Pirimidina
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| Nombres | |||
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| Nombre IUPAC preferido Pirimidina [1] | |||
| Nombre sistemático de la IUPAC 1,3-Diazabenceno | |||
| Otros nombres 1,3-Diazina m -Diazina | |||
| Identificadores | |||
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Modelo 3D ( JSmol ) |
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| EBICh |
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| Química biológica |
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| Araña química |
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| Tarjeta informativa de la ECHA | 100.005.479 | ||
| BARRIL |
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| Malla | pirimidina | ||
Identificador de centro de PubChem |
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| UNIVERSIDAD |
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Panel de control CompTox ( EPA ) |
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| Propiedades | |||
| C4H4N2 | |||
| Masa molar | 80,088 g mol −1 | ||
| Densidad | 1,016 g cm −3 | ||
| Punto de fusión | 20 a 22 °C (68 a 72 °F; 293 a 295 K) | ||
| Punto de ebullición | 123 a 124 °C (253 a 255 °F; 396 a 397 K) | ||
| Miscible (25°C) | |||
| Acidez (p K a ) | 1.10 [2] (pirimidina protonada) | ||
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para los materiales en su estado estándar (a 25 °C [77 °F], 100 kPa). | |||
La pirimidina ( 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 / ) es un compuesto orgánico heterocíclico aromático similar a la piridina ( C 5 H 5 N ). [3] Una de las tres diazinas ( heterocíclicos de seis miembros con dos átomos de nitrógeno en el anillo), tiene átomos de nitrógeno en las posiciones 1 y 3 del anillo. [4] : 250 Las otras diazinas son la pirazina (átomos de nitrógeno en las posiciones 1 y 4) y la piridazina (átomos de nitrógeno en las posiciones 1 y 2).
En los ácidos nucleicos , tres tipos de nucleobases son derivados de pirimidina : citosina (C), timina (T) y uracilo (U).
Ocurrencia e historia
El sistema de anillo de pirimidina tiene una amplia ocurrencia en la naturaleza [5] como compuestos y derivados sustituidos y fusionados en anillo, incluyendo los nucleótidos citosina , timina y uracilo , tiamina (vitamina B1) y aloxano . También se encuentra en muchos compuestos sintéticos como los barbitúricos y el fármaco contra el VIH zidovudina . Aunque los derivados de pirimidina como el aloxano se conocían a principios del siglo XIX, no se llevó a cabo una síntesis de laboratorio de una pirimidina hasta 1879, [5] cuando Grimaux informó de la preparación de ácido barbitúrico a partir de urea y ácido malónico en presencia de oxicloruro de fósforo . [6] El estudio sistemático de las pirimidinas comenzó [7] en 1884 con Pinner , [8] que sintetizó derivados condensando acetoacetato de etilo con amidinas . Pinner propuso por primera vez el nombre "pirimidina" en 1885. [9] El compuesto original fue preparado por primera vez por Gabriel y Colman en 1900, [10] [11] mediante la conversión de ácido barbitúrico en 2,4,6-tricloropirimidina seguida de una reducción utilizando polvo de zinc en agua caliente.
