1 Оптическая изомерия. Гидрокси – и оксокислоты.
4._opticheskaya_izomeriya.ppt
- Размер: 13.1 Мб
- Автор:
- Количество слайдов: 116
Описание презентации 1 Оптическая изомерия. Гидрокси – и оксокислоты. по слайдам
1 Оптическая изомерия. Гидрокси – и оксокислоты. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса Кафедра общей и медицинской химии Лекция
2 Оптическая изомерия. Оптическая активность — это свойство отклонять плоскость поляризованного света, а вещества которые проявляют оптическую активность называются оптически активными. Призма Николя
3 Оптической активностью обладают вещества, которые представляют собой хиральные объекты. (Термин был предложен лордом Кельвином в конце XIX века. ) Cheir (греч. ) рука. ( Хирург, хиромантия) Хиральными — называют объекты, для которых отсутствуют ось и плоскость симметрии. Они оказываются несовместимыми со своим зеркальным изображением.
ХИРАЛЬНОСТЬ свойство молекулы быть несовместимой со своим зеркальным отражением любой комбинацией вращений и перемещений в трёхмерном пространстве.
5 В органических молекулах хиральным объектом является am ом С, окруженный 4 -мя различными заместителями (С в sp 3 гибридизации). Этот атом называется асиметрическим (Вант-Гофф, конец XIX в. )
Якоб Хендрик Вант-Гофф (1852— 1911) Был первым Нобелевским лауреатом(1901) по химии за открытие законов химической динамики и осмотического давления Лорд Кельвин (Вильям Томсон) (1824 — 1907 ) В круг научных интересов Томсона входили термодинамика, гидродинамика, электромагнетизм, теория упругости, теплота, математика, техника.
7 Если молекула имеет один такой атом, то она хиральна, а растворы такого вещества, проявляют оптическую активность. Хиральные молекулы всегда имеют своих зеркальных «двойников» — оптических антиподов , по строению являющихся их зеркальным отображением.
8 зеркало
9 Изомеры, относящиеся друг к другу как предмет и зеркальное отображение и имеющие одинаковые химические и физические свойства ( одинаковые температуры кипения и плавления, растворимость, теплопроводность ) называются энантиомерами (оптические изомеры). Энантиомер, отклоняющий луч света по часовой стрелке, называют правовращающим и обозначают (+), а его антипод – левовращающим (-). Количество энантиомеров определяется по формуле N = 2 n , где n – количество хиральных атомов в молекуле.
10 Право (+) – и лево (-) – вращающие изомеры отличаются между собой следующими свойствами: в жидком, газообразном состояниях и в растворах они отклоняют плоскость поляризованного света на одинаковый угол, но в противоположных направлениях: (-) оба изомера кристаллизуются в энантиоморфных (зеркально противоположных ) формах один относительно другого эти изомеры проявляют разное физиологическое действие на живые организмы обладают разной реакционной способностью относительно других оптически активных реагентов (используется для разделения рацемической смеси) (+)
11 RCHCOOH OH* Общая формула — гидроксикислот. Классы органических соединений, среди которых много оптически активных соединений – — гидроксикислоты, — аминокислоты (кроме глицина ) углеводы R CH COOH NH 2 Общая формула — аминокислот. Структурная формула моносахарида-глюкоз ы
Оптическая изомерия гидроксикислот 12 CH 3 CHCOOH OH 2 –гидроксипропановая кислота α -гидроксипропионовая, молочная, соли – лактаты. Молочная кислота-одна из важнейших — гидроксикислот Известны три разновидности молочной кислоты два оптических изомера (число энантиомеров N =2 1 ) : L (+)- правовращающая молочная кислота и D (-) – левовращающая оптически неактивная рацемическая молочная кислота —
13 Для изображения оптических изомеров на плоскости используют проекционные формулы Фишера. Ребро Н-ОH (Th) занимает горизонтальное положение, а противоположное ребро COOH-СН 3 (Th) принимает вертикальное положение. Асимметрический атом углерода находится на пересечении обеих линий. HO COOH H CH 3 D (-) = — 3 , 82 о L (+) = + 3 , 82 о левовращающая молочная кислота ( D( -)молочная) Правовращающая молочная кислота ( L(+) -молочная) -мясомолочная
14 Правовращающая L (+)-молочная кислота открыт а Либихом (1847) и получила название мясомолочной кислоты Она всегда присутствует в организме человека, является конечным продуктом гликолиза – распада глюкозы с образованием молочной кислоты и источника энергии – АТФ. Образуется в мышцах при физической нагрузке. Молочная кислота – это показатель обмена углеводов, отражающий степень насыщения мышц и тканей кислородом
15 Чистая левовращающая молочная D(-) кислота может быть получена брожением сахаристых веществ при посредстве особого возбудителя брожения ( Bacillus acidi laevolactici) Рацемическая молочная кислота — оптически неактивная , не вращает плоскость поляризации, так как она состоит из смеси равных количеств двух зеркальных изомеров. Один из них вызывает правое вращение, второй — на такой угол-левое. Такой является молочная кислота, полученная под действием молочнокислых бактерий при скисании молока, квашении капусты, солении огурцов, помидоров.
