Гидроксисоединения

Гидроксисоединения – это вещества, которые в своём составе содержат гидроксильные группы. К ним относятся спирты, фенолы и другие классы органических соединений.

Спирты – это гидроксосоединения, в молекулах которых гидроксильные группы находятся у насыщенного атома углерода в состоянии sp³-гибридизации. Спирты классифицируют по количеству гидроксильных групп на одноатомные, содержащие 1 гидроксильную группу (этанол) и многоатомные, содержащие 2 и более гидроксильных групп (глицерин, сорбит). Сорбит применяется в качестве заменителя сахара.

Инозит – это структурный компонент липидов мозгового вещества.

В зависимости от характера звеньев, с которыми соединяются гидроксильные группы, спирты делятся на:

1. первичные, в которых гидроксильные группы находятся у первичного звена атома углерода, например: СН₃-СН₂-СН₂-ОН (пропанол-1)

2. вторичные спирты – у которых гидроксильная группа соединяется со вторичным звеном атома углерода, например: пропанол-2.

3. третичные спирты – в которых гидроксильные группы соединятся с третичным звеном атома углерода, например: 2-метилпропанол-2.

Химические свойства спиртов

– Реакции окисления спиртов. В организме окисление спиртов протекает в присутствии ферментов, которые называются дегидрогеназы. При этом происходит дегидрирование спиртов. Молекула спита теряет два атома водорода – это эквивалентно расщеплению двух протонов и двух электронов (2Н⁺ и 2е) или Н⁺ и одного гидрид-иона (II).

1. окисление первичных спиртов (пропанол-1 в пропаналь + НАДН + Н⁺ (гидр6).

2. окисление вторичных спиртов (пропанол-2 в ацетон + НАДН + Н⁺ (гидр7)

Таким образом, при окислении первичных спиртов образуются альдегиды, а вторичных – кетоны.

– Реакции нуклеофильного замещения (S_N) в общем виде:

(субстрат + реагент + нуклеофил = продукт + уходящая группа нуклеофуг (гидр8)).

В ходе реакций нуклеофильного замещения атакующий реагент – нуклеофил отдаёт свою пару электронов субстрату, образуя продукт. Уходящая группа – нуклеофуг отделяется со своей парой электронов. Рассмотрим реакцию нуклеофильного замещения на примере хлорэтана из этанола (гидр9).

Поскольку гидроксильная группа (-ОН) в составе субстрата этанола является плохо уходящей группой, то прямое нуклеофильное замещение осуществить не удаётся. Поэтому гидроксильную группу в присутствии ионов Н⁺ переводят в кислую группировку, при этом образуется ион этилоксония, от которого отделяется молекула воды – хорошо уходящая группа. Реагент – нуклеофил Cl^- с парой электронов присоединяется к атому углерода субстрата, образуя продукт – хлорэтан, который в медицинской практике используется для ингаляционного наркоза.

– Реакции хелатообразования. Многоатомные спирты, проявляя более выраженные кислотные свойства, по сравнению с одноатомными спиртами, вступая в реакцию с Cu(OH)₂ (осадком голубого цвета в щелочной среде) образуют растворимый хелатный комплекс ярко-синего цвета – эта реакция используется как качественная на многоатомные спирты. При этом в молекула многоатомных спиртов реагируют гидроксильные группы -диольного фрагмента, например: -диольный фрагмент (гидр10).

(2глицерина + Cu(OH)₂ + 2ОН^- = анионный хелатный комплекс глицерата меди (II) + 4воды (гидр11).

Фенолы

Фенолы – это гидроксосоединения, в молекулах которых гидроксильные группы соединяются с атомами углерода бензольного кольца. Фенолы классифицируют по количеству гидроксильных групп на:

1. одноатомные, содержащие одну гидроксильную группу, например: фенол.

2. многоатомные, содержащие 2 и более гидроксильных групп. Многоатомные: пирокатехин в организме является структурным компонентом биологически активных соединений: резорцин используется для лечения кожных и инфекционных соединений: гидрохинон участвует в О/В процессах (пирокатехин, резорцин, гидрохинон).

Химические свойства фенолов

(гидрохинон в хинон (гидр15)).

Система хинон – гидрохинон в организме участвует в биологическом окислении.

–реакция электрофильного замещения (S_z)

(субстрат + реагент-электрофил = продукт + уходящая группа – электрофуг (гидр16)).