Nomenclatura
La nomenclatura de las pirimidinas es sencilla. Sin embargo, al igual que otros heterocíclicos, los grupos hidroxilo tautoméricos generan complicaciones, ya que existen principalmente en la forma amida cíclica . Por ejemplo, la 2-hidroxipirimidina se denomina más apropiadamente 2-pirimidona. Existe una lista parcial de nombres triviales de varias pirimidinas. [12] : 5–6
Propiedades físicas
Las propiedades físicas se muestran en el cuadro de datos. Se puede encontrar una discusión más extensa, incluidos los espectros, en Brown et al. [12] : 242–244
Propiedades químicas
Según la clasificación de Albert , [13] : 56–62 los heterociclos de seis miembros pueden describirse como deficientes en π. La sustitución por grupos electronegativos o átomos de nitrógeno adicionales en el anillo aumenta significativamente la deficiencia de π. Estos efectos también disminuyen la basicidad. [13] : 437–439
Al igual que en el caso de las piridinas, en las pirimidinas la densidad de electrones π disminuye aún más. Por lo tanto, la sustitución aromática electrofílica es más difícil, mientras que la sustitución aromática nucleófila se facilita. Un ejemplo de este último tipo de reacción es el desplazamiento del grupo amino en la 2-aminopirimidina por el cloro [14] y su reacción inversa. [15]
La disponibilidad de pares de electrones solitarios ( basicidad ) disminuye en comparación con la piridina. En comparación con la piridina, la N -alquilación y la N -oxidación son más difíciles. El valor p K a para la pirimidina protonada es 1,23 en comparación con 5,30 para la piridina. La protonación y otras adiciones electrofílicas ocurrirán solo en un nitrógeno debido a la desactivación adicional por el segundo nitrógeno. [4] : 250 Las posiciones 2, 4 y 6 en el anillo de pirimidina son deficientes en electrones análogas a las de la piridina y el nitro y el dinitrobenceno. La posición 5 es menos deficiente en electrones y los sustituyentes allí son bastante estables. Sin embargo, la sustitución electrofílica es relativamente fácil en la posición 5, incluida la nitración y la halogenación. [12] : 4–8
La reducción de la estabilización por resonancia de las pirimidinas puede dar lugar a reacciones de adición y de escisión del anillo en lugar de sustituciones. Una de esas manifestaciones se observa en el reordenamiento de Dimroth .
La pirimidina también se encuentra en meteoritos , pero los científicos aún desconocen su origen. La pirimidina también se descompone fotolíticamente en uracilo bajo la luz ultravioleta . [16]
Síntesis
La biosíntesis de pirimidina crea derivados —como orotato, timina, citosina y uracilo— de novo a partir de fosfato de carbamoilo y aspartato.
Como suele ocurrir con los sistemas de anillos heterocíclicos originales, la síntesis de pirimidina no es tan común y suele realizarse eliminando grupos funcionales de los derivados. Se han descrito síntesis primarias en gran cantidad que involucran formamida . [12] : 241–242
Como clase, las pirimidinas se sintetizan típicamente mediante la síntesis principal que implica la ciclización de compuestos de β-dicarbonilo con compuestos N–C–N. La reacción de las primeras con amidinas para dar pirimidinas 2-sustituidas, con urea para dar 2- pirimidinonas y con guanidinas para dar 2-aminopirimidinas son típicas. [12] : 149–239
Las pirimidinas se pueden preparar mediante la reacción de Biginelli y otras reacciones multicomponentes . [17] Muchos otros métodos se basan en la condensación de carbonilos con diaminas, por ejemplo, la síntesis de 2-tio-6-metiluracilo a partir de tiourea y acetoacetato de etilo [18] o la síntesis de 4-metilpirimidina con 4,4-dimetoxi-2-butanona y formamida . [19]
Un método novedoso es la reacción de amidas de N -vinilo y N -arilo con carbonitrilos bajo activación electrofílica de la amida con 2-cloro-piridina y anhídrido trifluorometanosulfónico : [20]
Reacciones
Debido a la menor basicidad en comparación con la piridina, la sustitución electrofílica de la pirimidina es menos fácil. La protonación o alquilación normalmente tiene lugar en sólo uno de los átomos de nitrógeno del anillo. La mono -N -oxidación se produce por reacción con perácidos. [4] : 253–254
La sustitución electrofílica de C de la pirimidina ocurre en la posición 5, la menos deficiente en electrones. Se han observado nitración , nitrosación , acoplamiento azo , halogenación , sulfonación , formilación , hidroximetilación y aminometilación con pirimidinas sustituidas. [12] : 9–13
La sustitución nucleófila de C debería facilitarse en las posiciones 2, 4 y 6, pero sólo hay unos pocos ejemplos. Se ha observado aminación e hidroxilación en pirimidinas sustituidas. Las reacciones con reactivos de Grignard o de alquil-litio producen 4-alquil- o 4-aril-pirimidina después de la aromatización. [12] : 14–15
Se ha observado un ataque de radicales libres para la pirimidina y se han observado reacciones fotoquímicas para las pirimidinas sustituidas. [12] : 15–16 La pirimidina se puede hidrogenar para dar tetrahidropirimidina. [12] : 17
Derivados
| Fórmula | Nombre | Estructura | C2 | C4 | C5 | C6 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| C4H5N3O | citosina |  | =O | –NH2 | –H | –H |
| C4H4N2O2 | uracilo | =O | =O | –H | –H | |
| C4H3FN2O2 | fluorouracilo | =O | =O | -F | –H | |
| C5H6N2O2 | timina | =O | =O | –C 3 | –H | |
| C4H4N2O3 | ácido barbitúrico | =O | =O | –H | =O | |
| C5H4N2O4 | ácido orótico | =O | =O | –H | -COOH |
Nucleótidos
Tres nucleobases que se encuentran en los ácidos nucleicos , citosina (C), timina (T) y uracilo (U), son derivados de pirimidina:
Estructura química de la citosina Estructura química de la timina Estructura química del uracilo Citosina ( C )Timina ( T )Uracilo ( U )
En el ADN y el ARN , estas bases forman enlaces de hidrógeno con sus purinas complementarias . Así, en el ADN, las purinas adenina (A) y guanina (G) se aparean con las pirimidinas timina (T) y citosina (C), respectivamente.
