Функциональные группы одного типа, т е. моно

жүктеу/скачать 2,15 Mb.

Дата	06.02.2022
өлшемі	2,15 Mb.
	#79822
түрі	Лекция

Байланысты:
ЛЕКЦИЯ 32 (1)

32.1.1. Некоторые биогенные гидроксикарбоновые кислоты

Лекция 32

ГЕТЕРОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Ранее мы с вами рассматривали важнейшие классы органических соединений, содержащие функциональные группы одного типа, т.е. моно- и полифункциональные соединения.
Вещества природного происхождения часто представляют собой гетерофункциональные соединения, в молекулах которых имеются различные функциональные группы. В роли таких групп часто выступают гидроксильная, карбонильная, карбоксильная и аминная группы.
Гетерофункциональные соединения, наряду с полифункциональными, играют важную роль в биологических процессах и часто представляют собой действующее начало лекарственных средств.
Различные комбинации только двух функциональных групп приводят к гетерофункциональным классам, наиболее важные из которых представлены в
таблице 1.
Т а б л и ц а 32.1. Некоторые типы сочетания функциональных групп
в гетерофункциональных соединениях

В первом приближении химические свойства гетерофункциональных соединений представляют собой сумму свойств, обусловленных каждой группой в отдельности.

Однако во многих случаях наличие двух (или более) различных функциональных групп приводит к усилению или ослаблению свойств, присущих монофункциональным соединениям.
И, что более важно, вызывает появление специфических химических свойств, присущих только гетерофункциональным соединениям.

32.1. Гидроксикислоты
Гидроксикислотами называются соединения, в молекулах которых содержатся гидроксильная и карбоксильная группы:

Рис. 32.1. Общая структурная формула гидрокскислот (оксикислот)
Классификация. В зависимости от природы углеводородного радикала гидроксикислоты могут быть алифатическими и ароматическими (фенолокислоты).
По взаимному расположению функциональных групп различают α-, β-, γ-,
δ-гидроксикислоты и т. д.
Буквы греческого алфавита указывают положение гидроксильной группы относительно карбоксильной, причем отсчет ведется от ближайшего к карбоксильной группе атома углерода:

Рис. 32.2. Классификация гидрокислот
Число карбоксильных групп определяет основность гидроксикарбоновых кислот, а суммарное число гидроксильных групп (как спиртовых, так и карбоксильных) – их атомность.

32.1.1. Некоторые биогенные гидроксикарбоновые кислоты

Физические свойства. Гидроксикарбоновые кислоты – жидкости или большей частью кристаллические вещества. В воде гидроксикарбоновые кислоты растворимы лучше, чем соответствующие карбоновые кислоты.
Оптическая изомерия. Для гидроксикарбоновых кислот характерна оптическая изомерия, связанная с наличием асимметрических углеродных атомов. Молочная, яблочная, винная, изолимонная кислоты имеют в молекуле хиральные центры.
Так, молочная кислота существует в трех формах: две оптически активные формы, т.е. энантиомеры (зеркальные изомеры), а третья – оптическая неактивная форма, являющаяся рацемической смесью энантиомеров:

Рис. 32.3. Изомерные формы яблочной кислоты

Рис. 32.4. Изомерные формы винной кислоты
Молекула винной кислоты содержит два одинаковых хиральных центра, между которыми может проходить плоскость симметрии этой молекулы. Поэтому винная кислота в природе существует в четырех формах: D-винная, L-винная, D,L-рацемат, называемый виноградной кислотой, а также мезовинная кислота, являющаяся оптически неактивным стереоизомером вследствие внутримолекулярной компенсации из-за симметричности ее структуры.
Оптические изомеры гидроксикислот отличаются не только физическими свойствами, но и тем, что их биологические функции различны. В организме обычно присутствует один стереоизомер гидроксикислоты.
32.1.2. Химические свойства
Гидроксикислоты проявляют свойства, как спиртов, так и кислот.
32.1.2.1. Общие свойства гидроксикарбоновых кислот
Как кислоты они образуют соли, сложные эфиры, амиды:

Рис. 32.5. Схемы реакций гидроксикарбоновых кислот по карбоксильной группе
Как спирты гидроксикарбоновые кислоты образуют алкоголяты, простые эфиры, могут замещать гидроксил на галоген:

Рис. 32.6. Схемы реакций гидроксикарбоновых кислот по гидроксильной группе
По сравнению с карбоновыми кислотами, гидроксикарбоновые кислоты являются более сильными кислотами, особенно если гидроксигруппа расположена в α-положении.
32.1.2.2. Специфические свойства α-гидроксикарбоновых кислот
α-Гидроксикарбоновые кислоты легко восстанавливаются в карбоновые кислоты йодистым водородом:

Рис. 32.7. Схемы реакций восстановления α-гидроксикарбоновых кислот
При кипячении с разбавленными минеральными кислотами происходит расщепление α-гидроксикарбоновых кислот с выделением муравьиной кислоты:

Рис. 32.8. Схемы реакций расщепления α-гидроксикарбоновых кислот
При нагревании α-гидроксикарбоновых кислот происходит отщепление двух молекул воды от двух молекул гидроксикислоты с образованием сложного эфира циклического строения, так называемого лактида:

Рис. 32.9. Схемы реакций межмолекулярного дегироксилирования α-гидроксикарбоновых кислот
32.1.2.3. Специфические свойства β-гидроксикарбоновых кислот
При нагревании β-гидроксикарбоновых кислот происходит отщепление одной молекулы воды от одной молекулы гидроксикислоты с образованием α,β-ненасыщенной карбоновой кислоты:

Рис. 32.10. Схемы реакций внутреннего дегидроксилирования α-гидроксикарбоновых кислот

32.1.2.4. Специфические свойства γ- и δ-гидроксикарбоновых кислот
При нагревании γ- и δ-гидроксикарбоновых кислот происходит внутримолекулярная реакция этерификации, сопровождающаяся отщеплением одной молекулы воды и образованием циклического эфира - лактона:

Рис. 32.11. Схемы реакций внутримолекулярной этерификации γ- и δ-гидроксикарбоновых кислот
32.1.2.5. Биологически важные гидроксикарбоновые кислоты
Гликолиевая кислота: HOCH₂COOH - содержится во многих растениях, например, свекле и винограде.
Молочная кислота: (соли лактаты) CH₃CH(OH)COOH. Молочная кислота широко распространена в природе, является продуктом молочнокислого брожения углеводов.
Содержит асимметрический атом углерода и существует в виде двух энантиомеров. В природе встречаются оба энантиомера молочной кислоты.
При молочнокислом брожении образуется рацемическая D,L-молочная кислота. D-молочная кислота образуется при восстановлении пировиноградной кислоты под действием кофермента НАД·Н и накапливается в мышцах при интенсивной работе:
CH₃COCOOH + НАД·Н + Н⁺→ СH₃CH(OH)COOH + НАД⁺
Пировиноградная кислота D-Молочная кислота

Рис. 32.12. Схемы реакций восстановления пировиноградной кислоты
Яблочная кислота: (соли малаты) HOOCCH(OH)CH₂COOH. Содержится в незрелых яблоках, рябине, фруктовых соках. Является ключевым соединением в цикле трикарбоновых кислот. В организме образуется путем гидратации фумаровой кислоты и далее окисляется коферментом НАД⁺ до щавелево-уксусной кислоты:

Рис. 32.13. Схема реакций превращения фумаровой кислоты щавелево-уксусную кислоту
Лимонная кислота: (соли цитраты). Содержится в плодах цитрусовых, винограде, крыжовнике. Является ключевым соединением в цикле трикарбоновых кислот:

Рис. 32.14. Лимонная кислота
Лимонная кислота образуется из щавелевоуксусной кислоты путем конденсации ее с ацетилкоферментом А и далее в результате последовательных стадий дегидратации и гидратации превращается в изолимонную кислоту:

Рис. 32.15. Схема реакций превращения щавелевоуксусной кислоты в изолимонную
Винная кислота: (соли тартраты) HOOCCH(OH)CH(OH)COOH. Содержит два хиральных центра и имеет 3 стереоизомера: D-винную кислоту, L-винную кислоту и оптически неактивную мезовинную кислоту. D-винная кислота содержится во многих растения, например, в винограде и рябине.
32.1.2.6. Ароматические гидроксикислоты
Из ароматических монокарбоновых гидроксикислот практическую важность имеет салициловая (о-гидроксибензойная) кислота, которую в промышленности получают по методу Кольбе нагреванием сухого фенолята натрия под давлением диоксида углерода по реакции:

