Лабораторно-практические занятия № 11, 12

Тема: Физиологически активные гетерофункциональные производные бензольного и гетероциклического ряда.

Цель: Закрепить знания строения и химических свойств основных представителей лекарственных соединений бензольного ряда и физиологически активных гетероциклических соединений.

Исходный уровень:

1. Строение гетероциклических соединений – пиррола, имидазола, пиридина, пиримидина, пурина. Электронное строение пиррольного и пиримидинового азота.

2. Кислотность и основность органических соединений.

3. Ароматичность гетероциклических систем. Критерии ароматичности.

4. Реакции электрофильного замещения в ароматических системах.

5. Химические свойства гидроксильной, карбоксильной и аминогрупп.

Содержание занятия:

1. Контроль выполнения домашнего задания.

2. Практическая часть «Гетерофункциональные соединения бензольного и гетероциклического ряда – родоначальники важнейших групп лекарственных и физиологически активных соединений».

2.1. Сочетание в бензольном ядре двух и трех гетерофункций (аминной, гидроксильной, карбоксильной, сульфогруппы) как химическая основа для получения разнообразных лекарственных средств на базе п‑аминофено­ла, п‑аминобензойной, салициловой, сульфаниловой, п‑аминосалицило­вой кислот.

2.2. Пятичленные гетероциклические соединения с одним атомом азота. Пиррол, бензопиррол и биологически активные вещества на их основе (порфириновые макроциклические соединения, триптофан и продукты его метаболизма).

2.3. Пятичленные гетероциклические соединения с двумя атомами азота (пиразол, имидазол). Пиразолон и лекарственные средства на его основе. Гистамин.

2.4. Шестичленные гетероциклические соединения с одним атомом азота. Пиридин, хинолин, лекарственные средства на их основе.

2.5. Строение и таутомерия барбитуровой кислоты. Барбитураты.

2.6. Пурин, его метилированные и гидроксипроизводные (мочевая кислота), их значение в биологических процессах. 6-Меркаптопурин как антиметаболит 6-аминопурина (аденина).

3. Лабораторная работа по теме.

4. Контроль выполнения лабораторной работы.

5. Контроль усвоения темы.

 

Неразрывная связь химии и медицины отчетливо проявляется в области создания и использования лекарственных средств. С давних времен эмпирическим путем происходил отбор биологически активных органических соединений, и появление ряда лекарственных средств часто было обязано случаю. В настоящее время ведется направленный синтез лекарственных препаратов с обязательным тестом на их биологическую активность (биологический скрининг). Проблема структура-свойство служит фундаментом целенаправленного синтеза новых эффективных лекарственных средств. Вместе с тем большое значение продолжают сохранять некоторые группы известных ранее препаратов, в частности таких, структурную основу которых составляет бензольное ядро.

Большое значение гетероциклических соединений объясняется тем, что к ним относятся природные вещества, ряд ценных лекарственных препаратов, красителей и т.д. Так, пиррольный и гидрированный пиррольный циклы как структурные единицы входят в состав важных биогенных соединений – аминокислот (пролин, триптофан), алкалоидов, гемоглобина, коферментов, хлорофилла и т.д. Пиридиновый цикл лежит в основе никотинамидов, входящих в состав необходимых для жизнедеятельности ферментов, витаминов группы РР, В₆ и др. Пиримидиновые и пуриновые циклы входят в состав жизненно важных для организма нуклеиновых кислот, ответственных за синтез белка в клетке.

Своеобразие электронного строения производных бензола и гетероциклических соединений носит характерные черты, определяющие химические и фармакологические особенности лекарственных веществ на их основе.

Вопросы для самостоятельной работы
«Физиологически активные производные бензольного ряда»

1. Напишите реакции взаимодействия п-аминофенола с ангидридом уксусной кислоты, а полученного соединения с этиловым спиртом. Назовите продукты реакций и покажите, какое применение в медицине имеют производные п‑аминофенола.

2. Напишите реакцию получения бензоата натрия и покажите его медицинское применение.

3. Напишите реакции получения и гидролиза производных салициловой кислоты: салицилата натрия, метилсалицилата, фенилсалицилата (салола). Покажите медицинское применение этих препаратов и самой салициловой кислоты.

