Гидрокси-, или оксикислоты

Модуль II

Тема занятия №1 “ Биологически активные гидрокси- и оксокислоты ”

Цель занятия:изучение электронного, пространственного строения и химических свойств биологически важных гидрокси- и оксокислот.

Студент должен знать:

- особенности свойств оксо - , гидрокси - и фенолокислот.

Студент должен уметь:

- объяснить химическое поведение гидроксикислот в организме;

- объяснять кето-енольную таутомерию, роль этого фактора в биохимии организма.

Гидрокси-, или оксикислоты

Это соединения, содержащие одну или несколько групп –ОН и –СООН.

В общем виде их формулу можно представить . В простейшем случае n = m = 1. Количество гр. –СООН определяет основность, а гр. –ОН – атомность.

Номенклатура

гликолевая к-та, a-оксиуксусная к-та, 2-гидроксиэтановая к-та,

винная к-та, a,b-диоксиянтарная к-та, 2,3-диоксибутандиовая к-та,

молочная к-та, a-оксипропионовая к-та, 2-оксипропановая к-та,

СН₃–

НООС–

лимонная к-та, 3-гидрокси- 3-карбоксипентандиовая к-та,

НООС – СН₂ СН₂ –СООН

Изомерия

Молекулы с тремя атомами углерода проявляют изомерию положения гр. –ОН, а с четырьмя – изомерию положения и углерод – углеродной цепи. Например,

СН₃–СН₂– , СН₃– –СН₂ –СООН, –СН₂–СН₂–СООН,

a-оксимасляная к-та b-оксимасляная к-та g-оксимасляная к-та

a-оксиизомасляная к-та

В молочной к-те появляется ассиметрический (хиральный) атом С, а следовательно, имеются оптические изомеры. Оптическая изомерия свойственна для многих оксикислот.

D-(–) – Молочная к-та L-(+) – Молочная к-та

Винная к-та имеет два ассиметрических атома С. Однако всего изомеров только три, а не четыре (2ⁿ), и оптически активных лишь два, т.к. два одинаковых заместителя (гр. –ОН) создают в молекуле плоскость симметрии.

Мезовинная к-та D-(+) – Винная к-та L-(–) – Винная к-та

Знак вращения плоскости поляризации света нельзя связывать с отнесением соединений к D – и L – рядам. Знак «+» и «–» определяют прибором - поляриметром. Для соединений с двумя ассиметрическими атомами С определение принадлежности к D – и L – ряду затруднено. По договоренности определяют D – и L – ряды по близлежащему заместителю от старшей функциональной группы, а в углеводах – по положению заместителя у дальнего от старшей функциональной группы атома С.

Химические св-ва

Наличие в молекуле двух функциональных групп приводит к тому, что эти соединения проявляют характерные р-ции как для к-т, так и для спиртов.

За счет взаимного влияния двух групп происходит усиление реакционной способности каждой из них. Кроме того для них возможны специфические р-ции с участием обеих групп.

R – – I, – М

–I –I, +М

I. Р-ции по гр. –СООН

Оксик-ты диссоциируют, образуют соли, сложные эфиры, амиды, ангидриды, галогенангидриды.

1) СН₃– Û СН₃– + Н⁺.

Молочная к-та Лактат-анион

Окси-ты являются более сильными к-тами, чем соответствующие им карбоновые к-ты, что находит объяснение в ЭА характере групп – ОН и – СООН. Например, a-оксиуксусная к-та в 5 раз сильнее уксусной к-ты.

Соли образуются легко с различными веществами Ме, МеО, МеОН, МеСО₃, где Ме – активный металл.

2) СН₃– + NaOH ® СН₃– +Н₂О.

Молочная к-та Лактат натрия

Двухосновные к-ты образуют средние и кислые соли. Кислые соли, как правило, мало растворимы в воде, средние – хорошо растворимы. Это используют для обнаружения ионов К⁺ в фармации и в аналитической химии:

НООС - - + КОН КООС - - ¯

Винная к-та Гидротартрат калия

Смешанная К–Na соль винной к-ты наз-ся сегнетовой солью.

