного ступенчатого гидролиза АТФ. Назовите продукты всех стадий.

4.Напишите реакцию образования нуклеозида из рибозы и гуанина. Дайте название этому веществу.

5.Напишите реакцию образования дезоксиуридин-3-фосфата. Укажите гликозидную связь. В чем состоит несоответствие этого вещества природным нуклеотидам и нуклеиновым кислотам?

103

6.Напишите все возможные таутомерные формы для гуанина.

7.Напишите реакцию ступенчатого гидролиза риботимидин-5-фосфата. Назовите продукты всех стадий. В чем состоит несоответствие этого вещества природным нуклеотидам и нуклеиновым кислотам?

8.Напишите все возможные таутомерные формы для цитозина.

9.Изобразите водородные связи между гуанином и цитозином.

10.Напишите последовательность нуклеиновых оснований, комплементарную следующей: А – Ц – Г – У – А – А – Г – Ц – У – У – Г – А – Ц . К каким нуклеиновым кислотам относится эта последовательность?

11.Напишите все возможные таутомерные формы для аденина. 12.Напишите реакцию образования дезоксиаденозин-5-фосфата. Укажите

гликозидную связь.

13.Напишите все возможные таутомерные формы для тимина.

14.Напишите реакцию ступенчатого гидролиза дезоксигуанозин-3-фосфата. Назовите продукты всех стадий.

15.Напишите все возможные таутомерные формы для урацила.

16.Напишите последовательность нуклеиновых оснований, комплементарную следующей: Ц – А – Т – А – Г – Т – Г – Ц – Ц – А – Т – Г – А . К каким нуклеиновым кислотам относится эта последовательность?

Низкомолекулярные биорегуляторы

Низкомолекулярные биорегуляторы - весьма многочисленная группа физиологически активных соединений, как природных, так и синтетических, выполняющих разнообразные функции в организмах человека и животных, в растениях и микроорганизмах. К ним относятся алкалоиды, витамины, терпеноиды, антибиотики, стероиды, феромоны, простагландины, природные токсины, лекарственные препараты, пестициды и др. Объединение таких веществ в единую группу во многом условно и базируется в основном на сравнительно небольшой молекулярной массе этих соединений. Другими словами, подчеркивается их отличие от биополимеров - белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, хотя, конечно, четкую грань между этими группами провести практически невозможно ни с химической, ни с биологической точек зрения. Такое подразделение оправдано исторически и методически, так как алкалоиды, витамины, терпеноиды и стероиды были первыми объектами химии природных веществ, строение которых было расшифровано, а синтез этих соединений достиг немалых успехов уже к началу нашего столетия.

Стероиды

Кстероидам относится большая группа биологически важных соединений,

воснове структуры которых лежит скелет стерана (гонана)

(циклопентанопергидрофенантрена):

104

Пергидрофенантрен

Циклопентан

Декалин C D

A B

Стеран

( Циклопентанопергидрофенантрен)

Среди стероидов - половые гормоны, сердечные гликозиды, желчные кислоты, витамины, алкалоиды, регуляторы роста растений. Свое начало стероиды берут от стеринов - алициклических липидоподобных веществ природного происхождения. Наиболее известный среди стеринов - холестерин, содержащийся почти во всех тканях животного организма. Особенно много холестерина в центральной и периферической нервных системах, кожном сале, почках и т.п.; так называемые желчные камни иногда на 90% состоят из холестерина (от греч.

- желчь и - твердый). Метаболизм холестерина играет важную роль в организме - при некоторых патологических отклонениях, например, при атеросклерозе, холестерин откладывается на стенках кровеносных сосудов.

СН3

СН3

НО

Холестерин (холестерол)

Среди других стеринов следует упомянуть эргостерин - предшественник витамина D.

 

СН3

 

СН3

СН3

CH2

hv

 

НО

НО

 

Эргостерин

Кальциферол (витамин D2 )

105

Половые гормоны

Важнейшие среди стероидных гормонов - женские (эстрогены) и мужские (андрогены). Половые гормоны необходимы для нормального развития и функционирования половых органов, развития вторичных половых признаков и продолжения жизни.

Эстрогены объединяют группу производных эстрана, имеющих ароматическое кольцо А. Впервые эстрогены обнаружены Б.Зондеком (Германия) в 1927 году. Позднее в 1929 - 1932 годах А. Бутенандт (Германия) выделил в кристаллическом состоянии гормон, названный им эстроном (от англ. Oеstrus - течка). В этот же период Е.А. Дойзи (США) выделил два других эстрогена - эстрадиол и эстриол.

