Пятичленные гетероциклы с двумя гетероатомами

Примерами пятичленных гетероциклических соединений с двумя гетероатомами являются:

Все эти соединения ароматические. Они вступают в реакции электрофильного замещения с меньшей скоростью, чем пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом (электронная плотность ароматического кольца ниже из-за электроноакцепторного влияния пиридинового атома азота). Для имидазола и пиразола характерны также таутомерные превращения и образование межмолекулярных водородных связей.

В молекуле имидазола два неравноценных атома азота: пиррольный в положении 1 и пиридиновый в положении 3. Пиррольный азот отдает в сопряжение неподеленную электронную пару, пиридиновый азот – один электрон. Его неподеленная электронная пара в сопряжении не участвует. Пирольный азот отвечает за слабые кислотные свойства, пиридиновый – за основные:

Для имидазола характерная прототропная таутомерия за счет перехода протона водорода от кислотного центра к основному и наоборот, поэтому положения 4 и 5 в молекуле равноценны:

За счет наличия в молекуле и кислотного, и основного центров служит причиной образования межмолекулярных ассоциатов:

Из производных имидазола наиболее важными являются аминокислота гистидин и продукт ее декарбоксилирования гистамин:

Биологические функции гистидина и гистамина в организме связаны с их амфотерностью, за счет чего они могут выполнять роль донора и акцептора протонов.

Гистидин входит в состав белков, в том числе глобина. В гемоглобине за счет пиридинового атома азота имидазольного фрагмента гистидина белок глобин связывается с атомом железа гема.

Гистамин участвует в регуляции жизненно важных функций организма (снижает артериальное давление, усиливает секрецию желудочного сока). Повышенный уровень гистамина в организме ведет к аллергическим заболеваниям.

Кольцо имидазола входит в структуру алкалоида пилокарпина.

Пилокарпин используется при лечении глазных заболеваний.

Ядро бензимидазола входит в структуру витамина B₁₂ и лекарственного препарата дибазола (2-бензилбензимидазола), снижающего артериальное давление:

Пиразол является изомером имидазола. В их свойствах много общего. Пиразол также амфотерен, для него характерна прототропная таутомерия:

За счет прототропной таутомерии равноценны положения 3 и 5 пиразольного кольца:

Наиболее известным производным пиразола является пиразолон, который существует в различных таутомерных формах:

Так как положения 3 и 5 в молекуле пиразола равноценны, его называют и пиразолон-3, и пиразолон-5, и пиразолон-3(5).

На основе пиразолона-3(5) созданы лекарственные препараты – амидопирин, анальгин, бутадион:

Все эти препараты проявляют жаропонижающее, болеутоляющее и противовоспалительное действие. Амидопирин применяется в первую очередь как жаропонижающее средство, анальгин – как болеутоляющее, а бутадион – как противовоспалительный препарат.

Тиазол проявляет основные свойства и образует соли с минеральными кислотами:

Тиазол способен к реакциям гидрирования (восстановления) с образованием тиазолидина:

Тиазолидин является структурным фрагментом молекул антибиотиков пенициллинов.

Ядро тиазола входит в структуру лекарственного препарата норсульфазола (стр. 129), витамина B₁ (тиамина).

Недостаток витамина B₁ в организме приводит к тяжелому заболеванию «бери-бери». Потребность в витамине B₁ связана с тем, что он входит в структуру кофермента кокарбоксилазы, принимающего участие в декарбоксилировании α-кетокислот и синтезе ацетилкофермента А. Кокарбоксилаза – сложный эфир тиамина и пирофосфорной кислоты (тиаминдифосфат):