Лекция 10 Оксо – окси - фенолокислоты

Это соединения, содержащие разные функциональные группы. Они имеют большое значение, т.к. многие из низ являются биологически активными и лекарственными веществами.

В зависимости от сочетания функциональных групп различают гидрокси- (окси-), -альдегидо (оксо-), феноло-, аминокислоты и др.

Каждая из гетерофункциональных групп сохраняет свою собственную реакционную способность. При достаточно близком расположении происходит усиление реакционной способности каждой из них.

Молекулы некоторых гетерофункциональных соединений вступают в р-ции внутри- и межмолекулярного взаимодействия.

Гидрокси-, или оксикислоты

Это соединения, содержащие одну или несколько групп –ОН и –СООН.

В общем виде их формулу можно представить . В простейшем случае n = m = 1. Количество гр. –СООН определяет основность, а гр. –ОН – атомность.

Номенклатура

	гликолевая к-та, -оксиуксусная к-та, 2-гидроксиэтановая к-та
	молочная к-та, -оксипропионовая к-та, 2-оксипропановая к-та
	винная к-та, ,-диоксиянтарная к-та, 2,3-диоксибутандиовая к-та
	лимонная к-та, 3-гидрокси- 3-карбоксипентандиовая к-та
	салициловая к-та, -оксибензойная к-та, 2-оксибензойная к-та
	галловая к-та, 3,4,5-триоксибензойная к-та

Изомерия

Молекулы с тремя атомами углерода проявляют изомерию положения гр. –ОН, а с четырьмя – изомерию положения и углерод – углеродной цепи. Например,

-оксимасляная к-та		-оксимасляная к-та		-оксимасляная к-та
	-оксиизомасляная к-та

В молочной к-те появляется асимметрический (хиральный) атом С, а следовательно, имеются оптические изомеры. Оптическая изомерия характерна для многих оксикислот.

L-(+) – Молочная к-т D-(–) – Молочная к-та

Винная к-та имеет два асимметрических атома С. Однако всего изомеров только три, а не четыре (2ⁿ), и оптически активных лишь два, т.к. два одинаковых заместителя (гр. –ОН) создают в молекуле плоскость симметрии.

D-(+) – Винная к-та L-(–) – Винная к-та

Знак вращения плоскости поляризации света нельзя связывать с отнесением соединений к D – и L – рядам. Знак «+» и «–» определяют прибором - поляриметром. Для соединений с двумя асимметрическими атомами С определение принадлежности к D – и L – ряду затруднено. По договоренности определяют D – и L – ряды по близлежащему заместителю от старшей функциональной группы, а в углеводах – по положению заместителя у дальнего от старшей функциональной группы атома С.

Химические свойства

Наличие в молекуле двух функциональных групп приводит к тому, что эти соединения проявляют характерные р-ции как для кислот, так и для спиртов.

За счет взаимного влияния двух групп происходит усиление реакционной способности каждой из них. Кроме того для них возможны специфические р-ции с участием обеих групп.

I.Р-ции по гр. –СООН

Оксик-ты диссоциируют, образуют соли, сложные эфиры, амиды, ангидриды, галогенангидриды.

1)
	Молочная к-та Лактат-анион

Окси-ты являются более сильными к-тами, чем соответствующие им карбоновые к-ты, что находит объяснение в ЭА характере групп – ОН и – СООН. Например, -оксиуксусная к-та в 5 раз сильнее уксусной к-ты.

Соли образуются легко с различными веществами Ме, МеО, МеОН, МеСО₃, где Ме – активный металл.

2)
	Молочная к-та Лактат натрия

Двухосновные к-ты образуют средние и кислые соли. Кислые соли, как правило, мало растворимы в воде, средние – хорошо растворимы. Это используют для обнаружения ионов К⁺ в фармацевтии и в аналитической химии:

Винная к-та Гидротартрат калия

Смешанная К–Na соль винной к-ты наз-ся сегнетовой солью.

Номенклатура солей

Молочной к-ты – лактаты, яблочной – малаты,

Винной – тартраты, лимонной – цитраты.