Номенклатура солей

Молочной к-ты – лактаты, яблочной – малаты,

Винной – тартраты, лимонной – цитраты.

3) СН₃– + 2РС1₅ СН₃– + 2РОС1₃ + 2НС1

Молочная к-та

II. Р-ции по гр. –ОН

Это р-ции образования алкоголятов, простых и сложных эфиров, галогенопроизводных [НС1 (газ), РС1₅, SOC1₂], р-ции окисления.

1) СН₃– + О СН₃– .

b-гидроксимасляная к-та Ацетоуксусная к-та (АУК)

Ацетон, ацетоуксусная к-та и g-гидроксимасляная к-та составляют группу «ацетоновых тел», образующихся в большом количестве в организме при сахарном диабете.

НООС– + О НООС –

Яблочная к-та Щавелевоуксусная к-та (ЩУК)

АУК и ЩУК являются естественными продуктами обмена веществ. В организме образуются при участии кофермента НАД⁺. Окисление происходит очень легко.

2) Образование сложного эфира при действии хлоргидрида к-ты:

СН₃– + С1 – СН₃

3) При действии Na и РС1₅ р-ция пойдет по двум группам.

4) Винная к-та и ее производные дают качественную р-цию на диольный драгмент – характерное ярко-синее окрашивание – с р-ром Сu(ОН)₂ в щелочной среде.

КООС

Образовавшееся комплексное соединение под названием реактива Фелинга используется для обнаружения алифатических альдегидов.

III. Специфические р-ции

Они представляют наибольший интерес, т.к. обусловлены взаимным влиянием гетерофункциональных групп.

1) Р-ции дегидратации a-, b-, g-оксикислот

Вследствии наличия групп, способных взаимодействовать друг с другом, молекулы гетерофункциональных соединений способны вступать в р-ции внутри- и межмолекулярного взаимодействия с образованием циклических и нециклических соединений.

а) Две молекулы a-оксик-ты при нагревании выделяют две молекулы воды и образуются ЛАКТИДЫ:

+

СН₃– СН₃–

	Лактид

Молочная к-та

б) b-оксик-та, в молекуле которой фрагмент – СН₂ – находится между двумя ЭА группами, увеличивающих подвижность атомов Н, подвергается дегидратации с образованием непредельной к-ты:

Бутен-2-овая к-та

СН₃– СН₃ – СН = СН – СООН

b-оксимасляная к-та

Яблочная к-та ведет себя как b-к-та и при дегидратации превращается в фумаровую:

НООС–

Яблочная к-та Фумаровая к-та

в) g-, d- и т.д. оксик-ты, в которых две функциональные группы находятся рядом идет внутримолекулярная этерификация с образованием ЛАКТОНА:

О

НО

ОН

g-Масляная к-та g-Бутиролактон

Лактиды и лактоны являются циклическими сложными эфирами и легко гидролизуются в присутствии щелочей с образованием солей:

ОН

О

+ NaОН ®

g-Бутиролактон 4-Гидроксибутаноат натрия

2) Наличие двух ЭА групп у одного атома С приводит a-оксик-ты к декарбоксилированию:

СН₃ – СНОН – СООН СН₃ – СН₂ОН

Молочная к-та Этанол

В организме эта р-ция протекает под действием фермента.

