Яцюк, Зубкова _Основы биоорганической химии

На этом основано качественное определение винной кислоты.

KOOC-CH-CH-COOK

OH OH

средняя калиевая соль (растворима в воде)

Второй качественной реакцией винной кислоты является ее взаимодействие с гидроксидом меди (II). Это реакция на диольный фрагмент молекулы (происходит растворение голубого осадка Cu(OH)2 с образованием ярко-синего раствора:

Как α-оксикислота лимонная кислота разлагается при нагревании в присутствии концентрированной серной кислоты, давая ацетондикарбоновую (3-оксопентандиовую) кислоту и муравьиную кислоту. Для β-кетонокислот характерны реакции декарбоксилирования, поэтому ацетондикарбоновая кислота превращается в ацетон:

to

CH3-C-CH 3 + 2 CO2

O

ацетон

111

Как карбоновые кислоты оксокислоты образуют соли, проявляя кислотные свойства, и функциональные производные, например, сложные эфиры (реакция SN). Как кетоны они вступают в реакции нуклеофильного присоединения и присоединенияотщепления (например, образуя оксимы, гидразоны и т.п.).

Специфическим свойством β-кетокислот является их способность к декарбоксилированию, например, при ферментативном декарбоксилировании ацетоуксусной кислоты образуется

Ацетоуксусная кислота и ацетон накапливаются в крови больных сахарным диабетом (т.н. «кетоновые тела»). К кетоновым телам относят также и предшественницу ацетоуксусной кислоты – β-оксимасляную кислоту.

Другим специфическим свойством β-кетонокислот (а точнее, их сложных эфиров) является их способность к существованию в двух таутомерных формах.

Таутомерия – равновесная динамическая изомерия. Это значит, таутомеры самопроизвольно превращаются друг в друга и существуют в подвижном равновесии. Таутомеры превращаются друг в друга за счет переноса какой-либо подвижной группы. Если такой группой является протон водорода, то таутомерию называют прототропной.

Рассмотрим это на примере этилового эфира ацетоуксусной кислоты (часто его называют просто ацетоуксусным эфиром).

За счет электронодонорного влияния сложноэфирной и ке- то-групп α-атом углерода становится CH-кислотным центром. Он отщепляет протон водорода, который присоединяется к неподеленной электронной паре кислорода оксо-групы (оксониевому

113

основному центру). Кето-таутомер превращается в енольный (ен – двойная связь, -ол – гидроксильная группа). Енольная гидроксильная группа проявляет кислотные свойства, она отщепляет протон, который присоединяется к электронному облаку π-связи

– енольный таутомер превращается в кето-таутомер. Эти превращения протекают самопроизвольно, и таутомеры существуют в динамическом равновесии.

При действии на ацетоуксусный эфир определенного реагента в реакцию вступает один из таутомеров. Так, кето-форма вступает в реакции, характерные для кетонов (нуклеофильного присоединения с синильной кислотой, присоединенияотщепления с гидразином или гидроксиламином):

За счет енольной таутомерной формы ацетоуксусный эфир взаимодействует с хлоридом железа (III) (реакция, характерная для всех енолов), с бромной водой (реакция на двойную связь):

114

Обратите внимание, поскольку второй таутомер за счет равновесия восполняет убыль реагирующего таутомера, таутомерная смесь реагирует в данном направлении как единое целое.

Обычно енольная форма менее устойчива, поэтому доля её в таутомерном равновесии низкая. Иногда более энергетически выгодным является существование молекулы именно в енольной форме, как, например, для диэтилового эфира щавелевоуксусной кислоты:

Это связано с тем, что енольная таутомерная форма представляет собой единую сопряженную систему.

Медико-биологическое значение гетерофункциональных производных карбоновых кислот

Молочная кислота широко распространена в природе как продукт молочнокислого брожения углеводов (см. стр. 173). В организме она является одним из продуктов превращения глюкозы (гликолиза). Молочная кислота накапливается в мышцах при интенсивной работе, вследствие чего в них возникает характерная боль.

Некоторые соли молочной кислоты (лактаты) применяются в медицине. Лактат железа (II) назначают при гипохромных анемиях. Он легче, чем неорганические соединения железа всасывается из ЖКТ, не вызывает раздражения слизистых оболочек. Лактат кальция является источником ионов кальция, которые необходимы для осуществления процесса передачи нервных импульсов, формирования костной ткани, процессов свертывания крови. Применяется также как антиаллергическое средство. Лактат кальция переносится лучше, чем хлорид кальция, т.к. не раздражает слизистую оболочку.

115

ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ

Оптическая изомерия – один из видов пространственной или стереоизомерии.

Стереоизомеры – соединения, молекулы которых имеют одинаковое химическое, но различное пространственное строение. Пространственное строение взаимосвязано не только с физическими и химическими свойствами веществ, но и с их биологической активностью. Название «оптическая» данный вид стереоизомерии получил оттого, что стереоизомеры могут обладать оптической активностью. Другое название оптической изомерии – «зеркальная», т.к. изомеры похожи как предмет и его зеркальное отображение.

