Полезные материалы за все 6 курсов / Ответы к занятиям, экзаменам / Химия лекции
.pdfЛЕКЦИЯ №1
Тема: Гетерофункциональные соединения: гидрокси- и оксокислоты.
Цель лекции: изучение электронного, пространственного строения и химических свойств биологически важных гидрокси- и оксокислот.
Содержание: Гетерофункциональные производные как продукты обмена веществ в организме. Оксо-, гидроксикислоты. Строение, изомерия, химические свойства. Реакции характерные для спиртов, фенолов, кетонов и кислот. Специфические реакции. Производные гетрофункциональных производных применяемые в медицине.
Гетерофункциональные соединения - это соединения, содержащие разные функциональные группы. Они имеют большое значение, т.к. многие из низ являются биологически активными и лекарственными веществами.
В зависимости от сочетания функциональных групп различают гидрокси- (окси-), -альдегидо (оксо-), феноло-, аминокислоты и др.
Каждая из гетерофункциональных групп сохраняет свою собственную реакционную способность. При достаточно близком расположении происходит усиление реакционной способности каждой из них.
Молекулы некоторых гетерофункциональных соединений вступают в р- ции внутри- и межмолекулярного взаимодействия.
Гидрокси-, или оксикислоты
Это соединения, содержащие одну или несколько групп –ОН и –СООН.
В общем виде их формулу можно представить R |
/ (COOH)n |
. В простейшем |
|
|
\(OH) |
m |
|
|
|
|
случае n = m = 1. Количество гр. –СООН определяет основность, а гр. –ОН – атомность.
α
C H2 − COOH
OH
Номенклатура
гликолевая к-та, -оксиуксусная к-та, 2-гидроксиэтановая к-та,
α |
молочная к-та, -оксипропионовая к-та, |
||
СН3– C H− COOH |
|||
2-оксипропановая к-та, |
|||
|
|||
OH |
|
|
|
α β |
|
винная к-та, , -диоксиянтарная к-та, |
|
НООС– C H− C H− COOH |
2,3-диоксибутандиовая к-та,
OH OH
|
OH |
|
лимонная к-та, 3-гидрокси- |
|
НООС – СН2 |
| СН2 |
–СООН |
||
3-карбоксипентандиовая к-та, |
||||
|
C |
|
||
|
|
|
||
|
| |
|
|
|
|
COOH |
|
|
|
СООН |
|
|
|
|
ОН |
салициловая к-та, -оксибензойная к-та, |
|||
|
2-оксибензойная к-та, |
Изомерия
Молекулы с тремя атомами углерода проявляют изомерию положения гр.
–ОН, а с четырьмя – изомерию положения и углерод – углеродной цепи. Например,
α |
β |
γ |
СН3–СН2– C H− COOH , |
СН3– C H –СН2 –СООН, |
C H –СН2–СН2–СООН, |
OH |
OH |
OH |
-оксимасляная к-та |
-оксимасляная к-та |
-оксимасляная к-та |
CH3
|
CH3 C COOH -оксиизомасляная к-та
|
OH
В молочной к-те появляется ассиметрический (хиральный) атом С, а следовательно, имеются оптические изомеры. Оптическая изомерия свойственна для многих оксикислот.
Н |
|
|
|
СООН |
|
|
|
СООН |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
НО |
|
|
Н |
||
Н |
|
|
|
ОН |
|
|
|||
|
|
|
|
СН3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
СН3 |
|||||
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.
|
СООН |
|
|
|
|
|
СООН |
|
|
СООН |
||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
ОН |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Н |
Н |
|
Н |
|
|
ОН |
НО |
|
|
|
|||||
|
Н |
ОН |
|
|
|
|
|
|
Н |
|
|
|
|
ОН О |
Н |
НО |
|
|
Н О |
|
|
|
|
||||||
|
СООН |
|
|
|
|
|
СООН |
|
|
|
|
СООН |
||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
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.
δ− δ+ O
R – CH → C O H – I, – М
OH
–I –I, +М
I. Р-ции по гр. –СООН
Оксик-ты диссоциируют, образуют соли, сложные эфиры, амиды, ангидриды, галогенангидриды.
1) СН3– CH → C |
O |
СН3– CH → C |
O |
+ Н+. |
|
O H |
O- |
||||
|
| |
|
|||
|
|
|
|
||
OH |
|
OH |
|
|
|
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, -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– CH− COOH + NaOH → СН3– CH− COONa +Н2О.