CH3 O

CH3 OH

CH3 OH

OH

 

H

H

HO

HO

HO

 

Эстрон

Эстрадиол

Эстриол

Эстрогены используются для лечения половой недостаточности, при климактерических расстройствах, гипертонии, онкологических и других заболеваниях.

Мужские половые гормоны - андрогены (от греч. - мужской, - образовывать) наряду с влиянием на эндокринную систему человека, обладают сильным анаболическим эффектом. Их недостаток приводит к нарушениям азотистого и фосфорного обменов, атрофии скелетной мускулатуры и другим расстройствам.

В 1932 году А. Бутенандт (Германия) выделил из мочи человека первый андроген - андростерон . Позднее в 1935 году Э. Лакье (Германия) показал, что это соединение является метаболитом, а истинный мужской половой гормон - тестостерон, содержащийся в тестикулах.

CH3 O

CH3 OH

CH3

CH3

 

 

 

H

HO

 

H

 

O

 

H

 

 

Андростерон Тестостерон

106

Наличие ароматического цикла А в женских половых гормонах определяет основное различие в химических свойствах эстрогенов и андрогенов. Женские половые гормоны хорошо растворимы в щелочах за счѐт гидроксильной группы, находящейся при бензольном кольце:

 

CH3 OH

CH3 OH

 

C D

+ H O

 

NaOH

 

2

A

B

 

HO

 

NaO

В реакцию со щелочными металлами вступают все гидрокси-группы, имеющиеся в молекуле.

Химические свойства стероидов обусловлены наличием в молекуле той или иной функциональной группы. Например, в молекуле холестерина имеются -ОН группа и двойная связь, следовательно будут иметь место реакции, характерные для вторичных спиртов и непредельных соединений:

 

 

 

CH3

 

 

 

 

 

CH3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CH3

 

 

 

 

 

 

CH3

 

 

 

 

 

 

 

 

H2O/KMnO4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CH3

 

 

 

CH3

 

 

CH3

 

 

 

 

 

 

 

 

CH3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CH3

 

 

 

 

CH3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

HO

 

 

 

 

 

 

K

HO

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

OHOH

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CH3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CH3

 

 

 

 

 

 

 

CH3

 

CH3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ H2

 

 

 

 

 

 

 

 

CH3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

KO

 

 

 

 

 

Присутствиe оксо ( С=О) группы в некоторых половых гормонах предполагает наличие всех свойств, присущих кетонам:

107

CH3

O

CH

3

OH

 

 

 

 

 

 

 

CN

 

 

HCN

 

 

HO

 

HO

 

 

Терпены

Класс терпеноидов или изопреноидов составляет большая группа биологически активных соединений, молекулы которых построены на основе остатков молекул изопрена (С5Н8):

 

 

CH = C _ CH = CH2

CH

 

 

 

 

2

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CH3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

изопрен

 

 

В зависимости от числа изопреновых звеньев, входящих в состав молекулы

терпены и их производные делятся на следующие группы:

 

 

С10Н16 - монотерпены;

 

 

С30Н48 - тритерпены;

С15Н24 - сесквитерпены;

 

 

С40Н64 - тетратерпены;

С20Н32 - дитерпены;

 

 

С50Н80 - политерпены.

Мы ограничимся рассмотрением монотерпеноидов.

 

 

В большинстве терпенов изопреновые фрагменты соединены друг с другом

по принципу

голова к хвосту - изопреновое правило:

 

 

CH

3

CH3

 

 

CH3

CH2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CH2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

хвост

голова

 

 

В зависимости от строения углеродного скелета различают ациклические и циклические монотерпены.

Среди монотерпенов (С10Н16) наиболее распространены моно- и бициклические терпены. Многие из них известны с давних пор и использовались в Древнем Египте для бальзамировании. Летучие масла растений, получившие в тот период известное название Quinta essentia (аромат растений) обязаны своими парфюмерными свойствами присутствию в них соединений этого класса. Наиболее известными представителями монотерпенов являются:

108

O

3-карен

- пинен

-пинен

камфора

борнилен

O

OH

OH

лимонен

-терпинен

карвон

-терпинеол

ментол

Химические свойства этого класса соединений обусловлены как наличием в них определенных функциональных групп, так и склонностью некоторых терпенов к изомерным превращениям.