Рис. 32.16. Схема реакции получения салициловой кислоты по методу Кольбе
Салициловая кислота стабилизирована за счет внутримолекулярной водородной связи между карбоксильной и гидроксильной группами:

Рис. 32.17. Стабилизация молекулы салициловой кислоты внутренней водородной связью
За счет этого салициловая кислота значительно сильнее бензойной кислоты и других изомерных гидроксибензойных кислот (К_а = 1,07·10^-3).
Салициловая кислота по обеим функциональным группам образует два ряда производных:

Рис. 32.18. Производные салициловой кислоты по карбоксильной и гидроксогруппе
Главным образом образуются сложные эфиры по карбоксильной группе – метилсалицилат и фенилсалицилат (имеющий торговое название салол).
Ангидриды и хлорангидриды кислот ацилируют салициловую кислоту по гидроксильной группе, образуя ацитилсалициловую кислоту (аспирин):

Рис. 32.19. Схема реакции получения ацитилсалициловой кислоты (аспирина)
По карбоксильной группе могут быть получены все производные салициловой кислоты. Важнейшим является салол.
Названные производные получают известным способами синтеза сложных эфиров. Так, метилсалицилат образуется при этерификации салициловой кислоты метанолом:

Рис. 32.20. Схема реакции получения метилсалицилата
Низкая нуклеофильность фенолов не позволяет таким же способом получить фенилсалицилат. По этой причине салициловую кислоту превращают предварительно в более активный ацилирующий агент – хлорангидрид, которым потом ацилируют фенол:

Рис. 32.21. Схема реакций получения фенилсалицилата
Сама салициловая кислота и рассмотренные ее производные используются как лекарственные вещества.
Аспирин употребляется в качестве обезболивающего, жаропонижающего, противовоспалительного средства. Салол – антисептическое, противоревматическое средство. Метилсалицилат используется в медицине в качестве обезболивающего и противовоспалительного средства.
Применение этих трех соединений в медицине основано на том, что целебным действием обладает сама салициловая кислота, адсорбируясь стенками кишечника. Будучи довольно сильной кислотой, она вызывает неприятное раздражение. Раздражающее действие устраняют этерификацией по карбоксильной группе метанолом или фенолом, а также ацетилированием по гидроксильной группе.
Все три эфира не гидролизуются в заметной степени при соприкосновении со слабокислым желудочным соком и проходят через желудок, не оказывая вредного воздействия на чувствительные ткани, но, спускаясь в кишечный тракт, эфиры гидролизуются под влиянием щелочи с выделением свободной салициловой кислоты.
32.3. Оксокарбоновые кислоты
Оксокарбоновыми кислотами (оксокислотами) называются соединения, молекулы которых содержат наряду с карбоксильной группой оксогруппу, т.е. это альдегидо- или кетонокислоты:

Рис. 32.22. Структурная формула α-оксокарбоновой кислоты
Классификация. Оксокислоты могут содержать одну, две или более карбоксильных групп. По взаимному расположению функциональных групп различают
α-, β- и γ-оксокарбоновые кислоты:

Рис. 32.23. α-, β- и γ-Оксокарбоновые кислоты
Многие оксокислоты являются важными метаболитами, участвующими в обмене веществ. Биологическая роль α-оксокислот заключается в том, что они являются интермедиатами в биосинтезе α-аминокислот в живых организмах.
Номенклатура. В названиях альдегидо- и кетонокислот наличие карбонильной группы обозначают префиксом оксо-. Для некоторых оксокарбоновых кислот укоренились тривиальные названия (пировиноградная, левулиновая).
Для оксокарбоновых кислот, участвующих в биохимических циклах в живых организмах, используют традиционно сложившиеся в биохимической литературе названия – ацетоуксусная, щавелевоуксусная, кетоглутаровая и другие:

Рис. 32.24. Тривиальные названия оксокарбоновых кислот
Оксокарбоновые кислоты проявляют многие свойства, характерные как для карбоновых кислот, так и для альдегидов и кетонов.
32.3.1. α-Кетонокарбоновые кислоты
Как карбоновые кислоты – α-кетонокарбоновые кислоты образуют производные по карбоксильной группе – соли, сложные эфиры, амиды и т.д., как карбонильные соединения - по оксогруппе – оксимы, гидразоны, гидроксинитрилы и т.д.

