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

(> 50 % H2SO4) превращается в катион эфира (р^ви = “ 5 ч- -7 ):

В результате этих процессов происходит активация электрофиль­ ного центра на углеродном атоме карбонильной группы сложного эфира, по которому протекают реакции нуклеофильного замеще­ ния: гидролиз и ацилирование.

Г и д р о л и з с л о ж н ы х э ф и р о в . Реакция расщепления сложных эфиров на кислоту и спирт при действии воды происхо­ дит и в кислой, и в щелочной среде. Однако в присутствии щелочи реакция гидролиза (омыления) необратима, так как получается соль карбоновой кислоты, содержащая устойчивый ацилат-анион:

н+

Реакция гидролиза сложных эфиров обратна реакции этерифи­ кации.

В отличие от обычных сложных эфиров, карбонильный атом уг­ лерода в тиоэфирах несет больший положительный заряд, что де­ лает их более реакционноспособными. Вследствие этого связь С—S в ацилкоферменте А - макроэргическая. При гидролизе ацетилкофермента А выделяется даже несколько большая энергия, чем при гидролизе АТФ (AG°= -32,9 и -30,5 кДж/моль соответственно):

478

Это обстоятельство способствует активности ацилкоферментов А в реакциях, протекающих в организме с их участием.

А ц и л и р о в а н и е с п и р т о в с л о ж н ы м и э ф и р а м и . Сложные эфиры взаимодействуют со спиртами с образованием нового сложного эфира. Эта реакция называется переэтерификациейу а в биохимии ее называют реакцией трансацилирова­ ния. Реакция трансацилирования обычно катализируется ки­ слотами, и в этих случаях она обратима:

В организме реакция трансацилирования (переэтерификации) катализируется ферментами трансферазами, которые спо­ собствуют переносу ацилов от сложных эфиров на спирты, ами­ ны и другие субстраты. Источником ацилов обычно являются ацилкоферменты А, т. е. тиоэфиры карбоновых кислот. Одним из примеров реакции трансацилирования является синтез ацетилхолина с помощью ацетилкофермента А:

А ц и л и р о в а н и е а м и н о в с л о ж н ы м и э ф и р а м и . Сложные эфиры взаимодействуют с аммиаком или аминами (ре­ акция аминолиза) с образованием амидов соответствующих карбо­ новых кислот:

Кроме реакций нуклеофильного замещения (гидролиза и ацилирования) молекулы сложных эфиров вступают в реакции конденсации друг с другом с образованием связи С—С. В образо­ вании новой связи участвуют углеродный атом карбонильной группы одной молекулы эфира и а-углеродный атом другой мо­ лекулы эфира. Эта реакция конденсации (С-ацилирования) со­ провождается окислительно-восстановительными превращения­ ми, и поэтому она будет рассмотрена в разд. 19.2.4, 19.3.3, 19.4.

>0

Амиды R— С- "NR2 В молекулах амидов имеет место сопряже­ ние неподеленной электронной пары атома азота с л-системой

479

двойной связи С = 0 (р, ^-сопряжение). В результате связь О —N

вамидах становится короче, чем в аминах, а длина связи С = 0 такая же, как в карбоновых кислотах, где имеет место анало­ гичное р, л-сопряжение (разд. 19.2.1). Благодаря сопряжению атомы амидной группировки находятся в одной плоскости и вращение по амидной связи С—N в значительной степени за­ торможено, так как эта связь имеет частично характер двойной связи.

