Замещенные в радикале карбоновые кислоты

(галогенокислоты, оксикислоты, аминокислоты)

Это карбоновые кислоты, у которых один или несколько атомов водорода в радикале замещены группами ОН, Н₂, атомами Гал

Классификация

1) По рядам карбоновых кислот:

одноосновные

многоосновные

непредельные и т.д.

2) По взаимному расположению карбоксильной группы и заместителей в радикале: -, -, -, -, -замещенные кислоты.

3) Оксикислоты дополнительно классифицируются по основности и атомности: основность - по числу карбоксильных групп, атомность – по числу гидроксильных групп, включая и ОН карбоксилов.

Номенклатура

В качестве основы используется название соответствующей кислоты, а заместитель указывается с помощью приставки (окси-, амино-, Гал). Положение заместителя указывается с помощью букв греческого алфавита (рациональная номенклатура), либо с помощью цифр (систематическая номенклатура). Например,

Формула	Рациональная	Систематическая
CH2Cl-COOH	Монохлоруксусная	2-хлорэтановая
CCl3-COOH	Трихлоруксусная	2,2,2-трихлорэтановая
CH3CHOH-COOH	-оксипропионовая (молочная)	2-оксипропановая
HOOC-CHOH-CHOH-COOH	, /-диоксиянтарная (винная)	2,3-диоксибутандиовая
CH2NH2-COOH	Аминоуксусная (гликоколл)	2-аминоэтановая

Способы получения

I Введение нужного заместителя в радикал соответствующей карбоновой кислоты

1) Прямое галоидирование карбоновых кислот

CH₃-CH₂-CH-COOH

O Cl

CH₃-CH₂-CH₂-C +Cl₂- CH₃-CH-CH₂-COOH

OH Cl

CH₂-CH₂-CH₂-COOH

Cl

Благодаря индукционному влиянию группы СООН, наиболее сильному в -положении, реакция идет в основном в -положении, но образуется также значительное количество продуктов замещения в - и -положениях.

2. Получение оксикислот и аминокислот замещением Гал в галогенокислотах

O O

CH₃-CH-C + 2HOH 2HBr + CH₃-CH-C

Br Br OH OH

O O

CH₃-CH-C + 3NH₃ NH₄Cl + CH₃-CH-C

Cl OH NH₂ ONH₄

3. Получение -замещенных кислот путем присоединения НГал и NH₃ к непредельным кислотам

O O

CH₃-CH=CH-C + HCl CH₃-CH-CH₂-C

OH OH OH

-хлормасляная кислота

O O

CH₂=CH-C + HNH₂ CH₂-CH₂-C

OH NH₂ OH

-аминопропионовая кислота

II. Получение -окси и -аминокислот с помощью реакций циангидринного синтеза

OH

CH₃-CH₂-C=O + HCN CH₃-CH₂-C-C N

CH₃ 2HOH CH₃ +NH₃

Метилэтилкетон циангидрин

OH O NH₂

CH₃-CH₂-C-C + H₃ CH₃-CH₂-C-C N + H₂O

CH₃ OH CH₃

-окси- -метилмасляная кислота +2 HOH

NH₂ O

CH₃-CH₂-C-C + NH₃

CH₃ OH

2-амино-2-метилбутановая кислота

III. Получение -замещенных кислот с помощью реакций конденсации

а) Реакции Родионова – конденсацией альдегидов с малоновым эфиром в присутствии аммиака

O COOC₂H₅ OH COOC₂H₅

СH₃-C + CH₂ CH₃-C-CH H₂O +

H COOC₂H₅ H COOC₂H₅

COOC₂H₅

+ CH₃-CH-CH 2 C₂H₅OH + CO₂ + CH₃-CH-CH₂-COOH

NH₂ COOC₂H₅ NH₂

б) Получение -оксикислот с помощью реакции Реформатского – действием Мg на сложные эфиры -галогенокислот и последующей конденсацией с альдегидами и кетонами

O O CH₃-C-H OMgCl O

CH₂-C + Mg CH₂-C CH₃-C-CH₂-C

Cl OC₂H₅ MgCl₂ OC₂H₅ H OC₂H₅ OH

OH O

CH₃-CH-CH₂-C

-MgCl(OH) OH

-C₂H₅OH

3-оксибутановая кислотв

IV. Получение замещенных кислот с помощью реакции теломеризации

Процесс полимеризации олефинов проводится в присутствии растворителя, способного вызывать обрыв цепи на стадии соединения 3-х и 4-х молекул мономера. Механизм теломеризации этилена в присутствии инициатора R^. и растворителя CCl₄ (свойства олефинов).