В присутствии сильных минеральных к-т углеродный скелет a-оксик-т расщепляется по связи С–1 – С–2 с образованием карбоксильного соединения (альдегида или кетона) и муравьиной к-ты:

R R - + H -

a-Оксик-та Альдегид Муравьиная к-та

Особый интерес представляет поведение лимонной к-ты при нагревании в присутствии минеральных к-т. Как a-оксик-та она отщепляет НСООН, СО₂, образуя в итоге ацетон:

-2СО2

Лимонная к-та Ацетондикарбоновая Ацетон

к-та

Как b-оксик-та она дегидратируется, образуя цис- аконитовую к-ту, участвующую в обмене веществ:

НООС–СН₂ НООС–СН₂

Аконитовая к-та

При этих процессах выделяется энергия. Процесс последовательных превращений лимонной и других к-т в организме наз-ся циклом Кребса.

Отдельные представители

Гликолевая к-та содержится в незрелом винограде, свекле и др.

Тиогликолевая к-та восстанавливает в белках S–S мостики цистина в цистин в организме.

	Молочная к-та содержит один ассиметрический атом С, в связи с этим существует в виде пары, энантиомеров. Кроме того, известна рацемическая молочная к-та.

Все три формы встречаются в природе. Рацемическая оптически неактивная молочная к-та (кристаллы) образуется из углеводов в результате молочнокислого брожения под действием бактерий. Получить безводную молочную к-ту очень трудно, т.к. обезвоживание ее р-ров сопровождается образованием лактида. Она образуется при скисании молока, квашении капусты, в различных соленьях, выполняя при этом роль консерванта, т.к. способна препятствовать развитию гнилостных бактерий.

Левовращающая D–молочная к-та образуется также в результате молочнокислого брожения, но под действием других бактерий нежели рацелическая молочная к-та. Правовращающая L–молочная к-та образуется в живых организмах в результате расщепления углеводов. Особенно много ее накапливается в мышцах при больших физических нагрузках.

Соли и эфиры молочной к-ты наз-ся ЛАКТАТАМИ.

В медицине используется как прижигающее (80%-ный р-р) при выведении мозолей, бородавок, пигментных пятен.

Лактат железа (II) (СН₃СНОНСОО)₂Fе × 3Н₂О хорошо всасывается в кишечнике и хорошо переносится больными при анемии.

Лактат кальция применяют внутрь в тех же случаях, что хлорид и глюканат кальция.

НОСН₂– СН₂– СН₂СООН g-Гидроксимасляная к-та (ГОМК) в свободном виде неустойчива, легко отщепляет воду с образованием лактона. В виде натриевой соли используется в медицине как неингаляционное наркозное средство.

НООССН(ОН)СН₂СООН яблочная к-та содержит один ассиметрический атом С, поэтому возможно существование ее в виде пары энантиомеров. В природе встречается L-(–)-яблочная к-та (кристаллы), она содержится в ягодах и фруктах. L–яблочная к-та – один из продуктов распада углеводов в живых организмах.

НООССН(ОН)СН(ОН)СООН винная к-та содержит два центра хиральности и теоретически должна существовать в виде четырех стереоизомеров. Однако две формы этой к-ты соответствуют одному соединению (имеется плоскость симметрии) – оптически неактивной мезовинной к-те. Мезовинная к-та по отношению к двум другим формам D– и L–винной к-ты является диастереомером. Таким образом, 2,3-дигидроксибутандионовая к-та (a,a^¢-дигидроксиянтарная к-та) существует в виде трех стереоизомеров. Кроме того известен рацемат – смесь равных количеств D– и L–винной к-т, называемая виноградной к-той. Большие заслуги в изучении стереохимии винных к-т принадлежат французскому естествоиспытателю Л. Пастеру (1822–1895).

В природе встречается только D-(+)-винная к-та, содержащаяся во многих растениях, особенно много ее в винограде, который служит сырьем для ее получения. Выделяется в виде малорастворимой кислой калиевой соли («винный камень») в процессе винного брожения виноградного сока. Соли и сложные эфиры винной к-ты наз-ся тартратами.

Винная к-та в смеси с содой NaНСО₃ под названием «шипучие порошки» применяются как слабительное средство.