Наиболее известным изомерным превращением в ряду терпенов является перегруппировка Вагнера-Меервейна в реакции - пинена с хлороводородом, которая заключается в переходе менее устойчивого четырехчленного цикла (пинановая система) в устойчивый пятичленный цикл (борнановая система).

H C CH3

H3C

CH

 

H3C CH3

 

H C CH3

3

 

 

 

3

3

 

 

 

 

 

 

 

HCl

 

 

 

Cl -

Cl

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

+

 

CH3

CH

CH

 

CH3

 

3

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

При этом известная реакция Вагнера (Н2О, КMnO4) протекает по иному механизму без изомеризации скелета молекулы:

 

 

109

 

H3C

CH3

H3C

CH3

 

 

 

 

H2O, KMnO4

 

 

CH3

 

CH3

 

 

 

OH

 

 

 

OH

Если в молекуле терпена имеется гидрокси - группа (ментол), то будут иметь место все реакции, характерные для спиртов, если - оксо - группа (камфора) - все реакции, присущие кетонам. Лимонен, содержащий 2 двойные связи, будет вступать в реакцию в первую очередь по внешней двойной связи в соответствии с правилом Марковникова:

 

CH3

 

CH3

 

 

 

 

 

 

HCl

 

 

 

 

Cl

H3C CH2

 

 

H3C CH3

Одним из важнейших представителей класса ациклических терпенов является тритерпен сквален, образующийся в качестве промежуточного продукта в процессе биосинтеза холестерина:

Сквален

Ментол применяют как наружное болеутоляющее и как антисептик при воспалительных заболеваниях верхних дыхательных путей. Кроме того, его используют и как спазмолитик при стенокардии (под названием валидол, который состоит из смеси 25 % ментола и 75 % ментилового эфира изовалериановой кислоты). Ментол обладает чистым мятным запахом, холодящим вкусом, и его используют также для ароматизации пищевых продуктов и зубной пасты.

Каротиноиды

Особую группу соединений, которые построены по тому же принципу что и терпеновые молекулы, составляют каротиноиды - растительные пигменты.

110

Многие из этих соединений играют роль витаминов или их предшественников, а также участвуют в фотосинтезе.

- каротин (черточками обозначены - СН3 группы)

Молекула - каротина симметрична и состоит из двух одинаковых фрагментов. - каротин является предшественником витаминов группы А:

 

C

O

CH2OH [O]

H

ретинол ( витамин А1)

ретиналь

 

O

CH2OH

CH2 OC

CH3COOH

CH

 

3

H2O

 

ретинол ( витамин А1)

ретинолацетат (витамин А)

Известно несколько витамеров витамина А: ретинол, ретиналь, ретиноевая кислота.

Витамин А1 (ретинол) выделен впервые из рыбьего жира. Название ретинол связано с химическими реакциями с его участием в фоторецептрах, расположенных в ретине – сетчатке глаза. При недостатке витамин А в организме ухудшается зрение в сумерках («куриная слепота»). Витамин А человек может получать с пищей в виде предшественников, известных под названием каротиноиды. Β-Каротин содержится в моркови.

Уп р а ж н е н и я

1.Покажите правило Ружички на примере следующих терпенов: мирцена, лимонена, α-терпинена, оцимена.

2.Напишите реакции лимонена со следующими реагентами: избыток НСl,

избыток воды в присутствии кислоты, избыток бромной воды, избыток KMnO4 в водной среде, избыток водорода. Укажите тип реакций, назовите их продукты.

111

3.Напишите реакцию α-пинена с водой в присутствии кислоты, опишите механизм реакции, назовите еѐ продукт.

4.Напишите реакцию ментола с изовалериановой кислотой, укажите тип реакции, назовите еѐ продукт. В состав какого лекарственного препарата входит это вещество?

5.Напишите реакции 3-карена с водой в присутствии кислоты и с водородом. Укажите тип реакций, назовите их продукты.

6.Напишите реакцию камфена с соляной кислотой, опишите механизм реакции, назовите еѐ продукт.

7.Напишите реакции камфоры со следующими реагентами: Br2, H2N-NH- C6H5, H2, H2N-OH. Укажите тип реакций, назовите их продукты. Какое фармакологическое действие оказывает камфора и еѐ производные?

8.Напишите реакцию терпингидрата с избытком уксусной кислоты. Укажите тип реакции, назовите еѐ продукт.

9.Из приведенных ниже веществ выберите те, которые реагируют с ментолом, напишите эти реакции, укажите их тип, назовите их продукты: диэтило-

вый эфир, Cl2(), KOH, Na, H-COOH, толуол, HBr.

10.Напишите реакцию превращения β-каротина в ретинол.

11.Из приведенных ниже веществ выберите те, которые реагируют с ретинолом, напишите эти реакции, укажите их тип, назовите их продукты: этанол,

Ca(OH)2, K, CH3COOH, Ag2O(NH3), этиламин, CuO.

12.Напишите реакцию ретинола с пальмитиновой кислотой, укажите тип

этой

реакции, назовите еѐ продукт. Где он применяется?

13.Из приведенных ниже веществ выберите те, которые реагируют с рети-

налем,

напишите эти реакции, укажите их тип, назовите их продукты:

СН3СН2СООН, Li, HCN, Ag2O(NH3), дибутиловый эфир, гидразин, пиррол, NaHSO3, стирол, аланин.

14.Напишите реакции ретиноевой кислоты со следующими реагентами: пропанол-2, КОН, Rb, пирролидин, аммиак. Укажите тип этих реакций, назовите их продукты.

15.Напишите реакции α-токоферола со следующими реагентами: NaOH, К, уксусный ангидрид. Укажите типы этих реакций, назовите их продукты.

16.Напишите реакции эстрадиола со следующими реагентами: КОН, хлорангидрид пропионовой кислоты(избыток), натрий. Укажите типы этих реакций, назовите их продукты.

17.Напишите реакции тестостерона со следующими реагентами: калий, пропионовая кислота, HCN, изопропиламин, HBr, H2N-OH, Br2(H+). Укажите типы этих реакций и назовите их продукты.

18.Напишите реакции эстрона со следующими реагентами: NaOH, ацетилхлорид, тиламин, H2N-NH2, NaHSO3. Укажите типы этих реакций, назовите их продукты.

19.Напишите реакции андростерона со следующими реагентами: натрий, бутиламин, муравьиная кислота, HCN, мочевина. Укажите типы этих реакций, назовите их продукты.

112

20.Напишите реакции эстриола со следующими реагентами: LiOH, 2 моля уксусной кислоты, избыток рубидия. Укажите типы этих реакций, назовите их продукты.

21.Напишите реакции холестерина со следующими реагентами: уксусная кислота, К, HCl, Cl2(H+). Укажите типы этих реакций, назовите их продукты.

22.Напишите реакцию эргокальциферола(витамина D2) с металлическим калием.

23.Напишите реакцию холекальциферола(витамина D3) с уксусной кисло-

той.

Алкалоиды

Алкалоидами называют гетероциклические азотсодержащие основания растительного происхождения, обладающие выраженным физиологическим действием. Их применение с глубокой древности связано с лечением различных заболеваний. Сильное физиологическое действие многих алкалоидов и наркотические свойства некоторых из них определяют их важнейшее значение и для современной медицины. Природные алкалоиды служат также моделями для создания новых лекарственных препаратов, часто более эффективных и, в то же время, более простых по структуре. В настоящее время известно более 5000 алкалоидов. В основе структуры алкалоидов лежит какой-либо гетероцикл. Это обстоятельство учитывается при химической классификации алкалоидов.

Производные пиридина, пиперидина и пирролидина.

Гигрин – один из наиболее простых алкалоидов, выделенных из Erythroxylon coca (Южная Америка). Гигрин оказывает общее стимулирующее действие. Никотин – весьма токсичный алкалоид, содержание котрого в листьях табака доходит до 8 %. Воздействует на вегетативную нервную систему; сужает кровеносные сосуды. Один из продуктов окисления никотина в жестких условиях – никотиновая кислота.

 

O

 

[O]

COOH

 

 

 

 

N

CH2-C-CH3

 

N

 

 

 

N

CH3

N

CH3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

гигрин

никотин

 

никотиновая кислота

Кониин и анабазин чрезвычайно токсичные алкалоиды. Кониин парализует окончания двигательных и чувствительных нервов, участвующих в иннервации кожи.