16 Принципиальное различие между синтезами органических веществ, происходящими в живой клетке и в лабораторных условиях : Продукт биосинтеза представляет собой определенный оптический изомер (+) или (-) вращающий В лабораторном синтезе — продуктом реакции является рацемическая смесь обеих оптических форм синтезированного вещества.
17 Способы разделения рацемической смеси: Биохимический – (+) и (-) антиподы оказывают разное физиологическое действие на микроорганизмы, которые избирательно поглощают один энантиомер. Хроматографический – расщепление рацематов на оптически активных сорбентах (афинная хроматография). Химический — основан на химической реакции антипода с оптически деят е льным веществом. Механический – отбор кристаллов по внешнему виду (кристаллы имеют зеркально-скошенные грани ).
18 Оптическая изомерия гидроксикислот H O O C C H O H C H 2 C O O H 2 — гидроксибутандиовая ( — гидроксиянтарная) — Яблочная кислота, соли -малаты Впервые выделена шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле в 1785 году из незрелых яблок Яблочная кислота существует в виде двух оптических изомеров и рацемической смеси. Относится к дикарбоновым (2 СООН) и трехатомным (по суммарному количеству гидроксильных групп -3 ОН) кислотам.
19 Формулы Фишера для энантиомеров яблочной кислоты. COOH CH 2 COOH HOH L (-) природная яблочная кислота D (+) яблочная кислота Содержится в кислых плодах : в незрелых яблоках , рябине, в ревене и др. , в виде Са-соли в табаке, а также в небольшом кол-ве в вине. D-Яблочная кислота образуется с небольшим выходом при восстановлении D-винной к-ты.
20 Яблочная кислота- один из важных промежуточных продуктов обмена веществ в живых организмах. Участие яблочной кислоты в цикле Кребса: Дегидрирование янтарной кислоты — (с участием кофермента ФАД) Гидратация фумаровой кислоты Окисление в щавелевоуксусную кислоту коферментом НАД +HOOCCH 2 COOH E -2 HHOOCCHCHCOOH янтарная фумаровая +H 2 O, E H O O C C H 2 C O O HO H O O C C C H 2 C O O H O яблочная щавелевоуксусная
Применение яблочной кислоты Применяется как пищевая добавка (Е 296) при изготовлении фруктовых вод и кондитерских изделий. В медицине для производства слабительного и лекарств от хрипоты; Один из компонентов косметических препаратов.
22 Оптическая изомерия гидроксикислот. HOOCCHCHCOOH OHOH – 2, 3 -дигидроксибутандиовая – дигидроксиянтарная _ винная кислота. Соли-тартраты Винная кислота содержит 2 асимметрических атома углерода и должна существовать в виде четырех энантиомеров N =2 2 Однако известны только 2 оптически активных изомера D (+) и L (-) – винные кислоты , рацемическая смесь — виноградная кислота и их диастереомер — мезовинная кислота, оптически неактивная.
Формулы Фишера для оптически активных изомеров винной кислоты 23 COOH HOH COOH OHH HOH COOHD (+) [ ] 20 = + 12 t пл. = 170 о о L (-) [ ] 20 = -12 о , t пл. = 170 о Природная винная кислота L (-) винная кислота) не встречается самостоятельно в природе; химические свойства — точное повторение свойств D(+). Отличается, отношением к низшим организмам и к органическим основаниям, обладающим оптической деятельностью. В значительном количестве D(+)-винная кислота содержится в винограде, рябине. При изготовлении и выдержке виноградных вин в бочках осаждается винный камень (гидротартрат калия)- НOOC-СН(ОН)-СООК. энантиомеры HHOHOO HO
Образуется мезовинная кислота при продолжительном кипячении всех форм винной кислоты в растворах едких щелочей, при окислении малеиновой кислоты КМn. О 4 24 Мезовинная кислота – оптически неактивная форма Отсутствие оптической активности связано с появлением в молекуле плоскости симметрии: 2 асимметрических атома С* имеют одинаковую конфигурацию. Внутри молекулы как бы происходит внутренняя компенсация вращения. Плоскость симметрии Мезоформа — конфигурация молекулы с двумя одинаковыми центрами хиральности и потому имеющей плоскость симметрии и не обладающей оптической активностью
Применение винной кислоты В пищевой промышленности в качестве консерванта и подкислителя вкуса(Е 334) Является компонентом многих кремов и лосьонов для тела и лица; В фармацевтической промышленности, где ее широко применяют при производстве различных растворимых медикаментов, а также шипучих таблеток и некоторых других лекарств; В аналитической химии – для обнаружения альдегидов и сахаров.
26 Виноградная кислота — рацемическая смесь винных кислот Виноградная кислота была открыта в 1822 как побочный продукт при получении винной кислоты В 1830 году Берцелиус установил, что она имеет тот же элементный состав, что и винная кислота. . Йенс Якоб Берцелиус (1779 -1848 ) экспериментально подтвердил закон кратных отношений разработал современную химическую нотацию , электрохимическую теорию сродства, открыл церий селен, торий и впервые выделил в чистом виде кремний, титан , тантал и цирконий.
27 Виноградная кислота — рацемическая смесь винных кислот Луи Пастер (Louis Pasteur) (1822 — 1895) — выдающийся французский микробиолог и химик Луи Пастером были проведены классические исследования с виноградной и винной кислотами. Он выяснил природу рацемических соединений. Разработал методы их разделения на составляющие их оптические изомеры.
