Творческая работа учащегося по теме: "Химическое строение и значение пятичленных гетероциклических соединений"

Введение Тема   «Гетероциклические   соединения»   —   одна   из   важных   в   курсе органической   химии.   Несмотря   на   это,   указанной   теме   уделено недостаточно внимания. Поэтому я решила изложить некоторые, наиболее важные,   данные   о   гетероциклических   соединениях   в   целом   и   более детально. Для завершающей аттестации по химии я выбрала форму защиты реферата   по   теме:   «Охарактеризовать   химическое   строение   и   значение пятичленных   гетероциклических   соединений   на   примере   имидазола   и тиазола» Имидазол   и   тиазол   –   пятичленные   гетероциклы   с   двумя гетероатомами. У имидазола два атома азота, а у тиазола – один атом азота и   один   атом   серы.   Значение   производных   имидазола   и   тиазола   очень велико. На их основе изготовлены препараты, применяющиеся для лечения многих заболеваний, в том числе и онкологических. Имидазольное ядро входит   в   состав   таких   важных   для   человека   веществ,   как   азотистые основания, витамины, ферменты, аминокислоты. Цель моей работы – показать важность двух органических соединений, обобщив   материал   из   разных   отраслей   науки   (химия,   фармакология, медицина). Для достижения цели я поставила перед собой следующие задачи: рассмотреть классификацию гетероциклических соединений; охарактеризовать   химическое   строение   и  свойства   имидазола   и тиазола; описать применение производных имидазола и тиазола в лечебной практике; создать коллекцию лекарственных препаратов, в состав которых входят имидазол и тиазол. 2 1. Основная часть. Охарактеризовать химическое строение и значение пятичленных гетероциклических соединений на примере имидазола и тиазола 1.1. Классификация гетероциклических соединений Гетероциклические   соединения   (ГС)   —   это   органические   вещества, молекулы   которых   содержат   циклы,   включающие   наряду   с   атомами углерода   один   или   несколько   атомов   других   элементов   (гетероатомов). Наибольшее значение имеют гетероциклы, в состав которых входят атомы азота, кислорода, серы. К ним, например, относятся многие биологически активные   соединения   —   витамины,   гормоны,   алкалоиды,   антибиотики, природные пигменты; они также входят в виде структурных фрагментов в молекулы нуклеиновых кислот и белков. Гетероциклические соединения — самый многочисленный класс органических соединений, включающий около   70   %   всех   известных   природных   и   синтетических   органических веществ.   Кроме   атомов,   перечисленных   выше   химических   элементов, гетероатомами   могут   быть   фосфор,   кремний,   селен,   теллур,   германий, мышьяк, сурьма, бор, иод, бром и даже металлы — палладий, платина, ртуть, свинец, олово. Гетероциклические   соединения   классифицируют   различными способами:  по виду гетероатома в цикле (азотсодержащие, кислородсодержащие, серосодержащие и др.);  по величине цикла в зависимости от его природы (наличие двойных связей);  по   количеству   циклов,   входящих   в   состав   вещества (конденсированные); 3  по   количеству   атомов   в   цикле   ­   трехчленные,   четырехчленные, пятичленные, шестичленные, семичленные (Приложение 1). 4 4 5 1.2. Строение имидазола 3 N: 2   В   молекуле   имидазола   имеются   2 сопряжённые двойные связи. Эти связи с 4 π ­электронами дополняются несзязывающими   электронными   парами атомов   азота,   и   возникает   единая   6 ­π ­π электронная ароматическая система. В  электронном   сопряжении   атомы   азота принимают   неодинаковое   участие:   один атом   азота   (под   номером   3)   обладает свободной электронной парой и является нуклеофильным   центром.   Он   называется имидазольным атомом азота. Другой атом .. NH 1 азота (под номером 1) отдаёт 2 электрона и характеризуется дефицитом электронов.   Он   называется   пиррольным   атомом   азота.   Двойные   связи неравномерно   распределяются   по   кольцу.   Молекулярная   диаграмма имидазола наглядно показывает всё вышеперечисленное: 0,432    0,526 0,775 0,663 0,521 0,57 0,432 0,567 0,454 Молекулы имидазола образуют между собой водородные связи: N N N N  H N  H N  H N  H N 5 1.3. Химические свойства имидазола + N   +H                       +H N +   ­ NH Имидазол – амфотерное соединение. Амфотерность приводит к тому, что его + + ­H                          ­H +  NH участие в той или иной реакции зависит N от среды: в кислой среде кольцо заряжается положительно, в щелочной – NH отрицательно. N +RI ­  ­I NH R N        + ­H ++  N H N N       R Реакции   электрофильного замещения   протекают   либо   по атомам   азота,   либо   по   атомам углерода, наиболее но     предпочтителен   первый   вариант.   