 |
16.Гетерофункциональные органические соединения (кетокислоты, гидроксикислоты, аминокислоты, аминофенолы, аминоспирты. Привести примеры.
|
|
|
|
13. Реакционные центры в молекулах карбоновых кислот: ОН-кислотный, СН-кислотный, электрофильный. Изменение кислотных свойств в гомологическом ряду карбоновых кислот и при введении в боковой радикал электроноакцепторного заместителя..
Особенности электронного строения карбоновых кислот обусловливают существование нескольких реакционных центров:
ОН-кислотный центр, обусловленный сильной поляризацией связи О-Н;
• электрофильный центр - атом углерода карбоксильной группы;
• n- основный центр - атом кислорода карбонильной группы с неподеленной парой электронов;
• слабый СН-кислотный центр, проявляющийся только в производных кислот, так как в самих кислотах имеется несравненно более сильный ОН-кислотный центр.
Кислотные свойства карбоновых кислот проявляются в их способности отщеплять протон. Повышенная подвижность водорода обусловлена полярностью связи О-Н за счет р, п-сопряжения.
Длина и разветвленность насыщенного алкильного радикала не оказывает существенного влияния на кислотные свойства карбоновых кислот. В целом алифатические монокарбоновые кислоты обладают практически одинаковой кислотностью (pKa 4, 8-5, 0), за исключением муравьиной кислоты, у которой кислотность на порядок выше. На кислотность карбоновых кислот значительно влияют заместители, введенные в углеводородный радикал. Независимо от механизма передачи электронного влияния заместителя в радикале (индуктивного или мезомерного), электроноакцепторные заместители способствуют делокализации отрицательного заряда, стабилизируют анионы и тем самым увеличивают кислотность. Электронодонорные заместители, напротив, ее понижают.
|
|
|
14. Образование сложных эфиров, тиоэфиров, амидов, ангидридов, галогенгидридов карбоновых кислот. Ацетилкофермент А in vivo как переносчик ацильных групп на нуклеофильные субстраты.
Образование амидов. При действии на карбоновые кислоты аммиака (газообразного или в растворе) непосредственно замещения группы ОН не происходит, а образуется аммониевая соль. Лишь при значительном нагревании сухие аммониевые соли теряют воду и превращаются в амиды
Образование ангидридов кислот. Нагревание карбоновых кислот с оксидом фосфора(V) приводит к образованию ангидридов кислот
Образование тиоэфиров. конденсация карбоновых кислот в присутствии водоотнимающих реагентов[2] (например, N, N'-дициклогексилкарбодиимида[3] (DCC, ДЦК):
RSH + R’CO2H → RSC(O)R' + H2O
При всей сложности строения молекулы ацетилкофермента А с позиций химического подхода можно определить, что этот кофермент функционирует как тиоэфир.
В качестве тиола, участвующего в его образовании, выступает кофермент А (сокращенно обозначаемый CoASH), молекула которого построена из остатков трех компонентов - 2-аминоэтантиола, пантотеновой кислоты и аденозиндифосфата (дополнительно фосфорилированного по положению 3 в рибозном фрагменте). Аденозиндифосфат (АДФ) рассмотрен в дальнейшем как представитель другой важной группы коферментов - нуклеозидполифосфатов (см. 14. 3. 1). Пантотеновая кислота образует, с одной стороны, амидную связь с 2-аминоэтанти- олом, а с другой - сложноэфирную связь с остатком АДФ.
Ацетилкофермент А in vivo является переносчиком ацетильных групп на нуклеофильные субстраты.
15. Двухосновные карбоновые кислоты: щавелевая, малоновая, янтарная, глутаровая, фумаровая. Оксалаты. Декарбоксилирование щавелевой и малоновой кислот. Превращение янтарной кислоты в фумаровую. Биологическое значение.
|
|
|
| Название кислоты | Формула | Название аниона или основы сложного эфира |
| Щавелевая (этандиовая) Малоновая (пропандиовая) Янтарная (бутандиовая) Глутаровая (пентандиовая) | НООС-СООН НООССН2СООН НООС(СН2)2СООН НООС(СН2)3СООН | Оксалат Малонат Сукцинат Глутарат |
Щавелевая кислота - простейшая двухосновная кислота. Некоторые ее соли, например оксалат кальция, трудно растворимы и часто образуют камни в почках и мочевом пузыре (оксалатные камни).
Янтарная кислота в заметном количестве была обнаружена в янтаре, откуда получила название сама кислота и ее производные сукцинаты (от лат. succinium - янтарь).
Малеиновая и фумаровая кислоты - представители ненасыщенных дикарбоновых кислот с одной двойной связью. Фумаровая кислота участвует в обменных процессах, протекающих в организме.
