Слесарев В.И. - Химия. Основы химии живого. 2000 (учебник для вузов)

КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ

Глава 19

КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ

И ИХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПРОИЗВОДНЫЕ

После изучения этой главы вы должны знать:

-строение, классификацию, номенклатуру карбоновых кислот и их производных;

-кислотно-основные, электрофильно-нуклеофильные, окисли­ тельно-восстановительные и комплексообразующие свойства кар­ боновых кислот и их производных;

-основные реакции метаболизма карбоновых кислот в орга­ низме.

19.1. СТРОЕНИЕ, НОМЕНКЛАТУРА И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ

Органические соединения, содержащие карбоксильную группу

—ин относятся к классу карбоновых кислот. Соединения, со-

держащие одну карбоксильную группу, называются однооснов­ ными карбоновыми кислотами, две - двухосновными и т. д. В зависимости от природы углеводородного остатка различают карбоновые кислоты: предельные, непредельные, ароматиче­ ские, гетероароматические, гидрокси- и оксокислоты, амино­ кислоты и др. Одноосновные карбоновые кислоты общей фор­ мулы C^K^/t+iCOOH называются предельными кислотами.

По систематической номенклатуре ИЮПАК названия карбоно­ вых кислот образуют от названий родоначальных углеводородов с

468

тем же числом атомов углерода с добавлением окончания -овая кислота. Названия циклических и ароматических карбоновых кислот образуют добавлением к названию родоначального углево­ дорода слов карбоновая кислота. Нумерацию цепи начинают с атома углерода карбоксильной группы. Для кислот используются и тривиальные названия, которые применяют также для замещен­ ных кислот, обозначая положение заместителей греческими бук­ вами. В этом случае углеродный атом, соседний с карбоксильной группой, обозначается как а-углерод, затем Р-углерод, у-углерод:

УР а

R—СИ2—СН2—СН2СООН и т. д.

Для названия аниона карбоновой кислоты RCOO® исполь­ зуется ее латинское тривиальное название с суффиксом -am, а для названия ее молекулярного остатка без гидроксильной

группы, т. е. ацила R— - то же название, но с суффиксом

-ил. Примеры тривиальных и систематических названий неко­ торых карбоновых кислот, их анионов и ацильных групп при­ ведены в табл. 19.1.

Название функциональных производных карбоновых кислот (эфиров, амидов и т. д.) формируется на основе названий их ацильного остатка.

Низшие предельные монокарбоновые кислоты (Сх—Сд) пред­ ставляют собой жидкости, а высшие предельные и ароматиче­ ские кислоты - твердые вещества. Для карбоновых кислот ха­ рактерна значительная межмолекулярная ассоциация вследствие образования циклических димеров или линейных ассоциатов за счет водородных связей:

Ассоциаты карбоновых кислот частично сохраняются в раство­ рах и даже в парах.

Плавление высших карбоновых кислот, молекулы которых имеют явно анизометрическую форму, происходит постепенно. В интервале от температуры начала плавления до температуры просветления они могут находиться в жидкокристаллическом состоянии (разд. 3.2.3).

Молекулы карбоновых кислот дифильны, так как содержат гидрофильный фрагмент - карбоксильную группу —СООН и гид­ рофобный фрагмент - углеводородную цепь —R. С увеличением длины последней дифильность молекул увеличивается, а раство­ римость кислот в воде уменьшается. Высшие карбоновые ки­ слоты алифатического ряда, начиная с Сю, в воде практически

469

нерастворимы, а растворимость их солей сильно ограничена. Поэтому соли высших кислот образуют истинные растворы только при низких концентрациях, а при более высоких кон­ центрациях - коллоидные растворы. Вследствие анизометричности молекул высших карбоновых кислот, их солей, а также их ассоциатов (мицелл) коллоидные растворы этих веществ мо­ гут находиться в лиотропном жидкокристаллическом состоянии (разд. 3.2.3. и 27.3.2).

