Реакции карбоновых кислот по радикалу

Для насыщенных алифатических карбоновых кислот характерны реакции замещения (галогенирования) по α-положению радикала. Эта реакция известна как реакция Гелль-Фольгарда-Зелинского и проводится в присутствии фосфора:

Ненасыщенные карбоновые кислоты вступают в реакции электрофильного присоединения по π-связи, например, для них характерны реакции галогенирования, гидрогалогенирования.

Реакции гидрогалогенирования акриловой кислоты протекают против правила Марковникова. Это связано с перераспределением электронной плотности в π,π-сопряженной системе:

Ароматические кислоты вступают в реакции электрофильного замещения (галогенирования, нитрования) по бензольному кольцу. Реакции протекают в жестких условиях, т.к. карбоксильная группа является электроноакцепторным заместителем и дезактивирует кольцо.

ДИКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ

В структуре дикарбоновых кислот присутствуют две карбоксильные группы. Алифатические дикарбоновые кислоты классифицируют на насыщенные и ненасыщенные.

Таблица 3

Названия насыщенных алифатических
дикарбоновых кислот

Строение	Название по IUPAC	Тривиальное название	Название солей
	этандиовая кислота пропандиовая кислота бутандиовая кислота пентандиовая кислота	щавелевая кислота     малоновая кислота   янтарная кислота   глютаровая кислота	оксалаты   малонаты     сукцинаты     глютараты

Примерами ненасыщенных дикарбоновых кислот являются стереоизомеры бутендиовых кислот: малеиновая (цис-бутендиовая кислота) и фумаровая (транс-бутендиовая кислота).

Для дикарбоновых кислот характерны все свойства монокарбоновых кислот: они проявляют кислотные свойства, образуют функциональные производные. Кроме того, для дикарбоновых кислот характерны и специфические свойства.

Кислотные свойства дикарбоновых кислот проявляются сильнее, чем у монокарбоновых. Это можно объяснить электроноакцепторным влиянием одной карбоксильной группы на другую. Среди дикарбоновых кислот самой сильной кислотой является щавелевая. В гомологическом ряду кислотные свойства понижаются, т.к. электронное влияние двух карбоксильных групп затухает, передаваясь по цепи.

Карбоновые кислоты образуют два ряда солей: кислые (за счёт одной карбоксильной группы) и средние (за счёт обеих).

Дикарбоновые кислоты способны образовывать и два ряда функциональных производных: неполные и полные галогенангидриды, моно- и диэфиры, моно- и диамиды).

Специфическим свойством щавелевой и малоновой кислот является их способность к декарбоксилированию при нагревании:

Реакция декарбоксилирования характерна для дикарбоновых кислот, у которых две карбоксильные группы оказывают друг на друга наиболее сильное влияние.

Янтарная, глутаровая и малеиновая кислоты при нагревании образуют циклические ангидриды. Это связано, во-первых, с тем, что при нагревании их молекулы принимают клешневидную конформацию, и две карбоксильные группы оказываются пространственно сближенными, а во-вторых, с тем, что образуются пяти- или шестичленные циклы, которые являются наиболее стабильными.

Медико-биологическое значение карбоновых кислот
и их производных

Соли уксусной кислоты применяются в медицине. Ацетат калия (CH₃COOK) – диуретическое средство; ацетат свинца ((CH₃COO)₂Pb ^. 3 H₂O) – вяжущее средство, применяется при воспалительных воспалениях кожи и слизистых оболочек.

Изовалериановая кислота (CH₃)₂CHCH₂COOH входит в состав валидола, присутствует в настойке валерианы. Оказывает успокаивающее действие.

Бензоат натрия C₆H₅COONa применяется как отхаркивающее средство.

Сложные эфиры карбоновых кислот широко распространены в природе. Жиры являются сложными эфирами высших карбоновых кислот и спирта глицерина. Запах плодов и цветов в значительной степени обусловлен присутствием сложных эфиров.

Некоторые лекарственные средства химически модифицируют, получая их сложные эфиры (так называемые «пролекарства»). Этерификация приводит к снижению или исчезновению некоторых отрицательных свойств исходных лекарств (горький вкус, раздражающее действие в месте инъекции). В организме под действием ферментов эстераз происходит гидролиз сложных эфиров с выделением исходного лекарственного соединения. Например, в отличие от левомицетина его стеарат не обладает горьким вкусом, что дало возможность применять его в педиатрической практике. В организме левомицетина стеарат гидролизуется до свободного левомицетина:

ГЕТЕРОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ АЛИФАТИЧЕСКОГО РЯДА – МЕТАБОЛИТЫ
И БИОРЕГУЛЯТОРЫ

Большинство органических веществ, участвующих в процессах метаболизма, относятся к гетерофункциональным соединениям, т.е. имеющим в структуре несколько различных функциональных групп. Наиболее распространенными гетерофункциональными соединениями являются аминоспирты, аминокислоты, оксикислоты и оксокислоты.

