Слесарев. Основы Химии живого

Биологически активными спиртами являются многие мета­ болиты, относящ иеся к разным классам органических соедиБ|е- ний: ментол - класс терпенов; ксилит, сорбит, мезоинозит

многоатомные спирты; холестерин, эстрадиол - стероиды.

1 7 .5 . ПРОСТЫЕ ЭФ И РЫ

Продукты замещения водородного атома гидроксильной группы спиртов или фенолов на алкильный или арильный ра­ дикал называются простыми эфирами: R—-О—R'. Простые эфяры обычно называют, используя названия обоих заместителей У кислородного атома и добавляя слово эфир. Однако их можзко

также называть, прибавляя к названию старшего (наиболее длинного) углеводородного радикала в качестве префикса н звание алкоксигруппы (RO—):

Химические свойства. Простые эфиры не изменяются и нагревании с водой, щелочами и разбавленными кислотами, не реагируют со щелочными металлами. Только концентрирова i ная иодоводородная кислота HI при сильном нагревании рас­ щепляет эфиры:

140 °с

С2 Н5 ОС2 Нб + HI ----- ► С2 Нб1 + С2 Н5ОН

На первой стадии этой реакции происходит протонирован^ атома кислорода с образованием иона оксония:

Н

/

R— О— R + HI R — q+ Р^ВН" * “3,5

ион оксония

Таким образом, простые эфиры являются очень слабыми осн > ваниями.

При хранении, особенно на свету, простые эфиры, включ* диэтиловый эфир, медленно окисляются кислородом воздуха образованием гидропероксидов:

сн 3сн 2—о —сн 2сн 3 ° 2’ hv *- сн 3—сн—о —сн 2сн 3

ООН

Эти гидропероксиды сильно взрывчаты, поэтому эфир, пострявший на воздухе, следует использовать с большой осторожно­ стью. Кроме того, эфир очень легко воспламеняется, его пары с воздухом образуют взрывоопасную смесь. Это требует строго: ч> соблюдения правил техники безопасности при работе с эфиром

442

Диэтиловый эфир и другие эфиры благодаря своей химиче­ ской инертности служат прекрасными растворителями для мно­ гих полярных и неполярных органических соединений, что широко используется для экстракции эфиром этих веществ из различных биоматериалов. Это связано с наличием в молекулах эфиров атома кислорода, который, выступая акцептором, обра­ зует водородные связи с полярными группами растворяемого соединения. В медицине диэтиловый эфир применяют для об­ щего наркоза (разд. 11.4), однако он вызывает раздражение дыхательного тракта и взрывоопасен.

1 7 .6 . ТИОЛЫ И СУЛЬФИДЫ

Тиолы R—SH и сульфиды R—S—R являются серными анало­ гами спиртов и простых эфиров. Их можно рассматривать и как производные сероводорода, в которых водородные атомы заменены органическими радикалами.

Тиольная группа в тиолах содержит разные реакционные центры, и поэтому она может выступать и электрофилом, и нуклеофилом, а также склонна к образованию радикалов:

ф- нуклеофильный центр (атакуется электрофилом)

^- подвижный атом водорода (атакуется свободным радикалом)

Кислотно-основные свойства. Будучи производными серо­

водорода, тиолы проявляют слабые кислотные свойства, но ки­ слотность группы SH значительно больше (на 5-6 порядков), чем кислотность гидроксильной группы в спиртах:

Высокая кислотность тиолов и сероводорода по сравнению со спиртами и водой связана с большим радиусом атома серы, что благоприятствует большей поляризуемости этого реакцион­ ного центра. Это способствует увеличению стабильности серосо­ держащих анионов и силы серосодержащих кислот. Поэтому тиолы, в отличие от спиртов, реагируют со щелочами, а также оксидами, гидроксидами и солями тяжелых металлов с образо­ ванием тиолятов (тривиальное название меркаптиды):

C2 H5SH + NaOH —► C2 H5SNa + Н20

этантиолят

натрия

2C2 H5SH + HgO — (C2 H5)2SHg + Н20

этантиолят

ртути(И)

Тиоляты тяжелых металлов не растворяются в воде. В тиолятах катионы d-металлов связываются очень прочно, так как и

443

катион, и анион легкополяризуемы и связь между ними практи чески становится ковалентной.

