13. Гидроксикислоты

Определение. Гидроксикислоты – соединения, в молекулах которых содержатся гидроксильная и карбоксильная группы.

Классификация

1. Функциональные группы гидроксикислот могут быть присоединены к

алифатической цепи молекулы (спиртокислоты) или к ароматическому кольцу (фенолокислоты):

п-гидроксибензойная кислота миндальная кислота (α-оксифенилуксусная кислота)

(фенолокислота) (спиртокислота)

2. По взаимному расположению функциональных групп гидроксикислоты

делятся на α-, β-, γ- и др. замещенные. Буквы греческого алфавита указывают положение гидроксильной группы относительно карбоксильной, причем отсчет ведется от ближайшего к карбоксильной группе атома углерода (от атома С-2).

α-гидроксимасляная кислота β-гидроксимасляная кислота

3) По количеству карбоксильных групп различают одноосновные, двухосновные, многоосновные гидроксикислоты:

молочная кислота тартроновая кислота лимонная кислота

(одноосновная) (двухосновная) (трехосновная)

4) По количеству гидроксильных групп гидроксикислоты делят на одноатомные, двухатомные и т.д.:

яблочная кислота (одноатомная) винная кислота (двухатомная)

Систематические названия гидроксикислот строятся по общим принципам заместительной номенклатуры, однако для многих широко распространенных представителей предпочтительными являются тривиальные названия.

Получение. -Гидроксикислоты удобно получать гидролизом -галоген-замещенных карбоновых кислот и оксинитрильным методом из карбонильных соединений.

ного синтеза подвергаются бензоиновой конденсации. В этих случаях циангидрин получают из соответствующего гидросульфитного производного действием NaCN:

К другим методам синтеза относят­ся: реакции -аминокислот с азотистой кислотой, мягкое окисле­ние гликолей RСH(OH)CH₂OH и восстановление эфиров кетонокислот.

R–CH–COOH HNO₂ R–CH–COOH + N₂ ↑ + H₂O

│  │

NH₂ OH

RСHCH₂OH [Ag(NH₃)₂] OH R–CH–COONH₄ + Ag ↓ + NH₃ + H₂O

│  │

OH OH

H₂ H₂ O

R–C–COOСH₃  R–CH–COOCH₃  R–CH–COOH

║ ( Ni) │ (H+) │

O OH OH

-Гидроксикислоты обычно получают, используя реакции мягкого окисле­ния альдолей (аммиакат серебра, бромная вода), гидратации ,-непредельных карбоновых кислот или методом Реформатского, который заключается во взаимодействии карбонильных соединений с цинковой пылью и эфирами -галогензамещенных карбоновых кислот:

β-Гидроксикислоты можно также получать, иcпользуя общие методы: например, заменой галогена и восстановлением карбонильной группы, если они находятся в β-положении по отношению к карбоксильной группе:

Фенолкарбоновые кислоты синтезируют по реакции Кольбе – Шмидта при нагревании фенолятов щелочных металлов с оксидом углерода (IV). Использование фенолята натрия приводит к о-оксибензойной кислоте:

Использование фенолята калия по аналогичной схеме дает к ее п-изомер.

Химические реакции

В реакциях, характерных для карбоксильной и гидроксильной групп, могут затрагиваться как та, так и другая или обе одновре­менно. В последнем случае для проведения реакции по одной из групп используют методы защиты другой.

Таблица 17. Реакции функциональных групп гидроксикислот с реагентами

Реагент Функц. группа	Na	NaOH или Na2CO3	NH3	HBr	CH3OH (HCl)	PCl5	(CH3CO)2O
COOH	+	+	+		+	+	
OH	+			+		+	+

Схема 16. Химические реакции молочной кислоты

Фенолокислоты в отличие от спиртокислот при взаимодействии с гидроксидом натрия реагируют обеими функциональными группами, а в случае обработки бромоводородом фенольный гидроксил проявит инертность.