Такой   механизм   реакции   требует наименьшие энергетические затраты. Для имидазола возможны и специфические реакции: металлирование и карбоксилирование: CH 2 2CH 2CH           Li N + CH 3 N  R N NH R + 2CO2 3 K  CO      CdF 2 2 260  C,   50 атм o 2CH CH           CH 2 3 N +     CH 3 Li N  R N имидaзолдикарбоновая  кислота R NH HOOC HOOC Имидазол также может вступать в конденсацию с альдегидами: C O H N +   NH CH 3 ZnCl2 N NH CH        CH                                                                            ФЕНИЛМИМДАЗОЛИЛЭТИЛЕН +  H   O 2 6 1.4. Некоторые производные имидазола К простейшим производным имидазола относится: или Мерказолил  N   1­метил­2­ N SH CH3 меркаптоимидазол. Другое  название этого вещества   –   тиамазол.   Это   белый   или желтоватый   кристаллический   порошок   со слабым специфическим запахом и горьким синтетическим антитиреоидным   средством,   то   есть   вызывает   уменьшение   синтеза   Является вкусом.   тироксина в щитовидной железе, благодаря чему оказывает специфическое лечебное   действие   при   её   гиперфункции.   Применяют   при   диффузном токсическом зобе. К более сложным производным имидазола относятся: N CH2 NH . HNO3 Нафтизин  или   2­( имидазолина   нитрат. α ­нафтилметил)­   Другое название   вещества   ­   санорин.   Это белый   с   желтоватым   оттенком кристаллический   порошок,   трудно растворим   в   воде.   Нафтизин   – прекрасное   сосудосуживающее   средство,   поэтому   его   в   основном применяют при острых ринитах, при воспалении гайморовых пазух, для остановки носовых кровотечениях, при аллергических конъюнктивитах. 2CH N CH NH 3 H  C 3  H  C                  CH 3 C 3 . HCl Галазолин   или   2­(4'­третбутил­2',6'­ диметилбензил)­имидазолина   хлорид. Другое   название   ­   отривин   или ксилометазолин.   По   своему   действию близок   к   нафтизину.   Применяется   при ринитах,   ларингитах,   синуситах, CH 3 7 воспалениях гайморовой пазухи, сенном насморке и других заболеваниях полости носа и горла. Клофелин  или   2­(2,6­дихлорфениламино)­имидазолина   гидрохлорид. . HCl Cl H N Cl N HN Другие названия: гемитон, катапресан. Это белый порошок, кристаллический     растворимый   в   воде.   Клофелин   является хорошим   адреноблокирующим   средством, поэтому   его   назначают   в   качестве   антигипертензивного   средства   при различных   формах   гипертонии,   а   в   глазной   практике   –   для   лечения глаукомы. Cl Cl Cl CH         O        CH2     N                N Миконазол  или   1­[2,4­дихлор­ ­β Cl (2,4,­дихлорбензолокси)­фенэтил]­ имидазол.   Другое   название   –   гонофит, альбистат,   дерманистат. Применяют   при   поражении   кожи   и ногтей   дерматофитами   и   грибками,   сопровождающихся   воспалениями. Эффективен   при   микозах   с   суперинфекцией   грамположительными бактериями. H  C          H  C2 3 CH2 O O Пилокарпин  –   алкалоид, CH3 выделяемый из растения Pilocarpus Jobarandi,   произрастающего   в N N Бразилии. Это бесцветные кристаллы или белый кристаллический порошок без запаха. Он применяется в офтальмологии для снижения внутриглазного давления,   при   острой   непроходимости   артерии   сетчатки,   при   атрофии зрительного   нерва.   Пилокарпин   возбуждает   периферические   м­ холинорецепторы,   вызывающие   усиление   секреции   пищеварительных   и бронхиальных желёз. К   одному   из   важнейших   конденсированных   производных   имидазола относится   бензимидазол.   Это   –   гетероцикл,   в   котором   имидазольное 8 кольцо конденсировано с бензольным. Бензимидазольная система входит в состав ряда природных веществ, а также лекарственных препаратов. O  O                                                            CH            3CH 2 2          C        NH                                                       3CH 2 H  N        C        H  C          H  C  2 2 2H  N        C        H  C            2   H   C 3   H   C 3 O O H  N        C        H  C            2 2 CN N                   N                            CH           CH            C        NH                                                       2 2 2  O                  Co 2+ N                   N 3CH 3CH H O 3H  C                            CH           CH            3CH 2 2 C        NH                                                       2      N        C        H  C          H  C  2 2  CH 2 HC       CH 3 O O  ­ N  P N    O                O                    HO H  O                      CH3      CH3 HO         H  C 2 H           H  O H     В12  Витамин диметилбензимидазолил)]­Со ­кобамидцианид ­(5,6­ α ­ (5,6диметилбензимидазолил)­кобамидцианид.   