OH |
OH |
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 фармацевтии и в аналитической химии:
НООС - CH - CH− COOH + КОН |
→ КООС - CH - CH− COOH |
|
−H 2 O |
OH OH |
OH OH |
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.
|
|
t |
|
3) СН3– CH− COOH + 2РС15 |
→ СН3– CH− COC1 + 2РОС13 + 2НС1 |
||
|
OH |
|
C1 |
|
Молочная к-та |
|
|
II. |
Р-ции по гр. –ОН |
|
|
Это р-ции образования алкоголятов, простых и сложных эфиров, галоге- |
|||
нопроизводных [НС1 (газ), РС15, SOC12], р-ции окисления. |
|||
1) |
СН3– CH− CH2 - COOH + О |
→ СН3– C− CH2 - COOH . |
|
|
|
−H 2 O |
|| |
|
OH |
|
O |
-гидроксимасляная к-та |
|
Ацетоуксусная к-та (АУК) |
Ацетон, ацетоуксусная к-та и -гидроксимасляная к-та составляют группу «ацетоновых тел», образующихся в большом количестве в организме при са-
харном диабете. |
|
|
|
НООС– CH− CH2 |
- COOH + О → |
НООС – C− CH |
2 - COOH |
|
−H 2 O |
|| |
|
OH |
|
O |
|
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:
|
|
|
t |
|
СН3– CH− COOH + С1 – C− CH |
3 |
→ СН3 |
CH − O - C− CH3 |
|
|
|| |
|
−HC1 |
|| |
OH |
O |
|
|
COOH O |
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 − CH− CH - COONa |
|
| |
| |
O |
O |
|
Cu |
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 -, -, -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 -оксик-ты при нагревании выделяют две молекулы воды и образуются ЛАКТИДЫ:
|
CH− C |
O |
t |
|
|
||
|
|
|
|
||||
СН3– | |
|
|
OH → |
СН3– CH− C = O |
|||
+ |
OH |
|
|
|
−2H 2 O |
| |
| |
/ OH |
|
|
|
|
O |
O |
|
|
|
|
|
|
|||
O = C |
|
|
|
|
| |
| |
|
\ |
/ |
OH |
|
|
O = C− −C H − CH3 |
||
|
CH |
|
|
|
Лактид |
||
|
|
\ |
CH |
3 |
|
||
|
|
|
|
|
|
Молочная к-та
б) -оксик-та, в молекуле которой фрагмент – СН2 – находится между двумя ЭА группами, увеличивающих подвижность атомов Н, подвергается дегидратации с образованием непредельной к-ты:
β |
α |
t |
|
→ СН3 – СН = СН – СООН |
|||
СН3– C H− C H− COOH |
|||
OH |
H |
−H 2 O Бутен-2-овая к-та |
|
|
-оксимасляная к-та
Яблочная к-та ведет себя как -к-та и при дегидратации превращается в фумаровую:
|
t |
|
НООС– CH− CH− COOH |
→ HOOC |
|
OH H |
−H 2 O |
HC=CH |
|
||
|
COOH |
|
|
|
|
Яблочная к-та |
|
Фумаровая к-та |
в) -, - и т.д. оксик-ты, в которых две функциональные группы находятся рядом идет внутримолекулярная этерификация с образованием ЛАКТОНА:
|
|
t |
|
|
|
|
CH2 |
CH2 −CH2 C = O → |
CH2 |
CH2 −CH2 |
C = O |
||
|
ОН НО |
−H |
2 O |
|
О |
|
|
|
|
|
|
|
|
-Масляная к-та |
|
|
-Бутиролактон |
Лактиды и лактоны являются циклическими сложными эфирами и легко гидролизуются в присутствии щелочей с образованием солей:
|
CH |
−CH |
|
|
|
CH2 −CH2 |
O |
CH2 |
2 |
О |
2 |
C = O + NaОН → CH2 |
ОН |
C |
|
|
|
|
|
|
ONa |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
-Бутиролактон |
4-Гидроксибутаноат натрия |
2) Наличие двух ЭА групп у одного атома С приводит -оксик-ты к декарбоксилированию:
|
t |
СН3 – СНОН – СООН → СН3 – СН2ОН |
|
|
−CO2 |
Молочная к-та |
Этанол |
Ворганизме эта р-ция протекает под действием фермента.