В результате ацилирования салициловой кислоты уксусным ангидридом получают лекарственный препарат – аспирин (ацетилсалициловую кислоту):

салициловая кислота аспирин

Фенолокислоты этерифицируются по карбоксильной группе спиртами в присутствии минеральной кислоты, однако низкая нуклеофильность фенолов не позволяет таким способом получить фенилацетат. Поэтому салициловую кислоту предварительно превращают в более активный ацилирующий агент – ее хлорангидрид, которым затем ацилируют фенол:

Специфической реакцией гидроксикислот является дегидратация при нагрева­нии, причем в зависимости от их типа реакции идут по разным схемам, приводящим к различным продуктам:

а) -гидроксикислоты обычно образуют продукты межмолекулярной реакции  лактиды:

б) -гидроксикислоты превращаются в ,-непредельные кислоты:

t

CН₃–СН₂–СН–СН₂–СООН  CН₃–СН₂–СН=СН–СООН

│ (- Н₂О)

ОН

в) - и -гидроксикислоты дают циклические эфиры (лактоны):

γ-гидроксимасляная кислота γ-бутиролактон

δ-гидроксикапроновая кислота δ-капролактон

Внутримолекулярную этерификацию -гидроксикарбоновой кислоты до -лактона в кислой среде можно представить следующей схемой:

г) при нагревании лимонная кислота (как -гидроксикислота) превращается в аконитовую кислоту, которая распадается далее на смесь итаконового и цитраконового ангидридов. В присутствии H₂SO₄ лимонная кислота (как -гидроксикислота) отщепляет муравьиную кислоту и образует ацетондикарбоновую кислоту

аконитовая кислота итаконовый ангидрид цитраконовый ангидрид

лимонная кислота ацетондикарбоновая кислота ацетон

д) винная кислота при нагревании теряет воду и декарбоксилируется, превращаясь в пировиноградную кислоту:

Оптическая изомерия. Растворы некоторых органических веществ способны отклонять плоскость плоскополяризованного света на определенный угол. Такие соединения называются оптически активными и существуют в виде двух оптических изомеров: один из этих изомеров вращает плоскость поляризации влево, другой (в одинаковых условиях) на такой же угол вправо. Для обозначения этого явления пользуются знаками (+) и (─), которые ставят перед названием оптического изомера. Такие изомеры называют энантиомерами. Смесь, состоящую из равных количеств левовращающего и правовращающего изомеров, называют рацематом и обозначают символом (+). Рацемат оптически неактивен из-за взаимной компенсации оптической активности входящих в него оптических изомеров. Одной из причин появления оптической активности у некоторых органических веществ является наличие в молекуле асимметрического атома углерода, у которого все четыре валентности соединены с различными заместителями. Любое органическое вещество, содержащее асимметрический атом, можно представить в виде двух пространственных форм, которые отличаются друг от друга как предмет от зеркального отображения. При наложении этих пространственных форм нельзя добиться их совмещения. Такая изомерия получила название «зеркальной». Молекулы, несовместимые в пространстве и относящиеся друг к другу как зеркальные отображения, являются хиральными; у них отсутствуют плоскости и центры симметрии. При наличии в молекуле нескольких (n) асимметрических атомов углерода, общее число стереоизомеров (N) (сюда входят зеркальные изомеры – энантиомеры и диастереомеры – незеркальные изомеры) определяют по формуле: N = 2ⁿ.

При изображении оптически активных изомеров используют проекционные формулы Фишера. Для этого главную цепь молекулы гидроксикислоты располагается вертикально с первым атомом углерода вверху (карбоксильная группа). Тетраэдр асимметрического атома углерода, содержащий четыре раз-

Рис. 8. D-молочная кислота

личных заместителя, поворачивают так, чтобы начало и продолжение цепи находились за плоскостью проекции, а боко­вые заместители были направлены к наблюдателю. Все атомы, кроме асимметричес-кого, и группы атомов проекти-руются на плоскость, асимметрии-ческий атом С предполагается в точке пересечения линий его связей со всеми заместителями.

Если при таком построении функциональная группа ОН оказы­вается справа, то соединение относится к D-ряду, если слева, то к L-ряду.

При изменении положения проекционной формулы на плоскости, во избежание искажения стереохимического смысла, преобразования проводят с соблюдением следующих правил:

1. Проекционные формулы Фишера нельзя выводить из плоскости бумаги, ее нельзя поворачивать на 90° (допустим поворот на 180°):

Допустимо фиксирование одной группы и вращение трех остальных по часовой стрелки или против часовой стрелки:

2. В проекциях Фишера однократная взаимная перестановка любых двух групп приводит к превращению энантиомера в его зеркальное изображение, а

при перестановке местами заместителей у одного асимметрического центра четное число раз стереохимическая конфигурация соединения сохраняется.