Это   кристаллический порошок   тёмно­красного   цвета   без   запаха.   Гигроскопичен.   Трудно цианокобаламин α α   Со ­[   или или β   растворим   в   воде.   Обладает   высокой   биологической   активностью.   Он является фактором роста, необходим для нормального кроветворения и созревания эритроцитов; участвует в синтезе лабильных метильных групп и в   образовании   холина,   метионина,   креатина   нуклеиновых   кислот; способствует   накоплению   в   эритроцитах   соединений,   содержащих сульфгидрильных группы; оказывает благоприятное влияние на печень и 9 нервную   систему,   активирует   свёртывающую   систему   крови.   Оказывает лечебный   эффект   при   болезни   Аддисона­Бирмера,   при   анемии,   при дистрофии, заболевании печени (циррозы, гепатит). Содержится  в мясе, рыбе, куриных яйцах, и других продуктах, содержащий животный белок. Дибазол  или   2­ бензилбенимидазола   гидрохлорид. Это   белый   со   слегка   сероватым N CH2 . HCl  NH оттенком порошок с горько­солёным вкусом, трудно растворим в воде, легко – в кристаллический   спирте. Гигроскопичен. Обладает сосудорасширяющим, спазмолитическим и   гипотензивным   действием.   Оказывает   стимулирующее   влияние   на функции спинного мозга. Применяют при спазмах кровеносных сосудов и гладкой   мускулатуры   внутренних   органов,   при   лечении   нервных заболеваний.  O C  O NH N       C        O       CH3 N H Мебендазол или метил­5­ бензоил­2­бензимидазол карбамат. Действует на разные виды гельминтов, наиболее эффективен при энтеробиозе. Кофеин   или   1,3,7­триметилксантин   – алкалоид,   содержащийся   в   листьях   чая, бобах кофе и других растениях. Это белые шелковистые   игольчатые   кристаллы   или   белый порошок горьковатого   вкуса   без   запаха,   плохо кристаллический   O H  C3    N NH O N NH CH3 .H  O2 растворим   в   воде.   Возбуждает   ЦНС,   дыхание,   повышает   артериальное давление,   стимулирует   сердечную   деятельность,   повышает   умственную 10 работоспособность,   уменьшает   усталость   и   сонливость,   понижает агрегацию   тромбоцитов,   повышает   секрецию   желудка.   Большие   дозы истощают   нервные   клетки.   Применяется   как   стимулятор   ЦНС,   для повышения   двигательной   активности   при   инфекционных   заболеваниях, сопровождающихся   угнетением   ЦНС,   при   отравлении   наркотиками   и другими ядами, при спазмах сосудов головного мозга. 1.5. Строение тиазола Тиазол   –   гетероцикл   с   хорошо   выраженными   ароматическими свойствами. Тиазол устойчивее имидазола в энергетическом отношении, о чём говорит число резонансных структур: ­ N N N  S  S N  ­  +  S    S N ­ +  S Молекулярная диаграмма тиазола: На   основании   этого   можно   сделать вывод   о   распределении   электронной плотности.   Положительный   заряд   на атоме   серы   говорит   о   наличии  S ­ N  ­ +  S 0,434 N + ­ N +  S ­0,409 N 0,647 0,443   0,569 0,729 0,602 0,642  S +0,185 экранирующего   эффекта   в   электронной оболочки атома и сильной делокализации 0,401 его   внешних   электронов.   Отрицательный   заряд   на   атоме   азота   и положительный   –   на   атоме   серы   согласуются   с   экспериментальными фактами: электрофильность атома возможна по атому серы, по атому азота 11 не   идёт;   нуклеофильное   замещение   легче   всего   идёт   по   второму   атому углерода из­за повышенной электронной плотности. 12 1.6. Химические свойства тиазола Тиазол – слабое основание, но он образует устойчивые соли: N +  CH  I  3  S  S + N        CH3 Реакции   нитрования, I­ сульфирования галогенирования   и протекают   с   трудом.   Но нитрование в положении 5 идёт   легче   при   наличии   в   положении   2   аминогруппы.   