(-) энантиомер остается неизменным. Луи Пастер впервые расщепил рацемическую виноградную кислоту, обнаружив , что грибок плесени Penicillium glaucum использует для своей жизнедеятельности только (+)- винную кислоту (биохимический метод ). COOH OHH HOH COOH HO L (-) винная кислота
29 Виноградная кислота получается длительным нагреванием водных растворов D — или L-винной кислоты ( рацемизация). В промышленных масштабах виноградную кислоту выделяют из отходов виноделия: винного камня, виннокислой извести , сушёных винных дрожжей. Свойства виноградной кислоты отличаются от свойств чистых оптических изомеров винной кислоты t пл. =205 0 С. Очевидно, что это не просто смесь изомеров, а молекулярное соединение (рацемическое ). Виноградная кислота — рацемическая смесь винных кислот
30 Механизм действия биологически активных веществ обычно заключается в их соединении со специфическими рецепторами . Каждый рецептор обладает характерной пространственной структурой участка, взаимодействующего с биологически активным веществом , и их структуры должны соответствовать другу по принципу ключ-замок. ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ И ФАРМАКОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ
31 Структуры взаимодействующих соединений должны соответствовать другу по принципу ключ – замок.
32 У большинства лекарственных препаратов существует тесная взаимосвязь между пространственной структурой и фармакологической активностью, то есть стереоспецифичность действия . (-)- адреналин (+)- адреналин. ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ И ФАРМАКОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ
33 Многие синтетические лекарственные препараты существуют в виде смеси двух пространственных изомеров, являющихся энантомерами и отличающихся своим биологическим действием. Последствия таких различий не всегда безопасны. фермент рецептор. Распознавание стереоизомеров вводимого в организм вещества может осуществляться на разных стадиях: Клеточная мембранапри связывании с ферментами при связывании с рецепторами при транспорте через мембраны. ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ И ФАРМАКОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ
34 Основная фармакологическая активность рацемических лекарственных препаратов обычно связана с действием лишь одного энантиомера. Известны примеры использования в терапевтической практике рацемических препаратов, когда один из стереоизомеров обладал сильным токсическим эффектом. Это приводило к трагическим случаям. (+)Талидомид вызывал недоразвитие конечностей у новорожденных ( -)Талидомид — мощный транквилизатор. ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ И ФАРМАКОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ
Левовращающий морфин (растительное сырье) – сильный анальгетик. Правовращающий лишен этих свойств. Морфин. ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ И ФАРМАКОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ
36(-)-5 -(1, 3 -диметилбутил)-5 -этилбарбитуровая кислота проявляет обычное для барбитуратов успокаивающее действие, в то время, как (+)-антипод вызывает конвульсии N HM e M e E t O O OОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ И ФАРМАКОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ
37 ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ И ФАРМАКОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ Напроксен : один энантиомер лечит артрит , но другой вызывает отравление печени без анальгетического эффекта. Этамбутол: один энантиомер используется при лечении туберкулёза, другой вызывает слепоту.
38 В течение нескольких последних десятилетий велись интенсивные исследования по развитию методов предпочтительного синтеза одного из энантиомеров. . В 2001 году Нобелевская премия была присуждена японскому ученому Риоджи Нойори , и двум американским – Уильяму Ноулзу и Бэрри Шарплессу. Ученые разработали хиральные катализаторы для двух важных классов реакций органической химии: гидрирования и окисления. Нобелевские луреаты сделали возможным промышленный синтез таких фармакологических продуктов, как антибиотики, противовоспалительные и сердечные средства , а также других веществ, среди которых кондитерские отдушки, подсластители и инсектициды ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ И ФАРМАКОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ
Нобелевская премия 2001 года Открытия ученых в области хиральных катализаторов позволили наладить производство более безопасных лекарств. Риоджи Нойори Уильям Нойлес Барри Шарплесс
40 Гидроксикислоты — гетерофункциональные соединения
41 Схема введения 2 — ой функциональной группы в карбоновую кислоту. R C H 2 C O O H Cl 2, , h Br 2 , P red -HCl or -HBr R C H C O O H N H 2 + H 2 O (OH — ) R C H C O O H O RCHCOOH NHCNH 2 O — галогенокислота — аминокислота — гидроксикислота — оксокислота — уреидокислота R C C O O H O
42 Гомологический ряд гидроксикислот: Гидроксикислоты. HOC O OH Гидроксиметановая кислота Гидроксимуравьиная Угольная ( H 2 CO 3 ) C H 2 O H C O O H Гидроксиэтановая кислота Гидроксиуксусная Гликолевая Содержится в незрелых плодах винограда, сахарном тростнике и свекле. Используется в косметологической практике в качестве отшелушивающего средства для химического пилинга
43 CH 3 CHCOOH OH 2 -гидроксипропановая α -гидроксипропионовая молочная кислота 3 — гидроксипропановая — гидроксипропионовая — молочная кислота. Гидроксипропановая кислота существует в виде двух структурных изомеров СН 2 СООН ОН
44 Гидроксибутановая (гидроксимасляная) кислота существует в виде трех структурных изомеров. Из изомеров гидроксимасляной кислоты особый интерес представляет — изомер: — гидроксимасляная кислота или 4 – гидроксибутановая кислота) C H 2 C O O H -гидроксимасляная кислота выполняет важную роль в центральной нервной системе человека, — гидроксимасляная кислота может применяться как анестетик и седативное средство, часто- в виде соли — гидроксибутирата натрия. Однако во многих странах она находится вне закона. Встречается в вине, цитрусовых и др.