Прочное связывание тиолами катионов "металлов жизни" прин ципиально важно, так как это приводит к образованию устойчи вых металлопротеинов, включая металлоферменты, являющиеся типичными комплексными соединениями (разд. 10.4). С друго! стороны, эта способность природных тиолов является причино! высокой токсичности катионов металлов-токсикантов: свинца кадмия, ртути, мышьяка. Поскольку катионы металлов-токси кантов являются более поляризуемыми ("мягкими"), чем катио ны "металлов жизни", то они вытесняют последние из природные металлопротеинов, образуя при этом соединения более прочны и лишенные необходимых биологических свойств.

Тиолы за счет неподеленной электронной пары атома серы мо гут присоединять протон, проявляя основные свойства, но это про исходит только в концентрированных сильных кислотах (c(H2S0 4) :

> 70 % ), что указывает на очень слабые основные свойства тиолов

R

Нуклеофильно-электрофильные реакции. Легкополяризуе

мый атом серы в молекулах тиолов и сульфидов проявляет яр ко выраженный нуклеофильный характер. Поэтому данные со единения, и особенно их тиолят-анионы, вступают в реакции органическими производными как активные нуклеофилы.

Эте ри фи кац ия и пе реэ те рификация . Тиолы легк< ацилируются карбоновыми кислотами с образованием сложны: тиоэфиров (реакция этерификации):

Сложные тиоэфиры из-за наличия легкополяризуемого нук леофильного центра, содержащего атом серы, легко гидролизу ются и взаимодействуют со спиртами, т. е. вступают в реакцш нуклеофильного замещения:

Реакция сложных тиоэфиров со спиртами относится к ре акциям переэтерификации.

444

Способность тиолов и слож яых тиоэфиров легко вступать в реакции этерификации и пере;этерификации используется в оргаыизме для переноса ацильнык групп с помощью кофермента

А, содержащего тиольную труп iу (KoA-SH):

в;ционноспособные сложные тиоэфиры (ацилкофермент А).

Чаще всего кофермент А актив; ►ует уксусную кислоту, п р е в р а - щая <>е в ацетилкофермент А (CH3C(0)SKoA), который в о р г а -

низме служит переносчиком ац<;<стильной группы на нуклеофильные с^бстраты: алканолы, амин:|ыи другие (разд. 19.2.2).

А лк илирование . Тиолят анионы, являясь активными нукл<с|офилами, легко вступают в реакцию алкилирования с а л - К И Л Г1алогенидами, образуя сульф:»иды:

R-SNa + R'—X R—S—R' + NaX

Сульф]иды, за счет неподеленно ft электронной пары атома серы, выст; ают нуклеофилами и рё;агируют с активными электрофилаМи, например CH3I, образуя сульфониевые соли:

/СНз]

R'

В сул|ьфониевых солях реакцио:ярный центр на положительно заряженном атоме серы являете*: электрофильным и вследствие высокой поляризуемости связи С—S легко алкилирует нуклеофилы^ например амины:

РН3

R'

В организме подобная реакция совершается с участием ами­ нокислоты метионина, содержащей сульфидную группировку

СН3—&—R, которая при взаимодействии с аденозином (А) обра-

+

зует сульфониевую соль - S-аденозилметионин [CH3S(R)A]. Эта

445

сульфониевая соль в организме метилирует природные азотистые нуклеофилы: коламин, норадреналин, никотинамид. Например,

метилирование коламина приводит к получению холина:

3[CH3S(R)A] + HOCH2CH2NH2 —► HOCH2CH2N(CH3)3 + 3R-4S-A + 2W

коламин холин

Сильным алкилирующим реагентом является боевое отрав­ ляющее вещество сернистый иприт S(CH2CH2C1)2, который ак­

тивно алкилирует многие метаболиты организма по их электрофильным центрам. Для дегазации иприта используется или щелочной гидролиз, или окисление хлорной известью либо хлораминами до сульфоксидов или сульфонов:

Окислительно-восстановительные реакции. Тиолы и суль­ фиды содержат атом серы в наименьшей степени окисления - 2 ,

как и в сероводороде, проявляя поэтому сильные восстанови­ тельные свойства.

