Тема iv. моно- и дикарбоновые кислоты
Среди биологически активных соединений большую роль играют различные карбоновые кислоты и их производные. Карбоновые кислоты - органические соединения, содержащие одну или несколько карбоксильных групп —COOH. В живых организмах обнаружены карбоновые кислоты алифатического (жирные кислоты), ароматического (бензойная, коричная, салициловая) и гетероциклического (индолилуксусная, никотиновая) рядов. По числу карбоксильных групп различают монокарбоновые (жирные кислоты), дикарбоновые (малоновая, фумаровая, щавелевая, янтарная), трикарбоновые (изолимонная, лимонная) и поликарбоновые кислоты. Карбоновые кислоты могут быть насыщенными (предельными) и ненасыщенными (непредельными). Карбоновые кислоты играют важную роль в обмене веществ, являясь продуктами превращения углеводов, белков, жиров. При физиологических значениях pH в клетках карбоновые кислоты находятся в основном в виде солей. В большом количестве в организмах встречаются эфиры карбоновых кислот (липиды, ацетилхолин и др.). Важное место в обмене веществ занимают активированные производные карбоновых кислот, например, тиоэфиры карбоновых кислот с коферментом А (ацетил-КоА, ацил-КоА). К другим производным карбоновых кислот относятся амиды карбоновых кислот (никотинамид, аспарагин, глутамин).
По теме занятия студент должен:
знать следующий материал:
- систематические и тривиальные названия, структурные формулы карбоновых кислот (см. приложение к теме VI), наиболее важных для понимания метаболических процессов в организме, возможности их реакционной способности и направления химических реакций;
- важнейшие химические реакции карбоновых кислот in vitro (поведение при нагревании, образование солей с основаниями, функциональных производных - эфиров, ангидридов, амидов,) и in vivo (образование макроэргических тиоэфиров с коэнзимом А и эфиров с глицерином, холестерином и холином);
уметь составлять пары: название - формула и формула – название для важнейших карбоновых кислот; записывать уравнения диссоциации кислот, распределение электронной плотности в карбоксильной группе и карбоксилатном анионе, сравнивать кислотные свойства; составлять уравнения реакций образования функциональных производных и важнейших реакций кислот in vivo (формулами);
владетьнавыками проведения и знаниями применения качественных реакций определения биологически важных карбоновых кислот (уксусной, щавелевой) в биологических жидкостях человека; знаниями биологического значения карбоновых кислот и их использования в медицине.
Вопросы для подготовки
1. Классификация карбоновых кислот: по строению радикала (насыщенные, ненасыщенные, карбоароматические, гетероароматические); по числу карбоксильных групп (монокарбоновые, дикарбоновые, трикарбоновые); по наличию в радикале иных функциональных групп (гидроксикарбоновые, оксокарбоновые, аминокислоты).
2. Строение карбоксильной группы, распределение электронной плотности в карбоксильной группе и карбоксилат-ионе. Влияние строения радикала и заместителей на кислотные свойства. Диссоциация карбоксильной группы.
3. Монокарбоновые кислоты (CnH2nO2): муравьиная, уксусная, пропионовая, масляная, валериановая. Физические свойства, изомерия. Химические свойства с участием карбоксильной группы:
3.1. образование солей при взаимодействии с металлами, оксидами, гидроксидами, солями более слабых кислот (угольной);
3.2. образование сложных эфиров - реакции нуклеофильного замещения SN in vivo (замещение гидроксигруппы в составе функциональной карбоксильной группы - реакция этерификации). Механизм реакции этерификации. Номенклатура эфиров;
3.3. образование амидов, ангидридов;
3.4. образование сложных тиоэфиров – биоактивные вещества: ацетил-КоА, ацил-КоА. (активные формы карбоновых кислот, содержащие макроэргическую связь);
3.5. с участием СН-кислотного центра в α-положении (замещение на галоген in vitro, реакции карбоксилирования in vivo – важнейший биосинтез малонил-КоА ).
4. Непредельные монокарбоновые кислоты: пропеновая (акриловая), метилпропеновая (метакриловая), бут-2-еновая (кротоновая). Их особые химические свойства:
4.1. присоединение воды - гидратация (проходит против правила Марковникова) с образованием β-гидроксикарбоновых кислот;
4.2. восстановление (гидрирование), получение насыщенных кислот.
5. Дикарбоновые кислоты насыщенные: щавелевая, малоновая, янтарная кислота, глутаровая. Физические свойства, изменение кислотных свойств в гомологическом ряду. Биологическое значение янтарной, малоновой кислот. Особые химические свойства:
5.1. образование нерастворимой соли щавелевой кислоты - оксалата кальция, патохимическая роль в организме;
5.2. декарбоксилирование щавелевой и малоновой кислот (теоретическое обоснование реакции);
5.3. дегидрирование янтарной кислоты (образование in vitro – фумаровой и малеиновой, in vivo – фумаровой).
