3.3. Динамическая изомерия.

Ах, все равно»- быстро сказала Алиса-

«Только, знаете, так неприятно

все время меняться»

Л. Кэрролл. «Алиса в стране чудес»

Примером динамической изомерии является таутомерия.

Таутомерия-явление обратимой изомерии, при которой два или более изомеров легко переходят друг в друга. Вещество содержит одновременно несколько изомерных структур, находящихся в равновесии в определенном соотношении.

Термин « таутомерия» ( от греч- «тауто» – тот же самый и « мерос»- часть) был предложен в 1885г. К. Лааром. Выделенные изолированные формы называются десмотропами, а явление в целом- десмотропией.

Наиболее распространенным видом таутомерии явлется прототропная таутомерия, при которой превращение осуществляется в результате перехода атома водорода ( в виде протона ) внутри молекулы .

Для понимания направления биохимических реакций, строения биологически активных веществ( например, нуклеиновых кислот, моносахаров) необходимо изучить кето-енольную, лактим-лактамную, кольчато-цепную( цикло-оксо) таутомерию.

3. 3.1. Кето-енольная таутомерия.

Понятие кето-енольная таутомерия подразумевает, что химическое соединение может существовать в нескольких формах: кетоновой и енольных, находящихся в динамическом равновесии.

кето-форма енольная форма

| б+ |

— С <— С — — С = С —

| | | |

б- О Н б+ OH

СН-кислотный возникает тип сопряжения π , р

центр

Образование енольной формы связано с перемещением атома водорода из соседнего СН-кислотного центра к более электроотрицательному атому кислорода.

( термин «енол» означает, что гидроксильная группа находится у атома углерода в sp² –гибридном состоянии. Вспомните название – фенол )

Соединение в енольной форме относится к НО- кислотам в соответствии с теорией Бренстеда-Лоури.

В енольной форме всегда возникает сопряженная система по типу π , р.

Чем длиннее сформируется цепь сопряжения, тем устойчивее и термодинамически выгоднее енольная форма ( по сравнению с возможными другими).

Первым фактом обнаружения существования кето-енольной таутомерии можно считать реакцию Кучерова - гидратацию ацетилена.

В результате реакции образуется этаналь( но первым продутом присоединения воды к тройной связи является неустойчивый виниловый спирт- енол- термодинамически невыгодная изомерная форма).

соли ртути, серная кислота

С₂ Н ₂ + НОН ————> ( СН₂ = СН ) —> СН₃ —С -Н

| | |

ацетилен НО O

виниловый спирт этаналь

Наиболее важное значение в биологических процессах имеет кето-енольная таутомерия оксокислот: пировиноградной, щавелевоуксусной, 3-оксобутановой

( последняя может образовать две таутомерные формы)

3 2 1

СН₃ —С —СООН СН₂ = С — С=О

| | | |

О НО ОН

пируват (кето-форма) пируват( енольная форма)-цепь сопряжения

охватывает всю молекулу, включая атом кислорода карбоксильной группы до атома С₃

3-оксобутановой ( ацетоуксусная) кислота может образовать две формы

( цепи сопряжения в енольных формах выделены выделены красным цветом)

СН₃ —С — СН₂ —С ООН ацетоуксусная кислота

| |

О

СН₂ = С — СН₂ —С ООН СН₂ — С = СН —СООН

| |

ОН ОН

менее устойчивая форма более устойчивая форма

короче цепь сопряжения длиннее цепь сопряжения

Медико- биологическое значение кето-енольной таутомерии

1. Енольная форма пировиноградной кислоты в растительных и животных клетках образует фосфорный эфир- фосфоенолпируват, который является высокоэнергетическим( макроэргическим) соединением. Энергия макроэргической связи в нем выше по сравнению с АТФ. Это соединение служит для образования АТФ, реакция относится к необратимым.

СООН

| + АДФ —> АТФ + СН ₃— С — СООН

C ~ ОРО₃Н₂ ||

|| О пировиноградная кислота

СН₂

фосфоенолпируват (~ обозначение макроэргической связи)

название значка «тильда»

2. Енольные формы кетокислот дают качественную реакцию аналогичную фенолу с хлоридом железа( +3). На этом основано экспресс- определение в моче новорожденных фенилпировиноградной кислоты (2-оксо - 3-фенилпропановой) при наследственном заболевании фенилкетонурии.

3. Определение ацетона и качественная реакция, позволяющая отличить этанол от метанола, основаны на способности альдегидов и кетонов к таутомерным превращениям.

К раствору этанола или ацетона добавляют раствор йода в щелочной среде, щелочная среда способствует устойчивости енольной формы. Происходит последовательное присоединение галогена к двойной связи , акцепторное действие галогена стабилизирует енольную форму. Далее после гидролиза в щелочной среде получается осадок йодоформа , появляется характерный запах.

+ 3 I₂

СН₃ -С(О) -СН₃ СН₂ = С(ОН)- СН₃ —> С I₃ - С(О) -СН₃ + 3 НI

1,1.1-трийодацетон

С I₃ - С(О) -СН_{3 +} 3 NaOH —> СНI ₃ + CH₃ COONa

Йодоформ

Этанол окисляется йодом, образуется этаналь. Этаналь переходит в енольную форму в растворе в момент присоединения йода, получается 1,1,1-трийодэтаналь, который также легко гидролизуется с образованием йодоформа. «Йодоформная» проба чрезвычайно проста в исполнении и используется для обнаружения патологических компонентов мочи(ацетона,ацетоуксусной кислоты), которые могут появляться при инсулинзависимом диабете или голодании. Любые химические соединения, в которых есть фрагменты

СН₃ —С — и СН₃ —С — , дают «йодоформную» реакцию .

| | |

ОН O