O

CH₂Cl-(CH₂)₅-CCl₃ CH₂Cl-(CH₂)₅-C

+NH₃ -4HCl -3HCl, -HOH +HOH -HCl OH

+3HOH -HOH

O O

CH₂NH₂-(CH₂)₅-C CH₂OH-(CH₂)₅-C

OH OH

V. Получение -аминокислот из оксимов циклических кетонов с помощью перегруппировки Бекмана.

	+NH2OH		H2O+ перегруппировка Бекмана

-аминокапроновая кислота

VI. Гидролиз белков

В состав природных белковых веществ входит около 20 –аминокислот различного строения. Мягким (ферментативным) гидролизом белков можно получить эти аминокислоты неизмененными и выделить из смеси в свободном состоянии.

Физические свойства

Галогенокислоты – твердые бесцветные вещества с низкими температурами плавления. Могут перегоняться в вакууме. Растворимы в воде. Оказывают прижигающее действие на ткани. Эфиры галогенокислот – ОВ слезоточивого действия.

Оксикислоты – вязкие жидкости или кристаллические вещества с очень высокими температурами плавления и кипения из-за образования водородных связей. При атмосферном давлении не перегоняются, т.к. разлагаются при нагревании. Прекрасно растворимы в воде. Многие представители обладают оптической активностью (существуют в виде оптических изомеров).

Аминокислоты – твердые бесцветные кристаллические вещества с исключительно высокими температурами плавления (250⁰С и более), что объясняется существованием их в виде внутренних солей.

Формула	Температура плавления, 0С
СH3COOH	16,6
CH2-COOH NH2	233 с разложением

Фактическое строение (биполярный ион)

O

CH₂-C

NH₃⁺ O^-

доказано спектральным исследованием (в спектрах не обнаруживается характеристических полос поглощения для групп СООН и NH₂).

Аминокислоты не перегоняются даже при глубоком вакууме, плохо растворимы в органических растворителях, хорошо в воде. Многие обладают оптической активностью.

Химические свойства

I. Реакции карбоксильной группы

1) Диссоциация в водных растворах (кислотные свойства)

Под влиянием электроотрицательных заместителей в радикале (Гал или группа ОН) кислотные свойства усиливаются.

а) степень диссоциации тем больше, чем большей электроотрицательностью обладает замещающая группа F>Cl>OH.

б) Степень диссоциации тем больше, чем ближе электроотрицательная группа расположена к СООН. Например,

CH2FCOOH	2,1.10-2
O CH2OH-C OH	1,4.10-4
CH2OH-CH2-COOH	3,0.10-5
CH3COOH	1,7.10-5

Аминокислоты ведут себя иначе. NH₂ группа, как мы указывали выше, образует с группой СООН внутреннюю соль, поэтому моноаминокарбоновые кислоты являются веществами нейтральными.

2) Образование солей

Все замещенные кислоты способны образовывать соли с металлами, основаниями, катионами некоторых других солей. Амино- и оксикислоты способны образовывать внутрикомплексные соли с катионами тяжелых металлов.

Эти реакции находят широкое применение в анализе (комплексонометрия, качественная реакция на -аминокислоты с Cu(OH)₂), в быту (снятие пятен ржавчины), для умягчения воды комплексонами.

3) Реакции замещения ОН в карбоксиле, а именно образование сложных эфиров, галогеноангидридов, амидов (см. свойства карбоновых кислот).

II. Реакции Гал, ОН, NH₂-групп

1) Галоген, замещенный кислотой, легко вступает в реакции нуклеофильного замещения при действии НОН, NH₃, ROH, алкоголятов. Легче идет замещение галогена в -положении (см. свойства галогенопроизводных).

2) Группа ОН в оксикислотах может окисляться, дает реакции образования алкоголятов, сложных эфиров, может замещаться на Гал (см. свойства спиртов).

3) Группа NH₂ дает реакции алкилирования, ацилирования, взаимодействия с HNO₂ (см. свойства аминов).

III. Отличительные реакции замещенных кислот

1) Малая устойчивость к нагреванию

Окси-, аминокислоты и, в некоторых других случаях, галогенокислоты уже при небольшом нагревании претерпевают химические превращения. Типы этих превращений зависят от взаимного расположения функциональных групп.

