Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Биоорганическая химия конспект лекций. Учебное пособие для студентов I курса, обучающихся по специальности «Лечебное дело»
.pdf
3. Восстановление оксокислот
β
4. Из аминокислот
R
5. Из непр
едельных кислот
+δ −δ
CH2=CH-COOH
акриловая кислота
HOOC-CH=CH-COOH
малеиновая кислота
R
O
C
NH
C
H
COOH
2
COOH
-N
H2O
+
H
H
2
Ni
HNO
2
-H2O
2
CH
2
OH
β-оксипропионо
KMnO
OH
4
-
OH
CHCOOHR
OH
CHCOOHR
-CH2-COOH
вая кислота
HOOC-CH-CH-COOH
OH
OH
винная кислота
6. Окисление оксиальдегидов (альдоли) и гликолей
Например, действием окиси серебра в аммиачном растворе получают оксикислоты с различным строением в зависимости от положения соответствующих
групп в исходном соединении:
OH
H3C
O
Ag(NH3)2OH
H3C
C
H
альдоль
-Ag
β-оксимаслянная кислота
7. Окисление кислот с третичным атомом углерода, нах
OH
O
C
OH
одящимся в α-поло-
жении к карбоксилу
O
H3C
CH
C
OH
3
Многие из гидроксикислот пол
KMnO
4
учают специфическими методами или же из-
CH
OH
3
CH3C
O
OH
влекают из растительных и животных продуктов.
101
Физические и химические свойства гидроксикислот
Гидроксикислоты – жидкости или, большей частью, кристаллические вещества. В воде они растворимы лучше, чем соответствующие карбоновые кислоты,
не содержащие гидроксила. Низшие оксикислоты смешиваются с водой в любых
соотношениях.
Химическое поведение оксикислот, как и других гетерофункциональных соединений, то есть соединений, содержащих в молекуле разные функциональные
группы, определяется природой этих групп. Оксикислоты вступают в большинство химических реакций, характерных для кислот (-COOH) и спиртов (-OH).
Строение углеводородного радикала также сказывается на их химическом поведении: ароматические кислоты (например, салициловая кислота) вступают во
многие реакции, характерные для соответствующих производных бензола. В одних реакциях каждая из функциональных групп может участвовать
независимо
друг от друга, в других ход реакции и характер образующихся продуктов определяет совокупность этих групп. В определенных условиях окси- и карбоксильная
группы могут взаимодействовать между собой.
1. Реакции по карбоксильной группе
H3C
OH
O
C
ONa
NaOH
O
-H
2
H3C
OH
O
C
CH3CH2OH, H
OH
-H2O
+
H3C
OH
O
C
CH2CH
O
3
По сравнению с карбоновыми кислотами с тем же числом углеродных атомов оксикислоты (в особенности α-кислоты) обнаруживают более сильно выраженные кислотные свойства. Так, константа диссоциации гликолевой кислоты в
8,5 раза больше, чем уксусной.
2. Превращения по гидроксильной группе
H3C
H3C
H3C
H3C
C
O
O
O
C
O
C
OH
OH
(CH3O)2SO
O
H3C
C
Cl
-HCl
2
H3C
OH
O
C
OH
H
2O2
HCl
-H2O
/Fe
3+
H3C
H3C
O
C
OH
O
O
C
OH
Cl
O
102
3. Реакции по обеим гидроксильным группам
β
Cl
O
C
Cl
H3C
O
C
ONa
ONa
2Na
-H
O
H3C
C
2PCl
5
H3C
OH
2
OH
Какой из гидроксилов, спиртовой или кислотный, будет вступать в реакцию, определяется выбором реагента и условиями реакций. Так, при действии
НСl замещается гидроксил спиртовой, а при действии PCl
и кислотный и спирто-
5
вой. Во всех превращениях оксикислот приходится считаться с взаимным влиянием гидроксильной и карбоксильной групп.
4. α-Оксикислоты легко восстанавливаются в карбоновые кислоты:
O
H3C
C
OH
2HI
H3C
t
OH
O
C
+I2+H2O
OH
5. Поведение гидроксикислот при нагревании
Отщепление воды при высокой температуре происходит легко, причем в зависимости от положения гидроксильной группы образуются различные вещества:
а) α-оксикислоты:
O
H3C
OH
C
OH
OH
t
-2H2O
H3C
HO
C
CH
3
O
молочная кислота
O
O
O
лактид
O
CH
3
б) β-оксикислоты (элиминирование):
°
t
CH
-CH2-COOH
2
OH
β−
оксипропионовая кислота
-H2O
CH2=CH-COOH
акриловая кислота
в) γ, σ-оксикислоты (внутримолекулярная этерификация):
α
OH
O
t
-H2O
O
O
β
γ
OH
γ
-оксибутановая кислота γ
103
-бутиролактон
Стереоизомерия. Оптическая изомерия
Стереоизомерия это вид пространственной изомерии, при котором молекулы имеют одинаковую структурную формулу, но различную конфигурацию (одинаковый порядок связей, но разное взаимное расположение групп или атомов в
пространстве). Под конфигурацией подразумевают относительное расположение
атомов или групп атомов в пространстве.