Тиазол   может окисляться пероксидами с образованием N­оксидов: +           ­ N        O O O N +  R        C  S O         OH  S +  R            C OH 1.7. Некоторые производные тиазола Среди неконденсированных производных выделяют как лекарственные препараты, так и биологически активные вещества, такие как витамин В1. Тиамин (витамин  B1) или 4­ β метил­5­ ­оскиэтил­ N­(2­метил­4­амино­ N + CH          N 2 CH3 Cl ­ . HCl H  C3 N NH 2 S CH          CH  OH  2 2 5­метилпиримидил)­ тиазолий   хлорида   гидрохлорид.   Это   белый   кристаллический   порошок, имеющий слабый запах дрожжей, легко растворим в воде. Применяют как специфическое   средство   для   предупреждения   и   лечения   гипо­   и авитаминоза  B1. В некоторых случаях применяют для лечения неврита, радикулита, невралгии, периферического паралича, при язве желудка и 12­ 13 перстной   кишки,   при   атонии   кишечника,   заболевании   печени,   при дистрофии миокарда, дерматозах. Суточная доза – около 2 мг. O        H O N C        N                           S        N Фталазол ­ это белый с   желтоватым   оттенком порошок, нерастворимый S COOH в   воде.   Применяют   при дизентерии, колитах, гарстроэнтеритах, при оперативных вмешательствах O       H на кишечнике, для предупреждения гнойных осложнений. Пенициллин  –   антибиотик,   вырабатываемый   зелёной   плесенью   рода Pennicillium. Целебные свойства плесени было давно известно в народной O NaO      C H  C 3   H  C3 S O N       C CH N       C       R H O медицине, использовала   плесень   которая   издавна   при   лечении Впервые пенициллин   был   получен ран.   Флемингом. группе пенициллина   относят   большое   К   число   антибиотиков,   имеющих единое пенициллиновую основу. Все   пенициллины   являются   кислотами   и   получаются   из   плесневых культур в виде натриевых или кальциевых солей. Пенициллины очень нестойки. Они легко разрушаются при нагревании, при действии кислот, щелочей, окислителей, ферментов, солей тяжёлых металлов, этилового спирта, солнечного света. 14 Заключение В своей работе мне удалось обобщить лишь небольшую часть сложного и многогранного материала, классифицировать этот материал, показать на его основе значимость производных имидазола и тиазола в жизни человека, связать   строение   имидазола   и   тиазола   с   их   химическими   свойствами, описать   важнейшие   производные   имидазола   и   тиазола,   привести   их формулы, физические свойства, значение и применение. Пройдет время, и на основе этих веществ будут синтезированы новые, более   сложные   препараты,   которые,   возможно,   победят   рак,   СПИД, нервные и сердечно­сосудистые заболевания. При   написании   реферата   я   использовала   различные   источники информации: химическую, медицинскую и научно­популярную литературу. Посещала   библиотеку   своего   образовательного   учреждения,   а   также библиотеки: Качканарского ГОКа и городскую. В качестве практической части, я собрала коллекцию, в которой мне удалось   представить   13   лекарственных   препаратов,   изготовленных   на основе имидазола и тиазола, которые продаются в аптеках нашего города. К   каждому   веществу   мною   изготовлены   карточки   с   химическими формулами. Итог   моей   работы   –   презентация   и   коллекция   могут   быть использованы   на   уроках   химии   или   факультативных   занятиях   для расширения   знаний   о   гетероциклических   соединениях   и   как   научно­ познавательный материал. Подводя итог, могу сказать, что работа по написанию реферата была не легкой, но интересной. Считаю, что все намеченные цели и задачи мне удалость успешно реализовать. 15 Список используемой литературы Аничков С. Беленький М. Учебник фармакологии. ­ М.: МедГиз,  1990. – 450 с. Досон Н. и др. Справочник биохимика. ­ М.: Мир, 2000, ­ 200 с. Иванский А. Химия гетероциклических соединений. ­ М.:  Химия, 2003. – 132 с. Машковский М. Д. Лекарственные средства (в 2­х т.). ­ М.:  Медицина, 2001. – 500 с. Несмеянов А. Н., Несмеянов Н. А. Начала органической химии.  т.2. ­ М.: Химия, 2000. – 145 с. Перекалин А., Зонис Н. Органическая химия. ­ М.: Высшая  школа, 2005. – 464 с. Петров А. А., Бальян Х. В, Трощенко А. Т. Органическая химия.  ­ М.: Высшая школа, 2003. – 558 с. Тюкавкина Н. Бауков Ю. Биоорганическая химия. ­ М.:1985г Химический энциклопедический словарь М.: "Химия", 1991г 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Д. Ким. Введение в химию гетероциклических соединений.  Соросовский образовательный журнал №11 2001г. 11. Ресурсы Интернета: www.allbest.ru и  www.5ballov.ru. 15