Гексахлоран, Пиримидин, Пиррол и Бензпирен
Общие сведения
Гексахлоран, пиримидин, пиррол и бензпирен представляют собой различные классы циклических и гетероциклических органических соединений, обладающие высокой химической, биологической и экологической значимостью. Гексахлоран, исторически открытый Майклом Фарадеем в 1825 году, получил широчайшую известность во второй половине двадцатого века как мощный инсектицид, массовое применение которого привело к серьезным экологическим последствиям и отравлениям. Пиримидин и пиррол являются важнейшими гетероциклическими системами, входящими в состав структурных компонентов живых организмов, медикаментов и биологически активных веществ. Бензпирен (бензоапирен), в свою очередь, выступает в роли одного из наиболее опасных и распространенных химических канцерогенов, образующихся в процессах горения и наносящих колоссальный ущерб здоровью населения планеты на протяжении последних ста лет.
Классификация
Рассматриваемые вещества относятся к различным группам органических циклических структур. Гексахлоран (гексахлорциклогексан) представляет собой алициклическое галогенпроизводное. Молекула гексахлорана может существовать в виде восьми различных пространственных изомеров, среди которых наибольшей инсектицидной активностью обладает гамма-изомер, известный под названием линдан.
Пиримидин классифицируется как шестичленный гетероцикл, содержащий в своем кольце два атома азота (диазин). Пиррол является пятичленным гетероциклом с одним атомом азота, обладающим выраженным ароматическим характером за счет делокализации секстета электронов по пяти атомам цикла.
Бензпирен классифицируется как полициклический ароматический углеводород. Данное соединение является продуктом конденсации нескольких бензольных колец и относится к группе веществ первого класса канцерогенной опасности, что было официально подтверждено Международным агентством по изучению рака в 2012 году.
Способы получения
Синтез гексахлорана в промышленности осуществляется путем фотохимического хлорирования бензола. Реакцию проводят в условиях избытка бензола, используя в качестве среды органические растворители или алифатические нитрилы. Данный процесс приводит к образованию смеси различных пространственных изомеров гексахлорциклогексана.
Получение пиримидина в лабораторных и промышленных условиях базируется на реакциях восстановления галогенированных пиримидиновых производных.
Для синтеза пиррола, структура которого была окончательно установлена в 1870 году, разработан ряд препаративных методов. Классическим лабораторным способом является пиролиз аммониевой соли слизевой кислоты. Широко применяются методы многокомпонентного синтеза. К ним относится синтез пирролов по Ганчу, представляющий собой трехкомпонентную конденсацию бета-кетоэфиров с аммиаком и альфа-галогенкетонами. Также известен синтез по Кнорру, который заключается в конденсации альфа-аминокарбонильных соединений с дикарбонильными производными. Кроме того, замещенные пирролы могут быть синтезированы из дикетонов при взаимодействии с аммиаком.
Бензпирен, в отличие от предыдущих соединений, не синтезируется целенаправленно, а является побочным продуктом процессов сгорания органических веществ. Его основными источниками выступают выбросы двигателей внутреннего сгорания автомобилей, табачный дым, продукты сжигания древесины и угля в системах отопления, а также асфальтовые испарения и каменноугольные смолы.
Свойства
Чистый гексахлоран представляет собой твердое белое порошкообразное вещество, не имеющее запаха. Технический продукт, применяемый на практике, имеет желтовато-серый оттенок и характерный неприятный запах плесени. Вещество малорастворимо в воде, однако отлично растворяется в неполярных органических растворителях (особенно ароматических углеводородах), керосине, ацетоне и жирных кислотах. Высокая липофильность гексахлорана позволяет ему легко проникать через липидные защитные барьеры организмов. При высоких температурах соединение способно возгоняться с образованием белого густого дыма, что позволяет применять его в виде аэрозолей. Вещество обладает высокой химической стабильностью: слабо разрушается под действием ультрафиолетовых лучей и устойчиво к действию сильных кислот (азотной, серной, соляной). Однако при нагревании в присутствии щелочей изомеры гексахлорана разлагаются с отщеплением хлороводорода и образованием трихлорбензола.
