Полифункциональные производные органических соединений. Учебное пособие

OS

Врезультате внутримолекулярных процессов перерас- пределения электронной плотности образуется ацетальдегид

ирегенерируется фермент.

Образование этанола с участием фермента алкогольде- гидрогеназы описывается схемой:

HHAД Н2 НАД

Строение и механизм действия кофермента НАД были рассмотрены в разделе «Общие представления о строении, роли ферментов и механизме их действия».

Ацетоуксусная кислота – это очень важное соедине- ние, сыгравшее большую роль в развитии теоретической ор- ганической химии. На примере этилового эфира ацетоуксус- ной кислоты (ацетоуксусный эфир) были выяснены основные закономерности кето-енольной таутомерии – явления доста- точно широко распространенного в органической химии. Кроме того, ацетоуксусная кислота принимает участие в ме- таболизме многих позвоночных, в печени которых содержат- ся ферментативные системы, приводящие к образованию сво- бодной ацетоуксусной кислоты.

Получение и строение ацетоуксусного эфира. Аце-

тоуксусный эфир получают из этилацетата по реакции, из-

41

вестной под названием конденсация Кляйзена:

На первой стадии образуется карбанион за счет атаки нуклеофильного этилат-аниона и происходит отщепление молекулы спирта. Образовавшийся карбанион атакует вторую молекулу этилацетата, при этом отщепляется (регенерирует- ся) этилат -анион и образуется ацетоуксусный эфир.

Механизм реакции изучен:

Кето-енольная таутомерия ацетоуксусного эфира.

Ацетоуксусный эфир представляет собой смесь двух веществ- кето-форма ацетоуксусного эфира и енольная форма ацетоук- сусного эфира:

O

Между этими формами существует равновесие, сильно сдвинутое в сторону кето-формы.

Структурные изомеры, существующие в равновесии и

42

способные самопроизвольно переходить друг в друга, назы-

ваются таутомерами, а явление перехода - динамической

изомерией или таутомерией.

Относительная стабильность енольной формы объяс- няется двумя факторами: во-первых, енол стабилизируется за счет сопряжения двойной углерод-углеродной связи с карбо- нильной группой; во-вторых, енольная форма приобретает относительную устойчивость за счет наличия внутримолеку- лярной водородной связи:

Ацетоуксусный эфир обладает свойствами соединений двух классов. Как кетон он реагирует с гидроксиламином, си- нильной кислотой.

Благодаря наличию енольной формы ацетоуксусный эфир мгновенно присоединяет бром по двойной связи, реаги- рует с металлическим натрием.

43

натрийацетоуксусный эфир

Строение и двойственная реакционная способность натрийацетоуксусного эфира. Натрийацетоуксусный эфир имеет ионное строение и состоит из мезомерного аниона и катиона Na:

O _

CH3 CCH COOC2H5 Na+

Отрицательный заряд делокализован, результатом чего является наличие двух нуклеофильных реакционных центров в анионе:

Наличие двух нуклеофильных реакционных центров приводит к тому, что натрийацетоуксусный эфир обладает двойственной реакционной способностью по отношению к

электрофильным реагентам. Так, галоидные алкилы, напри-

мер +CH3→Br-, реагируют по атому углерода, образуя произ- водные кето-формы:

Галоидные ацилы взаимодействуют с мезомерным

44

анионом по другому нуклеофильному центру – атому кисло- рода с образованием производных енольной формы:

4.2. Гидроксикислоты

Гидроксикислоты относятся к гидроксикарбоксильным соединениям и имеют в своем составе две функциональные группы – гидроксильную (гидрокси-группа) и карбоксильную (кислотная функция). Для классификации гидроксикислот используют два важных понятия – атомность и основность. Атомность определяют по числу гидроксильных групп, включающих гидроксил карбоксильной группы, основность – по числу карбоксильных групп:

HO-R-COOH – одноосновная, двухатомная кислота; HOOC-R-CH(OH)-R-COOH – двухосновная, трехатом-

ная кислота и т.д.

Первые представители гомологического ряда одноос- новных, двухатомных гидроксикислот:

α-гидроксикислоты

45

β-гидроксикислоты

Химические свойства. Для них характерны реакции спиртов, карбоновых кислот (соли, амиды, нитрилы, ангид- риды, хлорангидриды, сложные эфиры) и специфические ре- акции, которые определяются взаимным влиянием гидро- ксильной и карбоксильной групп.

Поведение при нагревании (специфические реакции): 2-гидроксикислоты претерпевают межмолекулярную дегид- ратацию по схеме:

Образуется циклический сложный эфир – лактид.

В молекулах 3-гидроксикислот происходит внутримо- лекулярная дегидратация:

Для гидроксикислот с удаленными функциональными группами характерны реакции внутримолекулярной дегидра- тации:

При этом образуются внутренние сложные эфиры -

46

лактоны.

