Слесарев. Основы Химии живого

Нитрилы R—C=N. Нитрилы являются очень слабыми N-oc- нованиями [рЛГа(ВН+) » -10], поскольку их атом азота имеет £/>-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:

nh 2

Ацилирующего действия нитрилы не проявляют. Подобно другим производным карбоновых кислот нитрилы за счет а- водородного атома являются слабыми С—Н-кислотами, образую­ щими кдрбанион на а-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

+blf°

R—Cv

ОН

| Возрастание реакционной способности в процессах гидролиза иацилирования ^

+8П« +8 Ш< +8 1 < +8IV< +8V< +8VI < +8 ™

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

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-ВОССТАНОВИТЩ ЛЬНЫ Е СВОЙСТВА КАРБОНОВЫХ КИ СЛО Т 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 ряду напряжений до водорода:

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

группу — Поэтому для муравьиной кислоты характерна

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 Н2 0, 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:

482

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-ацилкофермеытами 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

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

484

Таблица 19.3

Некоторые дикарбоновые кислоты, их названия и кислотные свойства

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:

НООС5—COONa NaCXXJ—COONa Н(ХХХЖ2СООС2Н5 C2H6QOCXH2OOOC2H5

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-

485

карбоксилируются с образованием монокарбоновой кислоты с укороченной углеродной цепью:

НООС—СН2—СООН —► СН3СООН + со 2

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 ацилиройания, со­ провождаемая дегидратацией, с образованием устойчивых пя1ги-

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 сукцинатдегидрогеназц:

486

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 + CuCl 2 + 4NaOH

0=с— О^ ^0— С=0

10.3.2. 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).

он

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

487

По взаимному расположению функциональных групп гидроксикислоты подразделяются на а-, Р-, у-кислоты и т. д:

Многие гидроксикислоты, например молочная, яблочная, винная, изолимонная, имеют в молекуле хиральные центры, вследствие чего для них характерна оптическая изомерия (разд. 15.2). Так, молочная кислота существует в трех формах: две оптически активные, т. е. энантиомеры (зеркальные изоме­ ры), а третья - оптическая неактивная, являющаяся рацемиче­ ской смесью энантиомеров. Молочная кислота, выделенная из мышечной ткани, называемая мясо-молочной кислотой, явля­ ется L-энантиомером. D-Молочная кислота образуется из саха­ ров при помощи особых бактерий-возбудителей брожения. Под действием молочнокислых бактерий в прокисшем молоке, при созревании сыров, при квашении овощей и в процессе силосо­ вания образующаяся молочная кислота является рацемической смесью обоих энантиомеров и не проявляет оптической актив­ ности:

----------- У----------

D,L-молочная кислота (D'L-рацемат)

у

виноградная кислота (D,L-рацемат)

Яблочная кислота подобно молочной также существует в трех формах: D-энантиомер, L-энантиомер и их D, L-рацемат.

Молекула винной кислоты содержит два одинаковых хиральных центра, между которыми может проходить плоскость симмет­ рии этой молекулы. Поэтому винная кислота в природе сущест­

488

вует в четырех формах: D-винная, L-винная, 0,Ь-рацемат, на­ зываемый виноградной кислотой, а также мезовинная кислота, являющаяся оптически неактивным стереоизомером вследствие внутримолекулярной .компенсации из-за симметричности ее структуры. Оптические изомеры гидроксикислот отличаются не только физическими свойствами, но и тем, что их биологические и физиологические функции различны. В организме обычно присутствует один стереоизомер гидроксикислоты.

Среди специфических свойств гидроксикислот прежде всего следует отметить их склонность к реакции дегидратации при на­ гревании. При этом дегидратация для а-, Р- и у-гидроксикислот происходит различно.

а-Гидроксикислоты дегидратируются межмолекулярно, при этом спиртовые группы взаимодействующих молекул взаимно ацилируются карбоксильными группами этих кислот с образо­ ванием устойчивых циклических сложных эфиров, называемых лактидами (от латинского названия молочной кислоты):

лактид

В этой электрофильно-нуклеофильной реакции каждая молеку­ ла за счет спиртовой группы выступает нуклеофилом, а за счет карбоксильной группы - электрофилом. Лактиды, как и слож­ ные эфиры, при кипячении с водой в присутствии кислот или щелочей гидролизуются с образованием исходных кислот.

р-Гидроксикислоты при нагревании дегидратируются внутримолекулярно за счет протона а-метиленовой группы, имею­ щего повышенную подвижность, образуя а,(3-непредельные ки­ слоты:

о-2

СООН -*-► R—с н = с н — СООН + н 20

“ 7 Г - ? Г

|ок-ль| ОН Н |в-ль|

Эта реакция сопровождается внутримолекулярной окислитель­ но-восстановительной дисмутацией за счет углеродных атомов. Подобные реакции дегидратации протекают в организме при участии дегидратаз. Они имеют место при Р-окислении жирных кислот (разд. 19.4.2) и дегидратации лимонной кислоты в цик­ ле Кребса (разд. 19.4.3).

у- и 8 -Гидроксикислоты, вследствие пространственной бли­ зости —ОН и СООН-групп, очень неустойчивы и легко отщеп­ ляют молекулу воды вследствие внутримолекулярного ацилирования спиртовой группы с образованием устойчивых пяти- и

489

шестичленных циклических внутренних сложных эфиров -

лактонов:

кислота

Наличие в гидроксикислотах двух или более электроотрица­ тельных групп способствует реакциям окислительно-восстанови­ тельной дисмутации, так как в их молекулах увеличивается чис­ ло углеродных атомов, имеющих промежуточные степени окисле­ ния. Внутримолекулярная окислительно-восстановительная дисмутация а-гидроксикислот происходит при их нагревании в при­ сутствии H2 S04 и сопровождается разрывом связи О—С. При этом образуются муравьиная кислота и соответствующее карбо­ нильное производное - альдегид или кетон:

кислота

Лимонная кислота в этих условиях, наряду с муравьиной кислотой, образует ацетондикарбоновую кислоту, которая в ре­ зультате внутримолекулярной окислительно-восстановительной дисмутации легко декарбоксилируется с образованием ацетона:

СНз

Приведенные реакции еще раз демонстрируют, что углерод­ ный атом карбоксильной группы может быть и окислителем (первая реакция), и восстановителем (вторая реакция).

490