113

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

CH2CH2CH3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

H

Н

 

 

 

 

 

 

 

кониин

 

анабазин

 

 

Лобелин и родственные по структуре алкалоиды используются в медицине в виде гидрохлоридов в качестве эффективных средств, стимулирующих дыхание.

 

 

OH

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

С H -CH-CH

N

CH2-C-C6H5

6

5

2

 

 

 

 

CH3

лобелин

Производные тропана

Тропан представляет собой конденсированное бициклическое соединение, в состав которого входят пирролидиновое и пиперидиновое кольца.

Атропин содержится в растениях семейства пасленовых – белладонне, дурмане, белене. Несмотря на высокую токсичность, применяется в глазной практике, благодаря способности расширять зрачок. Кокаин – основной алкалоид Erythroxylon coca. Известен как одно из первых используемых в медицине местноанестезирующих и наркотических средств. Синтетические аналоги кокаина, лишенные наркотических средств, относятся к производным п-аминобензойной кислоты (анестезин, новокаин).

 

 

 

 

O

 

 

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

C6H5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O-C-C6H5

 

 

O-C-CH

 

 

H

 

 

 

 

 

CH2OH

H

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

COOCH3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CH3

 

 

CH3

 

 

атропин

 

 

кокаин

Пуриновые алкалоиды

К алкалоидам пуринового ряда относятся кофеин, теофиллин и теобромин. Их природными источниками служат листья чая, зерна кофе, бобы какао. Кофеин – эффективное средство, возбуждающее центральную нервную систему и

114

стимулирующее работу сердца. Общестимулирующее действие телфиллина и теобромина выражено меньше, однако, они обладают довольно сильными мочегонными свойствами, т.е. являются диуретиками.

 

 

O

CH3

 

O

H

 

O

CH3

 

 

 

 

 

CH3

N

 

N

CH3

N

N

H

 

N

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

O

 

N

N

O N

N

 

N

N

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

CH3

 

 

CH3

 

 

CH3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

кофеин

 

 

теофиллин

 

 

теобромин

 

Производные индола и имидазола Резерпин, содержащийся в корнях растения раувольфии змеиной (Индия),

широко применяется в медицине, оказывает выраженное гипотензивное действие. Стрихнин – весьма ядовитое вещество, извлекаемое из семян тропического растения чилибухи, в малых дозах действует возбуждающе и находит применение в качестве тонизирующего средства. Пилокарпин, содержащий ядро имидазола, широко используется при лечении глазных заболеваний.

N

N

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H

 

 

 

C H

 

CH2

 

CH

 

 

 

2 5

 

 

N

3

 

 

OCH3

 

N

 

 

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CH3O-C

O-C

OCH3

O

O

O

 

N

 

O

OCH3

 

O

 

 

 

 

OCH3

 

стрихнин

 

пилокарпин

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

резерпин

Производные хинолина и изохинолина

К алкалоидам хинолинового ряда относится хинин, содержащийся в коре хинного дерева. Хинин является одним из лучших противомалярийных средств.

Ядра хинолина и изохинолина содержатсяв алкалоидах опия. Основной из них – морфин – обладает сильным обезболивающим свойством, однако при длительном употреблении вызывает наркоманию. Диацетильное производное морфина – героин – наиболее широко применяемый за рубежом наркотик.

Примером алкалоида изохинолинового ряда, также выделенного из опия, служит папаверин, применяющийся в качестве противосудорожного средства.

 

 

 

115

 

 

 

 

 

CH2

CH=CH2

N CH3

 

N CH3

 

 

 

 

 

 

CH2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

CH3O

CH

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

OH

 

 

 

 

 

 

N

 

HO

O

OH

CH3-C-O

O

O-C-CH3

 

 

 

 

 

хинин

 

 

 

 

 

O

 

 

морфин

 

O

героин

 

CH3O

 

 

 

 

 

 

 

CH3O

 

 

OCH3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CH2

 

OCH3

 

 

папаверин

Антибиотики

Антибиотиками называют вещества, синтезируемые микроорганизмами и способные препятствовать развитию других микроорганизмов.

По химической структуре антибиотики относятся к различным классам органических соединений. Большая их часть имеет сложную гетероциклическую структуру.

Синтез антибиотиков труден, поэтому в промышленных масштабах их получают микробиологическим путем. Широко развито также производство полусинтетических антибиотиков. Оно основано на химической модификации соединения, выделяемого из культуральной жидкости, вырабатываемой определенным штаммом микроорганизмов.