Рис. 32.25. Схема реакций α-кетонокарбоновых кислот по карбоксильной и оксогруппе (кетогруппе)

Декарбоксилирование и декарбонилирование α-оксокарбоновых кислот. Под действием разбавленных минеральных кислот α-оксокарбоновые кислоты подвергаются декарбоксилированию.

Нагревание с концентрированной серной кислотой приводит к декарбонилированию, т.е. отщеплению оксида углерода (II):

Рис. 32.26. Схема реакций декарбоксилирования и декарбонилорования α-оксокарбоновых кислот
32.3.2. β-Оксокарбоновые кислоты
Кето-енольная таутомерия. Специфика химических свойств β-оксокислот обусловлена наличием сильного СН-кислотного центра, возникновение которого связано с β-расположением функциональных групп.
Именно в ряду β-оксокислот наиболее ярко проявляется один из видов динамической изомерии – кето-енольная таутомерия.
Таутомерия – способность химических соединений существовать в виде двух или нескольких, находящихся в равновесии, структурных изомеров.
В большинстве случаев таутомерные превращения сопровождаются переносом протона от одного атома к другому, поэтому такие виды таутомерии объединяются общим понятием прототропной таутомерии.
Одной из разновидностей прототропной таутомерии является кето-енольная таутомерия, сущность которой состоит в переносе протона от α-СН-кислотного центра карбонильного соединения к атому кислорода карбонильной группы как основному центру:

Рис. 32.27. Кето-енольная таутомерия α-СН-кислотного центра карбонильного соединения
Кето-енольная таутомерия свойственна β-оксокислотам и их сложным эфирам:

Рис. 32.27. Кето-енольная таутомерия β-оксокарбоновых кислот
Енольная форма термодинамически менее выгодна, чем кетонная. Однако в
1,3-дикарбонильных соединениях енольная форма стабилизирована за счет образования внутиримолекулярных водородных связей, а также за счет р,π-сопряжения. Ниже приведены таутомерные формы ацетоуксусного эфира:

Рис. 32.28. Факторы стабилизации енольной формы ацетуксусного эфира
Существование двух таутомерных форм проявляется в химических свойствах
β-оксоэфиров. Ацетоуксусный эфир может вступать в реакции как в кетонной, так и в енольной форме:

Рис. 32.29. Кето-енольная таутомерия ацето-уксусного эфира
Как кетон, ацетоуксусный эфир присоединяет нуклеофильные реагенты: HCN, NaHSO₃, фенилгидразин. Как енол, присоединяет бром, образует хелатные комплексы с ионами переходных металлов, ацилируется хлорангидридами кислот:

Рис. 32.30. Схемы реакций ацетоуксусного эфира в кетонной и енольной формах
При действии на ацетоуксусный эфир какого-либо реагента в реакцию вступает один из таутомеров. Поскольку второй таутомер за счет смешения равновесия восполняет убыль первого, таутомерная смесь реагирует в данном направлении как единое целое.
При взаимодействии с пентахлоридом фосфора гидроксил енольной формы ацетоуксусного эфира замещается на хлор с образованием этилового эфира
β-хлоркротоновой кислоты:
CH₃(HO)C=CHCOOC₂H₅ + PCl₅ CH₃ClC=CHCOOC₂H₅ + POCl₃ + HCl
Для ацетоуксусного эфира характерно два типа расщеплений: кетонное и кислотное.
1. Кетонное расщепление протекает под влиянием разбавленных кислот или щелочей. Расщепление называется кетонным, так как при этом образуются кетоны:

Рис. 32.31. Схемы реакций кетонного расщепления ацетоуксусного эфира
В этих условиях происходит гидролиз по сложноэфирной группе, образуется ацетоуксусная кислота, которая декарбоксилируется с образованием ацетона.
2. Кислотное расщепление протекает при действии концентрированных спиртовых растворов щелочей. В этих условиях ацетоуксусный эфир и его производные расщепляются до сложных эфиров замещенных уксусных кислот:

Рис. 32.32. Схемы реакций кислотного расщепления ацетоуксусного эфира
Гидролиз образующегося сложного эфира обычно осуществляется в кислой среде.
Ацетоуксусный эфир широко применяется в органическом синтезе как исходное вещество для получения кетонов, карбоновых кислот, гетерофункциональных соединений, в том числе производных гетероциклов, представляющих интерес в качестве лекарственных средств.

жүктеу/скачать 2,15 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: