Кафедра общей и медицинской химии Лекция 5 Оптическая изомерия. Гидрокси – и оксокислоты. Спектральные методы анализа 1
Оптическая изомерия. Призма Николя Оптическая активность - это свойство отклонять плоскость поляризованного света, а вещества которые проявляют оптическую активность называются оптически активными. 2
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. 3
ХИРАЛЬНОСТЬ свойство молекулы быть несовместимой со своим зеркальным отражением любой комбинацией вращений и перемещений в трёхмерном пространстве.
В органических молекулах хиральным объектом является amом С, окруженный 4 -мя различными заместителями (С в sp 3 гибридизации). Этот атом называется асиметрическим (Вант-Гофф, конец XIXв. ) 5
Лорд Кельвин (Вильям Томсон) (1824 - 1907) В круг научных интересов Томсона входили термодинамика, гидродинамика, электромагнетизм, теория упругости, теплота, математика, техника. Якоб Хендрик Вант-Гофф (1852— 1911) Был первым Нобелевским лауреатом(1901) по химии за открытие законов химической динамики и осмотического давления 6
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. 7
зеркало 8
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. 9
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) 10
Классы органических соединений, среди которых много оптически активных соединений – - гидроксикислоты, Общая формула - гидроксикислот. - аминокислоты (кроме глицина ) Общая формула - аминокислот. углеводы Структурная формула моносахаридаглюкозы 11
Оптическая изомерия гидроксикислот 2 –гидроксипропановая кислота α-гидроксипропионовая, молочная, соли – лактаты. Молочная кислота-одна из важнейших - гидроксикислот Известны три разновидности молочной кислоты ü два оптических изомера (число энантиомеров N=21) : L(+)- правовращающая молочная кислота и D (-) –левовращающая üоптически неактивная рацемическая молочная кислота - 12
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. о D (-) = - 3, 82 левовращающая молочная кислота (D(-)молочная) L (+) = + 3, 82 о Правовращающая молочная кислота (L(+)-молочная) -мясомолочная 13
Правовращающая L(+)-молочная кислота открыта 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 14
Чистая левовращающая молочная D(-) молочная) 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. 15
Принципиальное различие между синтезами органических веществ, происходящими в живой клетке и в лабораторных условиях: ØПродукт биосинтеза представляет собой определенный оптический изомер (+) или (-) вращающий ØВ лабораторном синтезе - продуктом реакции является рацемическая смесь обеих оптических форм синтезированного вещества. 16
Способы разделения рацемической смеси: Ø Механический – отбор кристаллов по внешнему виду (кристаллы имеют зеркально-скошенные грани). Ø Биохимический – (+) и (-) антиподы оказывают разное физиологическое действие на микроорганизмы, которые избирательно поглощают один энантиомер. Ø Хроматографический – расщепление рацематов на оптически активных сорбентах (афинная хроматография). Ø Химический - основан на химической реакции антипода с оптически деятельным веществом. 17
Оптическая изомерия гидроксикислот 2 - гидроксибутандиовая ( - гидроксиянтарная) - яблочная кислота, соли -малаты Относится к дикарбоновым (2 СООН) и трехатомным (по суммарному количеству гидроксильных групп -3 ОН) кислотам. Впервые выделена шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле в 1785 году из незрелых яблок Яблочная кислота существует в виде двух оптических изомеров и рацемической смеси. 18
Формулы Фишера для энантиомеров яблочной кислоты. L (-) природная 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 D-Яблочная кислота образуется с небольшим выходом при восстановлении D-винной к-ты. 19
Яблочная кислота- один из важных промежуточных продуктов обмена веществ в живых организмах. Участие яблочной кислоты в цикле Кребса: ØДегидрирование янтарной кислоты - (с участием кофермента ФАД) ØГидратация фумаровой кислоты ØОкисление в щавелевоуксусную кислоту коферментом НАД+ фумаровая янтарная яблочная щавелевоуксусная 20
Применение яблочной кислоты ü Применяется как пищевая добавка (Е 296) при изготовлении фруктовых вод и кондитерских изделий. ü В медицине для производства слабительного и лекарств от хрипоты; ü Один из компонентов косметических препаратов. 21
Оптическая изомерия гидроксикислот – 2, 3 -дигидроксибутандиовая – дигидроксиянтарная _ винная кислота. Соли-тартраты Винная кислота содержит 2 асимметрических атома углерода и должна существовать в виде четырех энантиомеров N=22 Однако известны только 2 оптически активных изомера D(+) и L(-) – винные кислоты, рацемическая смесь- виноградная кислота и их диастереомер-мезовинная кислота, оптически неактивная. 22