3)
	Молочная к-та

II. Р-ции по гр. –ОН

Это р-ции образования алкоголятов, простых и сложных эфиров, галогенопроизводных [НС1 (газ), РС1₅, SOC1₂], р-ции окисления (смотри тему «Спирты»)

1)
	-гидроксимасляная к-та Ацетоуксусная к-та (АУК)

Ацетон, ацетоуксусная к-та и -гидроксимасляная к-та составляют группу «ацетоновых тел», образующихся в большом количестве в организме при сахарном диабете.

Яблочная к-та Щавелевоуксусная к-та (ЩУК)

АУК и ЩУК являются естественными продуктами обмена веществ. В организме образуются при участии кофермента НАД⁺. Окисление происходит очень легко.

2. Образование сложного эфира при действии хлорангидрида к-ты:

2. При действии Na и РС1₅ р-ция пойдет по двум группам.

3. Винная к-та и ее производные дают качественную р-цию на диольный драгмент – характерное ярко-синее окрашивание – с р-ром Сu(ОН)₂ в щелочной среде.

Образовавшееся комплексное соединение под названием реактива Фелинга используется для обнаружения алифатических альдегидов.

III. Специфические р-ции

Они представляют наибольший интерес, т.к. обусловлены взаимным влиянием гетерофункциональных групп.

1) Р-ции дегидратации -, -, -оксикислот

Вследствие наличия групп, способных взаимодействовать друг с другом, молекулы гетерофункциональных соединений способны вступать в р-ции внутри- и межмолекулярного взаимодействия с образованием циклических и нециклических соединений.

а) Две молекулы -оксик-ты при нагревании выделяют две молекулы воды и образуются лактиды:

б) -оксик-та, в молекуле которой фрагмент – СН₂ – находится между двумя ЭА группами, увеличивающих подвижность атомов Н, подвергается дегидратации с образованием непредельной к-ты:

Яблочная к-та ведет себя как -к-та и при дегидратации превращается в фумаровую:

Яблочная к-та Фумаровая к-та

Эфиры фумаровой кислоты применяются при лечении псориаза, т.к., при этом заболевании нарушается превращение янтарной кислоты в фумаровую.

в) -, - и т.д. оксик-ты, в которых две функциональные группы находятся рядом идет внутримолекулярная этерификация с образованием лактона:

-Масляная к-та -Бутиролактон

Лактиды и лактоны являются циклическими сложными эфирами и легко гидролизуются в присутствии щелочей с образованием солей:

-Бутиролактон 4-Гидроксибутаноат натрия

2) Наличие двух ЭА групп у одного атома С приводит -оксик-ты к декарбоксилированию:

Молочная к-та Этанол

В организме эта р-ция протекает под действием фермента.

В присутствии сильных минеральных к-т углеродный скелет -оксик-т расщепляется по связи С–1 – С–2 с образованием карбоксильного соединения (альдегида или кетона) и муравьиной к-ты:

-Оксик-та Альдегид Муравьиная к-та

Особый интерес представляет поведение лимонной к-ты при нагревании в присутствии минеральных к-т. Как -оксик-та она отщепляет НСООН, СО₂, образуя в итоге ацетон:

Как -оксик-та она дегидратируется, образуя цис- аконитовую к-ту, участвующую в обмене веществ:

Аконитовая к-та

При этих процессах выделяется энергия. Процесс последовательных превращений лимонной и других к-т в организме наз-ся циклом Кребса.

Отдельные представители

	Гликолевая к-та содержится в незрелом винограде, свекле и др.
	Тиогликолевая к-та восстанавливает в белках S–S мостики цистина в цистеин в организме.
	Молочная к-та содержит один асимметрический атом С, в связи с этим существует в виде пары, энантиомеров. Кроме того, известна рацемическая молочная к-та.

Все три формы встречаются в природе. Рацемическая оптически неактивная молочная к-та (кристаллы) образуется из углеводов в результате молочнокислого брожения под действием бактерий. Получить безводную молочную к-ту очень трудно, т.к. обезвоживание ее р-ров сопровождается образованием лактида. Она образуется при скисании молока, квашении капусты, в различных соленьях, выполняя при этом роль консерванта, т.к. способна препятствовать развитию гнилостных бактерий.