En el ARN , el complemento de la adenina (A) es uracilo (U) en lugar de timina (T), por lo que los pares que se forman son adenina : uracilo y guanina : citosina .
En casos muy raros, la timina puede aparecer en el ARN o el uracilo en el ADN, pero cuando están presentes las otras tres bases pirimidínicas principales, también pueden aparecer algunas bases pirimidínicas menores en los ácidos nucleicos . Estas pirimidinas menores suelen ser versiones metiladas de las principales y se postula que tienen funciones reguladoras. [21]
Estos modos de unión de enlaces de hidrógeno corresponden al apareamiento de bases Watson-Crick clásico . Existen otros modos de unión de enlaces de hidrógeno ("emparejamientos oscilatorios") tanto en el ADN como en el ARN, aunque el grupo 2'-hidroxilo adicional del ARN expande las configuraciones, a través de las cuales el ARN puede formar enlaces de hidrógeno. [22]
Aspectos teóricos
En marzo de 2015, los científicos de la NASA Ames informaron que, por primera vez, se han formado en el laboratorio, en condiciones del espacio exterior , compuestos orgánicos complejos de ADN y ARN de la vida , incluidos el uracilo , la citosina y la timina , utilizando sustancias químicas de partida, como la pirimidina, que se encuentra en meteoritos . La pirimidina, al igual que los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP), la sustancia química más rica en carbono que se encuentra en el universo , puede haberse formado en gigantes rojas o en nubes de polvo y gas interestelares . [23] [24] [25]
Síntesis prebiótica de nucleótidos de pirimidina
Para entender cómo surgió la vida , se requiere el conocimiento de las vías químicas que permiten la formación de los bloques de construcción clave de la vida en condiciones prebióticas plausibles . La hipótesis del mundo del ARN sostiene que en la sopa primordial existían ribonucleótidos flotantes libres , las moléculas fundamentales que se combinan en serie para formar ARN . Las moléculas complejas como el ARN deben haber surgido de moléculas relativamente pequeñas cuya reactividad estaba gobernada por procesos fisicoquímicos. El ARN está compuesto de nucleótidos de pirimidina y purina , ambos necesarios para la transferencia confiable de información y, por lo tanto, la selección natural y la evolución darwiniana . Becker et al. demostraron cómo los nucleósidos de pirimidina pueden sintetizarse a partir de moléculas pequeñas y ribosa , impulsados únicamente por ciclos húmedos-secos. [26] Los nucleósidos de purina pueden sintetizarse por una vía similar. Los 5'-mono y difosfatos también se forman selectivamente a partir de minerales que contienen fosfato, lo que permite la formación simultánea de polirribonucleótidos con bases de pirimidina y purina. De esta manera, se puede establecer una red de reacción hacia los bloques de construcción del ARN de pirimidina y purina a partir de moléculas atmosféricas o volcánicas simples.
Véase también
Referencias
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