Основность амидов [р # а(ВН+) = 0 ч- -2 ] выше, чем сложных эфиров [pjRTa(BH+) = -5 -ь - 6 ]. В то же время их основность значи­ тельно меньше основности аминов [pjRTa(BH+) = 5 -г 10] ввиду иной гибридизации атомных орбиталей атома азота, способствующей сильному взаимодействию неподеленной электронной пары атома азота с двойной связью карбонильной группы (разд. 23.1). Если

вмолекуле амида имеется связь N—Н, то возможна его кислот­

ная ионизация. Амиды являются слабыми NH-кислотами (рКа = = 13 ч- 15), и их кислотность сравнима с кислотностью спиртов (разд. 17.2):

Р е а к ц и и н у к л е о ф и л ь н о г о з а м е щ е н и я . Амиды в присутствии щелочи или кислоты легко гидролизуются:

О

В кислой среде вследствие протонирования молекула амида активируется и может ацилировать спирты, образуя сложный эфир карбоновой кислоты и амин:

трофильные реагенты атакуют в амидах кислородный атом карбонильной группы. Так, при нагревании амидов с сильными электрофилами (Р2О5, POCI3) происходит внутримолекулярное отщепление молекулы воды с образованием нитрилов карбоно­ вых кислот:

480

Нитрилы R—C=N. Нитрилы являются очень слабыми N-oc- нованиями [plfa(BH+) » -1 0 ], поскольку их атом азота имеет sp-гибридизацию. Поэтому он более электроотрицателен и зна­ чительно сильнее удерживает свою неподеленную электронную пару, чем атом азота в других азотсодержащих соединениях (разд. 23.1).

Нитрилы легко подвергаются гидратации в кислой или ще­ лочной среде за счет нуклеофильного присоединения воды к сильнополярной тройной связи C=N с образованием амида со­ ответствующей кислоты:

Ацилирующего действия нитрилы не проявляют. Подобно другим производным карбоновых кислот нитрилы за счет а- водородного атома являются слабыми С—Н-кислотами, образую­ щими карбанион на a -углеродном атоме. Такой карбанион лег­ ко присоединяется к карбонильным соединениям по реакции типа альдольной конденсации.

Взаимные превращения производных карбоновых кислот. Рассмотренные производные карбоновых кислот склонны к взаимопревращениям за счет реакций нуклеофильного заме­ щения у карбонильного углеродного атома. Это отражено на рис. 19.1. На схеме указаны типовые реагенты, при помощи которых из карбоновой кислоты могут быть получены ее про­ изводные. Реагенты, отмеченные кружком, позволяют получить

+5V/0

R—Cv

ОН

%

| Возрастание реакционной способности в процессах гидролиза и ацилирования

+8П« +8Ш< +81< +8IV < +8V< +8VI < +6vn

Рис. 19.1. Схема получения производных карбоновых кислот и их превращений

481

l h - 3 4 5 3

соответствующие им ацилпроизводные из любых других, рас­ положенных на схеме правее. Наиболее реакционноспособны галогенангидриды карбоновых кислот (ацилгалогениды), кото­ рые можно превратить в ангидриды, сложные эфиры или ами­ ды обработкой их или солью кислоты, или спиртом, или ам­ миаком соответственно. Ангидриды кислот легко превращаются в сложные эфиры или амиды. В организме галогенангидриды или ангидриды карбоновых кислот не встречаются. Ацилкоферменты А по ацилирующей способности близки к ангидри­ дам кислот. В организме они легко превращаются в сложные эфиры или амиды. Сложные эфиры действием аммиака или амина превращаются в амиды.

19.2.4. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА КАРБОНОВЫ Х КИСЛОТ И ИХ ПРОИЗВОДНЫ Х

Карбоновые кислоты могут быть окислителями за счет про­ тона карбоксильной группы. За счет углеродных атомов в по­ ложениях а и Р, а также карбонильной группы карбоновые ки­ слоты и особенно их производные могут проявлять и окисли­ тельные, и восстановительные свойства в зависимости от свойств реагента и условий реакции.

