Полифункциональные производные органических соединений. Учебное пособие

Формы I и II, а также III и IV являются по отношению друг к другу энантиомерами (зеркальными изомерами или антиподами). Если количество асимметрических атомов уг- лерода два и больше, то принадлежность к D, L ряду опреде- ляется по расположению функциональной группы, стоящей у наиболее удаленного сверху (в проекционной формуле Фи- шера) асимметрического атома углерода. Равные смеси энан- тиомеров I и II, а так же III и IV образуют рацематы. Соеди- нения I и III, I и IV, II и III, II и IV также являются оптиче- скими изомерами, но не энантиомерами. Они называются диастереомеры и не являются зеркальным отражениями друг друга. Важно отметить, что в отличие от энантиомеров, диа- стереомеры обладают разными физическими и химическими свойствами, и их легко разделить, используя, например, фракционную перегонку или кристаллизацию.

Винная кислота (или диоксиянтарная кислота) – это двухосновная четырехатомная гидроксикислота, в молекуле которой имеется два асимметрических центра:

HOOC CH CH COOH

OH OH

Количество оптических изомеров равно четырем. Од- нако особенностью строения молекул винных кислот являет- ся наличие повышенной симметрии, которая обусловлена тем, что оба асимметрических атома углерода имеют четыре одинаковых заместителя: H, OH, COOH, -CH(OH)COOH:

51

виде оптически активные энантиомеры соли винной кислоты. Водные растворы солей обладали оптической активностью равной по величине и противоположной по знаку. Из солей были выделены D(+) и L(-) винные кислоты.

Винная кислота и ее соли (тартраты) находят приме- нение в медицине и пищевой промышленности.

Разделение рацематов на оптически активные компоненты. Вследствие полной идентичности физических и химических свойств энантиомеры нельзя разделить обыч- ными методами: фракционной перегонкой (так как темпера- туры кипения их одинаковы), фракционной кристаллизацией (так как растворимость их одинакова), хроматографией (так как они удерживаются с одинаковой силой на данном адсор- бенте). Поэтому выделение энантиомеров (расщепление) тре- бует специального подхода.

Впервые расщепление было осуществлено Луи Пасте- ром, и им были предложены три метода: механический, био- логический и химический.

Механический метод описан выше и заключается в механическом отборе кристаллов, являющихся зеркальными изомерами. Этот метод используется редко, т.к. рацемические модификации редко существуют в виде хорошо образован- ных смесей кристаллов, являющихся зеркальными отраже- ниями.

Биологический метод также не универсален. Дело в том, что в природе существуют микроорганизмы, способные питаться преимущественно одним из оптических изомеров (D или L). Поедая из рацемической смеси D- изомер, микроорга- низмы оставляют L- изомер не тронутым. Наблюдая измене- ние оптической активности DL(±) раствора можно выделить чистую L-форму.

Химический метод является наиболее универсальным. Принцип заключается в том, что рацемат (смесь энантиоме- ров) действием оптически активного реагента превращается в смесь диастереомеров, которую затем можно разделить, ис-

53

пользуя обычные химические и физические методы. Большая часть процессов расщепления основана на реакции органиче- ских оснований с органическими кислотами. При этом про- исходит образование диастереомерных солей.

Например, надо разделить рацемическую смесь мо- лочной кислоты СН3СН(ОН)СООН DL(±). В различных рас- тениях находятся сложные азотсодержащие основания, назы- ваемые алкалоиды (т.е. щелочеподобные), например, кокаин, морфин, стрихнин, хинин и др. В большинстве случаев в рас- тениях присутствует алкалоид только в виде одного из двух возможных энантиомеров, и, следовательно, они оптически активны.

Используем одно из оптически активных оснований, например, левовращающее (−)В, и обработаем им рацемиче- скую молочную кислоту. Кислота присутствует в виде двух энантиомеров, а основание - только в виде одного энантиоме- ра. Следовательно, они образуют кристаллы двух различных солей.

Пример разделения рацемической смеси молочной ки-

54

Образуются диастереомерные соли, обладающие раз- личными физическими и химическими свойствами. Диасте- реомерные соли I(=) и II(±) можно легко разделить обычны- ми методами, например, дробной кристаллизацией, т.к. они обладают различной растворимостью. Каждая из диастерео- мерных солей обрабатывают минеральной кислотой, напри- мер, соляной, и таким образом выделяются оптически чистые изомеры молочной кислоты.