Рассмотрим механизм реакции электрофильного замещения в ароматическом ряду на примере нитрования бензола:

1. Образование реагента – электрофила HNO₃+2H₂SO₄H₃O⁺+NO₂^-+2HSO₄^-

2. Взаимодействие реагента – электрофила с бензолом (гидр17).

Образование П-комплекса реагента – электрофила и бензольного кольца происходит за счёт пары электронов сопряжённой системы. Преобразование П-комплекса в -комплекс сопровождается нарушением ароматичности и переходом атома углерода в состояние sp³-гибридизации. При отщеплении протона от -комплекса ароматичность восстанавливается и образуется производное бензола – нитробензол. К реакциям электрофильного замещения относятся реакции: нитрования, сульфирования фенола. Рассмотрим сульфирование фенола: (фенол + 3серной кислоты = 2,4,6-трисульфофенол + 3воды (гидр18)).

Карбонильные соединения – это вещества, которые в своём составе содержат карбонильную группу >С=О.

В зависимости от характера связанных заместителей карбонильные соединения делятся на классы:

1. альдегиды (общая формула).

2. кетоны (общая формула).

3. карбоновые кислоты (общая формула).

Строение карбонильных групп (гидр22, 23).

В карбонильной группе атом углерода находится в состоянии sp²-гибридизации. Его конфигурация плоская: величина валентного угла составляет 120⁰: атом углерода соединён двумя ковалентными связями с атомом кислорода. Одна – сигма связь, другая – П-связь, возникающая за счёт перекрывания Р₂-орбиталей атомов углерода и кислорода. П-связь является сильно поляризованной, её электронная плотность смещена к более электроотрицательному атому кислорода, на котором возникает частично отрицательный заряд, а на карбонильном атоме углерода – частично положительный заряд.

Альдегиды (гидр24).

В молекуле альдегидов выделяют следующие реакционные центры:

1. основной нуклеофильный центр

2. электрофильный центр

3. СН-кислотный центр

Химические свойства альдегидов

–реакции нуклеофильного замещения (А_N). Альдегиды и кетоны вступают в реакции нуклеофильного присоединения при взаимодействии со спиртами R-OH, аминами R-NH₃, тиолами R-SH, синильной кислотой HCN, аммиаком NH₃. в ходе реакций нуклеофильного присоединения происходит разрыв П-связи в карбонильной группе. К карбонильному атому углерода присоединяется реагент – нуклеофил, а к атому кислорода – нуклеофильная частица.

(пропаналь + метанол = полуацеталь (1-метоксипропанол-1) (гидр25)).

Протекает в избытке спирта по типу реакций этерификации.

(полуацеталь + метанол = ацеталь (1,1-диметоксипропан) + вода (гидр26)).

Ацетали и полуацетали имеют важное биологическое значение. В виде цикла полуацетали в организме присутствуют как углеводороды. Реакции образования ацеталей лежат в основе получения природных полисахаридов: крахмал и др.

–Реакции окисления альдегидов

(этаналь + 2Cu(OH)₃ “этановая кислота” + 2CuОН + вода (гидр27))

2CuОН Cu₂О + Н₂О

Оксид Cu₂O выпадает в виде осадка кирпично-красного цвета.

Альдегиды при взаимодействии с мягкими окислителями, например Cu(ОН)₂, при нагревании окисляются до карбоновых кислот. Реакция при этом сопровождается образованием оксида меди (I) Cu₂О – осадка красно-коричневого цвета. Эта реакция используется как качественная на альдегидные группы.

–Реакции конденсации. В ходе этих реакций происходит усложнение углеродной цепи. Рассмотрим конденсацию альдегида – пропаналя (гидр28). Различают альдегидную конденсацию, протекающую в присутствии разбавленных растворов щёлочи, и протоновую конденсацию, протекающую в присутствии кислот в более жёстких условиях. В случае протоновой конденсации от образующего конденсата (альдоля) отщепляется молекула воды и образуется непредельный альдегид (гидр29). В организме конденсация альдегидов протекает с участием ферментов, которые называются альдолаты.

Карбоновые кислоты – это вещества, которые в своём составе содержат карбоксильную группу (СООН (гидр30)).

Карбоновые кислоты классифицируют по количеству карбоксильных групп на:

1. одноосновные или многокарбоновые кислоты, содержащую одну карбоксильную группу: НСООН – муравьиная кислота (метановая); СН₃СООН – уксусная кислота (этановая); СН₃СН₂СООН – пропионовая кислота (пропановая); СН₃(СН₂)₂СООН – масляная кислота (бутановая); СН₃(СН₂)₃СООН – валериановая (пентановая); СН₃(СН₂)₄СООН – капроновая (гексановая).