2 – метоксипропановая (простой эфир)2 — хлорпропановая к-та пировиноградная 45 Химические свойства гидроксикислот. CH 3 CHCOOH OH Химическое поведение гидроксикислот к ак гетерофункциональных соединений складывается из свойств ОН- и СООН — функциональных групп и специфических реакций , обусловленных их взаимным влиянием. . Химические реакции ОН гр. МОЛОЧНАЯ КИСЛОТА [ O ] + H C l , H +- H 2 0 — H 2 O C H 3 O H H 2 S O 4 , t — H 2 O C H 3 C O O H , H + — H 2 O C H 3 C C O O H O C H C O O H C l. C H 3 CH 3 CHCOOH OC O CH 3 сложный эфир
46 Химические реакции СООН гр. CH 3 CHC OH OH O — N a O H — C O 2 S Nкислотные свойства декарбоксилирование реакция C H 3 C H C O N a O H O + R O H , H + N H 3 — H 2 OP C l 5 — P O C l 3 , — H C l. C H 3 C H 2 O H обр. сложных эфиров галогенангидрид амид C H 3 C H C O R O H O C H 3 C H C C l O H O C H 3 C H C N H 2 O H O
47 Специфические реакции , , , — гидроксикарбоновых кислот при нагревании. — гидроксикарбоновые кислоты при нагревании образуют межмолекулярные циклические сложные эфиры — лактиды. O CH 3 C CH OH OH HO HO CH C CH 3 O t — 2 H 2 O C C H 3 C H O C O O C H 3 O + – УСТОЙЧИВЫЙ ШЕСТИЧЛЕННЫЙ ЦИКЛ — лактид молочной кислоты
48 — гидроксикарбоновые кислоты при нагревании в присутствии разбавленной Н 2 SO 4 образуют НСООН и альдегид. CH 3 CC OH H O t , H 2 S O 4 H C O O H C H 3 C HO
49 — ОН карбоновые кислоты при температуре образуют непредельные кислоты ( реакция дегидратации). C H 3 C H O H C H 2 C O O H t — H 2 Ot — H 2 O — гидроксимасляная кислота Кротоновая кислота. C H 3 C H C O O HН при С атоме обладает подвижностью и при нагревании может отщепляться, образуя с соседним ОН молекулу воды. Транс-бутен-2 -овая кислота
50 — и — гидроксикарбоновые кислоты – образуют внутримолекулярные сложные эфиры – лактоны. ГОМК – в анестезиологии применяется как неингаляционный наркоз. C H 2 O HC H 2 C O O H t — H 2 OCH 2 C O O — гидроксимасляная кислота — бутиролактон
51 Одно из основных веществ в человеческом рационе необходимо для нормального функционирования с оединительной и костной ткани выполняет биологические функции восстановителя и кофермента некоторых метаболических процессов является антиоксидантом. Витамин С — L -аскорбиновая кислота — — лактон – лактон 2, 3 –дегидро L — гулоновой кислоты
52 Химические свойства винной кислоты Винная кислота – дигидроксиянтарная кислота содержит Кроме двух СООН групп , 2 г идроксильные (ОН ) группы. Свойства СООН –групп — все характерные для карбоновых кислот 1. Наиболее интересные — образование солей : калия (гидротартрата К) C C H O H C O HO O + KOH C C H O H C O K O HO O + Н 2 О нерастворимый осадок (качественная реакция на К + ). Винный камень имеет тот же химический состав
53 Образование солей тартрата калия-натрия (Сегнетова соль) Тартрат натрия-калия является компонентом Фелинговой жидкости, в составе которой он используется для определения углеводов C C H O H C O K O HO O + Na 2 CO 3 C C H O H C O K O N a. O O — Na. HCO 3 гидротартрат калия-натрия Сегн това сольее — тетрагидрат тартрата калия-натрия Na. KC 4 H 4 O 6 · 4 H 2 O. Названа по имени французского аптекаря Пьера Сеньета (фр. Pierre Seignette) получившего её около 1655 г.
54 Свойства 2 -х гидроксильных ОН — образование соли меди. в щелочной среде винная кислота растворяет Сu(ОН) 2 с образованием прозрачного ярко-синего р-ра – реактива Фелинга. C C H O H C O K O N a. O OCu. SO 4 + Na. OH — H 2 O C C H C O K O N a. O O C u Реактив Фелинга служит для обнаружения альдегидной группы в альдегидах и углеводах.
55 Качественные реакции обнаружения альдегидной группы с помощью реактива Фелинга (реакция медного зеркала)
56 Качественные реакции обнаружения альдегидной группы в углеводах с помощью реактива Фелинга 42 +
57 Лимонная кислота. HOOCCH 2 C OH COOH CH 2 COOH — 2 -гидроксипропан-1, 2, 3 трикарбоновая — кислота, 3 -гидрокси-3 -карбоксипентандиовая к-та. (C 6 H 8 O 7 ) — слабая трёхосновная кислота ( трикарбоновая). Соли и эфиры лимонной кислоты называются цитратами. Содержится в больших количествах в плодах цитрусовых, вишне, хвое, стеблях махорки, китайском лимоннике.