Левовращающая D–молочная к-та образуется также в результате молочнокислого брожения, но под действием других бактерий нежели рацемическая молочная к-та. Правовращающая L–молочная к-та образуется в живых организмах в результате расщепления углеводов. Особенно много ее накапливается в мышцах при больших физических нагрузках.

Соли и эфиры молочной к-ты наз-ся лактатами.

В медицине используется как прижигающее (80%-ный р-р) при выведении мозолей, бородавок, пигментных пятен.

Лактат железа (II) (СН₃СНОНСОО)₂Fе  3Н₂О хорошо всасывается в кишечнике и хорошо переносится больными при анемии.

Лактат кальция применяют внутрь в тех же случаях, что хлорид и глюканат кальция.

Н

*

ОСН₂– СН₂– СН₂СООН -гидроксимасляная к-та (ГОМК) в свободном виде неустойчива, легко отщепляет воду с образованием лактона. В виде натриевой соли используется в медицине как неингаляционное наркозное средство.

Н

*

*

ООССН(ОН)СН₂СООН яблочная к-та - природе встречается L-(–)-яблочная к-та (кристаллы), она содержится в ягодах и фруктах. L–яблочная к-та – один из продуктов распада углеводов в живых организмах.

НООССН(ОН)СН(ОН)СООН винная к-та В природе встречается только D-(+)-винная к-та, содержащаяся во многих растениях, особенно много ее в винограде, который служит сырьем для ее получения. Выделяется в виде малорастворимой кислой калиевой соли («винный камень») в процессе винного брожения виноградного сока. Винная к-та в смеси с содой NaНСО₃ под названием «шипучие порошки» применяются как слабительное средство.

НООС-СН-₂С(ОН)(СООН)СН₂-СООН лимонная к-та (3-гидрокси-3 карбокси-пентандиовая к-та) – бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде. Содержится в различных растениях. Впервые была выделена известным химиком К. Шееле (1742–1786) из лимонного сока, где ее содержание достигает 10%. В промышленности получают путем лиминнокислого брожения отходов сахарного производства.

Соли и сложные эфиры лимонной к-ты наз-ся цитратами. Цитрат натрия применяется для консервирования донорской крови. Противосвертывающее действие основано на том, что цитрат натрия связывает ионы кальция в нерастворимый цитрат. Цитрат железа (II) – при анемии.

Фенолокислоты

Из ароматических гидроксик-т наибольшее значение имеют фенолок-ты, у которых гидроксильные группы непосредственно связаны с бензольным кольцом (фенольные гидроксильные группы).

Изомерия фенолок-т обусловлена взаимным расположением –ОН и –СООН групп.

В названиях фенолок-т по МН за родоначальную структуру принята бензойная к-та; наличие –ОН группы отражается префиксом гидрокси-

(окси-). Для многих фенолокислот употребляются тривиальные названия – салициловая, галловая и др.

Фенолок-ты чаще всего получают прямым карбоксилированием фенолов, т.е. непосредственным введением –СООН группы. Например, при взаимодействии сухого феноксида натрия с СО₂, который при обработке минеральной к-той првращается в салициловую к-ту:

Феноксид Натрия	Салицилат натрия	Салициловая к-та

Р-ция протекает по механизму S_Е. Поскольку СО₂ является слабым электрофилом, непосредственно в р-цию с фенолом он не ступает. Для активации бензольного кольца фенол превращают в феноксид натрия. Отрицательно заряженный атом кислорода феноксид-иона проявляет значительно более сильные электронодонорные св-ва, чем неионизированная –ОН группа. Поэтому в феноксид-ионе бензольное кольцо обладает большой активностью в р-циях S_Е.

Химические св-ва

Фенолокислоты являются сильными к-тами. Сила к-ты возрастает при образовании внутримолекулярной Н–связи:

или

Проявляют св-ва и фенолов, и к-т. Салициловая к-та обладает более кислотными св-вами, чем ее мета- и пара-изомеры.

I. Р-ции по –СООН гр.

Они проходят с образованием солей, сложных эфиров, ангидридов, хлорангидридов, амидов.

