Пиримидин ( C 4 H 4 N 2 ; / p ɪ ˈ r ɪ . m ɪ ˌ d iː n , p aɪ ˈ r ɪ . m ɪ ˌ d iː n / ) — ароматическое гетероциклическое органическое соединение , похожее на пиридин ( C 5 H 5 N ). [3] Один из трех диазинов (шестичленных гетероциклов с двумя атомами азота в кольце), он имеет атомы азота в положениях 1 и 3 в кольце. [4] : 250 Другие диазины — это пиразин (атомы азота в положениях 1 и 4) и пиридазин (атомы азота в положениях 1 и 2).
В нуклеиновых кислотах три типа азотистых оснований являются производными пиримидина : цитозин (C), тимин (T) и урацил (U).
Система пиримидинового кольца широко распространена в природе [5] в виде замещенных и конденсированных по кольцу соединений и производных, включая нуклеотиды цитозин , тимин и урацил , тиамин (витамин B1) и аллоксан . Она также встречается во многих синтетических соединениях, таких как барбитураты и препарат против ВИЧ зидовудин . Хотя производные пиримидина, такие как аллоксан, были известны в начале 19 века, лабораторный синтез пиримидина не проводился до 1879 года [5] , когда Гримо сообщил о получении барбитуровой кислоты из мочевины и малоновой кислоты в присутствии оксихлорида фосфора . [6] Систематическое изучение пиримидинов началось [7] в 1884 году с Пиннера [8], который синтезировал производные путем конденсации ацетоацетата этила с амидинами . Пиннер впервые предложил название «пиримидин» в 1885 году. [9] Исходное соединение было впервые получено Габриэлем и Колманом в 1900 году [10] [11] путем превращения барбитуровой кислоты в 2,4,6-трихлорпиримидин с последующим восстановлением с использованием цинковой пыли в горячей воде.
Номенклатура пиримидинов проста. Однако, как и в случае с другими гетероциклами, таутомерные гидроксильные группы приводят к осложнениям, поскольку они существуют в основном в форме циклического амида . Например, 2-гидроксипиримидин правильнее называть 2-пиримидоном. Существует частичный список тривиальных названий различных пиримидинов. [12] : 5–6
Физические свойства показаны в поле данных. Более подробное обсуждение, включая спектры, можно найти в Brown et al. [12] : 242–244
Согласно классификации Альберта , [13] : 56–62 шестичленные гетероциклы можно описать как π-дефицитные. Замещение электроотрицательными группами или дополнительными атомами азота в кольце значительно увеличивает π-дефицит. Эти эффекты также снижают основность. [13] : 437–439
Подобно пиридинам, в пиримидинах π-электронная плотность снижена в еще большей степени. Поэтому электрофильное ароматическое замещение затруднено, а нуклеофильное ароматическое замещение облегчено. Примером последнего типа реакции является замещение аминогруппы в 2-аминопиримидине хлором [14] и его обратная реакция. [15]
Доступность неподеленной электронной пары ( основность ) снижена по сравнению с пиридином. По сравнению с пиридином N -алкилирование и N -окисление более затруднены. Значение p K a для протонированного пиримидина составляет 1,23 по сравнению с 5,30 для пиридина. Протонирование и другие электрофильные присоединения будут происходить только по одному азоту из-за дальнейшей дезактивации вторым азотом. [4] : 250 2-, 4- и 6-позиции на пиримидиновом кольце являются электронодефицитными, аналогичными таковым в пиридине и нитро- и динитробензоле. 5-позиция менее электронодефицитна, и заместители там довольно стабильны. Однако электрофильное замещение относительно легко в 5-позиции, включая нитрование и галогенирование. [12] : 4–8
Снижение резонансной стабилизации пиримидинов может привести к реакциям присоединения и разрыва кольца, а не к замещениям. Одно из таких проявлений наблюдается в перегруппировке Димрота .
Пиримидин также обнаружен в метеоритах , но ученые до сих пор не знают его происхождения. Пиримидин также фотолитически распадается на урацил под действием ультрафиолетового света. [16]
Биосинтез пиримидина приводит к образованию производных — таких как оротат, тимин, цитозин и урацил — de novo из карбамоилфосфата и аспартата.