Оптическая активность – способность вещества отклонять плоскость поляризации поляризованного луча света.

Колебания вектора электрического поля обычного луча света происходят в разных плоскостях (рис. 1а). После прохождения через специальную призму-поляризатор луч становится плоско-

раствор оптически активного соединения происходит отклонение плоскости поляризации света на определенный угол по часовой стрелке (тогда вещество называется правовращающим, обозначается «+») или против часовой стрелки (левовращающим, обозначается «-»). Оптическую активность можно определить с помощью прибора – поляриметра. Схематично принцип работы поляриметра можно описать следующим образом (рис. 2):

Рис. 2. Схема строения поляриметра.

117

Поляриметр состоит из двух призм, между которыми помещается трубка с раствором исследуемого вещества. Первая призма – поляризатор поляризует луч, исходящий из источника света. Вторая призма – анализатор пропускает плоскополяризованный луч, выходящий из поляриметрической трубки. Если вещество оптически неактивно, то при одинаковой ориентации двух призм свет через анализатор проходит полностью. Если же при выходе из поляриметрической трубки плоскость поляризации света изменилась, то для полного прохождения такого луча света нужно повернуть анализатор на определенный угол (α), который и соответствует углу вращения плоскости поляризации света оптически активным веществом.

Оптической активностью обладают только хиральные молекулы. Хиральность – это свойство объекта (не обязательно молекулы!) не совмещаться со своим зеркальным отображением. Любой симметричный объект совместится со своим отражением в зеркале. Значит, хиральность – это несимметричность. Сам термин «хиральность» произошел от греческого слова «рука», так как наши руки являются примером хиральных объектов. Они похожи как в зеркале, но их невозможно совместить, не вынося из плоскости. Наглядным примером их несовместимости служит невозможность надеть на правую руку левую перчатку, соответствующую пространственному строению левой руки.

Чтобы установить, является ли молекула хиральной, необходимо построить её модель и модель её зеркального отображения и попытаться их совместить. Если это удается – молекула ахиральна, не удается – хиральна. Есть и другой прием: признаком хиральности является наличие в молекуле асимметрического атома углерода. Асимметрическим называют атом углерода, связанный с четырьмя различными заместителями. Обратите внимание: этот признак является необходимым, но не всегда достаточным для проявления оптической активности! Молекула в целом должна быть асимметричной.

118

Рассмотрим стереоизомерию на примере молочной кислоты.

HВ молекуле молочной кислоты один асимметри-

ческий атом углерода (обозначается звездочкой). По формуле N=2 n, где n – число асимметрических атомов углерода, рассчитываем количество

стереоизомеров: 21=2. Эти стереоизомеры похожи как предмет и его зеркальное отражение:

Стереоизомеры, похожие как предмет и несовместимое с ним зеркальное отражение, называются энантиомерами (1 и 2).

Для изображения структур стереоизомеров на плоскости пользуются проекционными формулами Фишера. При их построении пользуются определенными правилами. Углеродную цепь располагают вертикально таким образом, чтобы вверху оказалась старшая группа (в нашем примере – карбоксильная группа). Хиральный атом углерода находится на перекрестье вертикальной и горизонтальной линий и символом не обозначается. Внизу на вертикальной линии обозначается углеродсодержащий заместитель (CH3-группа). На горизонтальной линии располагают оставшиеся группы (в нашем примере – водород и гидроксильная группа). Расположенные на горизонтали заместители должны быть направлены к наблюдателю, а на вертикали – от наблюдателя, т.е. находятся за плоскостью бумаги:

119

Энантиомеры обладают одинаковыми химическими и физическими свойствами (температура кипения, температура плавления, плотность, показатель преломления и т.д.). Они проявляют одинаковую реакционную способность по отношению к ахиральным реагентам.

Энантиомеры отличаются следующими свойствами:

1.Они отклоняют плоскость поляризации поляризованного луча на одинаковый угол, но в противоположных направлениях, т.е. один из них является правовращающим (+), а другой - левовращающим (-).

2.Они с разной скоростью реагируют с другими хиральными молекулами. А так как ферменты являются хиральными молекулами, то они будут взаимодействовать только с одним из стереоизомеров. Отсюда различная биологическая активность энан-

тиомеров.

Предсказать направление и величину угла вращения поляризованного луча света для данного стереоизомера нель- зя! Оптическая активность определяется только опытным путем с помощью поляриметра. Но если определена оптическая активность одного из энантиомеров (например, -20о ), то оптическую активность второго энантиомера можно не определять, она будет равна +20о.

Определение абсолютной конфигурации, т.е. действительного расположения заместителей вокруг хирального центра, стало возможным только с появлением метода рентгеноструктурного анализа. До этого конфигурации стереоизомеров сравнивали с конфигурацией эталонных (ключевых) соединений, т.е. опреде-

ляли относительную конфигурацию. В 1906 г. по предложению М.А. Розанова за конфигурационный стандарт был принят глицериновый альдегид.

CHO CHO

120