НООССН₂С(ОН)(СООН)СН₂СООН лимонная к-та (2-гидроксипропан-1,2,3-трикарбоновая к-та) – бесцветное кристалическое вещество, хорошо растворимое в воде. Содержится в различных растениях. Впервые была выделена известным химиком К. Шееле (1742–1786) из лимонного сока, где ее содержание достигает 10%. В промышленности получают путем лиминнокислого брожения отходов сахарного производства.

Соли и сложные эфиры лимонной к-ты наз-ся цитратами. Цитрат натрия применяется для консервирования донорской крови. Противосвертывающее действие основано на том, что цитрат натрия связывает ионы кальция в нерастворимый цитрат. Цитрат железа (II) – при анемии.

Фенолокислоты

Из ароматических гидроксик-т наибольшее значение имеют фенолок-ты, у которых гидроксильные группы непосредственно связаны с бензольным кольцом (фенольные гидроксильные группы).

Изомерия фенолок-т обусловлена взаимным расположением –ОН и –СООН групп.

В названиях фенолок-т по МН за родоначальную структуру принята бензойная к-та; наличие –ОН группы отражается префиксом гидрокси- (окси-). Для многих фенолок-т употребляются тривиальные названия – салициловая, галловая и др.

Фенолок-ты чаще всего получают прямым карбоксилированием фенолов, т.е. непосредственным введением –СООН группы. Например, при взаимодействии сухого феноксида натрия с СО₂, который при обработке минеральной к-той првращается в салициловую к-ту:

Р-ция протекает по механизму S_Е. Поскольку СО₂ является слабым электрофилом, непосредственно в р-цию с фенолом он не ступает. Для активации бензольного кольца фенол превращают в феноксид натрия. Отрицательно заряженный атом кислорода феноксид-иона проявляет значительно более сильные электронодонорные св-ва, чем неионизированная –ОН группа. Поэтому в феноксид-ионе бензольное кольцо обладает большой активностью в р-циях S_Е.

Химические св-ва

Фенолокислоты являются сильными к-тами. Сила к-ты возрастает при образовании внутримолекулярной Н–связи:

Проявляют св-ва и фенолов и к-т. Салициловая к-той обладает более кислотными св-вами, чем ее мета- и пара-изомеры.

I. Р-ции по ­­–СООН гр.

Они проходят с образованием солей, сложных эфиров, ангидридов, хлорангидридов, амидов.

Метилсалицилат представляет собой бесцветную вязкую нерастворимую в воде жидкость с приятным запахом, используется в медицине в качестве противоревматического средства. Другие производные салициловой к-ты – фенилсалицилат (салол), ацетилсалициловая к-та (аспирин), салицилат натрия и др. – также широко используются в качестве противовоспалительных средств и анальгетиков.

Салол применяется как дезинфицирующее средство при кишечных заболеваниях. Однако в кислой среде желудка он не гидролизуется, а распадается только в кишечнике, поэтому используется также в качестве материала для защитных оболочек некоторых лекарственных средств, которые не стабильны в кислой среде желудка.

II. Р-ции по –ОН гр.

Они проходят с образованием фенолятов (с Ме или МеОН), сложных и простых эфиров.

Салициловая к-та вытесняет слабые к-ты, например, угольную из их солей.

Ацетилсалициловая к-та как сложный эфир способна гидролизоваться в кислой и щелочной средах.

Поэтому следует учитывать условия хранения, которые должны исключать ее контакт с влагой.

При взаимодействии салициловой к-ты с FеС1₃ образуется фиолетовая окраска, тогда как ацетилсалициловая к-та, у которой нет свободной –ОН группы, такую р-цию не дает. Это различие используется при определении доброкачественности аспирина.

Фенолкислоты сравнительно легко декарбоксилируются:

Дубильные вещ-ва, содержащиеся в значительных количествах в растениях, включают в свой состав остатки галловой (3, 4, 5-тригидроксибензойной) к-ты. Галловая к-та также легко декарбоксилируется с образованием трехатомного фенола пирогаллола.

