Главная страница
Медицина
Экономика
Финансы
Биология
Сельское хозяйство
Ветеринария
Юриспруденция
Право
Языки
Языкознание
Философия
Логика
Этика
Религия
Социология
Политология
История
Информатика
Физика
Вычислительная техника
Математика
Искусство
Культура
Энергетика
Промышленность
Химия
Связь
Электротехника
Автоматика
Геология
Экология
Строительство
Механика
Начальные классы
Доп
образование
Воспитательная работа
Русский язык и литература
Классному руководителю
Другое
Дошкольное образование
Казахский язык и лит
Физкультура
Школьному психологу
Технология
География
Директору, завучу
Иностранные языки
Астрономия
Музыка
ОБЖ
Социальному педагогу
Логопедия
Обществознание

Бифункциональные кислоты. 1. Гидроксикислоты


Скачать 30.62 Mb.
Название1. Гидроксикислоты
АнкорБифункциональные кислоты.rtf
Дата24.04.2017
Размер30.62 Mb.
Формат файлаrtf
Имя файлаБифункциональные кислоты.rtf
ТипДокументы
#2735

1. Гидроксикислоты
Соединения этого класса являются достаточно простыми представителями природных соединений, они весьма часто встречаются в самых различных природных источниках. Гидроксиалкановые кислоты были выделены из ланолина, пчелиного воска, коры, корней, воскообразного слоя листьев, семян, бактерий и грибов. Наиболее часто встречаются б-гидроксикислоты, a в комбинации со сфингозинами животных и фитосфингозинами растений и Микроорганизмов они, очевидно, входят в состав всего живого.

В-гидроксикислоты играют важную роль в биосинтезе и катаболизме жирных кислот. Жирные кислоты с длинной цепью с одной и более гидроксильными группами обнаружены в жирах растительного и животного происхождения. В таких молекулах гидроксильные функции находятся, главным образом, на некотором расстоянии от карбоксильной группы.

Некоторые оксикислоты являются ключевыми соединениями на главных путях биосинтеза, пантовая кислота входит в состав кофермента А. Простейшая оксикислота гликолевая, НО-СН2-СООН, содержится в незрелом винограде, свекле, сахарном тростнике. Природная яблочная кислота, имеющая конфигурацию, содержится в кислых плодах, таких как незрелые яблоки, крыжовник, рябина, ревень. Лимонная кислота — важный продукт обмена веществ в живых организмах, некоторыми растениями накапливается в значительных количествах — в плодах цитрусовых — 6-8%, в листьях махорки — 8-14%, культуральными жидкостями некоторых бактерий — до 10%.

Следует отметить доступность многих гидроксикислот в лабораторных синтезах, а некоторых и в более крупных масштабах, что позволяет в ряде случаев использовать в практических целях синтетические вещества этого класса вместо труднодоступных соединений, полученных из природных источников.

Классификация гидроксикислот построена по общему принципу классификации бифункциональных соединений — согласно взаимному расположению функциональных групп при углеродной цепи и количеству этих функциональных групп. Очень многие природные гидроксикислоты имеют тривиальные названия, которые прочно укоренились в химической и биохимической практике.

В структурном плане для этих соединений характерно появление молекулярного асимметрического центра, что позволяет присутствовать им в природных источниках в трех формах- -изомера, -изомера и -изомера. К примеру, молочная кислота образуется при молочнокислом брожении лактозы в виде рацемической смеси, тогда как в животном организме в результате гликолиза образуется -О-молочная кислота, которая накапливается в мышцах при интенсивной работе, вызывая характерную мышечную боль.
Молекула винной кислоты, образующаяся в процессе брожения виноградного сока, имеет два асимметрических центра, а так как каждый из них может иметь D- и L-конфигурации, то это соединение принципиально может образовать уже четыре конфигурационных изомера:,, и. Так как в молекуле винной кислоты оба асимметрических центра имеют одинаковое окружение и собственно одинаковое вращение, т.е. D=D' и L=L\ то изомеры и идентичны между собой и оптически неактивны. Фактически молекула этой конфигурации имеет плоскость симметрии и молекулярная асимметрия в ней исчезает. Такой изомер, представляющий собой как бы внутримолекулярный рацемат, называют мезоформой. Этерификация одной карбоксильной группы мезоформы винной кислоты приводит к нарушению симметрии молекулы и, соответственно, к возникновению оптической активности у изомеров и.