4. Напишите реакцию получения сложного эфира салициловой кислоты с уксусным ангидридом. Назовите продукт реакции и покажите его применение в медицине.

5. Напишите реакцию гидролиза аспирина, которая происходит при его хранении. Как можно проверить доброкачественность аспирина? (См. опыт 7).

6. Приведите строение п-аминосалициловой кислоты (ПАСК). Покажите ее применение в медицине и механизм действия.

7. Приведите строение п-аминобензойной кислоты (ПАБК) и покажите ее биологическую роль.

8. Напишите реакции взаимодействия ПАБК с этанолом и N,N-диэтиламино­этанолом. Назовите продукты реакций, покажите медицинское применение и приведите строение их солянокислых солей, в виде которых препараты используются.

9. Приведите строение сульфаниламида и препаратов на его основе: сульфацила, норсульфазола, этазола, сульфапиридазина, сульфадиметоксина. Объясните антибактериальное действие сульфаниламидных средств и покажите факторы, влияющие на их антибактериальную активность.

10*. Объясните причину легкой растворимости в щелочах большинства сульфаниламидных лекарственных средств, имеющих общую формулу:

Лабораторная работа по теме
«Лекарственные вещества на основе бензола»

Опыт 1. Открытие белого стрептоцида и его производных

путем переведения его в азокраситель

Функциональная группа -N=N- называется азогруппой, входит в азосоединения, например, в азокрасители.

Интенсивность окраски полученного красителя позволяет использовать эту реакцию для определения минимальных количеств его в моче, в крови, а также открывать производные белого стрептоцида – сульфаниламидные препараты, которые используются как противомикробные средства.

 

Методика

Небольшую крупинку белого стрептоцида поместить в пробирку и прибавить 3-4 капли 10% HCl для его растворения. Затем добавить 1-2 капли 5% NaNO₂. В другую пробирку взять несколько крупинок b-нафтола и добавить 2-3 капли 10% NaOH. Прибавить сюда же 2-3 капли содержимого 1-ой пробирки. Немедленно образуется азокраситель интенсивного оранжево-красного цвета.

Приготовить сильно разбавленный раствор, разделить на 2 порции и убедиться, что в кислой среде краситель имеет желтую, а в щелочной – оранжево-красную окраску.

Аналогичный опыт можно повторить, взяв вместо стрептоцида сульфадимезин, сульфален, сульгин, фталазол, этазол, норсульфазол, альбуцид натрия и т.д.

 

Опыт 2. Получение фенолфталеина

Взаимодействие фенола и фталевого ангидрида приводит к образованию фенолфталеина.

бесцветный

Фенолфталеин под названием пурген применяется как слабительное.

 

Методика

В сухую пробирку поместить несколько кристалликов фталевого ангидрида и 1 каплю жидкого фенола. Добавить 1 каплю концентрированной H₂SO₄ и осторожно нагреть на спиртовке до появления темно-красного окрашивания. После остывания смеси прибавить 8-10 капель воды.

Смочить 1-2 каплями этого раствора фильтровальную бумагу и в центр пятна поместить каплю 10% NaOH. Появляется малиновое окрашивание. При нанесении 1 капли 10% HCl происходит обесцвечивание. При подщелачивании обесцвеченный участок вновь становится малиновым.

 

Опыт 3. Возгонка и разложение салициловой кислоты

при нагревании

В сухую пробирку поместить несколько кристалликов салициловой кислоты и нагреть в пламени спиртовки.

Кислота плавится (t = 157°С) и возгоняется в виде белого налета, который быстро поднимается вверх по мере нагревания пробирки. Если нагреть быстро и так, чтобы пары кислоты проходили через нагретую зону, то наблюдается декарбоксилирование и образование фенола, что обнаруживается по характерному запаху. Написать уравнение этой реакции.

 

Опыт 4. Доказательство наличия фенольного гидроксила

в салициловой кислоте

В пробирку взять 2-3 кристаллика салициловой кислоты, прибавить 5-6 капель воды для ее растворения и 1 каплю FeCl₃ (С(1/z) = 0,1 моль/л). Появляется темно-фиолетовое окрашивание, указывающее на наличие свободного фенольного гидроксила. Записать уравнение реакции между салициловой кислотой и FeCl₃.