2. поликарбоновые кислоты, содержащие 2 и более карбоксильные группы:

Предельные дикарбоновые кислоты: щавелевая (этандиовая) кислота, соли – оксалаты; малоновая (пропандиовая) кислота, соли – малоцаты; янтарная (бутандиовая) кислота, соли – сукцинаты; глутаровая (пентандиовая) кислота, соли – глутараты.

Непредельная бутендиовая кислота НООС-СН=СН-СООН.

В зависимости от наличия младших функциональных групп кислоты делятся на:

1. гидроксикислоты, содержащие группу –ОН:

• молочная кислота, соли – лактаты

• яблочная кислота, соли – малаты

• лимонная кислота, соли – цитраты

• салициловая кислота

(гидр 35,36,37,38)

2. кетонокислоты – это кислоты содержащие карбонильную группу –С=О.

• пировиноградная кислота (ПВК), соли – пируваты

• щавелево-уксусная кислота (ЩУК), соли – соли ЩУК

• ацето-уксусная кислота , соли – соли ацето-уксусной кислоты

Особо выделяют группу высших жирных карбоновых кислот, входящих в состав липидов:

1. предельные высшие жирные кислоты:

С₁₇Н₃₅СООН – стеариновая кислота

С₁₅Н₃₁СООН – пальмитиновая кислота

С₂₃Н₄₇СООН – лигноцериновая кислота

2. непредельные высшие жирные кислоты:

С₁₇Н₃₃СООН – олеиновая кислота

С₁₇Н₃₁СООН – линолевая кислота

С₁₇Н₂₉СООН – линоленовая кислота

С₂₃Н₄₅СООН – нервоновая кислота

Строение кабоксильной группы: (гидр 43)

Карбоксильная группа представляет собой плоскую сопряжённую систему, в которой возникает р,П-сопряжение при взаимодействии р_z-орбитали атома кислорода гидроксогруппы с П-связью. Наличие р,П-сопряжения в карбоксильной группе карбоновых кислот способствует равномерному распределению отрицательног заряда в ацилат–ионе, образующемся при отщеплении протонов. (гидр44)

Равномерное распределение отрицательного заряда в ацилат-ионе показывают следующим образом (гидр45)

Наличие р,П-сопряжения в карбоксильной группе карбоновых кислот значительно повышает кислотные свойства карбоновых кислот по сравнению со спиртами.

С₂Н₅ОН рК_а=18

СН₃СООН рК_а=4,76

В карбоновых кислотах частичный положительный заряд на карбонильном атоме углерода меньше, чем в альдегидах и кетонах, поэтому кислота менее активна к восприятию атаки нуклеофильного реагента. Соответственно, реакции нуклеофильного присоединения более характерны для альдегилов и кетннов.

R-COOH

R – гидрофобная часть молекулы

СООН – гидрофильная часть молекулы.

С увеличением длины углеводородногог радикала понижается растворимость кислот, степень гидротированности и стабильность ацилат-аниона. Это приводит к уменьшению силы карбоновых кислот. В карбоновых кислотах выделяют слдующие реакционные центры: (Гидр46)

1. основный нуклеофильный центр

2. электрофильный центр

3. ОН – кислотный центр

4. СН – кислотный центр

Химические свойства карбоновых кислот:

1. реакции диссоциации

(карб. к-та + вода = ацилат-ион + Н₃О (гидр47)

2. реакции галогенирования (реакции в СН – кислотном центре)

(пропионовая кислота + Br₂ = -бромпропионовая + HBr )(гидр48)

3. реакции декарбоксилирования – реакции,Ю в ходе которых поисходит удаление углекислого газа из карбоксильной группы, приводящее к разрушению карбоксильной группы.

In vitro реакции декарбоксилирования протекают при нагревании; in vivo – с участием ферментов – декарбоксилаз.

• (пропионовая кислота = угл. газ + этан) (гидр 49)

• в организме декарбоксилирование дикарбоновых кислот протекает ступенчато: (янткарная = пропионовая + угл. газ = этан + угл. газ)(гидр50)

• в организме также протекает окислительное декарбоксилирование, в частности, ПВК в митохондриях. С участием декарбоксилазы, дегидрогеназы и кофермента А (HS-KoA). (ПВК = этаналь + угл. газ = ацетил-KoA + НАДН + Н^-.) (гидр51). Ацетил-КоА будучи активным соединением, вовлекается в цикл Кребси.