Существует два вида пространственной изомерии:
– оптическая;
– геометрическая (cis, trans)
Еще в XIX веке было отмечено, что некоторые органические вещества в
жидком состоянии и в растворе способны вращать плоскость поляризации плоскополяризованного света (оптическая активность), причем одни отклоняют ее
вправо, а другие – влево. Эта способность впервые была обнаружена Пастером
в 1848 г. у винных кислот. С тех пор это явление называется оптической изоме
рией. Сейчас известно, что оптическая активность связана с наличием в молекуле
3
sp
-гибридизированного атома углерода, связанного с четырьмя различными за-
местителями. Такой атом углерода называется асимметрическим или хиральным.
Так, например, в молекуле молочной кислоты содержится асимметрический
атом углерода (хиральный атом углерода обозначают С*), связанный с четырьмя
различными группами.
-
H
∗
H3C
C
OH
COOH
Наличие асимметрического атома углерода приводит к образованию двух
зеркальных изомеров. Они отличаются друг от друга, как предмет от своего изображения в зеркале (как левая и правая руки).
татраэдрические модели молочных кислот
COOH
OH
H
CH
3
зеркало
H
COOH
CH
OH
3
Если тетраэдрические модели молочной кислоты спроектировать на плоскость, то получаются проекционные формулы, названные формулами Фишера по
имени ученого, предложившего их:
104
COOH
COOH
CH
OHH
3
HHO
CH
3
зеркало
При использовании формул Фишера следует помнить, что верхняя и нижняя
группы (для молочной кислоты это -СООН и -СН
) лежат за плоскостью чертежа,
3
а боковые (для молочной кислоты это -Н и -ОН) – перед плоскостью чертежа.
Асимметрический атом углерода находится на пересечении прямых, связывающих эти группы. Такие модели нельзя совместить при вращении в плоскости
чертежа (они относятся друг к другу, как предмет к своему зеркальному изображению или как
левая и правая руки). Подобные пространственные изомеры
называются зеркальными изомерами, энантиомерами или оптическими антиподами. Общее число стереоизомеров N вычисляется по формуле N=2
n
, где n –
количество С*.
Молочная кислота существует в виде двух пространственных изомеров, каждый из которых проявляет оптическую активность – обладает способностью
вращать плоскость поляризованного света. Один из изомеров – правовращающий
обозначают знаком «+», другой – левовращающий – «−».
Оптически неактивная смесь равных количеств лево- и правовращающих
антиподов получила название рацемата или рацемической смеси.
Энантиомеры имеют
одинаковые химические и физические свойства, за исключением одного: они по-разному взаимодействуют с плоскополяризованным
светом (один и тот же угол удельного вращения [α] в градусах, только разный
знак вращения «+» или «−»).
Рацематы отличаются по своим физическим свойствам от оптически актив-
ных изомеров.
Для измерения оптической активности применяется прибор, названный по
-
ляриметром.
12 3 4
1-источн ик света
2-поляризатор (Призма Николя)
3-поляриметрическая трубка
(кювета с оптическим веществом)
4-анализатор (вторая призма Николя)
Свет от источника (1), проходя через поляризатор (2), в качестве которого
употребляется неподвижно укрепленная призма Николя, поляризуется, то есть
пропускаются только электромагнитные колебания, происходящие в плоскости,
105
совпадающей с оптической осью кристалла. Затем поляризованный луч проходит
через кювету (3) с оптически активным веществом (плоскость поляризации света
при этом поворачивается) и наконец попадает в анализатор (вторая призма Николя (4)). В отсутствии кюветы с оптически активным веществом (3) луч света может беспрепятственно проходить через поляриметр, когда оптические оси кристаллов обеих
призм строго параллельны или полностью гасятся, если призмы
повернуты на 90 градусов.