Протон кислоты — окислитель. Карбоновые кислоты за счет протона карбоксильной группы окисляют металлы, стоящие в

Окислительно-восстановительные свойства углеродного ато­ ма карбоксильной группы (реакция декарбоксилирования). В от­ личие от других карбоновых кислот, атом углерода карбоксиль­ ной группы муравьиной кислоты НСООН имеет степень окисления + 2 , так как эта кислота содержит не ацильную, а альдегидную

реакция серебряного зеркала, т. е. восстановление катионов се­ ребра до чистого серебра. В этой реакции углеродный атом кар­ боксильной группы выступает восстановителем. При этом сама муравьиная кислота превращается в С02 и Н20, т. е. происхо­ дит ее декарбоксилирование:

НСООН + Ag20 —► 2Ag + С02 + Н20

При нагревании до 300 °С солей кальция и бария насыщен­ ных карбоновых кислот они подвергаются декарбоксилированию с одновременным внутримолекулярным ацилированием возникающего карбаниона с образованием кетона:

4 8 2

,0 j /

О

В этом случае происходит окислительно-восстановительная дисмутация за счет углеродных атомов карбонильных групп, один

В этой реакции также наблюдается внутримолекулярная окис­ лительно-восстановительная дисмутация за счет карбонильного атома углерода и а-углеродного атома.

Рассмотренные примеры показывают, что в реакциях декарбоксилирования углеродные атомы карбоксильной группы могут быть и восстановителями, и окислителями. Эти реакции могут иметь гомолитический (свободнорадикальный) или гетеролитический (электрофильно-нуклеофильный) механизм. Сво­ боднорадикальный механизм более вероятен для высокотемпе­ ратурных реакций, а электрофильно-нуклеофильный - для ка­ талитических и ферментативных реакций.

Окисление а-углеродного атома и реакции конденсации с его участием. Электроноакцепторный эффект карбоксильной группы повышает подвижность водородных атомов, связанных с а-углеродным атомом, и склонность этого углеродного атома к окислительно-восстановительным превращениям. В результате при галогенировании карбоновых кислот атомы галогена вво­ дятся в a -положение. Так, при хлорировании уксусной кислоты хлором последовательно замещаются все три водородных атома а-метильной группы, при этом а-углеродный атом проявляет восстановительные свойства:

Реакция хлорирования уксусной кислоты протекает по свобод­ норадикальному механизму.

4 8 3

1 6 *

Рассмотрим реакции конденсации с участием а-углеродного атома. В сильноосновной среде (спиртовый раствор алкоголята натрия) а-водородный атом одной молекулы сложного эфира карбоновой кислоты, например этилацетата, отщепляется в ви­ де протона и на а-углеродном атоме возникает карбанион. Этот активный С-нуклеофил атакует углеродный атом карбонильной группы (электрофильный центр) другой молекулы эфира с воз­ никновением новой С—С-связи. При этом образуется эфир р-ке- токарбоновой кислоты, например этилацетоацетилоат в слу­ чае конденсации этилацетата:

Подобная реакция называется сложноэфирной конденсацией или конденсацией Кляйзена. Ее обычно рассматривают как нуклео­ фильное замещение у карбонильного атома углерода, т. е. как реакцию С-ацилирования. Однако важен и тот факт, что в этой реакции происходит межмолекулярная окислительно-восстано­ вительная дисмутация, в которой окислителем (электрофилом) яв­ ляется карбонильный углеродный атом одной молекулы, а восста­ новителем (нуклеофилом) - а-углеродный атом другой молекулы.

В организме, несмотря на водную среду, подобная конденса­ ция чрезвычайно распространена в метаболизме карбоновых ки­ слот, но она происходит с тиоэфирами-ацилкоферментами А при участии соответствующих ферментов. Так, при конденсации двух молекул ацетилкофермента А образуется ацетоацетилкофермент А:

ацетоацетилкофермент А

Окислительно-восстановительные реакции, сопровождаемые образованием или разрывом связей С—С, лежат в основе мета­ болизма карбоновых кислот в организме (разд. 19.4).

19.3. ОСОБЕННОСТИ СВОЙСТВ ЗАМЕЩЕННЫХ КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ И ИХ ПРОИЗВОДНЫХ

Многие карбоновые кислоты-метаболиты имеют дополнитель­ ные функциональные группы, определяющие особенности свойств замещенных карбоновых кислот и их производных.

19.3.1.ДИКАРБОНОВЫ Е КИСЛОТЫ

Вживом мире среди насыщенных дикарбоновых кислот наи­ большее значение имеют кислоты, формулы, названия и значе­ ния рКа которых приведены в табл. 19.3.