реакции этерификации – нуклеофильного замещения (S_N) у sp²-гибридизованного атома углерода. (уксусная кислота + метанол = метилацетат (гидр52)). Механизм реукции нуклеофильного замещения (гидр 53)

реакции окисления. Рассмотрим на примере гидроксокислот. Окисление гидроксокислот протекает аналогично окислению вторичных спиртов с участием ферментов – дегидрогеназ.

• (молочная = ПВК + НАДН + Н⁺) гидр 54

• (-гидроксимасляная = ацетоуксусная + НАДН + Н⁺) гидр 55Таким образом, при окислениии гидроксокислот с участием ферментов – дегидрогеназ образуются кетокислоты.

Пути превращения ацетоуксусной кислоты в организме:

В норме она подвергается гидролитическому расщеплению с участием фермента гидролазы, при этом образуются 2 молекулы уксусной кислоты.

При патологии фцетоуксусная кислота декарбоксилируется с образованием ацетона.

Кетоновые тела накапливаются в крови больных сахарным диабетом, обнаруживаются в моче, они токсичны, особенно для нервной системы.

Медикобиологическое значение карбоновых кислот.

Салициловая кислота и фарм препараты на её основе в медицинской практике используются наружно при кожных заболеваниях в качестве отвлекающего и антисептического средства. Внутрь салициловая кислота не применяется, т.к. обладает выраженными кислотными свойствами (рК_а=2,98). При приёме внутрь она может вызвать раздражение пищеварительного тракта. На основе салициловой кислоты готовят фармпрепараты:

1. салицилат натрия. Применяется внутрь, как жаропонижающее и противовоспалительное средство.

2. фенолсалицилат (салол) гидр 60 Салол в медицине применяется внутрь, как антисептик при заболеваниях кишечника (колитах) и мочевыводящих путей (циститах). Салол примечателен тем, что в кислой среде желудка он не гидролизуется и распадается только в кишечнике, поэтому применяется для изготовления оболочек лекарственных препаратов.

3. метилсалицилат (гидр61). В медицинской практике применяется наружно при артритах и радикулитах в качестве обезболивающего и противовоспалительного средства.

4. ацетилсалициловая кислота (аспирин) гидр62. Применяется внутрь, как жаропонижающее, обезболвающее и противовоспалительное средство.

5. пара-аминосалициловая кислота (ПАСК). обладает противотуберкулёзным действием. В медицинской практике обычно используется в виде натриевой соли – парааминсалицилата натрия.

Структурный изомер парааминсалициловой кислоты – метааминосалициловая кислота высокотоксична и в качестве лекарственных препаратов не используется.

НСООН – при попадании на кожу вызывает ожог – в медицинской практике используется наружно, в виде спиртовых растворов при ревматических болезнях.

СН₃СООК – ацетат калия, пименяется для лечения отёков.

(СН₃СОО)₂Pb*3Н₂О – тригидрат ацетата свинца; СН₃СООPbОН – основной ацетат свинца. Эти препараты применяются наружно в качестве вяжущих стедств при воспалительных процессах кожи и слизистых оболочек.

Изовалериановая кислота – содержится в корнях валерианы, входит в состав валидола.

СаС₂О₄ – оксолат кальция – в организме участвует в образовании камней в почках и мочевом пузыре.

Дикарбоновые кислоты:

Янтарная и глутаровая лежат в основе биологически важных -аминокислот: аспаргиновой и глутаминовой.

Молочная кислота образуется в результате молочнокислого брожения углеводов, например: глюкозы.

Молочная кислота содержится в кисломолочных продуктах, квашеной капусте, солёных овощах. Молочная кислота обнаруживается в желудочном содержимом при пониженной кислотности желудка. В норме в желудочном соке молочной кислоты быть не должно.

Соль молочной кислоты – лактат кальция – в медицинской практике используется при аллергических кожных заболеваниях, воспалениях, переломах, кровотечениях, а так же в качестве противоядия при отравлениях щавелевой кислотой и другими веществами.

Яблочная кислота (гидр73) содержится в яблоках, рябине, фруктовых соках в организме участвует в обменных процессах. Лимонная кислота (гидр74) – содержится в цитрусовых, винограде, крыжовнике. Её соль – цитрат натрия – используется в медицине, как консервант крови.