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 , подобное пиридину ( C 5 Ч 5 Н ). [3] Один из трех диазинов (шестичленных гетероциклов с двумя атомами азота в кольце), имеет атомы азота в положениях 1 и 3 в кольце. [4] : 250 Другими диазинами являются пиразин (атомы азота в положениях 1 и 4) и пиридазин (атомы азота в положениях 1 и 2).
В нуклеиновых кислотах производными пиримидина являются три типа нуклеиновых оснований : цитозин (С), тимин (Т) и урацил (U).
Пиримидиновая кольцевая система имеет широкое распространение в природе [5] в виде замещенных и слитых с кольцом соединений и производных, включая нуклеотиды цитозин , тимин и урацил , тиамин (витамин В1) и аллоксан . Он также содержится во многих синтетических соединениях, таких как барбитураты и зидовудин, препарат против ВИЧ . 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 Пиннером , [8] который синтезировал производные путем конденсации этилацетоацетата 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 цинковая пыль в горячей воде.
Номенклатура пиримидинов проста. Однако, как и другие гетероциклические соединения, таутомерные гидроксильные группы вызывают осложнения, поскольку они существуют преимущественно в форме циклического амида . Например, 2-гидроксипиримидин правильнее называть 2-пиримидоном. Существует неполный список тривиальных названий различных пиримидинов. [12] : 5–6
Физические свойства показаны в поле данных. Более подробное обсуждение, включая спектры, можно найти у Brown et al. [12] : 242–244.
По классификации Альберта [13] : 56–62 шестичленных гетероцикла можно охарактеризовать как π-дефицитные. Замещение электроотрицательными группами или дополнительными атомами азота в кольце существенно увеличивает π-дефицит. Эти эффекты также уменьшают основность. [13] : 437–439.
Как и в пиридинах, в пиримидинах плотность π-электронов снижена еще в большей степени. Следовательно, электрофильное ароматическое замещение затруднено, в то время как нуклеофильное ароматическое замещение облегчается. Примером последнего типа реакций является замещение аминогруппы в 2-аминопиримидине хлором [14] и его обратное. [15]
Доступность неподеленной пары электронов ( основность ) снижается по сравнению с пиридином. По сравнению с пиридином N -алкилирование и N -окисление протекают более сложно. 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 при одном азоте из-за дальнейшей дезактивации вторым азотом. [4] : 250 Положения 2, 4 и 6 пиримидинового кольца являются электронодефицитными, как и в пиридине, а также в нитро- и динитробензоле. Положение 5 менее электронодефицитно и заместители там достаточно стабильны. Однако электрофильное замещение в положении 5 относительно легко, включая нитрование и галогенирование. [12] : 4–8
Снижение резонансной стабилизации пиримидинов может приводить к реакциям присоединения и расщепления цикла, а не замещения. Одно из таких проявлений наблюдается при перегруппировке Димрота .
Пиримидин также встречается в метеоритах , но его происхождение ученым до сих пор не известно. Пиримидин также фотолитически разлагается на урацил под действием ультрафиолета . [16]
Биосинтез пиримидина создает производные — такие как оротат, тимин, цитозин и урацил — de novo из карбамоилфосфата и аспартата.
Как это часто бывает с исходными гетероциклическими кольцевыми системами, синтез пиримидина не так распространен и обычно осуществляется путем удаления функциональных групп из производных. Сообщалось о первичных массовых синтезах с участием формамида . [12] : 241–242.
Как класс пиримидины обычно синтезируются путем основного синтеза, включающего циклизацию β-дикарбонильных соединений соединениями N–C–N. Типична реакция первых с амидинами с образованием 2-замещенных пиримидинов, с мочевиной с образованием 2- пиримидинонов и с гуанидинами с образованием 2-аминопиримидинов. [12] : 149–239.
