Методичка по органической химии Часть 2

68

Тема 6. СОЕДИНЕНИЯ СО СМЕШАННЫМИ ФУНКЦИЯМИ

Гидроксиальдегиды и гидроксикетоны.

Гидрокси- и оксокислоты

Цель занятия: сформировать знания стереохимии и реакционной способности с учетом взаимного влияния функциональных групп гетерофункциональных соединений как основы биохимических процессов.

Конкретные задачи

1.Студент должен знать: формулы важнейших представителей гидроксиальдегидов

игидроксикетонов; гидрокси – и оксокислот; их структуру, названия, нахождение в природе, биологическую роль, классификацию, общие и специфические химические свойства; иметь представление о стереоизомерии: энантиомерии и диастереомерии, оптической активности, относительной и абсолютной конфигурации, рацематах и способах их разделения.

2.Студент должен уметь: писать уравнения реакций, отражающие химические свойства гетерофункциональных соединений; правильно выбрать участвующую в реакции функциональную группу в зависимости от реагента и условий проведения реакции; писать таутомерные формы эфиров ацетоуксусной и щавелевоуксусной кислот и реакции, подтверждающие наличие различных таутомерных форм; определять хиральность молекул, количество стереоизомеров, писать их формулы, определять относительную конфигурацию (D или L); находить оксикислотный ключ, определять энантиомеры и диастереомеры, мезоформу.

Проделывать реакции по доказательству строения винной кислоты: двухосновности и многоатомности; по доказательству способности молочной кислоты к окислению и переходу в пировиноградную кислоту с идентификацией последней с помощью цветной реакции на кетогруппу с нитропруссидом натрия; по доказательству существования кетонной и енольной формы ацетоуксусного эфира.

Мотивация. Гидрокси – и оксосоединения являются биологически важными веществами, участниками биохимических процессов. Например, яблочная и лимонная кислоты участвуют в ЦТК Кребса, пировиноградная кислота – узловой промежуточный продукт при обмене веществ, - кетоглутаровая кислота является предшественником важной аминокислоты – глутаминовой и т.д. Ряд из них являются лекарственными препаратами. Например, соли молочной (лактаты), лимонной (цитраты) и яблочной (малаты) кислот с железом применяются при малокровии, соли лимонной кислоты – при консервировании донорской крови.

Вопросы для самоподготовки

1.Общие свойства карбоновых кислот, спиртов, альдегидов и кетонов.

2.Специфические свойства гидроксикислот:

а) отношение к нагреванию -, -, -, - гидроксикислот; б) разложение - гидроксикислот при нагревании в присутствии серной кислоты; 3. Специфические свойства оксокислот:

а) кето-енольная таутомерия -оксокислот; б) разложение при нагревании – декарбоксилирование.

4.Виды стереоизомерии. Определение стереоизомеров: энантиомеров и диастереомеров.

5.Оптическая активность. Условия проявления оптической активности – хиральный центр и хиральность молекулы.

69

6.Проекционные формулы Фишера стереоизомеров молочной и винной кислот.

7.Абсолютная и относительная конфигурация стереоизомеров. Оксикислотный ключ. Ключевые соединения: D– и L- глицериновый альдегид. Рацематы. Способы их разделения.

Этапы занятия и контроль усвоения знаний

Продолжительность занятия – 4 часа.

	Этапы занятия	Формы проведения	Время
1.	Контроль выполнения	Проверка преподавателем выполнения	15	мин.
домашнего задания.		домашнего задания в рабочих тетрадях.
2. Контроль самоподготовки.		Написание тест – контроля и его оценка.	15	мин
3.	Разбор теоретического	Опрос студентов у доски, объяснение	90	мин
материала.		преподавателем наиболее трудных и важных
		вопросов, демонстрация моделей, плакатов.
4.	Приобретение	Выполнение лабораторных работ	30	мин
практических навыков.		по теме занятия.
5.	Оформление протоколов	Заполнение графы «Визуальные наблюдения» в	15	мин
лабораторных работ.		протоколах лабораторных работ.
		Самостоятельный анализ полученных данных и
		формулировка выводов.
6.	Проверка и защита	Собеседование и оценка практических навыков	15	мин
протоколов.		преподавателем.