Кислотные свойства. С накоплением кислотных групп увеличиваются кислотные свойства соединений. Кислотность дикарбоновых кислот больше, чем монокарбоновых. Так, щавелевая кислота (pKa 1, 23) значительно сильнее уксусной (pKa 4, 76), что связано с -/- эффектом группы СООН, и благодаря этому более полной делокализации отрицательного заряда в сопряженном основании.
Влияние заместителя наиболее отчетливо проявляется при его близком расположении к кислотному центру.
Декарбоксилирование. При нагревании с серной кислотой щавелевая кислота декарбоксилируется, а образовавшаяся муравьиная кислота разлагается далее.
Малоновая кислота легко декарбоксилируется при нагревании выше 100? С
Малеиновая и фумаровая кислоты проявляют сходные химические свойства: вступают в реакции, свойственные соединениям с двойной связью (обесцвечивание бромной воды, водного раствора перманганата калия) и соединениям с карбоксильными группами (образуют два ряда производных - кислые и средние соли, эфиры и т. п. ). Однако только одна из кислот, а именно малеиновая, в относительно мягких условиях претерпевает внутримолекулярную циклизацию с образованием циклического ангидрида. В фумаровой кислоте вследствие удаленности карбоксильных групп друг от друга в пространстве образование циклического ангидрида невозможно.
Окисление янтарной кислоты in vivo. Дегидрирование (окисление) янтарной кислоты в фумаровую, катализируемое в организме ферментом, осуществляется с участием кофермента ФАД. Реакция протекает стереоспецифично с образованием фумаровой кислоты (в ионной форме - фумарат).
|
|
|
Сукцинатдегидрогеназа ( КФ 1. 3. 99. 2) катализирует превращение янтарной кислоты в фумаровую. Кофактором фермента является ФАД. Фермент прочно связан с внутренней мембраной митохондрий.
Малоновая кислота в малых концентрациях ( 0 01 М) является высокоспецифичным ингибитором одной из стадий постулированной схемы реакций, а именно стадии превращения янтарной кислоты в фумаровую. Введение малоновой кислоты в дышащую дыхательную систему приводит к уничтожению отмеченного каталитического эффекта и накоплению янтарной кислоты
16. Гетерофункциональные органические соединения (кетокислоты, гидроксикислоты, аминокислоты, аминофенолы, аминоспирты. Привести примеры.
Гетерофункциональными называют соединения, в молекулах которых имеются различные функциональные группы.
Аминоспиртами называют соединения, содержащие в молекуле одновременно амино- и гидроксигруппы.
Эти две функциональные группы непрочно удерживаются у одного атома углерода, в результате чего происходит отщепление аммиака или воды. Простейшим представителем аминоспиртов является 2-аминоэтанол - соединение, в котором обе группы расположены у соседних атомов углерода. 2-Аминоэтанол (тривиальное название коламин) является структурным компонентом сложных липидов - фосфатидилэтаноламинов (см. 10. 4. 1).
С сильными кислотами 2-аминоэтанол образует устойчивые соли.
Важная роль в организме принадлежит аминоспиртам, содержащим в качестве структурного фрагмента остаток пирокатехина. Они носят общее название катехоламинов. К этой группе относятся представители образующихся в организме биогенных аминов. К катехоламинам принадлежат дофамин, норадреналин и адреналин, выполняющие, как и ацетилхолин, роль нейромедиаторов. Адреналин участвует в регуляции сердечной деятельности, при физиологических стрессах он выделяется в кровь («гормон страха»).
|
|
|
Гидроксикислотами называют соединения, содержащие в молекуле одновременно гидроксильную и карбоксильную группы. Аминокислоты содержат в молекуле аминогруппу и карбоксильную группу.
В алифатическом ряду по взаимному расположению функциональных групп различают α -, β -, γ - и т. д. гидрокси- и аминокислоты. Буквой греческого алфавита указывают положение другой функциональной группы относительно карбоксильной, при этом отсчет ведется от ближайшего к карбоксильной группе атома углерода, т. е. от атома С-2. Отметим, что в заместительной номенклатуре для замещенных карбоновых кислот локанты α -, β -, γ - и т. д. не употребляются.
Кислотно-основные свойства. В гетерофункциональных соединениях в зависимости от природы функциональных групп и их местоположения в молекуле возможно усиление или, наоборот, ослабление некоторых свойств, характерных для монофункциональных соединений. Например, кислотность гидроксикислот выше, чем незамещенных кислот. Аминокислоты, содержащие одновременно кислотные и основные фунциональные группы, проявляют амфотерные свойства, т. е. способность взаимодействовать как с кислотами, так и с основаниями. В нейтральных водных растворах или кристаллическом состоянии аминокислоты существуют преимущественно в форме внутренних солей (диполярных ионов), как показано на примере γ -аминомасляной кислоты.
