Слесарев. Основы Химии живого

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.

1 9 .2 . ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙ СТВА ПРЕДЕЛЬНЫ Х КИСЛОТ И ИХ ПРОИЗВОДНЫ Х

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 0-—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 5+ 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:

ИЛ&и-,

а8+ - электрофильный центр (атакуется нуклеофилом)

JL5+| у тН

^^ fzfy -подвижный атом водорода (атакуется свободным радикалом)

Вотличие 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 электрофильным центрам, часто сопровождаемые кислотно-основными

иокислительно-восстановительными превращениями.

Атом водорода, связанный с а-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 С02 или СО соответственно).

471

Таким образом, карбоновые кислоты и их производные мо­ гут взаимодействовать с нуклеофилами, электрофилами или с радикальными частицами в зависимости от свойств реагентов и условий проведения реакции.

19.2.1. КИСЛОТНО-ОСНОВНЫ Е 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:

<?о

чр н

Вкарбоксилат-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 (+1-эффект) ослабляют кислотные свойства, потому что уменьшают частич­ ный положительный заряд на углеродном атоме карбоксильной группы (ср. рКа НСООН и СН3СООН). Электроноакцепторные заместители ( - 1-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:

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 [рИГа(ВН+) » - 6 ] сравнима с основностью кетонов, но значительно ниже основности спиртов или простых эфиров [pJSra(BH+) * -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 КАК АЦИЛИРУЮЩИЕ РЕАГЕНТЫ

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

группы —ОН на другую нуклеофильную частицу

, 0 , 0

473

Ацилирование - это реакция нуклеофильного замеще­ ния по карбонильному углеродному атому в карбоновых кислотах или их производных, сопровождающаяся обра­

зованием связи между их ацильным остатком R—С^°

и новым нуклеофилом, содержащим атомы: галогенов (галогенацилирование), кислорода (О-ацилирование), серы (S-ацилирование), азота (N-ацилирование) или углерода ( С-ацилирование).

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 ацилгалогениды, называемые также гало­

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 (Р2 О5 ) происходит реакция ее самоацилирования, сопровождаю­ щаяся межмолекулярным отщеплением молекулы воды с обра­ зованием ангидрида карбоновой кислоты:

ОН

ангидрид карбоновой кислоты

474

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

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, H2 SO4 (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 ацилкоферментами А (ацил-КоА или RCOSKoA):

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

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 ацилирования, 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 RCOSAIIB:

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 (R2 NH), - 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 ацилперейосящие белки, а в органическом синтезе - галогенангидриды и ангидриды карбоновых кислот.

19.2.3. ПРОИЗВОДНЫЕ КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ, ИХ СВОЙСТВА И ВЗАИМНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ

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^qr,, 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

(> 50 % H2 SO4 ) превращается в катион эфира (pATgH = -5 -s- -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.

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:

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 (AG0 = -32,9 и -30,5 кДж/моль соответственно):

478

Это обстоятельство способствует активности ацилкоферментов А ц 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 . (|)ложные эфиры взаимодействуют со спиртами с образованием нового сложного эфира. Эта реакция называется переэтперифиуацией, 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 вшилкоферменты А, т. е. тиоэфиры карбоновых кислот. Одним из примеров реакции трансацилирования является синтез аце- т|илхолина 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 ловых 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.

Амиды R— NK2 . В молекулах амидов имеет место сопряжевие неподеленной электронной пары атома азота с л-системой

479

двойной связи С=0 (р, я-сопряжение). В результате связь С—N в амидах становится короче, чем в аминах, а длина связи С=0 такая же, как в карбоновых кислотах, где имеет место анало­ гичное р, ^-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 [pJTa(BH+) = 0 -5- -2] выше, чем сложных эфиров [рйГа(ВН+) = -5 -г - 6 ]. В то же время их основность значи­ тельно меньше основности аминов [рЛГа(ВН+) = 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

в13 + 15), и их кислотность сравнима с кислотностью спиртоц (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:

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

Реакции с э л е кт р о фи льными реагентами. Электрофильные реагенты атакуют в амидах кислородный атом карбонильной группы. Так, при нагревании амидов с сильными электрофилами (Р2 О5 , POCI3 ) происходит внутримолекулярное отщепление молекулы воды с образованием нитрилов карбоно­ вых кислот:

480