Страница 186 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1*. Поясните, какие соединения относят к гетероциклическим. Приведите примеры и напишите их формулы и названия.

1*. Гетероциклическими соединениями (или гетероциклами) называют органические циклические соединения, в состав цикла которых, помимо атомов углерода, входит один или несколько атомов других химических элементов. Эти атомы называют гетероатомами. Наиболее распространенными гетероатомами являются азот (N), кислород (O) и сера (S).

Свойства гетероциклических соединений зависят от размера цикла, типа и количества гетероатомов, а также от степени ненасыщенности (т.е. наличия двойных связей). Они могут быть ароматическими (как бензол, но с гетероатомом) или неароматическими (насыщенными или ненасыщенными). Гетероциклы являются структурными фрагментами многих важнейших природных соединений: алкалоидов, витаминов, антибиотиков, нуклеиновых кислот (ДНК, РНК), пигментов (хлорофилл, гемоглобин).

Примеры гетероциклических соединений:

1. Пиррол

   Формула: $C_4H_5N$.

   Описание: пятичленный ароматический гетероцикл, содержащий один атом азота. Структура представляет собой плоский пятиугольный цикл, состоящий из четырех атомов углерода и одного атома азота, с двумя сопряженными двойными связями.

2. Фуран

   Формула: $C_4H_4O$.

   Описание: пятичленный ароматический гетероцикл с одним атомом кислорода. Структура аналогична пирролу, но гетероатом — кислород.

3. Тиофен

   Формула: $C_4H_4S$.

   Описание: пятичленный ароматический гетероцикл с одним атомом серы. Структура аналогична пирролу и фурану, но с гетероатомом серой.

4. Пиридин

   Формула: $C_5H_5N$.

   Описание: шестичленный ароматический гетероцикл, содержащий один атом азота. Является гетероциклическим аналогом бензола, где одна группа CH заменена на атом азота. Структура — плоский шестиугольный цикл с тремя сопряженными двойными связями.

5. Пиримидин

   Формула: $C_4H_4N_2$.

   Описание: шестичленный ароматический гетероцикл с двумя атомами азота, расположенными в позициях 1 и 3. Является структурной основой для таких азотистых оснований, как цитозин, тимин и урацил.

6. Пурин

   Формула: $C_5H_4N_4$.

   Описание: конденсированная (состоящая из двух колец) гетероциклическая система. Состоит из шестичленного пиримидинового и пятичленного имидазольного колец, соединенных вместе. Является структурной основой для аденина и гуанина.

Ответ: Гетероциклическими соединениями называют органические соединения, содержащие циклы, в состав которых входят не только атомы углерода, но и атомы других элементов (гетероатомы), таких как азот, кислород, сера. Примерами являются пиррол ($C_4H_5N$), фуран ($C_4H_4O$), тиофен ($C_4H_4S$), пиридин ($C_5H_5N$), которые представляют собой ароматические пяти- и шестичленные кольца с одним или несколькими гетероатомами.

2*. Назовите известные вам производные пиримидина и пурина, входящие в состав молекул нуклеиновых кислот. Напишите их структурные формулы и по аналогии с аминами охарактеризуйте их свойства.

В состав нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) входят производные двух гетероциклических соединений: пиримидина и пурина. Эти производные называют азотистыми основаниями.

Производные пиримидина

Пиримидин — это шестичленный ароматический гетероцикл с двумя атомами азота. В нуклеиновых кислотах встречаются три его производных:

• Урацил (U) — 2,4-диоксопиримидин. Входит в состав РНК.

  

• Тимин (T) — 5-метил-2,4-диоксопиримидин. Входит в состав ДНК.

  

• Цитозин (C) — 4-амино-2-оксопиримидин. Входит в состав как ДНК, так и РНК.

  

Производные пурина

Пурин — это конденсированная гетероциклическая система, состоящая из пиримидинового и имидазольного колец. В нуклеиновых кислотах встречаются два его производных:

• Аденин (A) — 6-аминопурин. Входит в состав как ДНК, так и РНК.

  

• Гуанин (G) — 2-амино-6-оксопурин. Входит в состав как ДНК, так и РНК.

  

Характеристика свойств по аналогии с аминами

Свойства азотистых оснований во многом сходны со свойствами аминов, поскольку они содержат атомы азота с неподеленными электронными парами и аминогруппы.

1. Основные свойства. Подобно аминам, азотистые основания являются слабыми основаниями. Атомы азота в гетероцикле (кроме тех, что связаны с водородом и участвуют в ароматической системе) и в экзоциклических аминогруппах имеют неподеленные пары электронов и могут протонироваться (присоединять протон $H^+$), проявляя свойства оснований Льюиса. Однако их основность значительно ниже, чем у алифатических аминов, из-за участия неподеленных пар в сопряжении с ароматической системой кольца и электроноакцепторного влияния карбонильных групп.
2. Таутомерия. Это ключевое свойство для азотистых оснований.
   • Амино-иминная таутомерия: Характерна для оснований, содержащих аминогруппу (аденин, гуанин, цитозин). Происходит миграция протона между аминогруппой и атомом азота в кольце. Равновесие сильно сдвинуто в сторону амино-формы, которая является более стабильной.
     Амино-форма $\Leftrightarrow$ Имино-форма
   • Лактам-лактимная таутомерия: Характерна для оснований, содержащих гидроксильную группу, способную переходить в кето-группу (гуанин, тимин, урацил). Происходит миграция протона между атомом кислорода и атомом азота в кольце. Равновесие практически полностью сдвинуто в сторону лактамной (кето-) формы. Наличие N-H связи в лактамной форме обуславливает очень слабые кислотные свойства (способность отщеплять протон в присутствии сильных оснований).
     Лактамная (кето-) форма $\Leftrightarrow$ Лактимная (енольная) форма

   Таутомерные превращения играют важную роль в биологии, так как образование редких таутомерных форм может приводить к ошибкам при репликации ДНК и, как следствие, к мутациям.

3. Образование водородных связей. По аналогии с первичными и вторичными аминами, которые могут выступать донорами и акцепторами водородных связей, азотистые основания также активно в них участвуют. Аминогруппы (-NH₂) и атомы азота в кольце, связанные с водородом (>N-H), служат донорами протона. Атомы азота в гетероцикле (=N-) и атомы кислорода карбонильных групп (C=O) являются акцепторами протона. Эта способность лежит в основе комплементарного спаривания оснований в молекуле ДНК: аденин образует две водородные связи с тимином (в РНК — с урацилом), а гуанин — три водородные связи с цитозином. Это обеспечивает стабильность двойной спирали ДНК.

Ответ: Производными пиримидина, входящими в состав нуклеиновых кислот, являются урацил (в РНК), тимин (в ДНК) и цитозин. Производными пурина являются аденин и гуанин. Их структурные формулы представлены в решении. По аналогии с аминами, эти соединения являются слабыми основаниями благодаря наличию неподеленных электронных пар у атомов азота. Они способны к таутомерии (амино-иминной и лактам-лактимной), причем преобладают амино- и лактамные (кето-) формы. Также, подобно аминам, они способны образовывать водородные связи за счет донорных (амино- и имидогруппы) и акцепторных (атомы азота и кислорода) центров, что определяет структуру нуклеиновых кислот.