I СН3СН(ОН)СООВ(±) + НХ→ L(+)СН3СН(ОН)СООН + ВХ II СН3СН(ОН)СООВ(=) + НХ→ D(–)СН3СН(ОН)СООН + ВХ

Несмотря на то, что стереоизомеры (оптические изо- меры) отличаются друг от друга только расположением ато- мов в пространстве и обладают одинаковыми физическими и химическими свойствами, как правило, они резко различают- ся по своей биологической (физиологической) активности. Поэтому чрезвычайно важно уметь выделять чистые энан- тиомеры, например, при синтезе лекарственных препаратов.

Оригинальная методика применяется для разделения рацемической модификации спиртов с использованием фта- левого ангидрида. Фталевый ангидрид обрабатывают раце- мической смесью спиртов, которые надо разделить на опти- чески активные компоненты:

O

55

Ароматические гидроксикислоты, как и кислоты жирного ряда, различают по основности и атомности.

Одноосновные двухатомные или моногидроксикарбо-

новые кислоты. Наибольшее значение имеет о- гидроксибензойная или салициловая кислота. Салициловая кислота (I) и ее эфиры встречаются в природе. Она применя- ется в медицине и анилинокрасочной промышленности. В медицине применяют ацетат салициловой кислоты или аце- тилсалициловую кислоту (аспирин) (II) – жаропонижающее средство, и фениловый эфир салициловой кислоты (салол) (III) – средство, дезинфицирующее кишечник.

Одноосновные четырехатомные или тригидроксикар-

боновые кислоты. Наибольшее значение из этой группы ве- ществ имеет галловая кислота, которая широко распростра- нена в природе. Она в свободном виде или в виде дигалловой кислоты и их глюкозидов входит в состав различных дубиль- ных веществ (чернильные орешки, сумах, листья чая и др.). Так китайский танин представляет собой смесь эфиров глю-

56

козы и дигалловой и галловой кислот:

4.3. Роль многоосновных гидрокси- и оксокарбоновых кислот в процессах жизнедеятельности

В клетках живых систем находится большое количест- во многоосновных гидрокси– и оксокарбоновых кислот. Эти кислоты в цитоплазме клетки, в разбавленных водных рас- творах существуют в виде анионов. Названия этих кислот, их анионов и структурные формулы приведены в табл. 4.

57

мер, молочная из кисломолочных продуктов, яблочная со- держится в яблоках и других фруктах, лимонная - в цитрусо- вых и т.д. Кроме того, в организме высших животных, млеко- питающих эти кислоты образуются в процессе деградации главных пищевых продуктов, таких как жиры, белки, углево- ды (сахара).

Процесс распада (деградации) крупных пищевых мо- лекул носит название катаболизма. Катаболизм – это фер- ментативное расщепление углеводов, белков, жиров, осуще- ствляющееся за счет реакций окисления. Промежуточным продуктом распада всех пищевых биомолекул является ук- сусная кислота в виде макроэргического соединения ацетил- КоА (СH3C(O)~SKoA). Ацетилкофермент А далее включается в цикл ди- и трикарбоновых кислот. На этом этапе завершает- ся разрушение пищевых молекул до СО2. Эти процессы мож- но представить упрощенной схемой (рис.4):

Рис. 4. Деградация пищевых биомолекул

Одним из наиболее важных процессов в живой клетке являются превращения указанных кислот в цикле Кребса, ко- торый представляет собой заключительный этап, где проис- ходит разрушение всех питательных веществ, при этом весь углерод превращается (окисляется) до СО2. Цикл Кребса на-

59

зывают еще циклом лимонной кислоты или ди- и трикарбо- новых кислот. Он представляет собой серию реакций, вклю- чающих дегидрирование, гидратацию, дегидратацию и окис- лительное декарбоксилирование, в результате которых аце- тилкофермент А постепенно окисляется до двух молекул СО2 с одновременной регенерацией кофермента А (HSКоА). Цикл ди- и трикарбоновых кислот (цикл Кребса) представлен на рис.5:

Рис. 5. Цикл ди- и трикарбоновых кислот

4.4. Аминокислоты

Аминокислоты - это бифункциональные соединения, в молекулах которых имеются аминогруппы –NH2 и карбок- сильные группы - СООН.

Аминокислоты различают по взаимному расположе- нию карбоксильной и аминогрупп, например:

60