Метилсалицилат представляет собой бесцветную вязкую нерастворимую в воде жидкость с приятным запахом, используется в медицине в качестве противоревматического средства. Другие производные салициловой к-ты – фенилсалицилат (салол), ацетилсалициловая к-та (аспирин), салицилат натрия и др. – также широко используются в качестве противовоспалительных средств и анальгетиков.

Салол применяется как дезинфицирующее средство при кишечных заболеваниях. Однако в кислой среде желудка он не гидролизуется, а распадается только в кишечнике, поэтому используется также в качестве материала для защитных оболочек некоторых лекарственных средств, которые не стабильны в кислой среде желудка.

II. Р-ции по –ОН гр.

Они проходят с образованием фенолятов (с Ме или МеОН), сложных и простых эфиров.

Ацетилсалициловая к-та как сложный эфир способна гидролизоваться в кислой и щелочной средах.

Поэтому следует учитывать условия хранения, которые должны исключать ее контакт с влагой:

При взаимодействии салициловой к-ты с FеС1₃ образуется фиолетовая окраска, тогда как ацетилсалициловая к-та, у которой нет свободной –ОН группы, такую р-цию не дает. Это различие используется при определении доброкачественности аспирина.

Фенолокислоты сравнительно легко декарбоксилируются:

Дубильные вещ-ва, содержащиеся в значительных количествах в растениях, включают в свой состав остатки галловой (3, 4, 5-тригидроксибензойной) к-ты. Галловая к-та также легко декарбоксилируется с образованием трехатомного фенола пирогаллола.

За счет групп –ОН галловая к-та проявляет антисептическое св-во, применяется как кровеостанавливающее средство, при ожогах для образования защитной бактерицидной пленки, реактив на алкалоиды, противоядие при отравлении алкалоидами, для синтеза красителей.

III. Р-ции по бензольному кольцу

Фенолокислоты вступают в р-ции S_Е по бензольному кольцу:

При бромировании, нитровании, сульфировании салициловой к-ты заместители поступают в орто- и пара- положения по отношению к –ОН группе и в мета- положение по отношению –СООН гр., т.о. действие двух функциональных групп согласованное.

Оксокислоты

Это карбоновые к-ты, содержащие карбонильную группу. Различают кето- и альдегидо-к-ты.

Номенклатура

Тривиальная, рациональная, международная:

Глиоксалевая к-та	Пировиноградная к-та (ПВК), -кетопропионовая, 2-оксопропановая к-та	Ацетоуксусная к-та (АУК), -кетомасляная к-та, 3-оксобутановая к-та

Изомерия кетокислот – это изомерия цепи и положения гр. .

Оксок-ты могут быть одно-, двух- и многоосновные.

-Кетоглутаровая к-та (2-оксо-пентандиовая кислота)	Щавелевоуксусная к-та (ЩУК), 2-кетоянтарная к-та (2-оксо-бутандиовая кислота)

Все указанные к-ты являются естественными продуктами обмена веществ.

Оксок-ты, имея в молекуле гр. –СООН и , обладают св-вами, характерными для к-т, альдегидов и кетонов.

Р-ции по гр. –СООН – смотрите р-ции в разделе оксик-т; оксок-ты диссоциируют, образуют соли, сложные эфиры, ангидриды, хлорангидриды, амиды.

По карбонильной гр. идут р-ции А_N, при этом образуются оксимы, гидразоны, оксинитрилы и т.д., т.е. проходят р-ции с Н₂, РС1₅, NH₂OH, NH₂– NH₂, NH₂–NH–С₆Н₅, НСN, НОR, р-ции окисления.

В этом случае р-ции протекают легче, чем для обычных кетонов.

2-оксо-ты окисляются даже такими слабыми окислителями как Сu(ОН)₂, при этом образуются две к-ты как и для типичных кетонов:

Это результат увеличения + заряда атома С гр. и объясняет также способность кеток-т легко декарбоксилироваться. Пировиноградная к-та при нагревании или действии фермента декарбоксилазы разлагается:

Ацетоуксусная к-та легко декарбоксилируется как и все -кеток-ты даже при слабом нагревании:

В свою очередь группа, оказывая влияние на гр. –СООН, увеличивает ее кислотность. ПВК в 500 раз сильнее пропионовой к-ты.