3. Проекционные формулы Фишера нельзя применять к молекулам, хиральность которых обусловлена не наличием асимметрического атома, а другими причинами.

Для обозначения конфигурации асимметиричесих атомов в хиральных (оптически активные) молекулах в настоящее время используют D,L- (см. выше) и R,S- системы обозначений. В основу R,S-системы обозначения конфигурации положен принцип старшинства заместителей, окружающих центр хиральности. Для этого проекционную формулу Фишера преобразуют так, чтобы младший заместитель разместился внизу, на вертикальной связи. Если после преобразования проекции падение старшинства заместителей остальных трех группировок проходит против часовой стрелки, то асимметрическому атому приписывают S-конфигурацию. Падение старшинства по часовой стрелке соответствует R-конфигурации. Старшинство заместителей определяется следующими правилами:

1. Если с хиральным центром (асимметрический атом угле­рода) связаны четыре различных атома, то старшим является атом с большим атомным номером (I > Вг > Cl > S > Р > F >N > ОН).

2. Если старшинство групп нельзя определить с помощью пра­вила 1, то необходимо провести аналогичное сравнение следую­щих атомов в группе:

а) -СН₂С1 > -СН₂ОН > -СН₂СН₃ ;

б) -С(СН₃)₃ > -СН(СН₃)₂ > -СН₂СН₃ > -СН₃ ;

в) СН₃-О-СН-СН₂СН₃ > Н-О-СН-СН₂СН₃ .

½ ½

3. Если группа содержит двойную (тройную) связь, то ее ато­мы следует удвоить (утроить). Так, -СН=СН₂ эквивалентна -CH-CH₂-

½ ½

эквивалентна ; -CºN эквивалентна

а) СН₃-СН-СН₂СН₃ > -СН=СН₂ > -СН₃ ;

½

б) -СООСН₃ > -СООН > -CONH₂ > -СНО ;

в) -CºN > -С₆Н₅ > -СºСН > -СН=СН₂ .

4. Старшинство изотопов убывает с уменьшением их массы (Т> D > Н). При обозначении конфигурации по R,S-системе рас­сматривается модель хиральной молекулы, кото­рую располагают так, чтобы младший заместитель (атом водорода) был удален от глаза наблюдателя. Если падение старшинства остальных заместителей происходит по ходу часовой стрелки, то соединению приписывают R-конфигурацию, если против - S-конфигурацию.

Отдельные представители

Молочная кислота. Образуется в квашеных продуктах (моченые яблоки, капуста, огурцы) при молочнокислом брожении сахаров бактерииями родов Lactobacillus и Streptococcus: С₆H₁₂O₆ (D–глюкоза)  2 CH₃CH(OH)COOH. Существует в двух оптически активных (D и L и неактивной рацемической формы. Рацемическая форма представляет молочную кислоту брожения. L-(+)-молочная кислота образуется в мышцах как продукт превращения гликогена. D-(–)-молочная кислота может быть получена под действием микроорганизмов. Соли и сложные эфиры молочной кислоты называются лактатами.

Яблочная кислота содержится в незрелых яблоках, рябине, барбарисе. Существует в виде двух энантиомеров и рацемата.

D-(+)-яблочная кислота L-(-)-яблочная кислота

2-(R)-гидроксибутандиовая кислота 2-(S)-гидроксибутандиовая кислота

Винная кислота. Содержит два асимметрических атома углерода. Согласно формуле N= 2ⁿ, должна бы существовать в виде 4 конфигурационных стереоизомеров, однако вследствие наличия плоскости симметрии два из них одинаковые и оптически неактивные (табл. ). D-винная кислота содержится в виноградном соке; в процессе приготовления вина она накапливается в виде малорастворимого гидротартрата калия и часто образует осадок – «винный камень». Двойная соль – калийнатрийтартрат (сегнетова соль), подобно вицинальным диолам, способна образовывать с голубым осадком Cu(OH)₂ растворимое в воде комплексное соединение темно-синего цвета. Оно используется для идентификации альдегидов и называется жидкостью Фелинга (см. с. 142).