58 Химические свойства лимонной кислоты: 1) при t 0 с Н 2 S О 4 разлагается — происходят процессы декарбоксилирования и декарбонилирования
59 Получение лимонной кислоты Лимонную кислоту раньше получали из сока лимона и биомассы махорки. В настоящее время основной путь промышленного производства — биосинтез из сахара или сахаристых веществ (меласса) промышленными штаммами плесневого гриба Aspergillus niaer
Лимонная кислота , являясь главным промежуточным продуктом метаболического цикла трикарбоновых кислот , играет важную роль в системе биохимических реакций клеточного дыхания множества организмов. 60 Биосинтез лимонной кислоты в цикле Кребса происходит по типу альдольной конденсации ЩУК и ацетилкофермента А- CH 3 O S K o AC Биохимическая роль лимонной кислоты
61 Фенолокислоты. Салициловая кислота – 2 – гидроксибензойная кислота, ароматическая, содержит 2 разные функциональные группы: ОН- (гидроксильную ) и СООН -(карбоксильную). COOH OH В природе встречается в растениях в виде производных , салициловая кислота была впервые выделена из коры ивы , откуда и происходит название Свободная салициловая кислота наряду с салициловым альдегидом в небольших количествах содержится в эфирном масле, выделяемых из цветов некоторых видов спиреи.
62 Химические свойства салициловой кислоты Химические свойства ОН — — группы (характерны все реакции фенольного гидроксила) COOH OH F e C l 3 — H C l ( C H 3 C O )2 O — C H 3 C O O H O F e C l C O O H O C H 3(качественная реакция на фенол интенсивное фиолетовое окрашивание Ацетилсалициловая кислота (аспирин )
63 Химические свойства СООН — — группы (характерны все реакции карбоксильной группы). C O O H + N a 2 C O 3 — N a H C O 3 C H 3 O H , H + — H 2 O C 6 H 5 O H , H + — H 2 O C O O N a O H C O HO O C H 3 C O HO O C 6 H 5 Салицилат натрия Метилсалицилат Фенилсалицилат (салол)Длительное время фенилсалицилат широко применяли при заболеваниях кишечника (колиты, энтероколиты), при циститах, пиелитах, пиелонефритах.
(p. K = 4. 17 ) 64 С пецифические реакц ии, обусловленные вл и яни ем 2 х групп д руг на д руга : Д ек а рбо кс илиро вание Боле е с ильные к ис лот ные с во йс т ва C O O H t — C O 2 OH C O O H Усиление кислотных свойств (p. K = 2. 98) по сравнению бензойной кислотой. Салициловая кислота фенолдекарбоксилирование Бензойная кислота
65 Пара-аминосалициловая кислота (ПАСК). ПАСК (пара-аминосалициловая кислота и ее натриевая соль — пара-аминосалицилат натрия) — противотуберкулезный бактериостатический препарат. антагонист n ара – аминобензойной кислоты, необходимой для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов.
66 ОКСОКИСЛОТЫ кизил
67 Оксокислоты – карбоновые кислоты, СОДЕРЖАЩИЕ ОКСО группу: альдегидо – кетокислоты Альдегидок ислоты — органические соединения, совмещающие в себе свойства альдегидов и кислот из-за присутствия в их молекуле как альдегидной , так и карбоксильной групп. Альдегидокислот известно немного. C O
68 Альдегидокислоты Простейший представитель — глиоксалевая (глиоксиловая ) кислота. В природе содержится в винограде, сахарной свекле, сахарном тростнике, кизиле и др. Она обладает всеми свойствами альдегида и одноосновной кислоты Глиоксиловая кислота часто содержится в недозрелых фруктах, по мере их созревания она постепенно исчезает. кизил
69 Альдегидокислоты. Химические свойства Глиоксалевая кислота как кислота образует соли, эфиры и другие функциональные производные, а с другой стороны, как альдегид она дает реакцию серебряного зеркала с реактивом Толленса, присоединяет бисульфит натрия, синильную кислоту, образует оксим, гидразон и пр. Глиоксалевая кислота легко окисляется и восстанавливается , превращаясь в щавелевую и гликолевую кислоту. OHOOCCOOH C H 2 O H C O O H Щавелевая кислота Гликолевая кислота HH O C C O O H
70 С использованием глиоксалевой кислоты производится широкий спектр антибиотических препаратов (пенициллины, ампицилины, амоксициллины), а также свободных добавок для кальция пантотената ( широкая область применения )Альдегидокислоты. Биохимическая роль. Использование в медицине. Глиоксиловая кислота-участник цикла трикарбоновых кислот
71 Кетонокислоты являются более устойчивыми, чем альдегидокислоты. Значительную роль в биохимических процессах играют следующие кетонокислоты: C H 3 C C O O H O C H 3 C O C H 2 C O O HO HO C O CH 2 C O OH C O O H C O C H 2 C O O HC — Пировиноградная к-та (ПВК) — 2 – оксопропановая — Ацетоуксусная к-та (АУК) — 3 – оксобутановая — Щавелевоуксусная к-та (ЩУК) — 2 – оксобутандиовая — — оксоглутаровая к-та — 2 – оксопентандиовая
72 • 2 -оксопропановая кислота • α-оксопропионовая кислота • Соли, эфиры- пируваты Это жидкость, t кип. = 165 0. C H 3 C C O O H OПировиноградная к 9 (ПВК) Пировиноградная кислота Впервые получена нагреванием винной (и виноградной) кислоты ПВК -центральный продукт углеводного обмена. Пировиноградная кислота играет важную роль в обмене веществ , являясь связующим звеном обмена углеводов, жиров и белков. Пировиноградная кислота содержится во всех тканях и органах. В крови человека в норме находится 1 мг%, а в моче 2 мг%.