Формулы Фишера для оптически активных изомеров винной кислоты энантиомеры H HHOHOOO 20 D (+) [ ] = + 12 tпл. = 170 о о Природная винная кислота 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. о L (-) = -12 , tпл. = 170 о 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 23
Мезовинная кислота –оптически неактивная форма Плоскость симметрии 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. Образуется мезовинная кислота при продолжительном кипячении всех форм винной кислоты в растворах едких щелочей, при окислении малеиновой кислоты КМn. О 4 Мезоформа-конфигурация молекулы с двумя одинаковыми центрами хиральности и потому имеющей плоскость симметрии и не обладающей оптической активностью 24
Применение винной кислоты ü В пищевой промышленности в качестве консерванта и подкислителя вкуса(Е 334) ü Является компонентом многих кремов и лосьонов для тела и лица; ü В фармацевтической промышленности, где ее широко применяют при производстве различных растворимых медикаментов, а также шипучих таблеток и некоторых других лекарств; ü В аналитической химии – для обнаружения альдегидов и сахаров. 25
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 26 , тантал и цирконий.
Виноградная кислота- рацемическая смесь винных кислот 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. Луи Пастер (Louis Pasteur) (1822 - 1895) - выдающийся французский микробиолог и химик 27
Луи Пастер впервые расщепил рацемическую виноградную кислоту, обнаружив , что грибок плесени Penicillium glaucum использует для своей жизнедеятельности только (+)- винную кислоту (биохимический метод ). (-) энантиомер остается неизменным. HO L (-) винная кислота 28
Виноградная кислота- рацемическая смесь винных кислот 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 С. Очевидно, что это не просто смесь изомеров, а молекулярное соединение (рацемическое). 29
ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ И ФАРМАКОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ 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. 30
Структуры взаимодействующих соединений должны соответствовать другу по принципу ключ-замок. 31
ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ И ФАРМАКОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ У большинства лекарственных препаратов существует тесная взаимосвязь между пространственной структурой и фармакологической активностью, то есть стереоспецифичность действия. (-)-адреналин (+)-адреналин 32
ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ И ФАРМАКОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ Многие синтетические лекарственные препараты существуют в виде смеси двух пространственных изомеров, являющихся энантомерами и отличающихся своим биологическим действием. Последствия таких различий не всегда безопасны. Распознавание стереоизомеров вводимого в организм вещества может осуществляться на разных стадиях: при связывании с ферментами при связывании с рецепторами при транспорте через мембраны Клеточная мембрана фермент рецептор 33
ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ И ФАРМАКОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ 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 34
ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ И ФАРМАКОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ Морфин Левовращающий морфин (растительное сырье) – сильный анальгетик. Правовращающий лишен этих свойств.
ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ И ФАРМАКОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ (-)-5 -(1, 3 -диметилбутил)-5 -этилбарбитуровая кислота проявляет обычное для барбитуратов успокаивающее действие, в то время, как (+) -антипод вызывает конвульсии 36
ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ И ФАРМАКОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ Этамбутол: один энантиомер используется при лечении туберкулёза, другой вызывает слепоту. Напроксен: один энантиомер лечит артрит, но другой вызывает отравление печени без анальгетического эффекта. 37
ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ И ФАРМАКОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ 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 38
Нобелевская премия 2001 года Риоджи Нойори Барри Шарплесс Уильям Нойлес Открытия ученых в области хиральных катализаторов позволили наладить производство более безопасных лекарств.