Если в поляриметр со скрещенными николями поместить поляриметрическую трубку (3) с оптически активным веществом, то у света, выходящего из
трубки, плоскость поляризации уже не будет перпендикулярна плоскости поляризации анализатора. Для наблюдателя это будет соответствовать неполному погашению света
в анализаторе. Для того чтобы добиться полного погашения света,
необходимо повернуть анализатор на некоторый угол вправо («+») или влево
(«−»). Величину этого угла измеряют с помощью круговой шкалы. Измеренное
вращение зависит от природы вещества, концентрации, длины трубки и обычно
пересчитывается в удельное вращение [α]. Удельным вращением называется угол
вращения, наблюдаемый при
толщине слоя d 10 см и концентрации исследуемого
вещества с 1 г/мл.
Направление и величина вращения плоскости поляризации не находится в
каком-либо простом соотношении с конфигурацией соединения (нельзя расчитать
знак и значение α по структуре). Химических методов для установления абсолютной конфигурации оптически активных молекул нет. Однако оптически активные соединения
можно химическим путем превращать друг в друга без нарушения конфигурации асимметрических центров. Таким образом, получены ряды
соединений с одной и той же конфигурацией. Зная абсолютную конфигурацию
одного члена ряда, можно установить абсолютную конфигурацию для каждого
вещества этого ряда.
Было предложено использовать в качестве относительного стандарта право-
вращающий (+)-глицериновый альдегид,
которому произвольно приписали кон-
фигурацию D (гидроксил справа), левовращающий
COH
OHH
COH
HOH
антипод обозначили L.
Относительная конфигурация молочной ки-
слоты была установлена превращениями глицерино-
CH2OH
CH2OH
вого альдегида в молочную кислоту. Эксперимент
показал, что левовращающая молочная кислота со-
D(+)
глицериновый альдегид
L (-)
ответствует по конфигурации D-глицериновому альдегиду, следовательно, является D-молочной кислотой. Подобным образом были установлены конфи-
гурации многих веществ. Затем
позднее рентгеноскопически было показано, что
выбор конфигурации глицеринового ряда был правильным.
Символы D (правый) и L (левый) не имеют отношения к знаку вращения
(“+” или “−”).
Энантиомеры − оптические антиподы, имеют одинаковые химические и
физические свойства, но противоположные знаки оптического вращения (враща-
106
ют плоскость поляризации плоскополяризованного света на один и тот же угол,
я
а
я
а
но в разные стороны.
Рассмотрим другой пример – яблочную кислоту:
COOH
OHH
CH2COOH
D(+)
блочн
кислот
COOH
HOH
CH2COOH
L(-)
В природе распространена L-(−)-яблочная кислота. Она содержится в незре-
лых яблоках, винограде, рябине. D-(−) – получена синтетически (восстановлением
D-винной кислоты).
Разобранные примеры стереоизомерии молочной и яблочной кислот − наи-
более простые. Стереоизомерия винной кислоты, имеющей два асимметрических
атома углерода, более сложная.
∗
∗
HOOCH-CH-CH-COOH
OH
OH
N=2
(количество стереоизомеров)
2
=4
Для винной кислоты теоретически можно ожидать существование четырех
оптически деятельных изомеров (двух рацематов). Оптически активные изомеры
(энантиомеры) винных кислот можно изобразить следующими проекционными
формулами Фишера:
20
[α]
D-(+)-винная кислота
+12°С [α]
D
(природная)
20
-12°С
D
L-(−)-винная
кислота
COOH
OHH
HOH
COOH
т.пл.170°С
I
рацемат - виноградная кислота
т.пл. 206 °С
COOH
HOH
OHH
COOH
т.пл. 170 °С
II
COOH
COOH
OHH
OHH
COOH
III
мезовинная кислота
т.пл. 140 °С
COOH
IV
OHH
OHH
Соединения I, II являются энантиомерами, а мезовинная кислота по отношению к I и II является диастереомером (не является антиподом для I и II).
107
Если проекционную формулу I повернуть на 180 градусов вокруг оси перпендикулярно к плоскости чертежа и наложить на II, то совпадут группы -СООН,
а группы -Н и -ОН не совпадут, следовательно, это разные молекулы.
Если проделать то же самое с формулами III и IV, то окажется, что эти вещества идентичны. Таким образом, вместо четырех пространственных
изомеров
винной кислоты существует лишь три (мезовинная кислота, энантиомеры I и II).
Стереоизомер III не проявляет оптической активности вследствие внутренней
компенсации вращения. Молекула III имеет плоскость симметрии. Верхняя часть
молекулы является энантиомером нижней. Вращение, оказываемое верхним хиральным центром, уничтожается противоположным по знаку и равным по величине вращения, обусловлено нижним.