Содержание этапов занятия

1-й этап. Преподаватель проверяет и оценивает по пятибалльной системе выполнение домашнего задания по заданной теме и отвечает на вопросы студентов.

2-й этап. Студенты письменно отвечают на билет тест – контроля. Ответ оценивается по десятибалльной системе (0, 5, 10 баллов).

3-й этап. При обсуждении теоретического материала необходимо вспомнить свойства карбоновых кислот, спиртов, альдегидов и кетонов как соединений, определяющих общие химические свойства гидрокси- и оксокислот. Разобрать специфические свойства: отношение к нагреванию -, -, -гидроксикислот на примере молочной,-гидроксимасляной, -гидроксимасляной кислот; способность - гидроксикислот разлагаться при нагревании в присутствии серной кислоты на примере молочной кислоты; реакции декарбоксилирования пировиноградной и ацетоуксусной кислот; кето-енольную таутомерию на примере ацетоуксусного эфира; оптическую изомерию на примере винной и молочной кислот.

4-й этап. Студенты по 2 человека выполняют лабораторные работы по теме занятия.

5-й этап. Студенты оформляют в рабочей тетради протокол лабораторной работы в виде таблицы. Заполняют графы «Наблюдения и выводы» 6-й этап. Студенты предоставляют оформленный протокол и объясняют полученные

результаты. Преподаватель оценивает приобретенные практические навыки.

	70
Теория
Органические соединения, содержащие ОН- и	>С=О группы, называются

гидроксиальдегидами и гидроксикетонами. Важнейшие представители приведены в таблице 1.

Соединения, содержащие -ОН и -СООН группы, называются гидроксикислотами (таблица 2).

Гидроксикислоты

Классификация

Гидроксикислоты

по атомности	по основности	по взаимному расположению
		двух функциональных групп
по количеству -ОН	по количеству -СООН		бывают -,.-, - и т.д.
групп, включая и	групп бывают одно- и		гидроксикислотами
входящую в -СООН,	многоосновными
бывают двух- и
многоатомными

Виды изомерии: структурная – по положению 2-й функциональной ОН – группы относительно – СООН; стереоизомерия (энантиомерия, диастереомерия)

Химические свойства

I Гидроксикислоты проявляют общие свойства спиртов и кислот. В зависимости от реагентов и условий проведения реакций взаимодействует ОН или -СООН группа или обе одновременно. Как кислоты они более сильны, чем соответствующие карбоновые кислоты (сказывается –I эффект ОНгруппы).

П. Гидроксикислоты проявляют специфические свойства, которые обусловлены взаимным влиянием ОН- и СООНгрупп.

1. Например, своеобразная реакция отщепления воды при нагревании. Она позволяет отличить -, -, - и другие гидроксикислоты.

а)				O				O
						t°
								CH2 - C
	CH2 - C
	OH			OH	гидролиз		O	O	+ 2H2O
		+			+	-
					H или OH
	HO			OH				C - CH2
			C-CH				O
	O			2				лактиды
							(циклические
							сложные эфиры)
б)					O	t°			O
	CH3-		CH-CH-C		OH	-H2O	CH3-CH=CH		C
									OH
		OH H
	-оксимасляная						кротоновая кислота
	кислота

									71
в)			t°		CH2	-		CH2
	CH2 - CH2		гидролиз						+ H2O
CH				CH2		C = O
		C = O	H+
2
	OH HO				O
-гидроксимасляная				- бутиролактон

кислота (ГОМК)

ГОМК обладает наркотическим действием, нетоксична, применяется в виде натриевой соли как снотворное средство и при неингаляционном наркозе при операциях.

г)
			H2C			CH2
CH2 - CH2		t°
			H C				C = O	+ H2O
CH2	C = O	гидролиз	2
		H+
CH2OH HO			H2C			O
			- валеролактон
-гидроксивалериановая

лактон

Лактиды и лактоны могут гидролизоваться в кислой среде с образованием исходных гидроксикислот.

