13.7. Аміни та інші нітрогеновмісні органічні сполуки

Аміни є похідними амоніаку NH₃, які утворюються внаслідок заміщення в ньому одного чи кількох атомів Гідрогену органічними радикалами. Легші аміни, такі як метиламін CH₃NH₂, диметиламін (CH₃)₂NH і триметиламін (CH₃)₃N — газоподібні речовини.

Анілін, або амінобензен C₆H₅NH₂,— безбарвна оліїста рідина, яка з часом темнішає внаслідок того, що під час її окиснення утворюються сильно забарвлені похідні. Анілін застосовують у виробництві барвників та інших хімічних продуктів.

Багато речовин, що входять до складу тканин рослинних і тваринних організмів, також містять Нітроген. З-поміж таких речовин особливе значення мають білки та нуклеїнові кислоти, які розглядаються в дальших розділах. Найважливішим продуктом обміну білкових речовин в організмі людини є сечовина (NH₂)₂CO. Це основна нітрогеновмісна сполука, що входить до складу сечі.

Гетероциклічними називають такі циклічні сполуки, в яких один або кілька атомів, що входять до циклу, не є атомами Карбону (зазвичай це атоми N, O і S). Прикладом може бути піридин C₅H₅N — безбарвна рідина з неприємним запахом, що міститься в продуктах перегонки вугілля. Електронну структуру піридину можна описати як гібрид кількох валентних структур

Енергія резонансу піридину відносно енергії однієї зі структур, подібних до структур Кекуле, становить 180 кДж·моль^-1. Піридин — основа; у кислому розчині він приєднує протон до неподіленої пари електронів атома Нітрогену й утворює іон піридинію C₅H₅NH⁺.

Існують також шестичленні кільця, що містять два або кілька атомів Нітрогену. З таких сполук важливе значення має піримідин C₄H₄N₂. Це безбарвна речовина, що плавиться за 22 °C і кипить за 124 °C. Два атоми Нітрогену містяться в кільці в мета-положенні. Електронна структура цієї сполуки є гібридом структури

та інших валентних структур, аналогічних щойно розглянутим для піридину. Усі зв'язки в кільці цієї сполуки мають частково характер подвійних зв'язків, а отже, молекули піридину й піримідину мають бути плоскими.

Похідні піримідину, які називаються піримідинами, охоплюють три речовини — тимін, урацил і цитозин, — що мають дуже велике значення для передавання спадкових ознак. Про них ітиметься в наступних двох розділах.

Інший важливий клас нітрогеновмісних гетероциклів становлять пурини. Це похідні сполуки пурину C₅H₄N₄ — безбарвної кристалічної речовини з температурою плавлення 217 °C. Молекула пурину плоска; її електронна структура описується як гібрид структури

і двох рядів інших валентних структур.

Дві сполуки, що належать до пуринів, — аденін і гуанін — відіграють важливу роль у хімії спадковості й будуть розглянуті в наступних двох розділах.

Кофеїн — речовина, що збуджує центральну нервову систему,— міститься в каві, чаї, напоях з коки; кофеїн також є пурином. Він безбарвний, не має запаху, плавиться за 236 °C. Структурну формулу кофеїну, яка показує лише один із можливих розподілів валентних зв'язків, наведено нижче

Пірол C₄H₅N — безбарвна рідина з температурою кипіння 130 °C — має неприємний запах. Пірол міститься в кам'яновугільній смолі та в оліїстому продукті сухої перегонки кісток. Його структурна формула

описує молекулу лише частково; резонанс з іншими структурами, такими як

і

стабілізує молекулу енергією резонансу 130 кДж·моль^-1.

Особливе значення пірольного кільця зумовлене тим, що воно входить до складу гему гемоглобіну, хлорофілу (підрозд. 14.6) та інших речовин, виявлених у живих організмах. Чотири пірольні кільця, сполучені між собою CH-групами, утворюють порфірини. Протопорфірин має структурну формулу

Подвійні зв'язки резонують між різними положеннями, зумовлюючи плоску будову молекули, а два центральні атоми Гідрогену можуть по-різному розподілятися між чотирма атомами Нітрогену.

Феррогем, званий також просто гемом, є ферум(II) протопорфірином з двовалентним атомом Феруму замість двох центральних атомів Гідрогену. Атом Феруму розташований у площині молекули (або поблизу площини) і утворює зв'язки з усіма чотирма атомами Нітрогену. Феррогем входить до складу гемоглобіну та деяких інших білків.

Феррогем легко окиснюється до ферригему, що містить Ферум(III). Ферригемхлорид (стара назва — гемінхлорид) утворює чорні кристали. Протопорфірин має пурпуровий колір; його колір, чорний колір солей геміну та червоний колір крові зумовлені системою резонуючих подвійних зв'язків у структурі порфірину. 

Існує багато порфіринів, які різняться складом і розташуванням приєднаних груп (у протопорфірині це групи вінільні, пропіонової кислоти та метильні). Копропорфірин I, основний порфірин, що міститься у випорожненнях людини, має чотири метильні групи й чотири групи пропіонової кислоти, які почергово розташовані навколо молекули, а уропорфірин I, що іноді присутній у сечі людини, має чотири групи оцтової кислоти, які чергуються з чотирма групами пропіонової кислоти. За природженого захворювання — порфіринової хвороби (гематопорфірії) — неповноцінний фермент не забезпечує нормального каталітичного перетворення уропорфірину на копропорфірин.

Барбітурати, до яких належить низка важливих лікарських препаратів, що застосовуються як заспокійливі засоби (транквілізатори), а також як снодійні, дуже близькі до піримідинів. Структурні формули барбітурової кислоти та двох її похідних наведено нижче; зазначений у формулах розподіл атомів Гідрогену між атомами Оксигену й Нітрогену не можна вважати цілком визначеним; тут наведено лише по одній з цілого ряду можливих валентних структур. Механізм фізіологічної дії таких ліків докладно не відомий. Проте майже немає сумнівів, що вони діють шляхом включення в рецепторні частини молекул нервових закінчень і утворення при цьому водневих зв'язків

Алкалоїди — речовини рослинного походження, що мають основні (лужні) властивості; молекула алкалоїду містить принаймні один атом Нітрогену, зазвичай у гетероциклічному кільці. Більшість алкалоїдів — фізіологічно активні речовини; багато з них застосовують у медицині. Прикладом може бути кокаїн, який має сильну місцеву анестезуючу дію та збуджувальну дію на центральну нервову систему; його добувають з листя куща коки. Формула кокаїну має вигляд 

Нікотин C₁₀H₁₄N₂ — найважливіший алкалоїд, що міститься в тютюні. Він має таку структурну формулу:

Нікотин дуже токсичний і застосовується як інсектицид. У невеликих дозах він справляє збуджувальну дію на центральну нервову систему та підвищує кров'яний тиск. Шкідливі наслідки куріння, як вважають, певною мірою пов'язані з дією нікотину, який вдихається й всмоктується в кров, проте значно більшою мірою вони зумовлені впливом канцерогенних вуглеводнів та інших шкідливих речовин, що містяться в димі.