Химические свойства гетерофункциональных соединений нельзя рассматривать как сумму свойств, обусловленных наличием каждой функциональной группы. Так как функциональные группы влияют друг на друга, то у гетерофункциональных соединений появляются и специфические химические свойства.

Аминоспирты

Аминоспиртами называют соединения, содержащие одновременно амино- и окси-группы.

Простейшим представителем аминоспиртов является 2-аминоэтанол, или коламин: .

Как амин коламин образует соли с сильными кислотами:

Основные свойства его понижены по сравнению с алифатическими аминами, т.к. OH-группа является электроноакцепторным заместителем.

Коламин проявляет нуклеофильные свойства за счет неподеленной электронной пары азота и подвергается реакции алкилирования:

В результате реакции образуется другой аминоспирт – холин.

Коламин и холин участвуют в построении молекул фосфолипидов – основных компонентов клеточных мембран (см. стр. 225).

За счет наличия гидроксильной группы холин способен к реакциям ацилирования:

(в организме этот процесс осуществляется с участием ацетилкоэнзима А). Ацетилхолин является нейромедиатором.

Важную роль в организме играют аминоспирты, содержащие в качестве структурного фрагмента остаток пирокатехина. Их общее название катехоламины. Катехоламины синтезируются в организме из фенилаланина через образование дофамина:

Адреналин является гормоном надпочечников, участвует в регуляции сердечной деятельности, обмена углеводов. При стрессах он выделяется в кровь, его называют «гормоном страха».

Структурно близки катехоламинам некоторые природные и синтетические биологически активные вещества, применяемые в качестве лекарственных средств. Так, алкалоид эфедрин обладает сосудосуживающим действием, расширяет бронхи, повышает артериальное давление. Его используют в виде гидрохлорида при бронхиальной астме, для уменьшения воспалительных процессов при ринитах.

Аминокислоты

Аминокислоты – гетерофункциональные соединения, содержащие амино- и карбоксильную группу. По их взаимному расположению аминокислоты классифицируют на α-, β-, γ-, δ-, ε- аминокислоты. Например:

Аминокислоты обладают всеми свойствами карбоновых кислот - они способны образовывать соли, сложные эфиры и другие функциональные производные:

Аминокислоты проявляют также свойства аминов (основные свойства, способность к реакциям ацилирования и алкилирования):

Амфотерность аминокислот приводит к тому, что они могут существовать в виде внутренних солей:

Специфические свойства аминокислот зависят от взаимного расположения амино- и карбоксильной групп.

α-Аминокислоты вступают в реакции декарбоксилирования при нагревании с гидроксидом бария с образованием соответствующих аминов, например:

Сходным образом декарбоксилирование природных α-аминокислот протекает и in vivo с участием ферментов, например, при декарбоксилировании серина образуется коламин:

Другим специфическим свойством α-аминокислот является их способность к образованию межмолекулярных циклических амидов (дикетопиперазинов):

Так как дикетопиперазины фактически являются амидами, они способны к гидролизу и в кислой, и в щелочной среде.

Характерной особенностью β-аминокислот являются реакции внутримолекулярного элиминирования: при нагревании они отщепляют молекулу аммиака. Например, при нагревании
β-аминомасляной кислоты образуется кротоновая (бутен-2-овая) кислота:

Способность к этой реакции связана с подвижностью протона водорода при α-углеродном атоме из-за электроноакцепторного влияния двух функциональных групп.

За счет существования молекул γ-аминокислот в клешневидной конформации функциональные группы оказываются пространственно сближенными, и между ними может происходить взаимодействие с образованием циклического внутримолекулярного амида (лактама):

Пятичленные циклы устойчивы, поэтому реакция протекает достаточно легко.

Как амиды лактамы подвергаются гидролизу и в кислой, и в щелочной среде:

Некоторые природные соединения и синтетические лекарственные средства содержат в своей структуре лактамный цикл. Например, четырехчленный β-лактамный цикл присутствует в молекулах пенициллинов. Из-за его способности к гидролизу, что приводит к потере биологической активности, пенициллины не стерилизуют в водных растворах.