2. Разложение -гидроксикислот при нагревании в присутствии H2SO4:

		O	t°, H2SO4
CH3 -	CH - C		CH3–CHO + HCOOH
		OH
OH

Многоосновные кислоты ведут себя так же. Например,

а) при нагревании лимонная кислота будет вести себя как -гидроксикислоты:

	COOH					t°		COOH
HOOC - CH2 - C - CH - COOH							HOOC - CH - C = CH - COOH
				-Н2О			2
	OH H
лимонная кислота			COOH				цис-аконитовая к-та
+ Н2О
	HOOC - CH2		- CH -			CH - COOH
против правила
				OH
Марковникова
		изолимонная кислота

б) при действии H2SO4 и нагревании она ведет себя как -гидроксикислота, т.е. разлагается с выделением муравьиной кислоты:

					72
COOH		t°, H2SO4
			HCOOH	+	HOOC - CH2 - C - CH2 - COOH
HOOC - CH2 - C - CH2 - COOH
OH		H O	CO		O
		2

ацетондикарбоновая кислота

2СO2

+

CH3 -

C - CH3

O

Таблица 1

Гидрокси – и оксоальдегиды и кетоны

Тривиальное

ИЮПАК –

Местонахождение в

Формула

природе и

название

номенклатура

биологическая роль

O

Гликолевый, или

2– гидроксиэтаналь

Предшественник

CH2 - C

гидроксиуксусный

гликолевой кислоты

альдегид

H

OH

O

Глицериновый

2,3–дигидрокси-

Стандарт

CH2

-

CH - C

альдегид

пропаналь

конфигурации всех

«хиральных»

H

OH

OH

соединений: гидрокси-

и аминокислот,

углеводов и др.

CH2 -

C - CH2

Дигидроксиацетон

1,3 – дигидрокси-2-

В виде фосфорно-

пропанон

кислого эфира

OH

O OH

встречается как

промежуточный

продукт при

окислении глюкозы в

организме

73

74

Продолжение таблицы 2

Формула					Тривиальное	ИЮПАК-	Атомность	Основ
					Название кислот (их	номенклатура
					солей и эфиров)
					Винная (виноградная),	2,3-дигидрокси	4-х атомная	2х осно
HOOC-		CH-		CHCOOH	или ,-дигидрокси	бутандиовая
					янтарная кислота	кислота
OH OH
					(тартраты)
					Лимонная , или -	3-гидрокси-3-	4-х атомная	3-х осн
		COOH			гидрокси- -карбокси-	карбоксипентан
					глутаровая (цитраты)	диовая
HOOC - CH2 - C - CH2 - COOH
		OH

75

Оксокислоты

Наиболее важные природные оксокислоты представлены в Таблице 3

Химические свойства

I. Они проявляют общие свойства, присущие альдегидам или кетонам и кислотам, но как кислоты они сильнее соответствующих карбоновых кислот (сказывается –I эффект

карбонильной группы)

П Специфические свойства, обусловленные взаимным влиянием

>C=O и -COOH групп:

1. Расщепление - и - оксокислот при нагревании – декарбоксилирование:

ˉ

+

+ O

t°, H2SO4разб.

а) CH3 - C

C

CH3CHO+ CO2

OH

ˉ O

t° комн.

б) CH - C

CH

COOH

CH3 -

C - CH3 + CO2

3

2

O

O

2. Кето-енольная таутомерия -оксокислот.

O

+

COOH

CH3 -

C CH

CH3 - C = CH - C

O:

H

:OH

OH

–

кето-форма

енольная форма

ацетоуксусная кислота (АУК)

Обе формы известны в свободном состоянии и могут быть при определенных условиях выделены. Однако они обе неустойчивы – легко превращаются в равновесную смесь с содержанием кето-формы (93%) и енольной (17%). Стойкость енола по сравнению с другими енольными формами возрастает из-за сопряжения.