Гидроксикислотыгетерофункциональные соединения 40
Схема введения 2 ой функциональной группы в карбоновую кислоту. - галогенокислота -гидроксикислота -аминокислота - уреидокислота оксокислота 41
Гидроксикислоты. Гомологический ряд гидроксикислот: Гидроксиметановая кислота Гидроксимуравьиная Угольная (H 2 CO 3) Гидроксиэтановая кислота Гидроксиуксусная Гликолевая Содержится в незрелых плодах винограда, сахарном тростнике и свекле. Используется в косметологической практике в качестве отшелушивающего средства для химического пилинга 42
Гидроксипропановая кислота существует в виде двух структурных изомеров 2 -гидроксипропановая α -гидроксипропионовая молочная кислота СН 2 СООН ОН 3 - гидроксипропановая - гидроксипропионовая - молочная кислота 43
Гидроксибутановая (гидроксимасляная) кислота существует в виде трех структурных изомеров. Из изомеров гидроксимасляной кислоты особый интерес представляет - изомер: - гидроксимасляная кислота или 4 – гидроксибутановая кислота) Встречается в вине, цитрусовых и др. -гидроксимасляная кислота выполняет важную роль в центральной нервной системе человека, g- гидроксимасляная кислота может применяться как анестетик и седативное средство, часто- в виде соли — гидроксибутирата натрия. Однако во многих странах она находится вне закона. 44
Химические свойства гидроксикислот Химическое поведение гидроксикислот, как гетерофункциональных соединений, складывается из свойств ОН- и СООН- функциональных группы и специфических реакций, обусловленных их взаимным влиянием. . Ø МОЛОЧНАЯ КИСЛОТА Химические реакции ОН гр. пировиноградная 2 - хлорпропановая к-та 2 – метоксипропановая (простой эфир) сложный эфир 45
Химические реакции кислотные свойства СООН гр. декарбоксилирование реакция обр. сложных эфиров галогенангидрид амид 46
Специфические реакции , , , - гидроксикарбоновых кислот при нагревании. Ø - гидроксикарбоновые кислоты при нагревании образуют межмолекулярные циклические сложные эфиры - лактиды. + – УСТОЙЧИВЫЙ ШЕСТИЧЛЕННЫЙ ЦИКЛ - лактид молочной кислоты 47
Ø - гидроксикарбоновые кислоты при нагревании в присутствии разбавленной Н 2 SO 4 образуют НСООН и альдегид 48
Ø - ОН карбоновые кислоты при температуре образуют непредельные кислоты (реакция дегидратации). Н при С атоме обладает подвижностью и при нагревании может отщепляться, образуя с соседним ОН молекулу воды. - гидроксимасляная кислота Кротоновая кислота Транс-бутен-2 -овая кислота 49
Ø - и - гидроксикарбоновые кислоты – образуют внутримолекулярные сложные эфиры – лактоны. - гидроксимасляная кислота - бутиролактон ГОМК – в анестезиологии применяется как неингаляционный наркоз. 50
Витамин С - L-аскорбиновая кислота - - лактон Одно из основных веществ в человеческом рационе Øнеобходимо для нормального функционирования соединительной и костной ткани Øвыполняет биологические функции восстановителя и кофермента некоторых метаболических процессов Øявляется антиоксидантом. –лактон 2, 3 –дегидро L- гулоновой кислоты 51
Химические свойства винной кислоты Винная кислота – дигидроксиянтарная кислота содержит Кроме двух СООН групп , 2 гидроксильные (ОН ) группы. ØСвойства СООН –групп - все характерные для карбоновых кислот 1. Наиболее интересные - образование солей : Øкалия (гидротартрата К) + KOH Винный камень имеет тот же химический состав + Н 2 О нерастворимый осадок реакция на К +). (качественная 52
