Лекция 8 Гетерофункциональные соединения гидрокси и оксокислоты

Лекция 8 Гетерофункциональные соединения: гидрокси – и оксокислоты. Оптическая изомерия. 1

Оптическая изомерия. глаз Неполяризованный луч Призма Николя Изменение плоскости поляризации 2

Этим свойством обладают вещества, которые представляют собой хиральные объекты. (Кельвин, конец XIX в. ) Cheir (греч. ) рука. Хиральными - называют объекты, для которых отсутствуют ось и плоскость симметрии. Они оказываются несовместимыми со своим зеркальным изображением. 3

В органических молекулах хиральным объектом является am. С, окруженный 4 мя различными заместителями (С в sp 3 гибридизации). Этот атом называется асимметрическим (Вант-Гофф, конец XIXв. ) 4

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. 5

зеркало 6

Изомеры, относящиеся друг к другу как предмет и зеркальное отображение и имеющие одинаковые химические и физические свойства называются энантиомерами (оптические изомеры). Энантиомер, отклоняющий луч света по часовой стрелке, называют правовращающим и обозначают (+), а его антипод – левовращающим (-). 7

Классы органических соединений, среди которых много оптически активных соединений - - гидроксикислоты, аминокислоты (кроме глицина ). Общая формула - гидроксикислот. 8

Одна из важнейших - гидроксикислот - 1). - 2 – гидроксипропановая (молочная), соли – лактаты. кислота Для изображения оптического изомера на плоскости используют формулу Фишера. L (+) = + 3, 82 о D (-) = - 3, 82 о При брожении сахаров при помощи особых бактерий 9

(+) – правовращающая молочная кислота – называется мясомолочной. 10

Количество энантиомеров определяется по формуле N=2 n, где n – количество хиральных атомов. Для молочной кислоты n = 1, следовательно N = 2, это (+) и (-) формы. Но кроме оптических изомеров всегда существует смесь, состоящая из равных количеств (+) и (-) антиподов. Она называется активной. рацемической и не является оптически 11

Такой , например, является молочная кислота, полученная под действием молочнокислых бактерий при скисании молока, квашении капусты, солении огурцов, помидоров. 12

способы разделения рацемической смеси: • • 1. Механический – отбор кристаллов по внешнему виду скошенные грани); (кристаллы имеют зеркально- 2. Микробиологический – (+) и (-) оказывают разное физиологическое действие на микроорганизмы, которые избирательно поглощают один антипод. • 3. Хроматографический – расщепление рацематов на оптически активных сорбентах. 13

4 Химический • – основан на химической реакции антипода с оптически деятельным веществом – это основной способ разделения. 14

- яблочная кислота 2). 2 - гидроксибутандиовая ( - гидроксиянтарная) соли: малаты Дикарбоновая (2 СООН) и трехатомная (3 ОН) кислота. В организме она получается следующим образом: янтарная фумаровая яблочная дальнейшее окисление превращает ябл. к-ту в щавелевоуксусную. щавелевоуксусная 15

Формулы Фишера для яблочной кислоты. L (-) природная яблочная кислота D (+) яблочная кислота 16

3). – дигидроксиянтарная кислота – винная кислота Должна иметь 22 = 4 – энантиомера. Реально существуют 2 оптически активных изомера + 1 оптически неактивная форма. Уменьшение количества энантиомеров связано с появлением в молекуле плоскости симметрии, так как 2 С* имеют одинаковую конфигурацию. а). энантиомеры о 20 о tпл. = 170 (+) [ ] + 12 Природная винная кислота о (-) = -12 , tпл. = 170 о 17

Плоскость симметрии Мезовинная кислота – оптически неактивная форма из-за внутренней компенсации. Мезовинная получается при кипячении со щелочами всех изомеров. Мезоформа – конфигурация молекулы с 2 -мя одинаковыми С*, имеющей плоскость симметрии. 18

г). Рацемическая смесь получается при длительном кипячении с Н 2 О любого изомера. Она называется виноградной кислотой. Это смесь (+) и (-) кислот. Виноградная кислота оптически не активна, отличается по физическим свойствам (tпл. =205 С). При её синтезе всегда получается рацемическая смесь. 19

Схема введения 2 ой функциональной группы в карбоновую кислоту. - галогенокислота -гидроксикислота -аминокислота оксокислота - уреидокислота 20