4 8 4

Все дикарбоновые кислоты - кристаллические вещества, причем кислоты с четным числом углеродных атомов плавятся при более высокой температуре, чем соседние гомологи с нечет­ ным числом углеродных атомов.

Дикарбоновые кислоты диссоциируют последовательно, так как отрыв протона от молекулы кислоты всегда происходит легче, чем от ее аниона:

Кислотные свойства этих кислот, особенно первых предста­ вителей, значительно выше, чем монокарбоновых кислот. Это объясняется электроноакцепторным влиянием второй карбок­ сильной группы, а в случае щавелевой кислоты еще и большей возможностью делокализации отрицательного заряда в ее анио­ нах. Наиболее сильной кислотой является щавелевая, а ки­ слотность глутаровой кислоты мало отличается от кислотности уксусной (рКа = 4,76), что связано с уменьшением взаимного индуктивного влияния карбоксильных групп при их отдалении друг от друга.

Дикарбоновые кислоты способны образовывать два вида функ­ циональных производных: неполные, т. е. по одной карбок­ сильной группе, и полные - по обеим карбоксильным группам:

НООС— COONa N aO O C -C O O N a НООССН2СООС2Н 5 С2Н 5ООССН2СООС2Н 5

Кальциевые соли щавелевой кислоты малорастворимы, и по­ этому они являются причиной образования оксалатных камней в почках и мочевом пузыре (разд. 11.4).

Специфические свойства дикарбоновых кислот, обусловлен­ ные наличием в молекуле двух карбоксильных групп, прояв­ ляются прежде всего в их склонности к реакциям окислитель­ но-восстановительной дисмутации и реакциям дегидратации. Так, щавелевая и малоновая кислоты при нагревании легко де-

4 8 5

карбоксилируются с образованием монокарбоновой кислоты с укороченной углеродной цепью:

Легкость протекания реакции декарбоксилирования у ди- и осо­ бенно трикарбоновых кислот используется во многих биохими­ ческих процессах (разд. 19.4.1 и 19.4.3).

Дикарбоновая кислота с достаточно длинной цепью может изогнуться в виде клешни, при этом карбоксильные группы окажутся близко расположены, что характерно уже для янтар­ ной и глутаровой кислот. Поэтому при нагревании этих кислот происходит реакция внутримолекулярного ацилирования, со­ провождаемая дегидратацией, с образованием устойчивых пяти- и шестичленных циклических ангидридов:

Характерной особенностью малоновой кислоты и особенно ее эфиров является то, что ее а-метиленовая группа, активиро­ ванная двумя соседними карбонильными группами, легко всту­ пает в качестве нуклеофила-восстановителя в реакции конден­ сации (С-ацилирования):

Эта реакция используется в организме при биосинтезе жирных кислот (разд. 19.4.1).

Янтарная кислота содержит две активированные метилено­ вые группы, и поэтому в организме она легко дегидрируется окисленной формой кофермента ФАД сукцинатдегидрогеназы:

4 8 6

Реакция протекает стереоспецифично с отщеплением водород­ ных атомов в транс-положении с образованием фумаровой ки­ слоты. Эта реакция является одной из стадий цикла Кребса (разд. 19.4.3).

Дикарбоновые кислоты являются бидентатными лигандами и легко образуют прочные хелатные комплексы:

2НООС— СООН + CuCl2 + 4NaOH

19.3.2. ГИДРОКСИКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ

Гидроксикарбоновыми кислотами называют соединения, мо­ лекулы которых содержат и спиртовые, и карбоксильные груп­ пы. Число карбоксильных групп определяет основность гидроксикарбоновых кислот, а суммарное число групп ОН (как спир­ товых, так и карбоксильных) - их атомность. Гидроксикислоты, являющиеся метаболитами, имеют тривиальные названия, а их соли - тривиальные латинские названия (табл. 19.4).

РК™ = 6,4

он

П р и м е ч а н и е . Звездочкой отмечены хиральные центры, т. е. асимметрические углеродные атомы.

487