Ø Образование солей тартрата калия-натрия (Сегнетова соль) Тартрат натрия-калия является компонентом Фелинговой жидкости, в составе которой он используется для определения углеводов + Na 2 CO 3 - Na. HCO 3 Тартрат калия Сегне това соль — тетрагидрат тартрата калия-натрия Тартрат калия-натрия Na. KC 4 H 4 O 6· 4 H 2 O. Названа по имени французского алтекаря Пьера Сеньета (фр. . Pierre Seignette) получившего её около 1655 г. 53
ØСвойства 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. Реактив Фелинга служит для обнаружения альдегидной группы в альдегидах и углеводах. 54
Качественные реакции обнаружения альдегидной группы с помощью реактива Фелинга (реакция медного зеркала) 55
Качественные реакции обнаружения альдегидной группы в углеводах с помощью реактива Фелинга 2 4 + 56
Химические свойства винной кислоты При пиролизе D-винной к-ты образуются пировиноградная СН 3 СОСООН и пировинная (метилянтарная) НООССН(СН 3)СН 2 СООН к-ты. 2 СН 3 СОСООН+НООССН(СН 3)СН 2 СООН. Получение винной кислоты В лаборатории : Ø ØВ промышленности Действием минеральных кислот на соль- гидротартрат калия (винный камень), образующуюся при брожении виноградного сока. 57
Лимонная кислота. -2 -гидроксипропан-1, 2, 3 трикарбоновая -кислота, 3 -гидрокси-3 -карбоксипентандиовая кта. (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 SО 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 60
Биохимическая роль лимонной кислоты Лимонная кислота, являясь главным промежуточным продуктом метаболического цикла трикарбоновых кислот, играет важную роль в системе биохимических реакций клеточного дыхания множества организмов. Биосинтез лимонной кислоты в цикле Кребса происходит по типу альдольной конденсации ЩУК и ацетилкофермента А- 61
Фенолокислоты. Салициловая кислота – 2 – гидрокибензойная кислота, ароматическая, содержит 2 разные функциональные группы: ОН-(гидроксильную ) и СООН-(карбоксильную). 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 Ø Химические свойства ОН- - группы (характерны все реакции фенольного гидроксила) (качественная реакция на фенол интенсивное фиолетовое окрашивание 63 Ацетилсалициловая кислота (аспирин)
Химические свойства СООН- - группы (характерны все реакции карбоксильной группы). Салицилат натрия Метилсалицилат Длительное время фенилсалицилат широко применяли при заболеваниях кишечника (колиты, энтероколиты), при циститах, пиелитах, пиелонефритах. Фенилсалицилат (салол) 64
65
Специфические реакции, обусловленные влиянием 2 х групп друг на друга: Ø Декарбоксилирование Ø Более сильные кислотные свойства декарбоксилирование фенол Салициловая кислота Усиление кислотных свойств (p. K = 2. 98) по сравнению бензойной кислотой Бензойная кислота (p. K = 4. 17) 66
Пара-аминосалициловая кислота (ПАСК). ØПАСК (пара-аминосалициловая кислота и ее натриевая соль - парааминосалицилат натрия) - противотуберкулезный бактериостатический препарат. 67
кизил ОКСОКИСЛОТЫ 68
Оксокислоты – карбоновые кислоты, СОДЕРЖАЩИЕ ОКСО группу: Ø альдегидо – Ø кетокислоты Альдегидокислоты - органические соединения, совмещающие в себе свойства альдегидов и кислот из-за присутствия в их молекуле как альдегидной, так и карбоксильной групп. Альдегидокислот известно немного. 69
Альдегидокислоты Простейший представитель - глиоксалевая (глиоксиловая) кислота. кизил В природе содержится в винограде, сахарной свекле, сахарном тростнике, кизиле и др. Глиоксиловая кислота часто содержится в недозрелых фруктах, по мере их созревания она постепенно исчезает. Она обладает всеми свойствами альдегида и одноосновной кислоты, 70
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. Щавелевая кислота Гликолевая кислота 71