За счет групп –ОН галловая к-та проявляет антисептическое св-во как кровеостанавливающее средство, при ожогах для образования защитной бактерицидной пленки, реактив на алкалоиды, противоядие при отравлении алкалоидами, для синтеза красителей.

III. Р-ции по бензольному кольцу

Фенолокислоты вступают в р-ции S_Е по бензольному кольцу.

При бромировании, нитрировании, сульфировании салициловой к-ты заместители поступают в орто- и пара- положения по отношению к –ОН группе и в мета- положение по отношению –СООН гр., т.о. действие двух функциональных групп согласованное.

Оксокислоты

Это карбоновые к-ты, содержащие карбонильную группу. Различают кето- и альдегидок-ты.

Номенклатура

Тривиальная, рациональная, международная:

СН₃– –СООН СН₃– Н₂–СООН

Глиоксалевая Пировиноградная Ацетоуксусная к-та (АУК),

к-та к-та (ПВК), b-кетомасляная к-та,

a-кетопропионовая, 3-оксобутановая к-та

2-оксопропановая

к-та

Изомерия кеток-т – это изомерия цепи и положения гр. .

Оксок-ты могут быть одно-, двух- и многоосновные.

НООС–(СН₂)₂– –СООН, НООС–СН₂– –СООН

a-Кетоглутаровая к-та Щавелевоуксусная к-та (ЩУК),

2-кетоянтарная к-та

Все указанные к-ты являются естественными продуктами обмена веществ.

Оксок-ты, имея в молекуле гр. –СООН и , обладают св-вами, характерными для к-т, альдегидов и кетонов.

Р-ции по гр. –СООН – смотрите р-ции в разделе оксик-т; оксок-ты диссоциируют, образуют соли, сложные эфиры, ангидриды, хлорангидриды, амиды.

По карбонильной гр. идут р-ции А_N, при этом образуются оксимы, гидразоны, оксинитрилы и т.д., т.е. проходят р-ции с Н₂, РС1₅, NH₂OH, NH₂– NH₂, NH₂–NH–С₆Н₅, НСN, НОR, р-ции окисления.

Оксим пировиноградной к-ты

Оксинитрил пировиноградной к-ты

Пировиноградная к-та

СН₃ –СООН ,

СН3–

–СООН

В этом случае р-ции протекают легче, чем для обычных кетонов.

2-оксо-ты окисляются даже такими слабыми окислителями как Сu(ОН)₂, при этом образуются две к-ты как и для типичных кетонов:

Н₂О + СО₂­

Оксимуравьиная к-та

Уксусная к-та

СН₃– –СООН + О + НОН ® СН₃СООН + НО–СООН

Пировиноградная к-та

Это результат увеличения d+ заряда атома С гр. и объясняет также способность кеток-т легко декарбоксилироваться. Пировиноградная к-та при нагревании или действии фермента декарбоксилазы разлагается:

Ацетальдегид

СН₃– –СООН ® СН₃– + СО₂

Ацетоуксусная к-та легко декарбоксилируется как и все b-кеток-ты даже при слабом нагревании:

СН₃– –СН₂–СООН СН₃– –СН₃

АУК Ацетон

В свою очередь группа, оказывая влияние на гр. –СООН, увеличивает ее кислотность. ПВК в 500 раз сильнее пропионовой к-ты.

Для оксок-т характерно существование двух изомерных форм: кетонной и енольной, легко переходящих друг в друга и находящихся в динамическом равновесии. Напомним, что явление существования вещ-ва в виде нескольких изомерных формах, легко переходящих друг в друга и находящихся в подвижном равновесии, наз-ся таутомерией. В зависимости от возникающих групп таутомерия наз-ся по-разному: кето-енольная, лактим-лактаимная, прототропная. Для кеток-т характерна кето-енольная таутомерия:

ЭА

ЭА

R® – Û R– =CH– .