 

Опыт 5. Получение салицилово-этилового эфира

(этилсалицилата)

Поместить на дно сухой пробирки салициловую кислоту слоем 1 мм, прибавить 3 капли этилового спирта и 1 каплю концентрированной H₂SO₄. Очень осторожно нагреть пробирку на спиртовке, все время встряхивая ее, чтобы жидкость не выбросило. Постепенно образуется эфир в виде бурой жидкости с характерным запахом. Записать уравнение происшедшей реакции.

Этилсалицилат используют в смеси с жирными маслами для втирания при лечении ревматизма, а также для просветления анатомических препаратов.

 

Опыт 6. Доказательство наличия фенольного гидроксила

в салоле

Салол представляет собой фениловый эфир салициловой кислоты, в котором фенольный гидроксил остается свободным.

Вспомнить формулу салола и его применение.

 

Методика

Поместить в пробирку крупинку салола, прибавить для растворения 2 капли этилового спирта. К полученному раствору прибавить 1 каплю FeCl₃. Появляется характерное красно-фиолетовое окрашивание.

Записать уравнение соответствующей реакции.

Прибавить в пробирку 2-3 капли воды. Жидкость мутнеет, окрашивание исчезает, так как салол плохо растворим в воде.

 

Опыт 7. Доказательство отсутствия фенольного гидроксила

в аспирине и гидролиз ацетилсалициловой кислоты

В две пробирки поместить по крупинке аспирина и по 2-3 капли воды, встряхнуть до полного растворения вещества. В одну пробирку добавить 1 каплю FeCl₃. Обратить внимание на отсутствие фиолетовой окраски. Чем это объясняется?

Раствор во второй пробирке прокипятить около полминуты и затем прибавить 1 каплю FeCl₃. Чем можно объяснить появление фиолетовой окраски?

Привести уравнение гидролиза ацетилсалициловой кислоты, как сложного эфира уксусной и салициловой кислот, и уравнение качественной реакции на освободившийся фенольный гидроксил.

Данная проба используется для определения чистоты аспирина, который при неправильном хранении (наличие влаги) разлагается.

 

Опыт 8. Взаимодействие бензойной и салициловой

кислот с бромной водой (Br₂×aq)

В одну пробирку взять несколько кристалликов бензойной, а в другую – салициловой кислоты и по несколько капель воды для растворения кислот. В каждую пробирку прибавить по 2-3капли бромной воды, встряхнуть. Чем объяснить, что только салициловая кислота обесцвечивает бромную воду, почему она активнее бензойной в реакциях электрофильного замещения? При избытке Br₂×aq происходит декарбоксилирование. Привести уравнения реакций, соответствующих схеме:

 

Вопросы для самостоятельной работы
«Физиологически активные производные
гетероциклического ряда»

1. Приведите строение пиррола и тетрапиррольного макроцикла порфина. Дайте определение понятия «порфирины», покажите их биологическую роль, приведите примеры.

2. Приведите строение индола (бензопиррола). В состав каких биологически активных соединений входит индол?

3. Напишите реакции, происходящие с триптофаном in vivo:

Назовите продукты реакции, покажите их биологическую активность.

4. Приведите реакцию декарбоксилирования триптофана (b-индолил-a-амино­пропионовой кислоты). Назовите полученный биогенный амин, покажите его физиологическое действие.

5. Приведите строение имидазола. Объясните его ароматичность и амфотерность. В основе каких биологически активных соединений лежит имидазол?

6. Напишите реакцию декарбоксилирования гистидина. Назовите полученный биогенный амин, покажите его физиологическое действие.

7. Приведите строение пиразола, пиразолона-5 и анальгина. Каким действием обладают лекарственные препараты пиразолонового ряда?

8. Приведите строение пиридина. Объясните, почему это соединение является ароматическим. Напишите реакцию взаимодействия пиридина с соляной кислотой. Какие свойства проявляет пиридин в этой реакции?

9. Напишите реакцию получения никотиновой кислоты из b-метилпиридина (b-пиколина) и изоникотиновой – из g-метилпиридина (g-пиколина).