Альдегидокислоты. Биохимическая роль. Использование в медицине. Глиоксиловая кислотаучастник цикла трикарбоновых кислот С использованием глиоксалевой кислоты производится Øширокий спектр антибиотических препаратов (пенициллины, ампицилины, амоксициллины), Ø а также свободных добавок для кальция пантотената (широкая область применения) 72
Кетонокислоты являются более устойчивыми, чем альдегидокислоты. Значительную роль в биохимических процессах играют следующие кетонокислоты: - Пировиноградная к-та (ПВК) - 2 – оксопропановая - Ацетоуксусная к-та (АУК) - 3 – оксобутановая - Щавелевоуксусная к-та (ЩУК) - 2 – оксобутандиовая - - оксоглутаровая к-та - 2 – оксопентандиовая 73
Пировиноградная кислота Пировиноградная к 9 (ПВК) • • • Впервые получена нагреванием винной (и виноградной) кислоты 2 -оксопропановая кислота α-оксопропионовая кислота Соли, эфиры- пируваты Пировиноградная кислота играет важную Это жидкость, tкип. = 165 0. роль в обмене веществ, являясь связующим звеном обмена углеводов, жиров и белков. ПВК -центральный продукт углеводного обмена. Пировиноградная кислота содержится во всех тканях и органах. В крови человека в норме находится 1 мг%, а в моче 2 мг%. 74
Cпособы получения пировиноградной кислоты: 1). Окисление молочной кислоты (2 – гидроксипропановой). + -H 2 O 2)гидролиз - оксонитрилов + КCN -KCl + 2 Н 2 О -NH 4+ 75
Cпособы получения пировиноградной кислоты: 3). Гидролиз (щелочной) дигалогенокислот: + 2 Н 2 О 2, 2, -дихлорпропановая кислота 2 -оксопропановая кислота Образование ПВК в организме В организме пировиноградная кислота ( и пируваты) являются конечным продуктом метаболизма в процессе гликолиза. Одна молекула глюкозы превращается при этом в две молекулы пировиноградной кислоты. 76
Химические свойства оксокислот: Химические свойства оксокислот определяются наличием 2 -х функциональных групп. >С=О Для карбонильной группы характерны реакции АN, восстановления. Для карбоксильной группы характерны реакции SN, -СООН образования солей. Специфические реакции – обусловлены взаимным влиянием 2 х групп: Ø реакции декарбоксилирования протекают легче, чем в карбоновых кислотах ØБолее сильные кислотные свойства, чем у карбоновых кислот. 77
Химические свойства пировиноградной кислоты 1). Реакция >С=О - AN. HCN - OH - следы 2 - циано-2 - гидроксип ропановая кислота Na. HSO 3 белый осадок – кач. реакция на >C=O H 2, Pd Молочная кислота NH 2 – NHC 6 H 5 фенилгидразон ПВК 78
2). Реакции – СООН группы. кисл. св-ва, обр-е солей Пируват Na Этилпируват (сложный эфир) SN амид ПВК уреид ПВК ангидрид ПВК галогенангидрид ПВК 79
2). Реакции – СООН группы. кисл. св-ва, обр-е солей Пируват Na Этилпируват (сложный эфир) SN амид ПВК уреид ПВК ангидрид ПВК галогенангидрид ПВК 80
Реакции AN и SN протекают легче, чем в отсутствии второй функциональной группы: + 1 > + 3 > +I eff + 2 +I eff + 4 Кислотные свойства ПВК выражены значительно сильнее, чем у пропановой кислоты из-за присутствия ЭА - СО группы. (Кд (пропионовой кислоты)=0, 00134, Кд(пировиноградной кислоты)=0, 56 81
Специфические реакции пировиноградной кислоты ØДекарбоксилирование in vitro + Øдекарбонилирование in vitro + 82
Декарбоксилирование пировиноградной кислоты в организме (in vivo) 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: ØДекарбоксилирование пировиноградной кислоты в организме протекает в присутствии фермента декарбоксилазы и соответствующего кофермента. Декароксилаза + кофермент + CO 2 83
Декарбоксилирование пировиноградной кислоты в организме (in vivo) ØОбразующийся ацетальдегид далее может : присоединяться к кетонокислотам с образованием α-ацето-αгидроксикислоты или окисляться в присутствии кофермента А в ацетилкофермент А. ØАцетил. Ко. А используется при синтезе жирных кислот , ацетилхолина ØАцетил. Ко. А может передать свой ацил на щавелевоуксусную кислоту для дальнейшего окисления до CO 2 и H 2 O. 84