73 C пособы получения пировиноградной кислоты: 1). Окисление молочной кислоты (2 – гидроксипропановой). C H 3 C C O O H OC H 3 C H C O O H + O KMn. O 4, H 2 SO 4 -H 2 O 2)гидролиз — оксонитрилов CH 3 C O Cl К CN + CH 3 C O CN + 2 Н 2 О C H 3 C C O O H O-NH 4 + -KCl
74 CH 3 CCOOH Cl Cl ( OH- ) -2 HCl C H 3 C C O O H O 3). Гидролиз (щелочной) дигалогенокислот: C пособы получения пировиноградной кислоты: + 2 Н 2 О 2, 2, -дихлорпропановая кислота 2 -оксопропановая кислота В организме пировиноградная кислота ( и пируваты) являются конечным продуктом метаболизма в процессе гликолиза. Одна молекула глюкозы превращается при этом в две молекулы пировиноградной кислоты. Образование ПВК в организме
75 Химические свойства оксокислот: > С=О -СООН Химические свойства оксокислот определяются наличием 2 -х различных функциональных групп. Реакции декарбоксилирования протекают легче, чем в карбоновых кислотах Для карбонильной группы характерны реакции А N , восстановления. Для карбоксильной группы характерны реакции S N , образования солей. Более сильные кислотные свойства, чем у карбоновых кислот. Специфические реакции – обусловлены взаимным влиянием 2 х групп :
761) Реакция > С=О — AN CH 3 CCOOH O A N HCN OH — — следы Na. HSO 3 H 2 , Pd NH 2 – NHC 6 H 5 C H 3 C O HC N C O O H C H 3 C S O 3 N a. O H C O O H C H 3 C H O H C O O H 2 — циано-2 — гидроксипро- пановая кислота белый осадок – кач. реакция на >C=O Молочная кислота фенилгидразон ПВКХимические свойства пировиноградной кислоты
772) Реакции – СООН группы. C H 3 C C O O H O C H 3 C O O N a C H 3 C O O C 2 H 5 S N+Na. OH — H 2 Oкисл. св-ва, обр-е солей + NH 3 + C 2 H 5 O H , H + N H 2 C O N H 2 t, P 2 O 5 PCl 5 ангидрид ПВК галогенангидрид ПВК уреид ПВКамид ПВК Пируват Na Этилпируват (сложный эфир)
78 Реакции A N и S N протекают легче, чем в отсутствии второй функциональной группы: Кислотные свойства ПВК выражены значительно сильнее , чем у пропановой кислоты из-за присутствия ЭА — СО группы. (Кд (пропионовой кислоты) = 0, 00134, К д( пировиноградной кислоты) =0, 56 C H 3 C C O O H O > C H 3 C C H 3 O+ 1 +I eff + 2 C H 3 C C O O O H C H 3 C H 2 C O O H + 3 + 4>
79 Специфические реакции пировиноградной кислоты Декарбоксилирование in vitro При нагревании в присутствии H 2 SO 4 разбавленной протекает декарбоксилирование C H 3 C O O H t. CO 2 + C H 3 C HO При нагревании в присутствии H 2 SO 4 концентрированной протекает декарбонилирование C H 3 C O O H t CO CH 3 C O OH+ декарбонилирование in vitro
80 Метаболизм пировиноградной кислоты возможен двумя путями — аэробным и анаэробным. Аэробное расщепление: При клеточном дыхании в присутствии кислорода ( аэробном ) она в конечном итоге сгорает, превращается в СО 2 и Н 2 О: Декарбоксилирование пировиноградной кислоты в организме протекает в присутствии фермента декарбоксилазы и соответствующего кофермента. CH 3 CCOO H O E Декароксилаза + кофермент C H 3 C HO + CO 2 Декарбоксилирование пировиноградной кислоты в организме ( in vivo )
81 Образующийся ацетальдегид далее может : присоединяться к кетонокислотам с образованием α -ацето- α -гидроксикислоты или окисляться в присутствии кофермента А в ацетилкофермент А. Ацетил. Ко. А используется при синтезе жирных кислот , ацетилхолина Ацетил. Ко. А может передать свой ацил на щавелевоуксусную кислоту для дальнейшего окисления до CO 2 и H 2 O. Декарбоксилирование пировиноградной кислоты в организме ( in vivo )
82 Анаэробное расщепление В отсутствии кислорода под действием ферментов ПВК восстанавливается в молочную кислоту. Пировиноградная кислота Молочная кислота накапливается в мышцах при интенсивных физических нагрузках, связанных с большими затратами О 2. C H 3 C O O H, EH CH 3 CH OH COOH Молочная кислота. Декарбоксилирование пировиноградной кислоты в in vivo