α -Гидрокси- и α -аминокислоты. У α -гидроксикислот и α -аминокислот функциональные группы близки, но внутримолекулярного взаимодействия между ними не происходит из-за неустойчивости трехчленных циклов, которые могли бы при этом образоваться. При нагревании α -гидрокси- и α -аминокислоты претерпевают межмоле- кулярную циклизацию с образованием продуктов, называемых соответственно лактидами и дикетопиперазинами (последнее - от названия шестичленного гетероцикла с двумя атомами азота - пиразина).
Лактиды содержат две сложноэфирные группы, дикетопиперазины - две амидные группы.
Лактиды и дикетопиперазины, являясь сложными эфирами или амидами соответственно, в условиях кислотного или основного ката- лиза способны гидролизоваться с образованием исходных α -гидрокси- или α -аминокислот.
Особое свойство α -гидроксикислот заключается в их способности разлагаться при нагревании в присутствии минеральных кислот с образованием карбонильных соединений и муравьиной кислоты.
Молочная кислота известна как продукт молочнокислого брожения лактозы, содержащейся в молоке, и других углеводов, входящих в состав овощей и плодов.
|
|
|
В организме L-(+)-молочная кислота является одним из продуктов превращения глюкозы (гликолиза). Она накапливается в мыш- цах при интенсивной работе, вследствие чего в них возникает характерная боль. Причина накопления молочной кислоты - недостаток
кислорода, что вызывает восстановление пировиноградной кислоты с участием НАДН в молочную.
Во время отдыха запасы кислорода возобновляются, и молочная кислота окисляется снова в пировиноградную кислоту.
Яблочная кислота в значительных количествах содержится в незрелых яблоках, рябине, фруктовых соках. В организме l-яблочная кислота образуется путем гидратации фумаровой кислоты.
Лимонная кислота содержится в плодах цитрусовых (лимоны, апельсины), винограде, крыжовнике, а также в листьях табака.
Биосинтез лимонной кислоты происходит по типу альдольной конденсации из щавелевоуксусной кислоты и ацетилкофермента А
Оксокислотами называют соединения, содержащие в молекуле одновременно карбоксильную и альдегидную (или кетонную) группы.
В соответствии с этим различают альдегидокислоты и кетонокислоты.
Важную роль в биохимических процессах играют кетонокислоты - пировиноградная, ацетоуксусная и щавелевоуксусная
Пировиноградная кислота является одним из промежуточных продуктов молочнокислого и спиртового брожения углеводов. Своим названием пировиноградная кислота обязана тому, что впервые была выделена при пиролизе виноградной кислоты.
Пировиноградная кислота декарбоксилируется при нагревании с разбавленной и декарбонилируется (отщепляет СО) - с концент- рированной серной кислотой
Щавелевоуксусная кислота одновременно является α - и β -оксокислотой. Она образуется при окислении яблочной кислоты.
Бензойная кислота. Применяется в виде натриевой соли как отхаркивающее средство. В свободном виде бензойная кислота встречается в некоторых смолах и бальзамах, а также в клюкве, бруснике, но чаще
содержится в связанном виде, например в виде N-бензоильного производного аминоуксусной кислоты, называемого гиппуровой кислотой. Эта кислота образуется в печени из бензойной и аминоуксусной (глицин) кислот и выводится с мочой. В клинической практике по количеству гиппуровой кислоты в моче больных (после приема бензоата натрия) судят об эффективности обезвреживающей функции печени.
и-Аминофенол и его производные. Как гетерофункциональное соединение п-аминофенол может образовывать производные по каждой функциональной группе в отдельности и одновременно по двум функциональным группам. Сам п-аминофенол ядовит; интерес для медицины представляет его производное - парацетамол, оказывающий анальгетическое (обезболивающее) и жаропонижающее действие.
Салициловая кислота и ее производные. Салициловая кислота (см. 8. 1) относится к группе фенолокислот. Как соединение с орто- расположением функциональных групп она декарбоксилируется при нагревании с образованием фенола.
Салициловая кислота умеренно растворима в воде, дает интенсивное окрашивание с хлоридом железа(Ш), на чем основано качественное обнаружение фенольной гидроксильной группы. Салициловая кислота проявляет антиревматическое, жаропонижающее и антигрибковое действие, но как сильная кислота (рKа 3, 0) вызывает раздражение желудочно-кишечного тракта и поэтому применяется только наружно. Внутрь применяют ее производные - соли или эфиры.
Салициловая кислота способна образовывать производные по каждой функциональной группе. Практическое значение имеют салицилат натрия, сложные эфиры по карбоксильной группе - метилсалицилат, фенилсалицилат (салол), а также по гидроксильной группе - ацетилсалициловая кислота (аспирин
|
|
|