Цикл Кребса 85
Цикл превращения лимонной кислоты в живых клетках был открыт и изучен английским биохимиком Хансом Кребсом, за эту работу он (совместно с Ф. Липманом) был удостоен Нобелевской премии (1953 год) Основные работы Кребса посвящены изучению процессов обмена веществ (метаболизма). В 1932 году он открыл последовательность химических реакций, в ходе которых в тканях животных из аммиака образуется мочевина (цикл мочевины) В 1937 году предложил цикл из восьми реакций, обеспечивающий превращение (в присутствии кислорода) продуктов расщепления сахаров, жиров и белков в диоксид углерода, воду и высокоэнергетическое соединение аденозинтрифосфат (АТР) – энергетическое «депо» клетки - цикл трикарбоновых кислот 86
Декарбоксилирование пировиноградной кислоты в in vivo 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. 87
• Декарбоксилирование пировиноградной кислоты Если кислорода недостаточно, пировиноградная кислота подвергается анаэробному расщеплению с образованием этанола у растений. Анаэробное расщепление В клетках некоторых микроорганизмов (в дрожжах при спиртовом брожении)- ферментативное декарбоксилирование + CO 2 Далее происходит восстановление альдегида в спирт 88
Ацетоуксусная кислота -3 - оксобутановая кислота -β- оксомасляная кислота - ацетоуксусная В организме образуется в процессе метаболизма высших жирных кислот. Особенность β- оксомасляной кислоты- неустойчивость. Она легко декарбоксилируется : даже при слабом нагревании (в водном растворе) распадается на ацетон и СО 2. + 89
Ацетоуксусная кислота в организме Ацетоуксусная кислота образуется in vivo в процессе метаболизма высших жирных кислот (продукт окисления βгидроксимасляной кислоты) 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. + Н 2 О + СО 2 + АТФ В организме у больных сахарным диабетом ацетоуксусная кислота и продукты её превращения ( «ацетоновые» или «кетоновые» тела) накапливаются Сахарный диабет + 90
Ацетоновые тела: ацетон, ацетоуксусную кислоту, соли ацетоуксусной кислоты, которые могут содержаться в моче при сахарном диабете, в клиническом анализе определяют галоформной реакцией. 91
Ацетоуксусный эфир Большой теоретический интерес в связи с изучением таутомерии и двойственной реакционной способности имеет этиловый эфир ацетоуксусной кислоты –ацетоуксусный эфир Строение этого эфира долгое время не могли установить, так как он проявлял двойственную реакционную способность, причиной которой является кето- енольная таутомерия Кетонная форма - 92. 5% tкип = 78º % содержание кетонных форм зависит от растворителя Енольная форма – 7. 5% tкип = 44º 92
Ацетоуксусный эфир Енольная форма стабилизируется за счет сопряжения двойной углерод-углеродной связи с карбонильной группой и образования внутримолекулярной водородной связи § Как кетон ацетоуксусный эфир восстанавливается Н 2 до этилгидроксибутирата; присоединяет образованием соответственно гидросульфитного производного. HCN, Na. HSO 3 циангидрина с и 93
Ацетоуксусный эфир § Как енол ацетоуксусный эфир Øмгновенно обесцвечивает раствор Вг 2 (реакция служит для количественного определения енола) Øс Fe. Cl 3, образует комплекс –интенсивного фиолетового окрашивания. + Fe. Cl 3 Эта реакция характерна для енольных соединений и совершенно отсутствует у кетонов. 94