Токсикологические свойства гексахлорана ярко выражены. У насекомых он нарушает перенос ионов при передаче нервного импульса, вызывая сильное возбуждение с последующим тяжелым параличом и смертью. Для человека гексахлоран является крайне опасным ядом. Острое отравление сопровождается головной болью, головокружением, слюнотечением, тошнотой, рвотой и кашлем. В тяжелых случаях наступает потеря сознания и паралич. В крови наблюдается лейкоцитоз, снижение уровня сахара и кальция. Токсическое воздействие приводит к поражениям нервной системы (радикулоневриты, энцефаломиелополиневриты), тяжелой деградации сердечной мышцы (миокарда), поражению почек и порезам нервов. При контакте с кожей развивается острый дерматит, сопровождающийся покраснением, отечностью, зудом и жжением. Кроме того, гексахлоран обладает канцерогенными свойствами, накапливается в жировых тканях животных и клубнях растений (например, картофеля), мигрируя по пищевым цепям.
Пиримидин при стандартных условиях представляет собой бесцветные кристаллы с характерным запахом. Температура плавления составляет 21 градус Цельсия, что означает переход в жидкое состояние уже при небольшом повышении температуры; температура кипения равна 124 градусам Цельсия. Пиримидин обладает свойствами двухосновного слабого основания. Атомы азота в его кольце способны присоединять протоны за счет донорно-акцепторных связей с образованием солей (например, перхлоратов и нитратов). Пиримидиновое ядро устойчиво к реакциям нитрования и сульфирования. Под действием алкилирующих агентов пиримидин образует соли, а при взаимодействии с гидразином возможно раскрытие кольца с последующим образованием пиразола. Соединение способно присоединять литийорганические реагенты и реактивы Гриньяра.
Пиррол в чистом виде является бесцветной жидкостью с запахом, напоминающим хлороформ. Вещество гигроскопично, темнеет на воздухе, растворимо в воде и хорошо смешивается с органическими растворителями. Пиррол проявляет свойства слабой кислоты, реагируя с щелочными металлами, их амидами и реактивами Гриньяра. Для него характерны сильные нуклеофильные свойства; он легко вступает в реакции нуклеофильного и электрофильного замещения. Вследствие высокой чувствительности к кислотам, прямое нитрование и сульфирование пиррола затруднительны. Соединение активно галогенируется, взаимодействует с уксусным ангидридом и диоксидом углерода (с образованием аммониевой соли пиррол-2-карбоновой кислоты). Пиррол также служит сырьем для получения акрилатов, малеинового ангидрида, формальдегида и хлороформа.
Бензпирен представляет собой твердое вещество, кристаллизующееся в виде желтых пластинок или игл. Он хорошо растворяется в ароматических углеводородах (бензоле, толуоле, ксилоле). Главным биологическим свойством бензпирена является его исключительная канцерогенность. Механизм токсического действия заключается в способности вещества вызывать стойкие мутации в онкогенах. Соединение химически устойчиво, легко мигрирует между объектами окружающей среды и обладает свойством биоаккумуляции.
Применение
Гексахлоран (в частности, его изомер линдан) исторически являлся одним из наиболее эффективных и массовых инсектицидов в сельском хозяйстве. С 1950 по 2000 год было произведено около 600 тысяч тонн данного вещества. Его применяли для протравливания семян и уничтожения популяций саранчи, бабочек, клопов, блох, комаров и жуков. Однако из-за высокой токсичности для теплокровных, рыб, земноводных и полезных насекомых (пчел), а также вследствие быстрого формирования резистентности у вредителей (тараканов, колорадского жука, долгоносиков), применение гексахлорана привело к экологическому кризису. В 2009 году производство вещества было запрещено в большинстве стран мира, хотя в некоторых государствах (США, Канада) длительное время сохранялось его ограниченное сельскохозяйственное и фармацевтическое использование.
Пиримидин имеет колоссальное значение как структурный элемент биохимических систем. Производные пиримидина входят в состав важнейших биологически активных молекул, включая аминокислоты, витамины, коферменты и нуклеиновые кислоты. В фармакологии пиримидиновое ядро служит основой для создания широкого спектра лекарственных препаратов, в том числе антибиотиков и барбитуратов.
Пиррол широко применяется в тонком органическом синтезе благодаря высокой реакционной способности. Пиррольные циклы входят в состав важнейших природных пигментов, в первую очередь хлорофилла растений. В химической промышленности вещество выступает ценным прекурсором для синтеза фармацевтических препаратов и сложных органических интермедиатов.
Бензпирен не имеет практического применения и рассматривается исключительно как высокоопасный экотоксикант. Вещество подлежит строгому экологическому мониторингу в воздухе городов, так как его концентрация регулярно превышает предельно допустимые нормы из-за автомобильных выхлопов. Бензпирен также обнаруживается в пищевых продуктах, подвергнутых термической обработке (копченая рыба, сильно жареное мясо, шоколад, кофе, чайные листья), что требует контроля качества пищи для снижения онкологических рисков среди населения.