19.3.2. Гидроксикарбоновые кислоты

Гидроксикарбоновыми кислотами называют соединения, мо­лекулы которых содержат и спиртовые, и карбоксильные груп­пы. Число карбоксильных групп определяет основность гидро-ксикарбоновых кислот, а суммарное число групп ОН (как спир­товых, так и карбоксильных) - их атомность. Гидроксикислоты, являющиеся метаболитами, имеют тривиальные названия, а их соли — тривиальные латинские названия (табл. 19.4).

По взаимному расположению функциональных групп гидроксикислоты подразделяются на а-, р-, у-кислоты и т. д:

Многие гидроксикислоты, например молочная, яблочная, винная, изолимонная, имеют в молекуле хиральные центры, вследствие чего для них характерна оптическая изомерия (разд. 15.2). Так, молочная кислота существует в трех формах: две оптически активные, т. е. энантиомеры (зеркальные изоме­ры), а третья - оптическая неактивная, являющаяся рацемиче­ской смесью энантиомеров. Молочная кислота, выделенная из мышечной ткани, называемая мясо-молочной кислотой, явля­ется L-энантиомером. D-Молочная кислота образуется из Саха­ров при помощи особых бактерий-возбудителей брожения. Под действием молочнокислых бактерий в прокисшем молоке, при созревании сыров, при квашении овощей и в процессе силосо­вания образующаяся молочная кислота является рацемической смесью обоих энантиомеров и не проявляет оптической активности:

Яблочная кислота подобно молочной также существует в трех формах: D-энантиомер, L-энантиомер и их D, L-рацемат.

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 и физиологические функции различны. В организме обычно присутствует один стереоизомер гидроксикислоты.

Среди специфических свойств гидроксикислот прежде всего следует отметить их склонность к реакции дегидратации при на­гревании. При этом дегидратация для а-, B- и у-гидроксикислот происходит различно.

a-Гидроксикислоты дегидратируются межмолекулярно, при этом спиртовые группы взаимодействующих молекул взаимно ацилируются карбоксильными группами этих кислот с образо­ванием устойчивых циклических сложных эфиров, называемых лактидами (от латинского названия молочной кислоты):

В этой электрофильно-нуклеофильной реакции каждая молеку­ла за счет спиртовой группы выступает нуклеофилом, а за счет карбоксильной группы - электрофилом. Лактиды, как и слож­ные эфиры, при кипячении с водой в присутствии кислот или щелочей гидролизуются с образованием исходных кислот.

Р-Гидроксикислоты при нагревании дегидратируются внут-римолекулярно за счет протона а-метиленовой группы, имею­щего повышенную подвижность, образуя а,Р-непредельные ки­слоты:

Эта реакция сопровождается внутримолекулярной окислитель­но-восстановительной дисмутацией за счет углеродных атомов. Подобные реакции дегидратации протекают в организме при участии дегидратаз. Они имеют место при Р-окислении жирных кислот (разд. 19.4.2) и дегидратации лимонной кислоты в цик­ле Кребса (разд. 19.4.3).

у- и 5-Гидроксикислоты, вследствие пространственной бли­зости —ОН и СООН-групп, очень неустойчивы и легко отщеп­ляют молекулу воды вследствие внутримолекулярного ацилирования спиртовой группы с образованием устойчивых пяти- и шестичленных циклических внутренних сложных эфиров -лактонов:

Наличие в гидроксикислотах двух или более электроотрица­тельных групп способствует реакциям окислительно-восстанови­тельной дисмутации, так как в их молекулах увеличивается чис­ло углеродных атомов, имеющих промежуточные степени окисле­ния. Внутримолекулярная окислительно-восстановительная дисмутация а-гидроксикислот происходит при их нагревании в при­сутствии H₂S0₄ и сопровождается разрывом связи С—С. При этом образуются муравьиная кислота и соответствующее карбо­нильное производное - альдегидили кетон:

Л имонная кислота в этих условиях, наряду с муравьиной кислотой, образует ацетондикарбоновую кислоту, которая в ре­зультате внутримолекулярной окислительно-восстановительной дисмутации легко декарбоксилируется с образованием ацетона:

Приведенные реакции еще раз демонстрируют, что углерод­ный атом карбоксильной группы может быть и окислителем (первая реакция), и восстановителем (вторая реакция).

В организме гидроксикислоты дегидрируются под действием дегидрогеназ с окисленной формой кофермента НАД⁺, причем водородные атомы отщепляются от спиртовой группы и связан­ного с ней углеродного атома. При этом образуются соответствующие оксокислоты. Так, важной стадией Р-окисления жирных кислот (разд. 19.4.2) является дегидрирование (3-гидроксикислот в виде производных с коферментом А в соответствующие про­изводные B-оксокислот:

Подобная реакция межмолекулярной окислительно-восста­новительной дисмутации протекает с изолимонной кислотой в цикле Кребса:

Таким образом, гидроксикислоты чрезвычайно склонны к реакциям окислительно-восстановительной дисмутации, проте­кающей как внутримолекулярно, так и межмолекулярно.