Первые гомологи предельных кислот - муравьиная, уксус­ ная и пропионовая кислоты - имеют резкий раздражающий запах, а при попадании на слизистые ткани вызывают их ожог.

19.2.ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРЕДЕЛЬНЫХ КИСЛОТ

ИИХ ПРОИЗВОДНЫХ

Для карбоновых кислот и их производных характерна раз­ нообразная реакционная способность, обусловленная присутст­ вием в молекулах карбоксильной группы. В карбоксильной группе имеются полярные ковалентные связи: между ее угле­ родным и кислородным атомами (С=0, С—О), а также связь О—Н. При этом связь С=0 длиннее, чем в кетонах, а связь С—О короче, чем в спиртах, что обусловлено взаимодействием неподеленной пары кислородного атома гидроксильной группы с 71- электронами карбонильной группы, т. е. электронодонорным эффектом сопряжения (+М). В результате этого эффекта увели­ чивается полярность связи О—Н и снижается частичный поло­ жительный заряд 8+ на карбонильном углеродном атоме по сравнению с другими карбонильными соединениями (альдеги­ дами и кетонами). Соответственно и связанный с карбоксиль­ ной группой С—Н-кислотный центр является более слабым, чем аналогичный центр в альдегидах и кетонах:

В отличие от альдегидов и кетонов, для которых характерны реакции нуклеофильного присоединения по кратной связи кар­ бонильной группы, карбоновые кислоты и их производные обыч­ но вступают в реакции нуклеофильного замещения по их элек­ трофильным центрам, часто сопровождаемые кислотно-основными и окислительно-восстановительными превращениями.

Атом водорода, связанный с сс-углеродным атомом цепи, также чувствителен к атаке свободными радикалами, что мо­ жет приводить к гомолитическому разрыву разных связей и даже вызывать реакции декарбоксилирования или декарбонилирования (отщепления СО2 или СО соответственно).

471

19.2.1. КИСЛОТНО-ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА

Карбоновые кислоты вследствие большой полярности и по­ ляризуемости связи О—Н проявляют кислотные свойства, что отражается в их названии. В водных растворах происходит дис­ социация этой связи с образованием гидратированных частиц: протона и аниона, называемого карбоксилат-анионом:

В карбоксилат-анионе отрицательный заряд равномерно рас­ пределяется между обоими кислородными атомами из-за дело­ кализации электронной плотности в сопряженной системе, что увеличивает стабильность этой частицы.

Сила карбоновых кислот зависит от природы заместителей в углеводородном радикале и от стабильности образующегося аниона (разд. 27.2). Так, электронодонорные заместители (+/-эффект) ослабляют кислотные свойства, потому что уменьшают частич­ ный положительный заряд на углеродном атоме карбоксильной группы (ср. рКа НСООН и СН3СООН). Электроноакцепторные заместители (-/-эффект), оттягивая на себя электронную плот­ ность, способствуют усилению кислотности карбоновых кислот, так как одновременно увеличивают частичный положительный заряд на углеродном атоме карбоксильной группы и стабилизи­ руют карбоксилат-анион из-за большей делокализации отрица­ тельного заряда:

Карбоновые кислоты являются более сильными кислотами (рКа = 4,0-г5,0), чем угольная кислота (рКа = 6,3). Поэтому с их помощью можно выделять угольную кислоту (практически СО2) из карбонатов:

Na2C03 + 2СН3СООН —► 2CH3COONa + Н20 + С02Т

472

Реакции нейтрализации и гидролиза солей. Под действием щелочей карбоновые кислоты вступают в реакцию нейтрализа­ ции (разд. 8.3.2).

RCOOH + NaOH ^ RCOONa + Н20

В щелочной среде равновесие сильно смещено в направлении продуктов. Обратная реакция, т. е. гидролиз солей карбоно­ вых кислот, проявляется в водных растворах солей и приво­ дит к частичному образованию этих относительно слабых ки­ слот и к повышению pH раствора (pH > 7) (разд. 8.3.1). Смеси карбоновых кислот с их солями образуют буферные системы (разд. 8.4).