Для оксок-т характерно существование двух изомерных форм: кетонной и енольной, легко переходящих друг в друга и находящихся в динамическом равновесии. Напомним, что явление существования вещ-ва в виде нескольких изомерных формах, легко переходящих друг в друга и находящихся в подвижном равновесии, наз-ся таутомерией. В зависимости от возникающих групп таутомерия наз-ся по-разному: кето-енольная, лактим-лактамная, прототропная. Для кеток-т характерна кето-енольная таутомерия:

Кето-енольная таутомерия встречается и в обычных альдегидах и кетонах, однако енола содержится в таких системах очень мало ( 2,5 10^-5%), т.е. равновесие практически сдвинуто в сторону кетонной формы:

Введение ЭА заместителя у енолизированного атома С, например гр. –СООН, смещает равновесие в сторону енола:

Енольная форма стабилизируется, если двойная С=С связь сопряжена со второй -системой или гр. –ОН участвует в образовании внутримолекулярной Н-связи. Так, этиловый эфир ацетоуксусной к-ты существует уже на 7,5% в енольной форме, т.к. стабилизирован Н-связью:

Смещение равновесия зависит от природы растворителя, температуры (с ее увеличением уменьшается содержание енольной формы) и др. факторов.

Доказательством наличия енольной формы являются р-ции: с Вr₂ (водой) – на двойную связь (обесцвечивание), с FeC1₃ р-ция на –ОН гр. (фиоле

товое окрашивание); наличие гр. – р-ции с NH₂OH, NH₂– NH₂, NH₂–NH–С₆Н₅ (образование осадков).

Многие р-ции в живых организмах проходят через енольную форму. Так, фосфорный эфир пировиноградной к-ты является важным фосфолирующим и ацилирующим агентом обмена вещ-в:

Контрольные вопросы к теме: «Окси-оксо-фенолокислоты»

1. Какие соединения называются гетерофункциональными.

2. Какие соединения называются оксикислотами. Приведите примеры.

3. Номенклатура и изомерия оксикислот.

4. Охарактеризуйте взаимное влияние функциональных групп на свойства оксикислот.

5. Приведите примеры специфических реакций оксикислот.

6. Какие соединения называются оксокислотами. Приведите примеры.

7. Номенклатура оксокислот.

8. На основе взаимного влияния оксо группы и СООН группы охарактеризуйте химические свойства 3-оксобутановой кислоты.

9. Какие соединения называются фенолокислотами. Приведите примеры.

Упражнения:

1. Напишите проекционные формулы Фишера стереоизомеров 2,3-диоксибутановой кислоты. Сделайте описание к D- и L- ряду. Укажите энантиомеры, диастереомеры и рацематы.

2. Напишите реакции молочной кислоты с: а) натрием, б) HCl (газ),

в) PCl₅, г) CH₃OH, д) NH₃, е) раствором KMnO₄.

3. Изобразите два изомера 3-оксобутановой кислоты, используя кето-енольную таутомерию. Напишите качественные реакции этих изомеров с гидразином и бромной водой.

4. Напишите реакции пировиноградной кислоты (2-оксопропановой кислоты) с: а) HCN, б) NaOH, в) H₂N-NH_2.

5. Напишите реакции салициловой кислоты по группе ОН и по СООН.

6. Напишите реакции салициловой кислоты с бромной водой.

7. В качестве материала для защитных оболочек некоторых лекарственных средств, которые не стабильны в кислой среде желудка применяется салол (фенилсалицилат). Напишите реакцию его образования.

8. При лечении ревматоидного артрита применяется метилсалицилат. Напишите реакцию его образования.

9. Аспирин применяется в течение многих лет, как жаропонижающее средство. Напишите реакцию его образования.

10. Соли лимонной кислоты (цитраты), применяются для консервирования донорской крови. Напишите реакцию разложения лимонной кислоты.

Л и т е р а т у р а

1. Тюкавкина С. 256–267, 273–274.