10. Приведите строение лекарственных соединений, включающих пиридиновый цикл: амида никотиновой кислоты – витамина РР; гидразида изоникотиновой кислоты – «Изониазида» («Тубазида») и продукта его конденсации с ванилином («Фтивазида»); 8-гидроксихинолина («Оксина»).

11. Приведите строение комплекса 8-гидроксихинолина с Ме²⁺. В основе какого процесса лежит образование этого соединения? Покажите строение и медицинское применение препарата 5-НОК (5-нитро-8-гидроксихинолина).

12. Приведите строение пиримидина, пурина. Укажите нумерацию атомов. Объясните, почему эти соединения являются ароматическими.

13. Напишите кето-енольные и лактим-лактамные формы барбитуровой кислоты (2,4,6-тригидроксипиримидина). Приведите строение 5,5-диэтилбарбитуро­вой кислоты («Барбитал») и 5-этил-5-фенилбарбитуровой кислоты («Фенобарбитал») и покажите медицинское применение барбитуратов.

14. Приведите строение ксантина (2,6-дигидроксипурина) в лактамной форме и его N-метилированных производных: теофиллина, теобромина и кофеина. К какой группе лекарственных препаратов их относят, какова их физиологическая активность?

15. Приведите строение мочевой кислоты (2,6,8-тригидроксипурина). Покажите образование моно- и динатриевой ее соли (см. опыт 8). К каким нарушениям в организме приводит образование нерастворимых солей мочевой кислоты?

16. Напишите строение противоопухолевых средств, производных пиримидина и пурина: 5-фторурацила и 6-меркаптопурина. Покажите принцип их действия.

17*. Поясните высокую устойчивость имидазола к действию даже сильных окислителей.

18*. Какой вид таутомерии обусловливает проявление кислотных свойств барбитуровой кислоты и отсутствует у барбитуратов? Поясните.

 

 

Лабораторная работа по теме
«Физиологически активные гетероциклические соединения»

Опыт 9. Растворимость мочевой кислоты
и ее натриевой соли в воде

Поместите в пробирку небольшое количество (на кончике лопаточки) мочевой кислоты. Прибавьте по каплям воду (5-8 капель), каждый раз встряхивая пробирку. Обратите внимание на плохую растворимость мочевой кислоты в воде. В холодной воде мочевая кислота почти нерастворима: 1 часть ее растворяется в 39000 частях воды.

После добавления 8 капель воды растворения все еще не заметно. Стоит, однако, добавить всего 1 каплю 10% раствора гидроксида натрия, как мутный раствор моментально просветляется вследствие образования относительно легкорастворимой двузамещенной соли натрия. Полученный раствор сохраните для последующего опыта.

Вопросы:

1. Напишите таутомерные формы мочевой кислоты.

2. Напишите схему взаимодействия мочевой кислоты с гидроксидом натрия.

 

Опыт 10. Открытие мочевой кислоты
(мурексидная проба)

На предметное стекло с помощью пипетки поместите 1 каплю раствора натриевой соли мочевой кислоты (см. опыт 9). Добавьте 1 каплю концентрированной азотной кислоты (на общем столе) и осторожно встряхивайте, держа стекло над пламенем спиртовки на некотором расстоянии (примерно 10 см). Как только раствор выпарится и начнется слабое покраснение пятна на месте бывшей капли, прекратите нагревание. Когда стекло остынет, сбоку от пятна поместите 1 каплю 10% раствора аммиака. На месте соприкосновения наблюдается появление полоски пурпурно-фиолетового цвета (мурексидная проба).

При окислении азотной кислотой мочевая кислота, как и прочие пуриновые основания, образуют аллоксантин. При смачивании образовавшегося аллоксантина аммиаком получается мурексид – аммониевая соль очень неустойчивой в свободном виде пурпурной кислоты. Мурексидная проба используется при анализе мочевых камней. Применяется эта проба также при открытии кофеина, теобромина и других пуриновых оснований.

Вопросы:

1. Объясните причины возникновения окрашивания в мурексидной пробе.

2. Какое применение в медицине находит мурексидная проба?