Основные свойства. В кислой среде (pH < 2) диссоциация не­ замещенных карбоновых кислот практически не происходит, но образуются их ассоциаты с катионом гидроксония по карбониль­ ному кислородному атому за счет достаточно прочной водородной связи. При очень сильном увеличении кислотности среды такой ассоциат превращается в катион карбоновой кислоты:

Основность карбоновых кислот [р!£а(ВН+) « - 6] сравнима с основностью кетонов, но значительно ниже основности спиртов или простых эфиров [р2Га(ВН+) « -2 ...-4 ]. В растворе 70 % сер­ ной кислоты будет протонировано около 50 % молекул карбо­ новой кислоты. Образование ассоциата с водородной связью и особенно катиона карбоновой кислоты приводит к значитель­ ному увеличению положительного заряда на карбонильном атоме углерода и повышает его электрофильную активность в реакциях нуклеофильного замещения группировки ОН карбо­ нильной группы.

19 .2.2. КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ К А К А Ц И Л И Р УЮ Щ И Е РЕАГЕНТЫ

При реакции ацилирования карбоновыми кислотами в их карбоксильной группе происходит нуклеофильное замещение

группы —ОН на другую нуклеофильную частицу (:Nu).

R— сч + (ю:,

Nu

нуклеофил ацилированный нуклеофил

473

Галогенацилирование. При взаимодействии карбоновых ки­ слот или их солей с галогенидами серы (SOCI2) или фосфора (РС15, POCI3, PCI3, РВгз), содержащими сильнополярные связи S—Тал или Р—Гал, образуются а ц и л га л оген и д ы , называемые также гал о-

ген а н ги д р и д а м и к а р б о н о в ы х к и с л о т , общей формулы R— с ^ ^ а л :

Для ацилгалогенидов характерна высокая электрофильность карбонильного углеродного атома, что вызвано сильными элек­ троноакцепторными свойствами связанного с ним атома галоге­ на. Ацилгалогениды - очень реакционноспособные вещества, неустойчивые к гидролизу, поэтому их хранят в герметичных емкостях, чтобы избежать контакта с парами воды. Ацилгало­ гениды являются сильными ацилирующими реагентами и ис­ пользуются в органическом синтезе для введения ацильной группы в молекулы органических соединений (карбоновые ки­ слоты, спирты, тиолы, амины, арены).

О-Ацилирование карбоновых кислот. При нагревании кар­ боновой кислоты с сильными водоотнимающими реагентами (Р20 5) происходит реакция ее самоацилирования, сопровождаю­ щаяся межмолекулярным отщеплением молекулы воды с обра­

зованием а н ги д р и д а к а р б о н о в о й к и с л о т ы :

474

Карбоновые кислоты или их соли легко ацилируются ацилгалогенидами, так как карбонильный углеродный атом послед­ них более электрофилен, чем в карбоновых кислотах:

О

Ангидриды карбоновых кислот как ацилирующие реагенты сла­ бее ацилгалогенидов, но сильнее карбоновых кислот.

О-Ацилирование спиртов. Карбоновые кислоты при кислот­ ном катализе ацилируют спирты, образуя сложные эфиры (ре­ акция этерификации, разд. 17.2):

Для смещения равновесия вправо необходимо удалять из реакционной смеси воду или связывать ее, используя, напри­ мер, H2S04 (конц). В организме реакция ацилирования спиртов карбоновыми кислотами осуществляется с помощью соответст­ вующего фермента, который не только активирует реагенты, но и способствует удалению воды из реакционного центра в ре­ зультате гидрофобных взаимодействий.

S-Ацилирование тиолов. В метаболизме карбоновых кислот большую роль играет их способность при участии АТФ ацилировать кофермент А*, который содержит тиольную группу (—SH), с образованием сложных тиоэфиров, называемых ацилкофермен­ тами А (ацил-КоА или RCOSKoA):

В качестве карбоновой кислоты чаще всего выступает уксусная кислота, которая образует ацетилкофермент А (ацетил-КоА или CH3COSK0A):

* Кофермент А - сложное соединение, содержащее остаток 2-амино- этантиола HSCH2CH2NHR, где R включает пантотеновую кислоту и фосфат­ ное производное аденозина. Кофермент А кратко записывается HSKoA.