6. Дикарбоновые ненасыщенные бутендиовые кислоты: малеиновая (цис) и фумаровая (транс). Пространственное строение. Физические свойства, строение, различие биологических функций. Особые химические свойства:
6.1. реакция гидрирования фумаровой и малеиновой кислот;
6.2. реакция гидратации фумаровой кислоты in vivo (стереоспецифическое образование L– яблочной кислоты).
7. Качественные реакции обнаружения щавелевой и муравьиной кислот.
8. Карбоароматическая кислота: бензойная; гетероароматическая: никотиновая.
Задачи и упражнения
1. Укажите структурные особенности молекул карбоновых кислот, позволяющие им образовывать водородные связи. Объясните, почему Ткип. карбоновых кислот выше, чем у соответствующих спиртов.
2. Покажите электронные эффекты в молекулах карбоновых кислот, с точки зрения протолитической теории объясните различие силы кислот:
- пропановая и малоновая; - акриловая и кротоновая.
2. Сравните кислотные свойства карбоновых кислот:
1) а) янтарная, б) малоновая, в) щавелевая;
2) а) муравьиная, б) пропановая, в) уксусная;
3) а) хлоруксусная, б) трихлоруксусная, в) уксусная;
4) а) кротоновая, б) пропионовая, в) масляная;
5) а) щавелевая, б) уксусная, в) акриловая.
3. Запишите уравнения химических реакций, укажите условия, назовите продукты:
1) уксусная кислота + этанол;
2) этерификации пропионовой и щавелевой кислот метанолом;
3) образования хлорангидрида валериановой кислоты;
4) образования амида пропановой кислоты;
5) образования натриевой соли муравьиной кислоты;
6) образования ангидридов глутаровой и малеиновой кислот;
7) декарбоксилирования щавелевой и малоновой кислот;
8) образования ацетил-КоА из уксусной кислоты;
9) образования малонил-КоА
10) образования сложного тиоэфира – ацетилхолина;
11) янтарная кислота + ФАД ↔ ? + ФАДН2
4. Запишите качественные реакции:
1) обнаружения уксусной кислоты;
2) обнаружения муравьиной кислоты;
3) обнаружения акриловой кислоты;
4) обнаружения щавелевой кислоты.
Тесты
1. Монокарбоновыми кислотами являются:
а) уксусная, муравьиная, масляная;
б) щавелевая, малоновая, янтарная;
в) уксусная, масляная, щавелевая;
г) щавелевая, янтарная, муравьиная;
д) муравьиная, масляная, малоновая.
2. Непредельными кислотами являются:
а) бутановая, кротоновая, малеиновая;
б) акриловая, бутановая, янтарная;
в) акриловая, кротоновая, фумаровая;
г) щавелевая, янтарная, муравьиная;
д) муравьиная, масляная, малоновая.
3. Выберите макроэргическое соединение in vivo:
а) уксусная кислота б) муравьиная кислота
в) янтарная кислота г) ацетил-КоА
д) фумаровая кислота
4. Дикарбоновыми кислотами являются:
а) уксусная, муравьиная, масляная;
б) щавелевая, малоновая, янтарная;
в) уксусная, масляная, щавелевая;
г) щавелевая, янтарная, муравьиная;
д) муравьиная, масляная, малоновая.
5. При гидрировании (восстановлении) непредельной кислоты в биохимической реакции получили янтарную кислоту. Какая кислота участвовала в реакции:
а) фумаровая б) малеиновая в) яблочная
г) щавелевоуксусная д) лимонная
6. Выберите дикарбоновую ненасыщенную кислоту, которая является важнейшим клеточным метаболитом:
а) уксусная б) янтарная в) малеиновая
г) глутаровая д) фумаровая
7. Выберите дикарбоновую насыщенную кислоту, которая является метаболитом цикла Кребса, лекарственным препаратом:
а) уксусная б) янтарная в) малеиновая
г) глутаровая д) фумаровая
8. Сравните кислотные свойства карбоновых кислот:
1) муравьиная 2) масляная 3) уксусная
а) 1 > 2 > 3 б) 1 > 3 > 2 в.) 2 > 3 > 1
г) 2 > 1 > 3 д) 3 > 2 > 1
9. Сравните кислотные свойства карбоновых кислот:
1) янтарная 2) малоновая 3) щавелевая
а) 1 > 2 > 3 б) 1 > 3 > 2 в) 2 > 3 > 1
г) 2 > 1> 3 д) 3 > 2 > 1
10. Сравните кислотные свойства карбоновых кислот:
1) масляная 2) щавелевая 3) янтарная
а) 1 > 2 > 3 б) 1 > 3 > 2 в) 2 > 3 > 1
г) 2 > 1 > 3 д) 3 > 2 > 1
Ответы к теме IV
1а; 2в; 3г; 4б; 5а; 6д; 7б; 8б; 9д; 10в.