Таутомерия ацетоуксусного эфира Реакции с бромом в присутствии Fe. Cl 3 используются для изучения скорости установления таутомерного равновесия. 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. 95
Химические свойства ацетоуксусного эфира как енола Действие галогенангидридов. Действием галогенангидридов получаются сложные эфиры гидроксикротонового эфира: Действие аммиака. Действием аммиака получается β-аминокротоновая киислота Действие пяти хлористого фосфора приводит к образованию β- хлоркротонового эфира: Действие натрия приводит кобразованию натрийацетоуксусного эфира. Это соединение представляет собой натриевое производное енольной формы ацетоуксусного эфира 96
Кето-енольная таутомерия Основные научные работы Людвига Кнорра посвящены изучению кетоенольной 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. Кнорр, Людвиг (2 декабря 1859 — 4 июня 1921 года) — немецкий химикорганик. 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. ). 97
Щавелевоуксусная кислота 2 - оксобутандиовая Относится одновременно к и - оксокислотам 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 кислоту 98
Щавелевоуксусная кислота, кето-енольная таутомерия Для щавелевоуксусной кислоты характерна кето-енольная таутомерия, причем енольная форма более устойчива. Кето – форма 20% Енольная форма 80% Устойчивость енольной формы обусловлена более длинной цепью сопряжения. 99
α-оксоглутаровая кислота HOOC CH 2 C O COOH 2 -оксопентандиовая кислота, α-кетоглутаровая кислота Ключевой продукт цикла Кребса, образуется в результате декарбоксилирования изолимонной кислоты. 100
α-оксоглутаровая кислота - предшественник глутаминовой кислоты 101
Физико-химические методы исследования и идентификации органических соединений Электронная спектроскопия. Может использоваться для исследования равновесий в растворе, например, при изучении таутомерных превращений. Метод применим в тех случаях, когда изомеризация затрагивает хромоформную группу: мигрирует двойная связь с образованием сопряженного фрагмента. В смеси кето-енольных таутомеров можно определить содержание какого-либо изомера, если максимумы поглощения двух форм находятся на различных длинах волн и известен спектр одного из таутомеров 102
Электронная спектроскопия. УФ-спектры поглощения барбитуратов в зависимости от р. Н раствора 103
Электронная спектроскопия. УФ-спектр стандартного 0, 001% раствора ампициллина в воде 104
Инфракрасная спектроскопия Характеристические участки спектров отдельных классов органических соединений -альдегиды и кетоны. Кетоны Альдегиды 105
Инфракрасная спектроскопия Характеристические участки спектров органических соединений- карбоновых кислот Карбоновые кислоты 106
Инфракрасная спектроскопия Фрагменты ИК спектра парацетомола Спектр вторичного амида с гидроксильной группой (парацетамол, тв. ). 107
Масс-спектрометрия С помощью масс-спектрометрии можно проводить идентификацию органических соединений. Интерпретация масс-спектра заключается в отнесении основных пиков к определенным фрагментам молекулы и определении на этом основании структуры вещества. Масс-спектр метилсалицилата 108
Масс-спектрометрия Масс-спектры олеиновой кислоты и ее метилового эфира. 109
Масс-спектрометрия Фрагментация происходит за счет гомолитического и гетеролитического разрыва связей и включает перегруппировки, приводящие к образованию новых связей , которые отсутствуют в исходной молекуле. Вероятность фрагментации зависит от энергии соответствующих связи и возможности стабилизации осколочного иона 110
Спасибо за внимание! 111
Скачать презентацию Кафедра общей и медицинской химии Лекция 5 Оптическая
Лекция 5 гидрокси- и оксокислоты.ppt