а) -окси и -аминокислоты образуют циклические сложные диэфиры или диамиды при взаимодействии 2-х молекул с отщеплением воды

O O

CH₃-CH-C CH₃-CH-C

OH OH O O

HO OH C-CH-CH₃

C-CH-CH₃ O

O

молочная кислота лактид

O

CH₂-C CH₂-C=O

NH₂ OH HN NH

HO NH₂ C-CH₂

C-CH₂ O

O

гликокол дикетопиперазин

б) -окси и -аминокислоты при нагревании образуют непредельные кислоты, отщепляя воду или NH₃.

кротоновая кислота

Аналогичная реакция может проходить и при нагревании -галогенокислот в присутствии водного раствора щелочи.

в) нагревание -окси-, -аминокислот и -галогенокислот приводит к образованию циклических сложных эфиров или амидов – лактонов и лактамов

O CH₂-CH₂

CH₃-CH₂-CH₂-C CH₂ C=O лактон

OH O

CH₂-CH₂-CH₂-C=O CH₂-CH₂ лактам

NH₂ OH CH₂ C=O

NH

2) Окисляемость

Оксикислоты и аминокислоты обладают повышенной (по сравнению с карбоновыми кислотами) способностью окисляться.

а) Окисление в щелочной среде идет за счет подвижного атома водорода (OH^-)

CH₃-CH-COOH + O CH₃-C-COOH

OH O

б) Окисление -оксикислот в кислой среде сопровождается расщеплением С-С связи

H O H O O

CH₃-C-C CH₃-C + H-C HO-C CO₂ + H₂O

O-H OH O OH OH

O OH

CH₃-C

O

3) Разложение замещенных кислот в кислой среде

H H O

CH₃-C-COOH CH₃-C + HC CO + H₂O

OH t O OH

O OH O O O O O

C-CH₂-C-CH₂-C C-CH₂-C-CH₂-C 2CO₂ + CH₃-C-CH₃

COOH OH HO OH

+ HCOOH H₂O + CO
ЛЕКЦИЯ 16

ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ

Оптическая активность

Дневной свет является совокупностью электромагнитных волн, колеблющихся в разных плоскостях. Если такой луч света пропустить через поляризатор, то через него проходит только плоскополяризованный свет, волны которого колеблются в одной плоскости. Поляризатор вызывает такой же эффект, как очень узкая щель. При пропускании такого поляризованного луча через некоторые вещества происходит вращение плоскости поляризации на определенный угол вправо или влево. Способность вещества вращать плоскость поляризации света получила название оптической активности.

Оптической активностью обладают некоторые неорганические вещества, например, кварц. Направлени вращения зависит от строения кристалла. Причина оптической активности кварца кроется в асимметричном строении кристалла.

Органические соединения могут вращать плоскость поляризованного света при пропускании его как через кристаллы, так и через растворы. Следовательно, оптическая активность органических соединений зависит от строения не только кристалла, но и молекулы.

Вант-Гофф подметил, что оптическая активность наблюдается у органических соединений, имеющих асимметрические атомы углерода, т.е. связанные с 4-мя разными заместителями.

Молекула с асимметрическим атомом углерода может существовать в виде двух пространственно несовметимых форм, т.е. в виде двух пространственных изомеров, которые отличаются друг от друга как премет от зеркального изображения.

Один из таких изомеров вращает плоскость поляризации света вправо, другой – на такой же угол влево, поэтому они получили название оптических антиподов (или энантиомеров).

-галогено-, -амино-, -оксикислоты имеют асимметрический атом углерода и поэтому существуют в виде двух оптически активных изомеров. Например, молочная кислота

H O

CH₃-C^*-C имеет изомеры

OH OH

COOH COOH

HO-C-H H-C-OH

CH₃ CH₃

левовращающийся изомер правовращающийся изомер

Один из изомеров вращает плоскость поляризованного света вправо, а другой – на такой же угол влево. На рисунке связь С-СООН изомеров показана расположенной в плоскости, связь с группой СН₃ уходит под плоскость, а связи с Н и группой ОН – над плоскостью. Такие формулы писать трудно, поэтому для упрощения изображают оптические изомеры с помощью проекционных формул фишера. Центральный асимметрический атом располагается на плоскости, тогда связи его с другими углеродными атомами уходят под плоскость и изображаются пунктирами, а связи асимметрического углерода с групами Н и ОН будут над плоскостью и изображаются в виде сплошных линий. Сам асимметрический атом углерода не изображается.