Гидроксикислоты. Гомологический ряд гидроксикислот: 1. Гидроксиметановая кислота Гидроксимуравьиная Угольная (H 2 CO 3) 2. Гидроксиэтановая кислота Гидроксиуксусная Гликолевая Кристаллическое вещество, tпл. =80, легко растворяется в воде. Содержится в недозрелых плодах. 21

3 а). б) 2 -гидроксипропановая 3 - гидроксипропановая a-гидроксипропионовая b- гидроксипропионовая - молочная кислота соли эфиры } лактаты 4). Из изомеров гидроксимасляной кислоты особый интерес представляет изомер - гидроксимасляная кислота 4 – гидроксибутановая кислота Накапливается в организме больных сахарным диабетом как промежуточный продукт - окисления жирных кислот. Является предшественником ацетоуксусной кислоты (АУК). 22

Химические свойства гидроксикислот Химическое поведение всех гетерофункциональных соединений складывается из свойств каждой функциональной группы и свойств, обусловленных их взаимным влиянием. 1). Свойство ОН гр. пировиноградная 2 - хлорпропановая к-та МОЛОЧНАЯ КИСЛОТА 2 – метоксипропановая (простой эфир) сложныый эфир 23

2). Свойства – СООН кислотные свойства декарбоксилирование реакция обр. сложных эфиров галогенангидрид амид 24

3). Специфические свойства: а). При t 0 в присутствии разбавленной Н 2 SO 4 образуется НСООН и альдегид б). При t. образуются лактиды. межмолекулярные сложные эфиры. К специфическим свойствам гидроксикислот относится их склонность к дегидратации. А особенность заключается в том, что , , , ( , ) – изомеры ведут себя по разному. 25

Специфические реакции , , , гидроксикарбоновых кислот при нагревании. 1). - ОН карбоновые кислоты при температуре образуют межмолекулярные циклические сложные эфиры - лактиды. + – УСТОЙЧИВЫЙ ШЕСТИЧЛЕННЫЙ ЦИКЛ - лактид молочной кислоты 26

2). - ОН карбоновые кислоты при температуре образуют непредельные кислоты - гидроксимасляная кислота Кротоновая кислота 27

3). - и - ОН – карбоновые кислоты – образуют внитримолекулярные сложные эфиры – лактоны. ГОМК – в анестезиологии применяется как неингаляционный наркоз. 28

Винная кислота – дигидроксиянтарная кислота. - соли тартраты Получение нейтр. 29

Химические свойства: 1). По СООН группе – образование солей. а). + КОН гидротартрат К – нерастворимый осадок (качественная реакция на К +). KOH б). осадок + Na. OH cегнетова соль. – Н 2 О 30

в). Осадок + Cu(OH)2 реактив Фелинга Раствор ярко синего цвета, медный алкоголят виннокислого калия - натрия Реактив Фелинга Служит для обнаружения углеводородах. группы в альдегидах и O + Fheling reagent + R red C + OH 31

Лимонная кислота. -2 -гидроксипропан-1, 2, 3, -трикарбоновая кислота. Содержится в больших количествах в плодах цитрусовых – лимоне, апельсине, вишне. В промышленном масштабе получают из листьев махорки Биосинтез ЛK в цикле Кребса – по типу альдольной конденсации ЩУК ацетилкофермента А- и 32

Химические свойства: 1) при t 0 с Н 2 SО 4 разлагается 33

Фенолокислоты. 1). Салициловая кислота – 2 – гидрокибензойная, содержит 2 функциональные группы: а). Химические реакции по ОН- - гр. Интенсивное фиолетовое окрашивание (качественная реакция на фенол) Ацетилсалициловая кислота 34 (аспирин)

б). по СООН группе (производные, имеющие практическое значение). Салицилат натрия Метилсалицилат Фенилсалицилат (салол) 35

в). Специфические реакции, обусловленные влиянием 2 х групп друг на друга: декарбоксилирование фенол Салициловая кислота Усиление кислотных свойств (p. K = 2. 98) Бензойная кислота 36

г). Пара-аминосалициловая кислота (ПАСК). - противотуберкулезное средство антагонист n – аминобензойной кислоты, необходимой для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов. 37

Оксокислоты – карбоновые кислоты, содержащие >С=О группу: (альдегидо –( ) и кетокислоты ). А – кислоты. Простейший представитель - глиоксалевая (глиоксиловая) кислота. 38