Вприсутствии сильных минеральных к-т углеродный скелет -оксик-т расщепляется по связи С–1 – С–2 с образованием карбоксильного соединения (альдегида или кетона) и муравьиной к-ты:
|
2 |
O |
H2SO 4 |
O |
|
1 |
|
||
R |
C H |
− C OH |
→ R - C− H + H - C |
|
|
|
|
|| |
OH |
|
O H |
|
O |
|
|
-Оксик-та |
Альдегид |
Муравьиная к-та |
Особый интерес представляет поведение лимонной к-ты при нагревании в присутствии минеральных к-т. Как -оксик-та она отщепляет НСООН, СО2, образуя в итоге ацетон:
|
COOH |
|
COOH |
|
|
|
||
|
| |
|
|
| |
|
CO |
|
|
|
CH |
2 |
|
CH+ HCOOH |
|
|
||
|
|
H2SO 4 |
2 |
|
H2O |
|
||
|
| |
|
| |
|
|
|||
|
COOH → |
|
|
|||||
HO |
C |
O C |
-2СО2 |
|
|
|
||
|
| |
|
|
| |
|
|
|
|
|
CH2 |
|
CH2 |
|
CH3 |
− C− CH |
3 |
|
|
| |
|
|
| |
|
|||
|
|
|
|
|
|| |
|
||
|
COOOH |
|
COOH |
|
O |
|
||
Лимонная к-та |
Ацетондикарбоновая |
Ацетон |
|
|||||
|
|
|
|
к-та |
|
|
|
|
Как -оксик-та она дегидратируется, образуя цисаконитовую к-ту, |
||||||||
участвующую в обмене веществ: |
|
|
|
|
|
|||
|
|
OH |
H |
|
|
|
|
|
НООС–СН2 |
|
| |
→ НООС–СН2 |
|
H |
|||
C |
− C H - COOH |
C = C |
||||||
|
|
|
|
−H 2 O |
|
|
|
COOH |
|
|
COOH |
|
|
COOH |
|
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. Кро-
ме 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 -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 ( , - 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:
ONa |
|
COONa |
|
COOH |
|
+CO 2 |
OH |
+HC1 |
OH |
|
→ |
→ |
||
|
|
|
||
|
|
|
−NaC1 |
|
Феноксид |
Салицилат |
Салициловая |
натрия |
натрия |
к-та |
Р-ция протекает по механизму SЕ. 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 фе- ноксид-ионе бензольное кольцо обладает большой активностью в р-циях SЕ.
ОН |
О– |
Na+ |
|
|
+NaOH |
|
– –, |
|
→ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Фенол |
Феноксид |
|
|
|
натрия |
|
|
|
Химические св-ва |
Фенолокислоты являются сильными к-тами. Сила к-ты возрастает при |
|
образовании внутримолекулярной Н–связи: |
|
O |
|
|| |
OH |
C |
C |
|
O |
ОН |
или |
ОН |
ОН |
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, хло-
рангидридов, амидов. |
|
|
СООН |
H + ,t |
СООСН3 |
+ НО–СН3 |
→ |
|
ОН |
−H 2 O |
ОН |
Метилсалицилат 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.
СООН |
|
H + , t |
СООС6Н5 |
ОН |
+ НО–С6Н5 |
→ |
ОН |
|
|
||
|
|
|
Фенилсалицилат |
(салол)
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. |
|
|
|
СООН |
|
|
СООNa |
|
+ 2NaOH → |
+ 2H2O , |
|
ОН |
|
|
ОNa |
Салициловая к-та вытесняет слабые к-ты, например, угольную из их со- |
|||
лей: |
|
|
|
СООН |
|
|
СООNa |
|
+ 2NaHСО3 → |
+ H2O + СО2 |
|
ОН |
|
|
ОН |
СООН |
O |
H + , t |
СООН |
|| |
|||
+ |
C− CH3 |
→ |
+ H2O + СО2 |
ОН |
C1 |
−HC1 |
О– C –СН3 |
|
|
||
Ацетилхлорид |
|| |
||
|
|
|
O |
|
|
|
Ацетилсалициловая к-та, аспирин |
Ацетилсалициловая к-та как сложный эфир способна гидролизоваться в кислой и щелочной средах.
Поэтому следует учитывать условия хранения, которые должны исклю-
чать ее контакт с влагой: |
|
|
|
СООН |
+ H2O → |
СООН |
|
|
|
+ СH3СOОН |
|
|
|
|
|
О– C –СН3 |
|
ОН |
Уксусная к-та |
Аспирин || |
|
Салициловая |
|
|
|
||
O |
|
к-та |
|
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:
СООН |
t |
|
|
→ |
|
ОН |
−CO 2 |
ОН |
|
||
Салициловая |
|
Фенол |
к-та |
|
|
Дубильные вещ-ва, содержащиеся в значительных количествах в растениях, включают в свой состав остатки галловой (3, 4, 5-тригидроксибензойной)