Пиримидины можно получить реакцией Биджинелли и другими многокомпонентными реакциями . [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 формамид . [19]
Новый метод заключается в реакции N -винил- и N - ариламидов с карбонитрилами при электрофильной активации амида 2-хлорпиридином и ангидридом трифторметансульфокислоты : [20]
Из-за пониженной основности по сравнению с пиридином электрофильное замещение пиримидина происходит менее легко. Протонирование или алкилирование обычно происходит только по одному из атомов азота кольца. Моно- N -окисление происходит за счет реакции с надкислотами. [4] : 253–254.
Электрофильное С -замещение пиримидина происходит в 5-м положении, наименее электронодефицитном. Нитрование , нитрозирование , азосочетание , галогенирование , сульфирование , формилирование , гидроксиметилирование и аминометилирование наблюдались с замещенными пиримидинами. [12] : 9–13
Нуклеофильное C -замещение должно происходить во 2-, 4- и 6-положениях, но примеров всего несколько. Аминирование и гидроксилирование наблюдались для замещенных пиримидинов. Реакции с реактивами Гриньяра или алкиллития после ароматизации дают 4-алкил- или 4-арилпиримидин. [12] : 14–15
Атака свободных радикалов наблюдалась для пиримидина, а фотохимические реакции наблюдались для замещенных пиримидинов. [12] : 15–16 Пиримидин можно гидрировать с образованием тетрагидропиримидина. [12] : 17
Три нуклеиновых 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 . Так, в ДНК пурины аденин (А) и гуанин (G) соединяются с пиримидинами тимином (Т) и цитозином (С) соответственно.
В РНК комплементом аденина (А) является урацил (U) вместо тимина (Т), поэтому образуются пары аденин : урацил и гуанин : цитозин .
Очень редко тимин может появляться в РНК или урацил в ДНК, но когда представлены три других основных пиримидиновых основания, некоторые второстепенные пиримидиновые основания могут встречаться и в нуклеиновых кислотах . Эти второстепенные пиримидины обычно представляют собой метилированные версии основных пиримидинов и, как предполагается, обладают регуляторными функциями. [21]
Эти режимы водородных связей относятся к классическому спариванию оснований Уотсона-Крика . Другие способы образования водородных связей («колеблющиеся пары») 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 учёные НАСА Эймс сообщили, что впервые сложные органические соединения жизни ДНК и РНК , включая урацил , цитозин и тимин , были сформированы в лаборатории в условиях космического пространства с использованием исходных химических веществ , таких как пиримидин, найден в метеоритах . Пиримидин, как и полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), самое богатое углеродом химическое вещество во Вселенной , возможно, образовался в красных гигантах или в межзвездных пылевых и газовых облаках. [23] [24] [25]
Чтобы понять, как возникла жизнь , необходимы знания о химических путях, 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 соединяются, образуя РНК . Сложные молекулы, такие как РНК, должны были возникнуть из относительно небольших молекул, реакционная способность которых определялась физико-химическими процессами. РНК состоит из пиримидиновых и пуриновых нуклеотидов, оба из которых необходимы для надежной передачи информации и, следовательно, для естественного отбора и дарвиновской эволюции . Беккер и др. показали, как пиримидиновые нуклеозиды могут быть синтезированы из небольших молекул и рибозы исключительно за счет циклов влажно-сухого состояния. [26] Пуриновые нуклеозиды могут быть синтезированы аналогичным путем. 5'-моно- и дифосфаты также избирательно образуются из фосфатсодержащих минералов, что позволяет одновременно образовывать полирибонуклеотиды как с пиримидиновыми, так и с пуриновыми основаниями. Таким образом, можно создать сеть реакций на пиримидиновые и пуриновые строительные блоки РНК, начиная с простых атмосферных или вулканических молекул.
{{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь ) , также опубликовано как Барбатти, М.; Борин, AC; Ульрих, С. (ред.). «14: Фотосинтез и фотостабильность нуклеиновых кислот в пребиотических внеземных средах». Фотоиндуцированные явления в нуклеиновых кислотах . Берлин, Гейдельберг: Springer-Verlag. п. 499.