Способы получения:

- циангидриный для α-гидроксикислот:

H-NH3

-гидратация непредельных кислот для β-гидроксикислот:

- реакция Реформатского для β-гидроксикислот:

RCHO + Zn + BrCH2COOC2H5 RCH(OZnBr)CH2COOC2H5 2H2O

RCH(OH)CH2COOH + Zn(OH)Br +C2H5OH

- для любых кислот из галогензамещенных кислот:

Отдельные представители гидроксикислот

Молочная кислота широко распространена в живой природе. Впервые она была выделена из кислого молока из- вестным естествоиспытателем К. Шееле. Молочная кислота - важный промежуточный продукт обмена веществ у живот- ных, растений, микроорганизмов. Она образуется при броже- нии сахаристых веществ под влиянием различных бактерий молочнокислого брожения при скисании молока, квашении капусты, солении овощей, созревании сыра, силосовании кормов.

Особенности строения молочной кислоты заключают-

47

ся в том, что в этом соединении имеется асимметрический атом углерода, у которого все четыре заместителя имеют различное строение:

1COOH H 2 OH

3CH3

Обычно асимметрический атом углерода обозначают звездочкой. Наличие асимметрического атома углерода при- водит к тому, что существуют две различные конфигурации соединения, которые являются зеркальным отражением друг друга, и ни при каких условиях эти две геометрические фигу- ры не совмещаются. Подобные асимметрические молекулы получили название энантиомеры (от греческого enantio – противоположный), старое название антиподы. Используется также термин хиральное соединение (от греческого хиер – ру- ка), что означает “рукоподобные”. Действительно, они также несовместимы, как наши правая и левая рука. В качестве примера рассмотрим две конфигурации молочной кислоты

(рис.2):

Рис. 2. Тетраэдрические модели молочной кислоты

Эти два зеркальных изомера молочной кислоты явля- ются энантиомерами. Для удобства изображения обычно ис- пользуют проекционные формулы Фишера (т.е. проекции тетраэдрических формул на плоскость):

48

Если при построении проекционных формул гидро- ксил оказывается справа, то такую молекулу называют D- молочной кислотой (I); если же гидроксил стоит слева, то это L- молочная кислота (II). L и D-формы молочной кислоты, как и следовало ожидать, абсолютно идентичны по своим хи- мическим и физическим свойствам. Единственным отличием является отношение D и L-формы к плоскополяризованному лучу света. Это явление получило название оптической ак- тивности. Оптически активны те соединения, которые от- клоняют плоскость плоскополяризованного луча света либо вправо, либо влево. Энантиомер, отклоняющий плоскость плоскополяризованного луча света вправо, называется право- вращающим; а влево – левовращающим. Право- или лево- вращающими могут быть как D, так и L-изомеры (рис.3):

Рис. 3. Упрощенная схема, демонстрирующая явление

оптической активности

Для молочной кислоты известно, что D-форма являет- ся левовращающей, и ее обозначают знаком D(-), L-форма молочной кислоты является правовращающей –L(+). В жи- вотных тканях, главным образом, в мышцах, образуется L(+) молочная кислота. В результате действия бактерий молочно-

49

кислого брожения образуется равная смесь D(-) и L(+) форм молочной кислоты. Такая смесь является оптически неактив- ной вследствие взаимной компенсации оптической активно- сти этих двух форм. Оптически неактивная форма носит на- звание рацемической смеси и обозначается как DL(±) молоч- ная кислота.

Яблочная кислота широко распространена в природе и впервые выделена К. Шееле в 1785 году из незрелых яблок. Яблочная кислота содержит один асимметрический атом уг- лерода и существует в виде двух оптических изомеров. В рас- тениях яблочная кислота присутствует в свободном состоя- нии в L-форме:

COOH HO H

CH2COOH

L(-) tпл0=1000

Встречается яблочная кислота в плодах рябины, мали- ны и является промежуточным продуктом цикла ди-и три- карбоновых кислот (цикл Кребса).

Яблочная кислота относится к двухосновным трех- атомным кислотам.

Хлоряблочная кислота содержит два асимметриче- ских атома углерода. Количество оптических изомеров зави- сит от числа асимметрических атомов углерода и может быть подсчитано по формуле 2n = N, где n - число асимметриче- ских атомов углерода; N - количество оптических изомеров. Так, при n=1, (21=2) существуют два оптических изомера; для хиральной молекулы с двумя асимметрическими центрами n=2, (22=4) существуют четыре оптических изомера, как, на- пример, в случае хлоряблочной кислоты. Четыре оптических изомера, различаются расположением заместителей у двух асимметрических атомов углерода:

50