83 CH 3 C O H [ H ] C 2 H 5 OH C H 3 C C O O H O E C H 3 C HO + CO 2 Далее происходит восстановление альдегида в спирт • Декарбоксилирование пировиноградной кислоты Если кислорода недостаточно, пировиноградная кислота подвергается анаэробному расщеплению с образованием этанола у растений. В клетках некоторых микроорганизмов (в дрожжах при спиртовом брожении )- ферментативное декарбоксилирование. Анаэробное расщепление
84 Ацетоуксусная кислота. CH 3 C O CH 2 COOH — 3 — оксобутановая кислота — β- оксомасляная кислота — ацетоуксусная Особенность β — оксомасляной кислоты- неустойчивость. Она легко декарбоксилируется : даже при слабом нагревании (в водном растворе) распадается на ацетон и СО 2. CH 3 C O CH 2 C O OH C H 3 C O C H 3 CO 2 +
85 Ацетоуксусная кислота в организме При нормальном обмене АУК в тканях и мышцах последовательно окисляется в СО 2 , Н 2 О и выделяющаяся при этом энергия идет на образование АТФ. Ацетоуксусная кислота образуется in vivo в процессе метаболизма высших жирных кислот ( продукт окисления β -гидроксимасляной кислоты ) В организме у больных сахарным диабетом ацетоуксусная кислота и продукты её превращения ( «ацетоновые» или «кетоновые» тела ) накапливаются. CH 3 C O CH 2 C O OH N Н 2 О + СО 2 + АТФ CH 3 C O CH 2 C O OH C H 3 C O C H 3 CO 2 + Сахарный диабет
86 Ацетоновые тела: ацетон, ацетоуксусную кислоту, соли ацетоуксусной кислоты , которые могут содержаться в моче при сахарном диабете, в клиническом анализе определяют галоформной реакцией.
87 Большой теоретический интерес в связи с изучением таутомерии и двойственной реакционной способности имеет этиловый эфир ацетоуксусной кислоты – ацетоуксусный эфир. Ацетоуксусный эфир. CH 3 CCH 2 COC 2 H 5 OO Строение этого эфира долгое время не могли установить, так как он проявлял двойственную реакционную способность, причиной которой является кето- енольная таутомерия C H 3 C C H C O C 2 H 5 O H O CH 3 CCH 2 COC 2 H 5 OO Кетонная форма — 92. 5 % t кип = 78 º % содержание кетонных форм зависит от растворителя Енольная форма – 7. 5 % t кип = 44 º
88 Енольная форма стабилизируется за счет сопряжения двойной углерод-углеродной связи с карбонильной группой и образования внутримолекулярной водородной связи Ацетоуксусный эфир Как кетон ацетоуксусный эфир восстанавливается Н 2 до этилгидроксибутирата; присоединяет HCN, Na. HSO 3 с образованием соответственно циангидрина и гидросульфитного производного.
89 Как енол ацетоуксусный эфир мгновенно обесцвечивает раствор Вг 2 (реакция служит для количественного определения енола)Ацетоуксусный эфир с Fe Cl 3 , образует комплекс – интенсивного фиолетового окрашивания. C H 3 C C H C O C 2 H 5 O H O + C H 3 C C H C O C 2 H 5 O O F e C l Fe. Cl 3 — H C l Эта реакция характерна для енольных соединений и совершенно отсутствует у кетонов.
90 При добавлении избытка Fe. Cl 3 появляется фиолетовая окраска (реакция енола). При приливании Br 2 фиолетовый цвет исчезает, так комплекс разрушается, бром присоединяется по двойной связи, но появляется желтая окраска вследствие отщепления Fe. Cl 3 Через некоторое время окраска вновь постепенно появляется в результате превращения новых порций кетонной формы в енольную. Таутомерия ацетоуксусного эфира Реакции с бромом в присутствии Fe. Cl 3 используются для изучения скорости установления таутомерного равновесия.
91 Кето-енольная таутомерия Кнорр, Людвиг (2 декабря 1859 — 4 июня 1921 года) — немецкий химик-органик. Учился (с 1878 г. ) в Мюнхенском, Гейдельбергском, Эрлангенском, Вюрцбургском университетах. Работал в Эрлангенском (1885 г. ), затем в Вюрцбургском университетах, с 1889 г. — профессор Йенского университета. Президент Немецкого химического общества (1915— 1916 г. ). Основные научные работы Людвига Кнорра посвящены изучению кето-енольной таутомерии и синтезам на основе ацетоуксусного эфира. Выделил (1911) обе формы этого соединения. Незадолго до смерти синтезировал Анальгин (метамизол натрия). Изучал (с 1889) строение алкалоидов — кодеина, морфина, тебаина.