Тио л- дисуль фид но е равновесие. Окисление тиолов слабыми окислителями приводит к образованию дисульфидов (R—Er-S—R), при этом степень окисления серы повышается с -2 до - 1 и одновременно высвобождаются два протона, причем ре­

акция обратима, так как абсолютная величина ее восстанови­ тельного потенциала не превышает 0,3 В:

Превращение тиолов в дисульфиды, вероятно, протекает че­ рез промежуточные тиокси-радикалы (RS*), которые вследствие

высокой поляризуемости ("мягкости") реагируют преимуществен­ но между собой с образованием дисульфидов:

Тиол-дисульфидная система составляет сопряженную окис- лительно-восстановительную пару, в которой под действием слабых окислителей или слабых восстановителей происходят взаимные превращения. Этот процесс используется для поддер­ жания окислительно-восстановительного гомеостаза в организме и в работе антиоксидантной буферной системы (разд. 9.3.9 и

12.2.6).

При излишнем накоплении в организме окислителей, на­ пример за счет свободнорадикального окисления, их действие прежде всего направляется на белки, содержащие аминокисло-

446

ту цистеин (Cys—SH), которая, окисляясь, превращается в цистин (Cys—S—£ г—Cys):

SH

Cys''

ЦИСТ шновые фрагменты

В результате цистеиновые фрагменты белка сшиваются ковалентными ди зульфидными мостиками, что приводит к фиксации новой ко нформации (пространственной структуры) белка и к нарушению его биологических функций.

Тиолсоде] гжащие компоненты антиоксидантной буферной

системы, npi нимая на себя действие окислителя, защищают белки со своб >дными тиольными группами от окисления. С этой целью в орга шзме используются тиол-дисульфидные сопряженные окислите кьно-восстановительные пары на основе трипептида глютпатио яа (Gr—SH) и дигидролипоевой кислоты (разд. 9.3.9 и 1 2 .2 .6 ):

Фо = -0,29 В

Для увеличения буферной емкости антиоксидантной системы организма петользуются препараты, содержащие более одной тиольной групп] j: дитиоглицерин HSCH2CH(SH)CH2OH (БАЛ), уни тиол HSCH2CH(SH)CH2S03H, сукцимер (-CH(SH)COOH)2. Эти же

препараты яб ляются антидотами катионов металлов-токсикан- тов, а также отравляющего вещества люизит ClCH=CHAsCl2 (разд. 9.3.9, 10 .5, 12.2.6).

При ради >активном облучении в организме резко увеличивается конце* трация свободных радикалов - активных форм кислорода, обрагующихся из воды (разд. 9.3.9, 12.2.5). Это, естественно, вы зье;вает нарушение окислительно-восстановительного гомеостаза ю етки и организма в целом. Для предотвращения тяжелых пос. гедствий используют радиопротекторы (вещества,

447

R '^ ^ O R "

RCH2.

Глава 18

АЛЬДЕГИДЫ, КЕТОНЫ И ИХ ПРОИЗВОДНЫЕ

После изучения этой главы выдолжны знать:

-строение, классификацию, изомерию и номенклатуру альде­ гидов и кетонов;

-кислотно-основные, электрофильно-нуклеофильные, окисли­ тельно-восстановительные и комплексообразующие свойства аль­

дегидов и кетонов; - прототропные таутомерные равновесия: кето-енольное и имин-

иминное, а также кольчато-цепную таутомерию.

карбонилом. В альдегидах карбонильная группа находится на

конце углеродной цепи и с ней связаны алкильный или ариль­ ный заместитель и водородный атом. Общая формула альдеги-

дов R— сС . В кетонах карбонильная группа находится в сере-

н

дине углеродной цепи и с ней связаны два алкильных или

Для альдегидов и кетонов широко используются как триви­ альные, так и систематические названия. Тривиальные названия альдегидов производятся от названий соответствующих карбоно­ вых кислот с добавлением слова альдегид. По систематической

номенклатуре ИЮПАК название альдегидов состоит из назва­ ния главной углеводородной цепи с суффиксом -аль.

H

Если альдегидная группа не входит в главную цепь из-за наличия в молекуле старших групп, то она обозначается пре­ фиксом формил- и цифрой, указывающей ее местоположение:

6н3-6н-£н2—боон

к 0

Н

3-формилбутановая кислота

Тривиальные названия кетонов обычно представляют соче­ тание названий алкильных групп со словом 'кетой". По систе­ матической номенклатуре ИЮПАК название кетона состоит из названия главной углеродной цепи с суффиксом -он и цифры, указывающей номер углеродного атома карбонильной группы, помещаемой перед суффиксом -он:

450