Та винная кислота, которая образуется при брожении виноградной кислоты, имеет -0-конфигурацию, еще ее называют виннокаменной кислотой. Остальные изомеры получают рацемизацией природной -0-винной кислоты, которая при кипячении со щелочью образует смесь D, L-рацемата и мезоформы Процесс рацемизации винной кислоты обусловлен ее С-Н-кислыми свойствами — в щелочной среде она образует карбанион, который легко инвертирует.

Таким образом, мы получаем общую картину конфигурационной изомерии молекул с двумя асимметрическими центрами, согласно которой такие соединения могут существовать в четырех стереоизомерных формах — паратреоизомеров и пара-эритро-изомеров. Мезоформа, являющаяся результатом идентичности двух асимметрических центров, представляет собой частный случай эритроформы.

Треоизомеры являют собой пару энантиомеров, также как и эритро-изомеры. Относительно друг друга трео-и эритроизомеры определяются как диастереомеры. Если известно, что энантиомеры являются друг относительно друга оптическими антиподами, т.е. различаются только по своему отношению к плоскополяризованному свету, то диастереомеры различаются между собой целым рядом физических и химических свойств, так как они имеют различное взаимное расположение функциональных групп внутри молекул, а следовательно отличаются молекулярной формой, геометрическими параметрами, взаимным влиянием несвязанных атомов.

По химическим свойствам оксикислоты являют сумму свойств спиртов и карбоновых кислот, сочетая эти свойства в одной молекуле, и в то же время они проявляют ряд новых свойств, обязанных взаимному влиянию функциональных групп друг на друга или взаимодействию этих групп между собой. К таким появляющимся новым свойствам можно отнести: образование циклических диэфиров, лактидов из боксикислот и легкость их окисления до кетокислот; легкость реакций в-элиминирования в случае в-оксикислот; образование внутримолекулярных сложных эфиров из г-оксикислот. б-Оксикислоты образуют комплексные соединения хелатного типа.




Часто лактонная форма для г-окси-кислот является даже более выгодной, чем оксикислотная, и г-оксикислоты самопроизвольно переходят в циклическую форму. Это характерно для таких известных соединений этого класса как пантовая кислота, многие сескви-терпены. Стабильными макроцикличес-кими лактонами представлены некоторые антибиотики и длинноцепочечные оксикислоты из группы мускусов; легко образует лактон и мевалоновая кислота.

Особые, в какой-то мере, специфические свойства проявляют оксикислоты, являющиеся интермедиатами различных биосинтетических реакций при ферментативном катализе invivo.

Глицериновая кислота в этих условиях обычно фигурирует в виде 3-фосфата, т.е. она избирательно этерифицируется фосфорсодержащими реагентами в присутствии ферментов по первой спиртовой группе. На следующем этапе 3-фосфат глицериновой кислоты элиминирует фрагмент фосфорной кислоты, образуя а-гидрокси-акриловую кислоту, которая сразу же изомеризуется в пировиноградную кислоту.

Но этот последний процесс является обратимым, и в условиях кислотно-основного катализа доля непредельной гидроксикислоты может быть существенной, хотя термодинамически более стабильна в данном случае б-кетокислота В свою очередь, енольная форма этой кислоты может быть стабилизирована, зафиксирована реакцией ее этерифика-ции фосфорной кислотой Таким образом, глицериновая кислота является источником двух новых соединений кислотного типа, а если учесть еще реакцию восстановления карбоксильной группы до альдегидной, то уже трех веществ, которые известны ка к важные промежуточные продукты основных химических процессов invivo. Следует заметить, что в заметных количествах они в организмах не накапливаются.




Из природных оксикислот можно выделить мевалоновую, являющуюся ключевым соединением биосинтеза изопре-ноидов, легко претерпевающую invivoсинхронное элиминирование фрагментов С02 и Н20, образуя при этом пирофосфатное производное 2-метил-бутенола, с которого и начинаются процессы формирования изопреноидных углеродных систем.

