Пиримидин, пиримидиновые основания

Сопряженная кольцевая система молекулы пиримидина состоит из шести p-электронов (4 электрона от атомов углерода и 2 электрона от двух атомов азота) и обеспечивает его высокую ароматичность, энергия сопряжения равна 109,2 кДж/моль (для бензола–150,7 кДж/моль). Наличие двух электроотрицательных атомов азота в цикле приводит к еще более неравномерному распределению электронной плотности, чем в пиридине. Здесь наблюдается сильное наложение мезомерного и индуктивного эффектов.

В положениях 2,4 и 6, где влияние отрицательного индуктивного эффекта (–I-эффект) атомов азота проявляется особенно сильно, будет наибольший положительный d-электронный заряд, т.е. наименьшая электронная плотность, в то же время положение 5 испытывает наименьшую потерю электронов, где и будет наибольшая электронная плотность. Нуклеофильные реагенты атакуют положения 2, 4, 6, а электрофильные – положение 5 в соответствии с поляризацией этих положений.

Взаимодействие неподеленных электронных пар атомов азота с
p-электронами в ароматической системе приводит к уменьшению основности атомов азота пиримидина и поэтому она значительно ниже, чем у пиридина. Вследствие этого протонирование по атомам азота пиримидина протекает лишь в очень сильных кислотах и приводит к образованию соли только по одному атому азота.

Сам пиримидин инертен к электрофильной атаке. И только введение электронодонорных заместителей (–NH₂, –OH, –SH) в положения 2, 4, 6 делает возможным электрофильную атаку положения 5 кольца пиримидина. Пиримидин с двумя электронодонорными заместителями вступает в электрофильное замещение как бензол, а с тремя электронодонорными заместителями в кольце реагирует легко, подобно фенолу. Например, нитрование требует двух электронодонорных групп:

Для галогенирования достаточно одной электронодонорной группы. Так,
2-аминопиримидин хлорируется и бромируется в положение 5:

Значительно больше распространены в ряду пиримидина реакции нуклеофильного замещения. При этом речь идет о нуклеофильном замещении различных групп, находящихся в положениях 2, 4, 6. Так, при действии амида натрия на 6-метилпиридин образуются 2-амино- и 2,4-диамино-6-метилпиримидин:

Следует отметить, что алкильные группы в положениях 2, 4 и 6 пиримидина обладают повышенной активностью: легко вступают в конденсацию с альдегидами и в реакцию азосочетания.

При гидролизе нуклеиновых кислот получаются три важных производных пиримидина: цитозин (4-амино-2-гидроксипиримидин), тимин (2,4-дигидрокси-5-метилпиримидин) и урацил (2,4-дигидроксипиримидин), которые относятся к группе пиримидиновых оснований. Одним из важных свойств пиримидиновых азотистых оснований является возможность их существования в двух таутомерных формах – лактим-лактамной формах, в зависимости от значения рН среды, при рН 7,0 они находятся в лактамной форме, которая и является главной таутомерной формой:

Лактимная форма присутствует только в растворах в кислой среде в весьма незначительном количестве. Помимо главных пиримидиновых оснований в составе нуклеиновых кислот открыты минорные пиримидиновые основания: 5-метил и 5-оксиметилцитозин, дигидроурацил, псевдоурацил, 1-метилурацил, 4-тиоурацил и др. На долю минорных оснований приходится до 10% всех нуклеотидов транспортных рибонуклеиновых кислот (тРНК), что имеет важный физиологический смысл – защита молекулы РНК от действия гидролитических ферментов.

Витамин В₁ (тиамин) тоже содержит пиримидиновый цикл, соединенный метиленовой связью с кольцом тиазола

Отсутствие витамина В₁ в пище, например, при питании ободранным рисом (он содержится в рисовых отрубях), вызывает известное на востоке нервное заболевание бери-бери. Суточная потребность в витамине В₁ для человека – 4 мг. Необходимость в нем связана с тем, что витамин В₁ (в виде дифосфата – ТДФ – тиаминдифосфат) входит в структуру двух сложных ферментных систем: пируват- и a-кетоглутаратдегидрогеназных комплексов, катализирующих окислительное декарбоксилирование пировиноградной и a-кетоглутаровой кислот и других оксокислот, образующихся при распаде аминокислот с разветвленной боковой цепью. Основное количество витамина В₁ человек получает с растительной пищей, а также им богаты печень, почки, мозг.