Амины представляют собой производные аммиака NН3, получаемые при замещении в нем одного или нескольких атомов водорода органическими радикалами. Более легкие амины, такие, как метиламин СН3NН2, диметиламин (СН3)2NН и триметиламин (СН3)3N — газообразные вещества.
Анилин, или аминобензол С6Н5NН2,—бесцветная маслянистая жидкость, темнеющая со временем в результате того, что при ее окислении образуются сильно окрашенные производные. Анилин применяют в производстве красителей и других химических продуктов.
Многие вещества, входящие в состав тканей растительных и животных организмов, также содержат азот. Из таких веществ особое значение имеют белки и нуклеиновые кислоты, рассматриваемые в дальнейших главах. Важнейшим продуктом обмена белковых веществ в организме человека является мочевина (NН2)2СО. Это основное азотсодержащее соединение, входящее в состав мочи.
Гетероциклические соединения азота. Пурины и пиримидины
Гетероциклическими называют такие циклические соединения, в которых один или несколько атомов, входящих в цикл, не являются атомами углерода (обычно это атомы N, О и S). Примером может служить пиридин С5H5N — бесцветная жидкость с неприятным запахом, содержащаяся в продуктах перегонки угля. Электронную структуру пиридина можно описать как гибрид нескольких валентных структур
Энергия резонанса пиридина по отношению к энергии одной из структур, подобных структурам Кекулё, составляет 180 кДж·моль-1. Пиридин — основание; в кислом растворе он присоединяет протон к неподеленной паре электронов атома азота и образует ион пиридиния С5Н5NН+.
Существуют также шестичленные кольца, содержащие два или несколько атомов азота. Из таких соединений важное значение имеет пиримидин С4Н4N2. Это бесцветное вещество, плавящееся при 22 °С и кипящее при 124 °С. Два атома азота находятся в кольце в мета-положении. Электронная структура этого соединения является гибридом структуры
и других валентных структур, аналогичных только что рассмотренным для пиридина. Все связи в кольце этого соединения носят частично характер двойных связей, а следовательно, молекулы пиридина и пиримидина должны быть плоскими.
Производные пиримидина, называемые пиримидинами, включают три вещества — тимин, урацил и цитозин, — имеющие очень большое значение в передаче наследственных признаков. О них речь пойдет в следующих двух главах.
Другой важный класс азотсодержащих гетероциклов составляют пурины. Это производные соединения пурина С5Н4N4 — бесцветного кристаллического вещества с температурой плавления 217 °С. Молекула пурина плоская; ее электронная структура описывается как гибрид структуры
и два ряда других валентных структур.
Два соединения, относящиеся к пуринам, — аденин и гуанин — играют важную роль в химии наследственности и будут рассмотрены в следующих двух главах.
Кофеин — вещество, возбуждающее центральную нервную систему,— содержится в кофе, чае, напитках кока; кофеин также является пурином. Он бесцветен, не обладает запахом, плавится при 236 °С. Структурная формула кофеина, показывающая лишь одно из возможных распределений валентных связей, приведена ниже
Пиррол, протопорфирин, гем
Пиррол С4Н5N — бесцветная жидкость, имеющая температуру кипения 130 °С, — обладает неприятным запахом. Пиррол присутствует в каменноугольной смоле и в маслянистом продукте сухой перегонки костей. Его структурная формула
описывает молекулу лишь частично; резонанс с другими структурами, такими, как
и
стабилизует молекулу энергией резонанса 130 кДж·моль-1.
Особое значение пиррольного кольца обусловлено тем, что оно присутствует в геме гемоглобина, в хлорофилле (разд. 14.6) и в других веществах, обнаруженных в живых организмах. Четыре пиррольных кольца, соединенных между собой СН-группами, образуют порфирины. Протопорфирин имеет структурную формулу
Двойные связи резонируют между разными положениями, обусловливая плоское строение молекулы, а два центральных атома водорода могут быть различным образом распределены между четырьмя атомами азота.
Феррогем, называемый также просто гемом, представляет собой железо(II) протопорфирин с двухвалентным атомом железа вместо двух центральных атомов водорода. Атом железа расположен в плоскости молекулы (или вблизи плоскости) и образует связи со всеми четырьмя атомами азота. Феррогем входит в состав гемоглобина и некоторых других белков.
Феррогем легко окисляется до ферригема, содержащего железо (III). Ферригемхлорид (старое название геминхлорид) образует черные кристаллы. Протопорфирин пурпурного цвета; его цвет, черный цвет солей гемина и красный цвет крови обусловлены системой резонирующих двойных связей в структуре порфирина.
Существует много порфиринов, различающихся составом и расположением присоединенных групп (в протопорфирине это группы винильные, пропионовой кислоты и метальные). Копропорфирин I, основной порфирин, содержащийся в фекалиях человека, имеет четыре метальные группы и четыре группы пропионовой кислоты, попеременно расположенные вокруг молекулы, а уропорфирин I, иногда присутствующий в моче человека, имеет четыре группы уксусной кислоты, чередующиеся с четырьмя группами пропионовой кислоты. При врожденном заболевании — порфириновой болезни (гематопорфирии) неполноценный фермент не обеспечивает нормального каталитического превращения уропорфирина в копропорфирин.
Барбитураты, к которым относится ряд важных лекарственных препаратов, применяемых в качестве успокаивающих средств (транквилизаторы), а также как снотворные, очень близки к пиримидинам. Структурные формулы барбитуровой кислоты и двух ее производных приведены ниже; указанное в формулах распределение атомов водорода между атомами кислорода и азота нельзя считать вполне определенным; здесь приведено лишь по одной из целого ряда возможных валентных структур. Механизм физиологического действия такого рода лекарств в деталях не известен. Однако почти нет сомнений в том, что они действуют путем включения в рецепторные части молекул нервных окончаний и образования при этом водородных связей
Алкалоиды
Алкалоиды — вещества растительного происхождения, обладающие основными (щелочными) свойствами; молекула алкалоида содержит по меньшей мере один атом азота, обычно в гетероциклическом кольце. Большинство алкалоидов — физиологически активные вещества; многие из них находят применение в медицине. Примером может служить кокаин, обладающий сильным местным анестезирующим действием и возбуждающим действием на центральную нервную систему; его получают из листьев кустарника кока. Формула кокаина имеет вид
Никотин С10Н14N2 — наиболее важный алкалоид, содержащийся в табаке. Он имеет следующую структурную формулу:
Никотин очень токсичен и находит применение в качестве инсектицида. В небольших дозах он оказывает возбуждающее действие на центральную нервную систему и повышает кровяное давление. Вредные последствия курения, как полагают, в какой-то мере связаны с действием вдыхаемого никотина, который всасывается в кровь, однако в значительно большей мере они обусловлены воздействием канцерогенных углеводородов и других вредных веществ, содержащихся в дыме.