475

Образование ацилкоферментов А в организме способствует активации карбоновых кислот не только в реакциях ацилиро­ вания, но и в реакциях их конденсации и декарбоксилирования, сопровождаемых окислительно-восстановительной дисмутацией (разд. 19.2.4; 19.3.3; 19.4).

В организме S-ацилирование протекает не только с коферментами А, но и с белками, имеющими фрагмент, аналогичный по структуре фрагменту кофермента А, и также содержащими остатки 2-аминоэтантиола и пантотеновой кислоты. Поскольку после ацилирования такие белки способны переносить ацильные группы, то их называют ацилпереносящими белками и обозна­ чают исходную форму HSAIIB, а ацильную форму RCOSAnB:

ацилпереносящий

белок

Ацилпереносящие белки осуществляют перенос различных ацильных групп, но особенно эффективно они переносят аце­ тильную группу.

N-Ацилирование аминов. Карбоновые кислоты, реагируя с аминами - первичными (R'NH2) или вторичными (R2NH), - об­ разуют вначале аммониевые соли, которые при нагревании вы­ ше температуры их плавления внутримолекулярно отщепляют воду, превращаясь в амиды карбоновых кислот:

Ацилирование аминов сложными эфирами, ангидридами или галогенангидридами карбоновых кислот происходит в одну стадию:

476

Эффективнее и легче всего ацилирование аминов происходит с помощью галогенангидридов кислот. Третичные амины NR3 не образуют амидов.

Рассмотренные реакции ацилирования карбоновыми кисло­ тами и их производными, в которых они выступают электро­ филами, являются типичными электрофильно-нуклеофильными реакциями, так как они не сопровождаются ни кислотно-основ­ ными, ни окислительно-восстановительными, ни комплексооб­ разующими превращениями.

С-Ацилирование. Реакции С-ацилирования карбоновыми ки­ слотами и их производными всегда сопровождаются окислитель­ но-восстановительной дисмутацией углеродных атомов участни­ ков реакции, и поэтому они будут рассмотрены в разд. 19.2.4.

В организме реакции ацилирования чаще всего протекают со спиртами, тиолами, аминами, а также с карбонилсодержащими соединениями. В качестве ацилирующих реагентов в живых системах особенно активны тиоэфиры кофермента А и ацилпереносящие белки, а в органическом синтезе - галогенангидриды и ангидриды карбоновых кислот.

19.2.3. ПРОИЗВОДНЫ Е КАРБОНОВЫ Х КИСЛОТ, ИХ СВОЙСТВА И ВЗАИМ НЫ Е ПРЕВРАЩ ЕНИЯ

Среди производных карбоновых кислот в организме чаще всего встречаются их сложные эфиры (ацилпроизводные спир­ тов), тиоэфиры (ацилпроизводные тиолов) и амиды (ацилпроиз­ водные аммиака или аминов).

Сложные эфиры и тиоэфиры. Эфиры имеют общую форму­

лу R— C^ 0R' ’ а тиоэФиРы R— C^gR,, где R и R' - углеводород­

ные радикалы. Названия сложных эфиров строятся из названий исходных кислоты и спирта. По систематической номенклатуре общее название сложных эфиров - алкилалканоаты.

Сложные эфиры широко распространены в живой природе. Многие из них входят в состав цветов, ягод и фруктов, опреде­ ляя их аромат (табл. 19.2), и используются в пищевой и пар­ фюмерной промышленности. Тиоэфиры также отличает резкий запах, но очень неприятный, который обнаруживается уже в ничтожных концентрациях.

Сложные эфиры, подобно карбоновым кислотам, образуют ассоциат с ионом гидроксония, который в очень кислой среде

477