Для доказательства существования обеих форм пользуются соответствующими реакциями. Например, как кетон АУК восстанавливается до вторичного спирта, реагирует с HCN, фенилгидразином и т.д. Как енол АУК или ее этиловый эфир (ацетоуксусный эфир) дает окрашивание при действии разбавленного водного раствора FeCl3 вследствие образования комплексной железной соли (хелата):

CH3 - C

O

CH	Fe
	O:

H5C2-O- C 3

76

Таблица 3

Оксокислоты

Тривиальное

ИЮПАК-

название кислот

Местонахождение в природе и

Формула

номенклатур

(их солей и

биологическая роль

а

эфиров)

H

Глиоксиловая,

2-оксо-

Это единственная -альдегидо-

C - COOH

или

формилму-

этановая

кислота. Встречается в

равьиная

недозревших фруктах.

O

(глиоксилаты)

CH3 -

C - COOH

Пировиноград-

2-оксо-

Ключевой

промежуточный

ная,

ацетилму-

пропановая

продукт при обмене веществ в

равьиная

организме

O

(пируваты).

CH3 -

C - CH2 - COOH

Ацетоуксусная,

3-оксобу-

Образуется

в

процессе

-оксомасляная

тановая

метаболизма

высших

жирных

(ацетоацетаты)

кислот

и

как

продукт

O

окисления

-оксимасляной

кислоты,

накапливается при

сахарном диабете.

O

O

O

Щавелевоуксус-

2-оксобу-

Образуется в ЦТК

ная, ЩУК

тандиовая

C - CH - C - C

(оксалоацетаты)

2

OH

HO

O

O O

-кетоглутаровая

2-оксопен-

Образуется в ЦТК и является

(-кетоглутара-

тандиовая

предшественником важнейших

C -CH2-CH2-C-C

ты)

аминокислот:

глутаминовой и

HO

OH

-амино-масляной (ГАМК)

Стереоизомерия

Стереоизомеры отличаются друг от друга пространственным расположением атомов или групп атомов.

	Стереоизомеры
Энантиомеры	Диастереомеры
(оптические,
или зеркальные,
изомеры)

Знание стереоизомерии очень важно для изучения строения природных соединений (биорегуляторов и лекарственных средств – гормонов, витаминов, антибиотиков), так как

77

все они существуют в строго определенных пространственных формах и их биологическая активность тесно связана с пространственным строением.

Так, для построения белковой молекулы используется один вид энантиомеров – L– аминокислоты, а в классе углеводов большее распространение имеют D–сахара. Из двух энантиомерных форм гормона адреналина большей фармакологической активностью обладает D(-)–форма. Стереоспецифично протекают многие биохимические реакции, так как они катализируются ферментами – белковыми молекулами.

Приведем некоторые примеры значения диастереомерии.

Бутендиовая кислота существует в виде двух геометрических изомеров (цис- и транс-), но только один из них – фумаровая кислота (транс–изомер) – служит субстратом для действия фермента.

Ретинол с транс–расположением всех двойных связей более эффективен в процессах зрения, чем его цис–изомер.

В липиды клеточных мембран в качестве структурных составляющих входят также только цис-формы высших жирных кислот.

Энантиомерия осуществляется у так называемых «хиральных» молекул.

Хиральными, или асимметрическими, молекулами называются те, которые не могут быть совмещены со своим зеркальным отражением; у них отсутствует плоскость симметрии:

Термин «хиральность» произошел от греческого слова «хиро» – рука.

Самым простым наглядным примером хиральных объектов являются правая и левая руки. Атом углерод с четырьмя различными группами называется асимметрическим, или

хиральным, центром.

Для изображения энантиомеров на плоскости используются проекционные формулы Фишера, называемые проекциями Фишера:

	COOH					COOH
H			NH2 (OH)	(OH)NH2				H
	CH3					CH
						3

Энантиомеры

Относительная и абсолютная конфигурация. Определение абсолютной конфигурации стало возможным только с появлением современных физико-химических методов (рентгеноструктурного анализа) в 50-х годах. Однако нет необходимости устанавливать ее для каждого соединения. Можно охарактеризовать их путем сравнения