Пенициллины

В основе структуры пенициллинов лежит пенициллановая кислота, содержащая два конденсированных гетероциклических кольца – пятичленное тиазолидиновое (А) и четырехчленное – β-лактамное (В).

O

 

 

 

 

S

 

R-C-NH

S

 

 

 

 

 

 

CH

 

 

 

 

 

CH3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B

 

A

3

 

B

 

A

 

 

 

N

 

 

CH3

 

 

N

 

CH3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O

 

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

COOH

 

 

 

 

 

COOH

пенициллановая кислота

общая структура пенициллинов

 

 

 

 

 

 

 

как ацильных производных

6-аминопенициллановой кислоты

116

Природные и полусинтетические пенициллины представляют собой N- ацилированные различными ацильными радикалами производные 6- аминопенициллановой кислоты. Природа радикала в ацильной группе учитывается в названии пенициллина. Например, соединение с R= C6H5CH2 называют бензилпенициллином, а с R= C6H5OCH2 – феноксиметилпенициллином.

Природные пенициллины обладают довольно избирательным, полусинтетические – гораздо более широким спектром антимикробного действия.

Цефалоспорины

Цефалоспориновые антибиотики близки по строению к пенициллинам, а также содержат β-лактамное кольцо. В основе их структуры лежит цефалоспорановая кислота, содержащая два конденсированных гетероциклических кольца – шестичленное частично гидрированное 1,3-тиазиновое (А) и четырехчленное – β-лактамное (В).

O

 

 

 

S

 

 

 

R-C-NH

 

S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

B

 

A

 

 

O

 

B

 

O

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CH2OCCH3

O

CH2OCCH3

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

COOH

 

 

 

 

 

 

COOH

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

цефалоспорановая кислота

общая структура цефалоспоринов

Антибиотики цефалоспориновой группы являются производными 7- аминоцефалоспорановой кислоты. Они обладают широким спектром действия и тормозят рост некоторых штаммов бактерий, устойчивых к пенициллину.

Антибиотики по химической структуре могут принадлежать не только к гетероциклическим, но и другим классам органических соединений. Например, стрептомицин относится к аминогликозидам, грамицидин и инсулин – к пептидам, а левомицетин – к производным аминодиола. Этот антибиотик имеет относительно простое строение и является пока единственным, производимым полностью синтетическим путем.

 

 

 

 

 

 

 

 

H

 

H

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O2N

 

 

 

 

 

 

 

C

 

C

 

CH2OH

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

OH NH-CO-CHCl2

левомицетин Левомицетин относится к редко встречающимся в природе соединениям,

содержащим в своей молекуле нитрогруппу и атом галогена. Этот антибиотик эффективен в отношении многих грамположительных и грамотрицательных бактерий. Его применяют для лечения брюшного тифа, дизентерии, коклюша, пневмонии и других заболеваний.

117

Тетрациклины

Эти антибиотики представляют собой производные частично гидрированного нафтацена – соединения, состоящего из четырех линейно конденсированных шестичленных карбоциклов. Тетрациклины обладают широким спектром антимикробного действия и могут быть использованы даже при вирусных заболеваниях.

Сl

N(CH3)2

HO

CH3

OH

OH

CONH2

OH O OH

O

нафтацен (тетрацен)

биомицин

 

Примером тетрациклинового антибиотика служит биомицин – эффективный препарат при заболеваниях, вызванных микроорганизмами, устойчивыми к пенициллину и стрептомицину.

Окисление и восстановление органических соединений в процессах жизнедеятельности.

Окислительно-восстановительные реакции занимают большое место в органической химии. Важнейшее значение они имеют и для процессов жизнедеятельности. С их помощью организм удовлетворяет свои энергетические потребности, поскольку при окислении органических веществ происходит высвобождение энергии.

Окисление в органической химии – процесс удаления водорода с образованием кратной связи или новой связи между атомом углерода и гетероатомом, более электроотрицательным, чем водород (кислородом, азотом, серой и т.д.).

Процесс окисления включает переход от органического субстрата к реагенту – окислителю.

Восстановление – процесс, обратный окислению, сопровождается образованием новых связей с водородом и включает перенос электронов к органическому субстрату.

Окисление

Окислители представляют собой соединения, обладающие высоким сродством к электрону – кислород, пероксиды, азотная кислота, галогены, гипогалогениты, хлорная кислота, оксид марганца, перманганат калия, хромовая кислота.