Хинная кислота, являясь исходным соединением биосинтеза ароматических кислородсодержащих соединений, может накапливаться в некоторых растениях в заметных количествах. Но основное предназначение этой кислоты — образование шикимо-вой кислоты, ключевого интермедиа-та вышеуказанных синтезов, с последующим переходом к бензольным производным, используя реакции дегидратации и дегидрогенизации.
2. Оксокислоты
Оксокислоты в природе распространены значительно меньше, чем гидроксикислоты, они редко встречаются в свободном состоянии, не накапливаются в организмах, хотя и образуются на различных стадиях биосинтеза. По поводу последнего факта нужно отметить, что в биосинтезе они играют зачастую важнейшую роль, являясь ключевыми соединениями ряда биосинтезов.

Классифицируют оксокарбоновые кислоты, как и все бифункциональные соединения, согласно взаимному расположению функциональных групп, подразделяя их при этом на альдегидо- и кетонокислоты. Многие оксокислоты носят тривиальные названия.

В структурном плане оксокислоты несколько более примитивны, чем оксикислоты — сказывается потеря асимметрического центра при переходе от гидроксикислот к оксокислотам. Так, при окислении любой формы молочной кислоты мы получим одну единственную пировиноградную кислоту. Но в тоже время, этот класс бифункциональных соединений отличается большим разнообразием химических реакций, химических особенностей, обязанных взаимному влиянию карбонильной и карбоксильной групп.




В случае б-оксокислот можно отметить легкость присоединения нуклео-фильных реагентов по карбонильной группе и легкость реакций декарбоксилирова-ния — пировиноградная кислота в условиях окислительного ферментатив-но катализируемого декарбоксилиро-вания образует уксусную кислоту. Мезоксалевая кислота сочетает в себе легкость протекания обоих этих процессов — она существует только в виде гидратированного аддукта и в водном растворе легко разлагается на глиоксалевую кислоту и двуокись углерода.

Пировиноградную кислоту следует выделить из всех б-оксокислот еще и как источник весьма существенных биологически активных соединений, получаемых invivoв результате реакции нуклеофильного присоединения по карбонильной группе и последующих преобразований. С таким реагентом как аммиак, она в несколько стадий, включая еще реакции дегидратации и восстановления, образует важную б-аминокислоту аланин; а при взаимодействии с тиолом ферментной природы, коферментом-А, через стадии присоединения, декарбоксили-рования и восстановления, образует ацетилированный кофермент-А — важнейший интермедиат многих биосинтетических реакций.

В случае в-кетокислот, на примере ацетоуксусного эфира, мы наблюдаем интереснейшее явление двойственной реакционной способности, называемое таутомерией. Применительно к указанному классу соединений, это явление названо кето-енольной таутомерией. Суть данного явления заключается в следующем: карбонильная и карбоксильная функции, будучи сильными электроноакцепторами, оголяют протоны метиленовой группы, расположенной между ними, что делает их кислыми. В силу этого водород в виде катиона может мигрировать к карбонильному кислороду несущему на себе избыточную электронную плотность; синхронно этому переходу электронная плотность карбонильной группы и у-связей метиленового фрагмента перераспределяется так, как это указано на схеме 2.2.4, образуя систему енола

Процесс является обратимым, поскольку гидроксил при тригональном углероде всегда достаточно кислый и его протон может осуществлять, в свою очередь, электрофильную атаку по С=С связи. Оба эти процесса совершаются столь медленно, что тау-томеры могут быть разделены либо кристаллизацией, либо фракционной перегонкой Но через некоторое время индивидуальные изомеры при стоянии снова превращаются в равновесную смесь соединений кетонной и енольной структуры Таким образом, ацетоуксусный эфир, кроме свойств кетонов и сложных эфиров, обнаруживает еще свойства непредельных соединений, спиртов и фенолов, так как гидроксил при двойной связи ведет себя так же, как и при ароматическом кольце

Следует отметить, что кето-енольная таутомерия проявляется и в свойствах вышеописанной пировиноградной кислоты, и хотя доля енольной формы у нее незначительна, в реакциях она реализуется часто как основная.



Для г- и д- оксокислот характерны как кето-енольная, так и кольчато-цеп-ная таутомерия. Результатом последней, в случае левулиновой кислоты, является гидроксилактон, наиболее устойчивая таутомерная форма этого соединения, которая достаточно легко отщепляет воду в присутствии водоот-нимающих агентов, образуя непредельные г-лактоны.
3. Аминоспирты
Алифатические соединения, содержащие амино- и гидрокси- группы, называемые аминоспиртами, классифицируют согласно взаимному расположению этих функциональных групп. 1,1-Аминоспирты — соединения достаточно нестабильные, не встречающиеся в природе, имеют значение как промежуточные в различных органических реакциях. Для химии природных соединений определенное значение имеют 1,2-аминоспирты, среди которых наибольшее значение имеет в-этаноламин, встречающийся достаточно часто в виде производных в связанном виде.