А – кислоты неустойчивы, так как окисляется и восстанавливается. группа легко Щавелевая кислота Гликолевая кислота 39

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 40

Химические свойства: !!! Химические свойства оксокислот определяются наличием 2 -х функциональных групп. 1). >С=О 2). A N. кислотные свойства SN 3). Специфические реакции – обусловлены взаимным влиянием 2 х групп. -более сильные кислотные свойства, чем у соответствующих ОНК. К. – реакции декарбоксилирования 41

I) Пировиноградная кислота (ПВК) центральный продукт углеводного обмена. Это жидкость, tкип. = 165 0. Cпособы получения: 1). Окисление молочной кислоты (2 – гидроксипропановой). C H 3 CH COOH + -H 2 O OH 42

2). гидролиз - оксонитрилов + 43

3). Гидролиз (щелочной) дигалогенокислот + 44

Химические свойства. 1)Реакция >С=О - АN. 2) Реакции – СООН – кислые свойства, реакции SN. 3) Специфические реакции, обусловленные влиянием 2 х этих групп друг на друга – декарбоксилирование ( с расщеплением С – С связей). 45

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 46

2). Реакции – СООН группы. кисл. св-ва, обр-е солей Пируват Na Этилпируват (сложный эфир) SN амид ПВК уреид ПВК ангидрид ПВК галогенангидрид ПВК 47

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 изза присутствия ЭА - СО группы. 48

3). Специфическая реакция – декарбоксилирование (потеря СО 2). а). Ферментативное – в клетках некоторых микроорганизмов (в дрожжах при спиртовом брожении) + CO 2 Далее: 49

б) окислительное декарбоксилирование + 1 / 2 O 2 + In vitro декарбоксилирование протекает при нагревании в присутствии H 2 SO 4 (концентрированной или разбавленной) разб конц + + 50

ПВК- ключевое соединение многостадийного процесса углеводного обмена. При клеточном дыхании в присутствии кислорода она в конечном итоге сгорает, превращается в СО 2 и Н 2 О В отсутствии кислорода под действием ферментов ПВК восстанавливается в молочную кислоту. Lactic acid Молочная кислота накапливается в мышцах при интенсивных физических нагрузках, связанных с большими затратами О 2. 51

II) Ацетоуксусная кислота - 3 - оксобутановая кислота образуется в процессе метаболизма высших жирных кислот. Декарбоксилирование (достаточно легко) + 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. 52

В организме больных сахарным диабетом АУК накапливается наряду с продуктами превращения гидроксимасляной кислоты + + ATФ + В моче могут содержаться ацетоновые тела: ацетон, аук, соли аук; которые в клиническом анализе определяют галоформной реакцией. 53

-ацетоуксусный эфир !!! Ацетоуксусный эфир обладает двойственной природой: кетонной и енольной. Кетонная форма - 92. 3% tкип = 78º % содержание кетонных форм зависит от растворителя Енольная форма - 7. 7% tкип = 44º 54

Док- во двойственной природы: Качественная реакция на енольную группу. + Fe. Cl 3 СИНЕ-ФИОЛЕТОВОЕ ОКРАШИВАНИЕ 55

C H 3 C CH C O C H 3 O OH + Br 2 (H 2 O) Br C H 3 Br C C C OH H O O C H 3 56

Существование равновесия между кетонной и енольной формами подтверждается этими реакциями. При добавлении избытка Fe. Cl 3 появляется синефиолетовая окраска. При приливании Br 2 фиолетовый цвет исчезает, так комплекс разрушается, бром присоединяется, но появляется вследствие отщепления Fe. Cl 3 желтая окраска. Через некоторое время сине-фиолетовая окраска вновь постепенно появляется в результате превращения новых порций кетонной формы в енольную. 57

III) Щавелевоуксусная кислота (ЩУК) HOOC C C H 2 COOH -2 - оксобутандиовая Относится одновременно к и - оксокислотам O Образуется в цикле трикарбоновых кислот при окислении яблочной кислоты. Для нее характерна кето - енольная таутомерия, причем енольная форма более устойчива Кето - форма 20% Енольная форма 80% Более длинная цепь сопряжения, большая термодинамическая устойчивость. При взаимодействии с ацетилкофеферментом А превращается в лимонную кислоту. 58

IV) - оксоглутаровая кислота HOOC C H 2 C COOH O 59

Спасибо за внимание! 60