COOH COOH

H OH OH H

CH₃ CH₃

Д(+)молочная кислота L(-)молочная кислота

Для составления названий этих изомеров первоначально применяли буквы d и l, что означает по латински dextro – правый и laevo – левый. Позднее этими буквами стали обозначать конфигурацию, т.е. фактическое расположение атомов в молекуле. В этом значении используются заглавные буквы D и L.

По предложению Розанова и Воля к соединениям D-ряда относятся вещества, имеющие одинаковую конфигурацию с правовращащим глицериновым альдегидом.

O

C

H

H-C-OH

CH₂OH

Расположение групп в пространстве здесь таково, что стрелка, проведенная от Н к группе СОН и затем к ОН, направлена по ходу часовой стрелки. По этому же признаку определяют конфигурацию замещенных кислот, направление вращения обозначают знаками (+) и (-). Молочная кислота имеет два оптических антипода. В действительности существует три вида молочных кислот, а именно:

Молочная кислота, которая образуется при скисании молока, она оптически неактивна. Она представляет собой смесь равного количества молекул D- и L-изомера. Такие соединения называются рацематами.

Правовращающая молочная кислота образуется в мышцах.

Левовращающая молочная кислота образуется при сбраживании сахаров под действием лево-молочнокислых бактерий.

При синтезе соединений с асимметрическим атомом углерода из вещества, не содержащего А-атома С, образуются обычно рацематы. Например,

H O

CH₃-C-C 50%

Cl OH

CH₃-CH₂-COOH + Cl₂

-HCl Cl O

CH₃-C-C 50%

H OH

Рацемат

Разделять такие рацематические смеси очень трудно. Практически применяются следующие методы:

1) механический отбор кристаллов, отличающихся друг от друга как предмет от зеркального изображения (так Пастер в 1848 году впервые разделил стереоизомеры винной кислоты, отличающиеся типом кристаллов);

2) биологический отбор с помощью микроорганизмов, поедающих (усваивающих) какую-либо одну оптически активную форму, например, с помощью плесневых грибков.

3) дробная перекристаллизация

При наличии нескольких асимметрических атомов углерода число оптических изомеров выражается формулой N=2ⁿ,

где N-число оптических изомеров;

n-число асимметрических атомов углерода.

Винная кислота

HOOC-CHOH-CHOH-COOH

COOH COOH COOH COOH

H OH HO H H OH HO H

H OH HO H HO H H OH

COOH COOH COOH COOH

III IV I II

Мезовинная кислота D-винная кислота L-винная кислота

Имеются два асимметрических атома углерода. Поэтому число оптических изомеров должно составлять N=2²=4. Но так как молекула винной кислоты симметрична, (III) одинаков с (IV). Формула (IV) полностью повторяет формулу (III). Если (IV) повернуть на 180⁰С, то она совместится с (III), это одно и то же вещество.

Фактически существуют три пространственных формы.

В (I) изомере расположение атомов относительно обоих асиммтерических атомов углерода соответствует D-конфигурации, это будет правовращающий изомер; (II) – левовращающий. В изомере (III) или (IV) расположение атомов углерода соответствует правому вращению, а расположение атомов относительно другого асимметрического атома углерода соответствует левому вращению такой же величины. В целом происходит внутримолекулярная компенсация удельного вращения, и молекула будет оптически неактивна. Такие изомеры называются мезосоединениями или мезоформами. Все эти изомеры существуют в природе.

D-винная кислота обычно называется просто винная или виннокаменная (образуется при брожении виноградного сока в виде нерастворимой кислой калиевой соли). Применяется в аналитической химии и медицине.

L-винная кислота выделена Пастером из рацемата с помощью плесневых грибков, которые поедают только D-форму.

Мезовинная кислота – самая устойчивая форма, образуется из всех других изомеров при кипячении их растворов с NaOH. Кроме того, известен рацемат.

Виноградная кислота – получаемая синтетичесим путем. Виноградная кислота – непрочное комплексное соединение D- и L-форм. Отличается от других изомеров физичсекими свойствами (Т_пл=204⁰С, растворимость в воде хуже). Причина – другая упаковка в кристаллы, вследствие чего расстояния между атомами отдельных молекул разные, и взаимное влияние тоже разное.

Динамическая стереохимия

Под динамической стереохимией понимают изменение пространственного строения вещества в процессе химических превращений.