Следовательно, могут существовать
соединения с асимметрическими атомами углерода (*С), но оптически недеятельными вследствие симметрии молекулы (на схеме плоскость симметрии – это пунктир).
Таким образом, один элемент симметрии, присутствующий в молекуле,
уменьшает теоретически возможное число оптических изомеров на единицу.
Методы разделения рацематов на оптические антиподы
Обычные методы синтеза органических соединений всегда приводят к
ра-
цематам. Между тем часто требуется какой-нибудь один антипод, особенно в случае синтеза лекарств, так как живые организмы реагируют на различные антиподы по-разному.
Существует три классических метода разделения рацематов на оптические
изомеры.
1. Механический отбор (физический, применим в редких случаях)
При кристаллизации рацемических смесей в некоторых случаях
образуются
кристаллы антиподов, отличающиеся друг от друга, как предмет от своего зер-
мер, с помощью лупы и пинцета. Так, Пастер впервые разделил неактивную винную кислоту в виде ее натриевоаммониевой соли на антиподы.
2. Биохимический метод.
Основан на способности некоторых микроорганизмов поглощать
из раце-
мической смеси один из антиподов, обычно тот, который более распространен
в природе. Другая форма остается в чистом виде. Так, например, чернильная плесень потребляет преимущественно (+)-винную кислоту.
3. Химический метод (кристаллизация диастереомеров, наиболее общий)
Используется способность оптических антиподов превращаться с помощью
химических реакций в диастереомеры, которые существенно отличаются по
физическим и химическим свойствам, в частности по растворимости. Так, действуя
на смесь двух оптических изомеров какой-либо кислоты оптически активным основанием (природные оптически активные соединения довольно доступны, например, алкалоиды, терпены, аминокислоты), получаются две соли, представляющие собой диастереомеры. После разделения диастереомерных солей кри-
108
сталлизацией из них действием более сильной кислотой выделяют два оптических
а
а
я
а
антипода в индивидуальном виде:
D-кислота L-кислота
+
L-основание
Соль D-кислоты и
L-основания
Сильная
кислота
D-кислота
Соль L- кислоты и
L-основания
Сильная
кислота
L-кислота
4. Хроматографическое разделение на оптически активном носителе
Альдегидо- и кетокислоты
Альдегидо- и кетокислотами называются соединения, молекула которых содержит одновременно карбоксильную (-СООН) и оксо- (С=О) группы. Примерами могут служить:
O
H
глиоксиловая
(гликсалевая) кислота
Глиоксиловая кислота встречается в природе в недозрелых фруктах, по мере
их созревания она исчезает.
1. Мягкое окисление
C
O
C
OH
пировиноградная кислота
Способы получения
H3C
C COOH
O
HO
H2CHOCH
2
OH
H2C
гликолевая кислота
C
O
OH
[O][O]
O
C
H
глиоксиловая
(гликс
лев
O
C
OH
) кислот
2. Гидролиз дихлоруксусной кислоты (общий метод)
C
O
C
OH
HOH
Cl
ClHOH
CH
C
O
OH
140°C
-2HCl
HO
HO
CH
109
C
O
OH
-H2O
O
H
р
а
Химические свойства
Под влиянием карбоксильной группы оксо-группа в молекуле глиоксиловой
кислоты сильно поляризована, вследствие чего эта кислота существует в виде гидрата:
O
C
CH
OH
например:
C
O
C
OH
O
H
гид
реакции по оксо-группе,
реакции по оксо- группе,
например:
HO
• H2O
≡
HO
т глиоксиловой кислоты
реакции по карбоксильной группе,
HO
H
O
HO
N
C
C
O
C
OH
O
Ag(NH3)2OH
C
OH
NH2OH
O
-H
2
O
H
C
C
O
OH
C2H5OH, H
Na
-H2O
O
H
+
O
H
C
C
O
C
ONa
O
C
OC2H
5
Пировиноградная кислота (ПВК)
H3C
C COOH
O
ПВК является одним из промежуточных продуктов спиртового и других видов брожения, выделяется при распаде углеводов в растениях, в живых клетках из
нее образуется аминокислота α-аланин.
Способы получения
1. Пиролиз (нагревание) винной (виноградной) кислоты
O
HO
C
HO
OH
C
O
OH
KHSO
-H2O
O
OH
C
OH
O
C
HO
4
O
C
HO
O
C
O
OH
-CO
O
2
HO
C
CH
C
O
2. Окисление молочной кислоты
3
C
H
3
HC
HO
молочная кислота
C
O
OH
[O]
110
H
C
3
O
C
O
C
OH
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]