Гидроксикарбоновые кислоты

Гидроксикарбоновыми кислотами называют соединения, мо­лекулы которых содержат и спиртовые, и карбоксильные груп­пы. Число карбоксильных групп определяет основность гидроксикарбоновых кислот, а суммарное число групп ОН (как спир­товых, так и карбоксильных) - их атомность. Гидроксикислоты, являющиеся метаболитами, имеют тривиальные названия, а их соли - тривиальные латинские названия (табл. 14).

Таблица 14

Некоторые биогенные гидроксикарбоновые кислоты и их кислотные свойства

Формула	Тривиальное название кислоты	Название солей	Кислотные свойства
* СН3—СН—СООН | ОН	Молочная	Лактаты	рКа = 3,06
* НООС—СН2— СН— СООН | ОН	Яблочная	Малаты	pК =3,5 рК =5,0
* * НООС—СН— СН— СООН | | ОН ОН	Винная	Тартраты	pК =2,93 рК =4,23
СООН | НООС- СН2—С— СН2- СООН | ОН	Лимонная	Цитраты	pК =3,1 рК =4,7 рК =6,4

Примечание. Звездочкой отмечены хиральные центры, т. е. асимметрические углеродные атомы.

По взаимному расположению функциональных групп гидроксикислоты подразделяются на α-, β-, γ-кислоты и т. д:

СН₃—СН₂—СНСООН СН₃—СН—СН₂СООН СН₂—СН₂—СН₂СООН | | |

ОН ОН ОН

α -гидроксимасляная β-гидроксимасляная γ-гидроксимасляная

кислота кислота кислота

Многие гидроксикислоты, например молочная, яблочная, винная, изолимонная, имеют в молекуле хиральные центры, вследствие чего для них характерна оптическая изомерия (разд. 15.2). Так, молочная кислота существует в трех формах: две оптически активные, т. е. энантиомеры (зеркальные изоме­ры), а третья - оптическая неактивная, являющаяся рацемиче­ской смесью энантиомеров. Молочная кислота, выделенная из мышечной ткани, называемая мясо-молочной кислотой, явля­ется L-энантиомером. D-Молочная кислота образуется из сахаров при помощи особых бактерий-возбудителей брожения. Под действием молочнокислых бактерий в прокисшем молоке, при созревании сыров, при квашении овощей и в процессе силосо­вания образующаяся молочная кислота является рацемической смесью обоих энантиомеров и не проявляет оптической актив­ности:

D-молочная L-молочная

кислота кислота

D,L – молочная кислота

(D,L-рацемат)

D-винная L-винная мезовинная кислота

кислота кислота (оптически неактивная)

виноградная кислота

(D,L-рацемат)

Яблочная кислота подобно молочной также существует в трех формах: D-энантиомер, L-энантиомер и их D, L-рацемат.

Молекула винной кислоты содержит два одинаковых хиральных центра, между которыми может проходить плоскость симмет­рии этой молекулы. Поэтому винная кислота в природе существует в четырех формах: D-винная, L-винная, D,L-рацемат, на­зываемый виноградной кислотой, а также мезовинная кислота, являющаяся оптически неактивным стереоизомером вследствие внутримолекулярной компенсации из-за симметричности ее структуры. Оптические изомеры гидроксикислот отличаются не только физическими свойствами, но и тем, что их биологические и физиологические функции различны. В организме обычно присутствует один стереоизомер гидроксикислоты.

Среди специфических свойств гидроксикислот прежде всего следует отметить их склонность к реакции дегидратации при на­гревании. При этом дегидратация для α-, β- и γ-гидроксикислот происходит различно.

α-Гидроксикислоты дегидратируются межмолекулярно, при этом спиртовые группы взаимодействующих молекул взаимно ацилируются карбоксильными группами этих кислот с образо­ванием устойчивых циклических сложных эфиров, называемых лактидами (от латинского названия молочной кислоты):

лактид

В этой электрофильно-нуклеофильной реакции каждая молеку­ла за счет спиртовой группы выступает нуклеофилом, а за счет карбоксильной группы - электрофилом. Лактиды, как и слож­ные эфиры, при кипячении с водой в присутствии кислот или щелочей гидролизуются с образованием исходных кислот.

β-Гидроксикислоты при нагревании дегидратируются внутримолекулярно за счет протона α-метиленовой группы, имею­щего повышенную подвижность, образуя α,β -непредельные ки­слоты:

Эта реакция сопровождается внутримолекулярной окислитель­но-восстановительной дисмутацией за счет углеродных атомов. Подобные реакции дегидратации протекают в организме при участии дегидратаз. Они имеют место при β-окислении жирных кислот (разд. 19.4.2) и дегидратации лимонной кислоты в цик­ле Кребса (разд. 19.4.3).

γ- и δ-Гидроксикислоты, вследствие пространственной бли­зости —ОН и СООН-групп, очень неустойчивы и легко отщеп­ляют молекулу воды вследствие внутримолекулярного ацилирования спиртовой группы с образованием устойчивых пяти- и шестичленных циклических внутренних сложных эфиров -лактонов:

γ-гидроксимасляная γ-бутиролактон

кислота

δ-гидроксивалериановая δ-валеролактон

Наличие в гидроксикислотах двух или более электроотрица­тельных групп способствует реакциям окислительно-восстанови­тельной дисмутации, так как в их молекулах увеличивается чис­ло углеродных атомов, имеющих промежуточные степени окисле­ния. Внутримолекулярная окислительно-восстановительная дисмутация α-гидроксикис-

лот происходит при их нагревании в при­сутствии H₂SО₄ и сопровождается разрывом связи С—С. При этом образуются муравьиная кислота и соответствующее карбо­нильное производное — альдегид или кетон:

Лимонная кислота в этих условиях, наряду с муравьиной кислотой, образует ацетондикарбоновую кислоту, которая в ре­зультате внутримолекулярной окислительно-восстановитель

ной дисмутации легко декарбоксилируется с образованием ацетона:

Приведенные реакции еще раз демонстрируют, что углерод­ный атом карбоксильной группы может быть и окислителем (первая реакция), и восстановителем (вторая реакция).

В организме гидроксикислоты дегидрируются под действием дегидрогеназ с окисленной формой кофермента НАД⁺, причем водородные атомы отщепляются от спиртовой группы и связан­ного с ней углеродного атома. При этом образуются соответст­вующие оксокислоты.

Так, важной стадией β-окисления жирных кислот (разд. 19.4.2) является дегидрирование β-гидроксикислот в виде производных с коферментом А в соответствующие про­изводные β-оксокислот.

Подобная реакция межмолекулярной окислительно-восста­новительной дисмутации протекает с изолимонной кислотой в цикле Кребса:

Таким образом, гидроксикислоты чрезвычайно склонны к реакциям окислительно-восстановительной дисмутации, проте­кающей как внутримолекулярно, так и межмолекулярно.