Кето-енольная таутомерия встречается и в обычных альдегидах и кетонах, однако енола содержится в таких системах очень мало (~ 2,5 ×10^-5%), т.е. равновесие практически сдвинуто в сторону кетонной формы:

СН₃– –СН₃ СН₃– =CH₂

Ацетон

Введение ЭА заместителя у енолизированного атома С, например гр. –СООН, смещает равновесие в сторону енола:

d² > d¢

АУК

СН₃– – – Û СН₃– =CH–СООН

Енольная форма стабилизируется, если двойная С=С связь сопряжена со второй p-системой или гр. –ОН участвует в образовании внутримолекулярной Н-связи. Так, этиловый эфир ацетоуксусной к-ты существует уже на 7,5% в енольной форме, т.к. стабилизирован Н-связью:

СН₃– СН– –ОС₂Н₅ Û СН₃– –CH₂– .

Смещение равновесия зависит от природы растворителя, температуры (с ее увеличением уменьшается содержание енольной формы) и др. факторов.

Доказательством наличия енольной формы являются р-ции: с Вr₂ (водой) – на двойную связь (обесцвечивание), с FeC1₃ р-ция на –ОН гр. (фиолетовое окрашивание); наличие гр. – р-ции с NH₂OH, NH₂– NH₂, NH₂–NH–С₆Н₅ (образование осадков).

Многие р-ции в живых организмах проходят через енольную форму. Так, фосфорный эфир пировиноградной к-ты является важным фосфолирующим и ацилирующим агентом обмена вещ-в:

CH₂= – .

Вопросы для самоконтроля:

1. Что такое оксикислоты?

2. Химические свойства оксикислот.

3. Оптическая изомерия оксикислот.

4. Что такое оксокислоты?

5. Химические свойства оксокислот.

6. Кето – енольная таутомерия оксокислот.

7. Что такое фенолокислоты?

8. Химические свойства фенолокислот.

Упражнения

1. Напишите проекционные формулы Фишера стереоизомеров 2,3-диоксибутановой кислоты. Сделайте отнесение к D- и L- ряду.

Укажите энантиомеры, диастереомеры и рацематы.

2. Напишите проекционные формулы Фишера стереоизомеров 2,3-диоксибутандиовой кислоты. Сделайте отнесение к D- и L- ряду.

Укажите энантиомеры, диастереомеры и рацемат.

3. Напишите реакции молочной кислоты (2-гидроксипропановой кислоты) с: 1) H₂, 2) HCl, 3) PCl₅, 4) CH₃OH, 5) NH₃. Назовите продукты реакции.

4. Напишите реакцию окисления молочной кислоты (2-гидроксипропановой кислоты). Назовите продукт реакции.

5. Напишите специфические реакции, характерные для α-, β-, γ- оксикислот.

6. Напишите реакции пировиноградной кислоты (2-оксопропановой кислоты) с: 1) H₂, 2) HCN, 3) PCl₅, 4) NaOH, 5) NH₂-NH₂. Назовите продукты реакции.

7. Напишите реакции окисления и декарбоксилирования пировиноградной кислоты (2-оксопропановой кислоты).

8. Изобразите два изомера 3-оксобутановой кислоты, используя кето – енольную таутомерию. Напишите качественные реакции этих изомеров с бромной водой и гидразином.

9. Напишите схему разложения лимонной кислоты.

10. Изобразите и назовите изомеры оксибензойной кислоты.

11. Напишите реакции салициловой кислоты с: 1)Na , 2) NaOH, 3) PCl₅, 4) CH₃OH, 5) NH₃, 6) Br₂, 7) FeCl₃. Назовите продукты реакции.

12. Напишите реакции ацилирования и декарбоксилирования салициловой кислоты. Назовите продукты реакции.

Лабораторная работа

«Свойства оксикислот»

Опыт 1