Как это часто бывает с родительскими гетероциклическими кольцевыми системами, синтез пиримидина не так распространен и обычно осуществляется путем удаления функциональных групп из производных. Сообщалось о первичных синтезах в количестве с участием формамида . [12] : 241–242
Как класс, пиримидины обычно синтезируются с помощью основного синтеза, включающего циклизацию β-дикарбонильных соединений с соединениями N–C–N. Реакция первых с амидинами дает 2-замещенные пиримидины, с мочевиной дает 2 -пиримидиноны , и с гуанидинами дает 2-аминопиримидины, являются типичными. [12] : 149–239
Пиримидины могут быть получены с помощью реакции Биджинелли и других многокомпонентных реакций . [17] Многие другие методы основаны на конденсации карбонилов с диаминами, например, синтез 2-тио-6-метилурацила из тиомочевины и этилацетоацетата [18] или синтез 4-метилпиримидина с 4,4-диметокси-2-бутаноном и формамидом . [19]
Новый метод основан на реакции N -винил- и N - ариламидов с карбонитрилами при электрофильной активации амида с 2-хлорпиридином и трифторметансульфоновым ангидридом : [20]
Из-за пониженной основности по сравнению с пиридином электрофильное замещение пиримидина менее легкое. Протонирование или алкилирование обычно происходит только на одном из атомов азота кольца. Моно- N -окисление происходит в результате реакции с надкислотами. [4] : 253–254
Электрофильное замещение C пиримидина происходит в 5-м положении, наименее электронодефицитном. Нитрация , нитрозирование , азосочетание , галогенирование , сульфирование , формилирование , гидроксиметилирование и аминометилирование наблюдались с замещенными пиримидинами. [12] : 9–13
Нуклеофильное замещение C должно быть облегчено в 2-, 4- и 6-положениях, но есть только несколько примеров. Аминирование и гидроксилирование наблюдались для замещенных пиримидинов. Реакции с реагентами Гриньяра или алкиллития дают 4-алкил- или 4-арилпиримидин после ароматизации. [12] : 14–15
Свободнорадикальная атака наблюдалась для пиримидина, а фотохимические реакции наблюдались для замещенных пиримидинов. [12] : 15–16 Пиримидин может быть гидрогенизирован с образованием тетрагидропиримидина. [12] : 17
Три азотистых основания, обнаруженные в нуклеиновых кислотах , цитозин (C), тимин (T) и урацил (U), являются производными пиримидина:
В ДНК и РНК эти основания образуют водородные связи с комплементарными им пуринами . Таким образом, в ДНК пурины аденин (A) и гуанин (G) образуют пары с пиримидинами тимином (T) и цитозином (C) соответственно.
В РНК комплементом аденина (А) является урацил (У) вместо тимина (Т), поэтому образуются пары аденин : урацил и гуанин : цитозин .
Очень редко тимин может появляться в РНК, а урацил в ДНК, но когда представлены три других основных пиримидиновых основания, некоторые второстепенные пиримидиновые основания также могут встречаться в нуклеиновых кислотах . Эти второстепенные пиримидины обычно являются метилированными версиями основных и, как предполагается, имеют регуляторные функции. [21]
Эти режимы водородных связей предназначены для классического спаривания оснований Уотсона-Крика . Другие режимы водородных связей («колебательные спаривания») доступны как в ДНК, так и в РНК, хотя дополнительная 2′-гидроксильная группа РНК расширяет конфигурации, посредством которых РНК может образовывать водородные связи. [22]
В марте 2015 года ученые NASA Ames сообщили, что впервые сложные органические соединения ДНК и РНК жизни , включая урацил , цитозин и тимин , были сформированы в лабораторных условиях в условиях открытого космоса с использованием исходных химических веществ, таких как пиримидин, обнаруженный в метеоритах . Пиримидин, как и полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), наиболее богатые углеродом химические вещества, обнаруженные во Вселенной , могли образоваться в красных гигантах или в межзвездных пылевых и газовых облаках. [23] [24] [25]
Чтобы понять, как возникла жизнь , необходимо знание химических путей, которые позволяют формировать ключевые строительные блоки жизни в вероятных пребиотических условиях . Гипотеза мира РНК утверждает, что в первичном бульоне существовали свободно плавающие рибонуклеотиды , фундаментальные молекулы, которые последовательно объединяются для образования РНК . Сложные молекулы, такие как РНК, должны были возникнуть из относительно небольших молекул, реакционная способность которых регулировалась физико-химическими процессами. РНК состоит из пиримидиновых и пуриновых нуклеотидов, оба из которых необходимы для надежной передачи информации и, следовательно, естественного отбора и дарвиновской эволюции . Беккер и др. показали, как пиримидиновые нуклеозиды могут быть синтезированы из небольших молекул и рибозы , управляемых исключительно циклами «влажность-сухость». [26] Пуриновые нуклеозиды могут быть синтезированы аналогичным путем. 5'-моно- и дифосфаты также селективно образуются из фосфатсодержащих минералов, что позволяет одновременно формировать полирибонуклеотиды как с пиримидиновыми, так и с пуриновыми основаниями. Таким образом, можно установить реакционную сеть в направлении пиримидиновых и пуриновых строительных блоков РНК, начиная с простых атмосферных или вулканических молекул.
{{cite book}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на июнь 2024 г. ( ссылка )
{{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь ) , также опубликовано как Barbatti, M.; Borin, AC; Ullrich, S. (ред.). "14: Фотосинтез и фотостабильность нуклеиновых кислот в пребиотических внеземных средах". Фотоиндуцированные явления в нуклеиновых кислотах . Берлин, Гейдельберг: Springer-Verlag. стр. 499.