Окисление органического субстрата протекает тем легче, чем сильнее его тенденция к отдаче электронов. По способности к окислению органические субстраты можно расположить в следующие ряды.

118

I

 

 

 

R-H < R-OH

<

R-NH2

 

 

 

 

CH3

 

 

 

 

CH2

<

 

 

 

 

 

 

II

 

 

 

<

 

 

 

 

 

CH

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

III

 

 

 

С

 

 

С

 

<

 

С

 

С

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C (sp2)

 

 

 

 

C (sp3)

 

 

увеличение способности к окислению

Окисление СН-связей

При сгорании углеводородов происходит их полное окисление с образованием диоксида углерода и воды. При неполном окислении получается набор разных соединений.

Насыщенные углеводороды – наиболее трудно окисляющиеся органические соединения. Для их окисления необходимы жесткие условия (например, горячая хромовая смесь).

Промежуточные продукты окисления – первичные, вторичные спирты и альдегиды – окисляются легче исходных углеводородов. Последующему окислению, как правило, подвергается уже начавший окисляться атом углерода. Конечные продукты неполного окисления углеводородов – карбоновые кислоты, кетоны и третичные спирты – требуют для своего окисления гораздо более жестких условий, необходимых для разрыва углерод-углеродных связей.

Гидропероксиды R-O-O-H – важные промежуточные продукты окисления С-Н связей в мягких условиях, в частности, в условиях организма.

R-H + O2 R-O-O-H

Способность С-Н связи к окислению увеличивается, если она расположена рядом с двойной связью или ароматическим кольцом.

Окисление двойных углерод-углеродных связей

В зависимости от условий окисление С=С связей может приводить к эпоксидам, 1,2-диолам (гликолям) или карбонильным соединениям – продуктам расщепления двойной связи.

С С

С

С

С

С

О

 

алкен

OH

OH

 

 

эпоксид

 

 

 

 

1,2-диол

 

 

 

С

O + O

С

 

карбонильные соединения

 

119

Эпоксиды – первичные продукты окисления С=С связей в мягких условиях

– образуются при обработке алкенов пероксидными соединениями, например, пербензойной кислотой.

R1

R3

O

R1

 

 

 

R3

O

С

 

С

+ C H C

 

С

 

С

 

+ C6H5C

 

 

 

 

 

 

 

6

5

 

 

 

 

R4

OH

R2

R4

O-OH

R2

 

О

алкен

пербензойная

 

эпоксид

 

бензойная

 

 

 

 

кислота

 

 

кислота

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В промышленности эпоксиды, в частности, этиленоксид, получают при взаимодействии с кислородом воздуха в присутствии серебряного катализатора при нагревании.

СH2=CH2 O2, kat CH2 CH2

О

1,2-Диолы (гликоли) могут быть получить в результате кислотного или щелочного гидролиза эпоксидов.

 

 

 

H O (H+ или HO-)

 

 

 

 

 

С

 

С

2

С

 

С

 

 

 

 

 

 

 

О

 

 

 

 

 

 

 

OH

OH

эпоксид

 

 

1,2-диол

Непосредственно из алкенов 1,2-диолы образуются под действием водного раствора перманганата калия на холоду (реакция Вагнера).

3 С

 

С + 2KMnO4 + 4H2O

С

 

С + 2MnO2 + 2KOH

 

 

 

алкен

OH OH 1,2-диол

При этом фиолетовая окраска раствора перманганата калия превращается в буро-коричневую окраску оксида марганца (IV). Данная реакция может быть использована как качественная для обнаружения алкенов, а также отличия их от спиртов, поскольку спирты в таких условиях не окисляются.

Карбонильные соединения образуются при окислении алкенов, а также 1,2- диолов в более жестких условиях, необходимых для расщепления углеродуглеродной связи.

 

 

 

 

 

[O]

С

 

СH

[O]

 

С

 

 

СH

 

 

 

С

 

O +

COOH

 

 

 

 

 

 

 

алкен

 

 

 

 

 

 

кетон

карбоновая

 

 

OH

OH

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

кислота

Ненасыщенный атом углерода, связанный с двумя органическими радикалами, превращается при этом в карбонильную группу кетона, в то время как =СН-группа окисляется в карбоксильную, что может быть использовано для установления строения исходного алкена.