Гидрокси-, или оксикислоты

ЛЕКЦИЯ 7

Гетерофункциональные соединения

Это соединениея, 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

НООС–

ОН

Изомерия

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

СН₃–СН₂– , СН₃– –СН₂ –СООН, –СН₂–СН₂–СООН,

a-оксимасляная к-та b-оксимасляная к-та g-оксимасляная к-та

a-оксиизомасляная к-та

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

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

Винная к-та имеет два ассиметрических 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.

Мезовинная к-та 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 ассиметрическими 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 св-ва

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

R – – I, – М

–I –I, +М

I. Р-ции по гр. –СООН

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

1) СН₃– Û СН₃– + Н⁺.

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, a-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) СН₃– + NaOH ® СН₃– +Н₂О.

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:

НООС - - + КОН КООС - - ¯

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) СН₃– + 2РС1₅ СН₃– + 2РОС1₃ + 2НС1

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.

1) СН₃– + О СН₃– .

b-гидроксимасляная к-та Ацетоуксусная к-та (АУК)

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

НООС– + О НООС –

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 хлоргидрида к-ты:

СН₃– + С1 – СН₃

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

4) 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 a-, b-, g-оксикислот

Вследствии 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 a-оксик-ты при нагревании выделяют две молекулы воды и образуются ЛАКТИДЫ:

Молочная к-та

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

b-оксимасляная к-та

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

НООС–

Яблочная к-та Фумаровая к-та

в) g-, d- и т.д. оксик-ты, в которых две функциональные группы находятся рядом идет внутримолекулярная этерификация с образованием ЛАКТОНА:

g-Масляная к-та g-Бутиролактон

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

g-Бутиролактон 4-Гидроксибутаноат натрия

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

СН₃ – СНОН – СООН СН₃ – СН₂ОН

Молочная к-та Этанол

В организме эта р-ция протекает под действием фермента.

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

R R - + H -

a-Оксик-та Альдегид Муравьиная к-та

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

Лимонная к-та Ацетондикарбоновая Ацетон

к-та

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

НООС–СН₂ НООС–СН₂

Аконитовая к-та

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

Отдельные представители

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 рацелическая 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.

НОСН₂– СН₂– СН₂СООН g-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.

НООССН(ОН)СН₂СООН яблочная к-та содержит один ассиметрический атом С, поэтому возможно существование ее в виде пары энантиомеров. В 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 содержит два центра хиральности и теоретически должна существовать в виде четырех стереоизомеров. Однако две формы этой к-ты соответствуют одному соединению (имеется плоскость симметрии) – оптически неактивной мезовинной к-те. Мезовинная к-та по отношению к двум другим формам D– и L–винной к-ты является диастереомером. Таким образом, 2,3-дигидроксибутандионовая к-та (a,a^¢-дигидроксиянтарная к-та) существует в виде трех стереоизомеров. Кроме того известен рацемат – смесь равных количеств D– и L–винной к-т, называемая виноградной к-той. Большие заслуги в изучении стереохимии винных к-т принадлежат французскому естествоиспытателю Л. Пастеру (1822–1895).

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. Соли и сложные эфиры винной к-ты наз-ся тартратами.

Винная к-та в смеси с содой NaНСО₃ под названием «шипучие порошки» применяются как слабительное средство.

НООССН₂С(ОН)(СООН)СН₂СООН лимонная к-та (2-гидроксипропан-1,2,3-трикарбоновая к-та) – бесцветное кристалическое 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.