в-Этаноламин сочетает в себе свойства первичных спиртов и первичных аминов, обе эти группы в какой-то мере близки по своим свойствам: обе они выполняют электронодонорные функции, могут образовывать водородные связи, проявлять кислотные свойства, являются эффективными нуклеофила-ми. Присутствие и взаимное влияние этих двух функций внутри одной молекулы приводит к затруднению реакций, характерных для класса спиртов и класса аминов — в-этаноламины труднее дегидратируются, этерифицируются или Н-алкилируются. Те же реакции, которые реализуются, носят часто конкурентный характер. Так, при взаимодействии в-этаноламинов с минеральными кислотами может реализоваться как солеобразование по аминогруппе, так и нуклеофильное замещение спиртового гидроксила. При их реакции с карбоновыми кислотами возможно ацилирование обеих функциональных групп, то же самое возможно и при реакциях алкилирования.

Из приведенных на схеме 2.3.1 производных в-этаноламина следует отметить в первую очередь ацетилхолин, выполняющий в организмах теплокровных важнейшую функцию нейромеди-атора. Холин также далеко неэкзотичен в живой природе: он широко распространен в животных и растительных тканях, а также в микроорганизмах; особо высоко содержание его в нервной ткани мозга, печени, почек и мышцы сердца. Важное значение имеет также О-фосфат этаноламина, сочетающий в себе основную и кислотную функции и существующий в виде цвиттериона.

Этот цвиттерионный фрагмент — фрагмент, обладающий высокой гид-рофильностью — характерен для фос-фолипидов и соответственно липидных мембран. В некоторых биосинтетических реакциях, в частности, при биосинтезе некоторых аминокислот, в качестве донора метильных групп принимает участие бетаин.

Другой важной группой природных аминоспиртов являются сфингозины — составная часть сфинголипидов, выделенных впервые из тканей мозга, но впоследствии обнаруженных во многих животных и растительных источниках.

Производными в-аминоспиртов являются алкалоиды семейства эфедро-вых — эфедрин, норэфедрин, Н-метилэ-федрин. Среди них наиболее известен эфедрин, используемый в медицинской практике в качестве сосудосуживающего и бронхорасширяющего средства, его применяют при лечении аллергических заболеваний, а также как стимулятор центральной нервной системы и при отравлении некоторыми наркотиками, так как он является их антагонистом.




Из аминоспиртов растительного происхождения следует отметить мус-карин, содержащийся в мухоморе красном, являющийся имитатором ацетилхолина. В малых дозах он понижает у человека артериальное давление, амплитуду и частоту сердечных сокращений; в больших дозах вызывает спазмы мышц, судороги, коматозное состояние.

Аминоспирты животного происхождения представлены катехоламинами, осуществляющими регуляцию функций эндокринных желез и передачу нервных импульсов. В первом случае они рассматриваются как гормоны, во втором случае — как нейромедиаторы. Соединения этой группы, кроме спиртового гидроксила, имеют еще и фенольные функции. Биогенные катехоламины представлены тремя соединениями: дофамин, норадреналин, адреналин.

Роль этих веществ в жизнедеятельности животных важна и разнообразна. Дофамин стимулирует секрецию соматотропина и подавляет секрецию пролактина, он также регулирует уровень глюкозы в крови, диурез, кровоток в почках; нарушение синтеза дофамина в мозгу — причина возникновения болезни Паркинсона. Норадреналин участвует в передаче нервных импульсов, воздействует на мышцы кровеносных сосудов, сужая их и повышая тем самым артериальное давление. Адреналин также способствует сужению мелких кровеносных сосудов, вызывает усиление работы сердца, расслабляет мускулатуру бронхов и кишечника. При эмоциональных переживаниях, особенно в стрессовых ситуациях, усиленной мышечной работе, охлаждении и ф д. содержание адреналина в крови резко возрастает, что обеспечивает адаптацию организма к новым условиям.
написать администратору сайта