92 Щавелевоуксусная кислота. HOC O CCCH 2 O OH O Щавелевоуксусная кислота является промежуточным соединением в цикле Кребса и глюконеогенезе. Она образуется при окислении яблочной кислоты. Далее ЩУК взаимодействует с ацетил-Ко. А, и превращается в лимонную кислоту2 — оксобутандиовая Относится одновременно к и — оксокислотам
93 Для щавелевоуксусной кислоты характерна кето-енольная таутомерия, причем енольная форма более устойчива. HOC O CCCH 2 O OH O HOC O CCCH OH OH O Кето – форма 20% Енольная форма 80% Устойчивость енольной формы обусловлена более длинной цепью сопряжения. Щавелевоуксусная кислота, кето-енольная таутомерия
94α -оксоглутаровая кислота H O O C C H 2 C O O H C O 2 -оксопентандиовая кислота, α- кетоглутаровая кислота Ключевой продукт цикла Кребса, образуется в результате декарбоксилирования изолимонной кислоты.
95α -оксоглутаровая кислота — предшественник глутаминовой кислоты
Спектроскопия ядерного магнитного резонанса
ЯМР • Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) является наиболее мощным инструментом выяснения структуры органических веществ. • Она основана на магнитных свойствах ядер, имеющих спиновое квантовое число I , отличное от нуля. • Не обладают магнитным моментом ядра с четным числом протонов и нейтронов ( 12 С, 16 О , 32 S и др) • Ядра с нечетным числом обладают магнитным моментом ( 1 Н, 13 С 15 N, 31 P и др. )
В органической химии наибольшее распространение получили: • Спектроскопия протонного магнитного резонанса (ПМР) с использованием ядер 1 Н (протонов) • В последнее время используют ядра 13 С 98 Ядро атома водорода состоит из одного протона. Этот протон вращается вокруг своей оси и представляет собой магнит.
В отсутствие внешнего магнитного поля спины протонов ориентированы беспорядочно. 99 Но в магнитном поле возможны лишь две ориентации спина, которые называются спиновыми состояниями.
• При помещении вещества в сильное магнитное поле Н 0 ядра ориентируются вдоль силовых линий. • Спиновые состояния, в которых магнитный момент (показан стрелкой) ориентирован по полю, имеют несколько меньшую энергию, чем те, которые – против поля. • Н 0 100 Эта энергетическая разница соответствует энергии фотона радиочастотного излучения
• Под действием относительно слабого переменного магнитного поля радиочастотной области (40 -500 МГц) перпендикулярно силовым линиям поля Н 0 при определённой частоте происходит переориентация спинов ядер. Наблюдается явление резонанса. • Поглощение энергии регистрируется в виде резонансного пика.
Спектроскопия ЯМР • Атомы водорода в молекуле находятся в различном химическом окружении. Одни входят в состав метильных групп, другие соединены с атомами кислорода или бензольным кольцом, третьи находятся рядом с двойными связями. Этой небольшой разницы в электронном окружении оказывается достаточно для изменения разности энергий между спиновыми состояниями. • Спектр ЯМР возникает как результат поглощения радиочастотного излучения веществом, находящимся в магнитном поле. • Спектроскопия ЯМР позволяет различить атомы водорода в молекуле, находящиеся в различном химическом окружении.
Химический сдвиг в ЯМР • Зная , в какой области спектра находятся пики поглощения тех или иных типов атомов водорода, можно сделать определённые выводы о структуре молекулы. 103 Резонансный сигнал протона каждого типа наблюдается при различных напряженностях магнитного поля. Разность между резонансными частотами определенного сигнала и сигнала стандартного вещества называется химическим сдвигом.
104 Стандартным веществом часто служит тетраметилсилан или ТМС. Положение сигналов протона ТМС принимается за нулевую точку отсчёта.
Химический сдвиг в ЯМР • Шкала химических сдвигов называется шкалой δ. • Сдвиг резонансной частоты Δν ( в герцах) зависит от напряженности приложенного поля Н 0 , но если его отнести к рабочей частоте прибора ν 0 , то он становится константой, измеряемой в миллионных долях (м. д. ) от частоты радиоизлучения • δ = 10 6 Δν / ν 0 105 Обычно все сигналы расположены в области 0 -10 м. д.
Спектры ЯМР • Правая часть спектра называется сильнопольной областью, а левая – слабопольной. В спектрах ЯМР пики по традиции направлены вверх, а не вниз, как в ИК- спектрах.
107 ПМР-спектр этилового спирта. Спектры ЯМР
Спектры ЯМР • Для интерпретации спектра и получения из него структурной информации имеют значения три типа спектральных параметров: • 1) Положение сигнала в δ шкале ( характеризует тип атома водорода) • 2) Площадь сигнала (характеризует число атомов водорода данного типа) • 3) Мультиплетность (форма ) сигнала ( характеризует число близко-расположенных атомов водорода других типов)
ЯМР в исследовании белков • Получение 3 D изображений молекул
Использование ЯМР в медицине
Метод ядерного магнитного резонанса • При воздействии на исследуемую область электромагнитным излучением определённой частоты, часть протонов поменяют свой магнитный момент на противоположный, а потом вернутся в исходное положение. При этом системой сбора данных томографа регистрируется выделение энергии во время «расслабления» , или релаксации предварительно возбужденных протонов.
МР-диффузия • Позволяет определять движение внутриклеточных молекул воды в тканях
МР-перфузия Метод позволяющий оценить прохождение крови через ткани организма.
МР-ангиография • Метод получения изображения кровеносных сосудов при помощи магнитно-резонанс ного томографа.
Другие виды МРТ: • МР спектроскопия • Функциональная МРТ • МРТ термометрия
116 Спасибо за внимание!