Важнейшие производные пиррола

Производные пиррола широко распространены в природе, к их числу относятся такие важные соединения, как хлорофилл, гемоглобин, витамин В₁₂, гетероциклические аминокислоты и др. Многие из этих соединений содержат в молекуле особую группировку их четырех пиррольных ядер, соединенных между собой с помощью четырех метиновых (=СН–) мостиков в 16-членное кольцо – ядро порфина. В молекуле порфина (и порфиринов) имеется непрерывное сопряжение p-связей (многоконтурная сопряженная p-система), при этом максимальное p-электронное взаимодействие охватывает 16-членный (С₁₂N₄) цикл, в котором порядок связей С=С и С=N достигает 1,5, а в ряде случаев и превышает его. Таким образом, 16-членный макроцикл (порфина) является ароматическим с повышенной термической устойчивостью, способным к реакциям электрофильного замещения. Сам порфин, как таковой, в природе не встречается и получен лишь синтетически. Он представляет собой высокоплавкое кристаллическое вещество темно-красного цвета:

При замещении атомов водорода в b-положении пиррольных колец порфина на радикалы образуются порфирины. Многие важные природные соединения являются металлическими производными порфиринов. Следует отметить, что атомы азота в ядре порфина и в порфиринах неравноценны – два из них являются пиррольными (имеют кислотный характер), а два – пирролиновыми (имеют основной характер). Такое строение является исключительно благоприятным для образования комплексов с металлами (для «хелатизации»), что существенно для проявления этими соединениями физиологической активности. Биологическое значение этих природных соединений определяется природой ионов металлов и заместителями в ядре порфина. Если комплекс образован с помощью иона железа (Fe³⁺), то при определенных заместителях в порфине мы получаем гемин – красное вещество крови (основная часть гемоглобина).

Гемоглобин, являющийся переносчиком кислорода от легких к тканям тела, представляет собою белок глобин, координационно связанный с гемом (гем – порфирин, содержащий в центре молекулы атом двухвалентного железа – Fe²⁺). Таким образом, гемин отличается от гема наличием трехвалентного железа (Fe³⁺) и аниона хлора (Cl^-).

Зеленые пигменты растений – хлорофиллы являются магнийпроизводными порфирина, в их молекуле атомы азота связаны с магнием, при этом имеются другие заместители в ядре порфирина, например, хлорофилл – сложный эфир фитола – высокомолекулярного спирта, обладающего полиизопреноидным скелетом.

Хлорофиллу принадлежит выдающаяся роль в фотосинтезе – усвоении углекислого газа зелеными растениями за счет световой энергии с образованием органического вещества. Значительно более сложная порфириновая структура, включающая в себя ион кобальта и соединенная с гетероциклическим соединением – замещенным бензимидазолом, лежит в основе витамина В₁₂, который участвует в работе кроветворных органов (костный мозг), а также применяется для лечения ряда заболеваний. Известны также ферментные системы, в составе которых в качестве проететической группы участвуют так называемые В₁₂-коферменты, или кобамидные коферменты. Порфириновые структуры играют огромную роль в окислительно-восстановительных реакциях в живых организмах, входят в состав ферментов каталазы, пероксидазы и цитохромов, участвующих в переносе электронов при окислительных процессах в клетках. Порфириновые структуры не исчерпывают всего многообразия природных соединений, в состав которых входят производные пиррола. Известно много биологически активных веществ растительного происхождения – алкалоидов, содержащих в качестве структурного элемента бензопиррол – индол.