Курс лекций по биоорганической химии. Курс лекций по биоорганической химии учебное пособие для студентов 1 курса очного обучения
 Скачать 4.37 Mb.
|
ЛЕКЦИЯ 5КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ И ИХ ГЕТЕРОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕПРОИЗВОДНЫЕ : ГИДРОКСИ- И ОКСОКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ Содержание лекции 5.1. Классификация карбоновых кислот 5.2. Строение карбоксильной группы 5.2.1. Значения рКа. карбоновых кислот 5.3. Химические свойства карбоновых кислот 5.4. Характеристика отдельных представителей монокарбоновых кислот. Медико- биологическое значение 5.5. Непредельные монокарбоновые кислоты 5.6. Дикарбоновые кислоты 5.7. Непредельные ди- и трикарбоновые кислоты 5.8. Гидроксикарбоновые кислоты 5.8.1. Моногидроксимонокарбоновые кислоты 5.8.2. Гидроксидикарбоновые кислоты 5.8.3. Дигидроксидикарбоновые кислоты 5.9. Оксокарбоновые кислоты (альдегидо-, кетокарбоновые кислоты) Значение величин рКа кислот- субстратов цикла Кребса 5.10 Приложение : происхождение названий монокарбоновых кислот Исходный уровень знаний для усвоения темы: Теория Бренстеда-Лоури кислотно-основных свойств биоорганических соединений, классификация кислот и оснований, индуктивный и мезомерный эффекты, влияние заместителей на кислотные и основные свойства, константа кислотности, определение значений рН, рКа , рКв , строение карбоксильной группы, механизм реакции нуклеофильного замещения. Ключевые слова к теме: Кислоты монокарбоновые: акриловая, уксусная, муравьиная, пропионовая, масляная, валериановая, пальмитиновая, стеариновая, олеиновая, элаидиновая, линолевая, линоленовая, арахидоновая, кротоновая, сорбиновая. Кислоты дикарбоновые : щавелевая. малоновая, янтарная, адипиновая, малеиновая, фумаровая. Гидроксикислоты: гликолевая, молочная. яблочная, 3-гидроксимасляная, лимонная , изолимонная. Оксокислоты : пировиноградная , щавелевоуксусная, альфа-кетоглутаровая, ß - оксомасляная ( в двух таутомерных формах-енольной и кетоновой). Оптическая изомерия гидроксикарбоновых кислот. Пространственная геометрическая изомерия непредельных кислот. Таутомерия оксо (кето)кислот. Цикл Кребса 5.1. Классификация карбоновых кислот Среди биологически активных соединений большая роль отводится различным карбоновым кислотам и их производным. Химическое соединение является карбоновой кислотой, если в его составе есть функциональная карбоксильная группа. Карбоновые кислоты классифицируют по нескольким признакам состава и строения: 1. по числу карбоксильных групп : моно- , ди- , трикарбоновые кислоты и т.д.
-алифатические предельные ( ациклические, циклические ) - непредельные( содержат одну или несколько кратных связей) - ароматические ( карбо- и гетероароматические ) 3. в связи с присутствием в радикале других функциональных групп : - гидроксикарбоновые( содержат одну или несколько гидроксильных групп ) - оксокарбоновые ( содержат карбонильную группу- альдегидную или кетоновую) - аминокислоты (содержат одну или несколько аминогрупп). Активными биоактивными веществами, участниками и метаболитами биохимических реакций, являются все вышеперечисленные представители карбоновых кислот. 5.2. Строение карбоксильной группыО б- О // // R – C <===> R – C + Н + \ \ О – Н б + О – Карбоновая кислота Карбоксилат - анион Атомы углерода и кислорода в группе >C = O находятся в состоянии гибридизации sp2 , электронная плотность смещена в сторону атома кислорода. Электронная плотность атома кислорода в гидроксильной группе ( неподеленные пары электронов) смещаются в сторону атома углерода, возникает сопряжение, электронная плотность на атоме кислорода в группе –О - Н снижается, увеличивается поляризация связи между атомами кислорода и водорода. На атоме водорода появляется заряд б+ и создаются условия для диссоциации. При удалении протона образуется анион кислоты – карбоксилат анион. В анионе происходит выравнивание длин связей, возникает равномерное распределение электронной плотности между тремя атомами . O  / R — C (-) \ O . Низшие карбоновые кислоты в водном растворе меняют окраску индикатора и эти кислоты сильнее угольной кислоты. Данное сравнение весьма важно для понимания биохимических процессов в организме. В крови в условиях слабо щелочной среды кислоты присутствуют в виде натриевых солей, а в тканях в результате обмена веществ непрерывно образуется углекислый газ, который соединяется с водой и образует угольную кислоту. Н2 О + СО2 = Н2 СО3Если бы угольная кислота была сильнее органических кислот, она бы вытесняла их из солей и этим нарушала бы кислотно-основное состояние крови( значение рН крови = 7,4 ) Донорные заместители в радикале кислоты , как известно, снижают кислотные свойства, а акцепторные заместители - увеличивают. Это правило сохраняет свою справедливость и для карбоновых кислот. В гомологическом ряду кислотные свойства убывают. В таблице 1 представлены два различных гомологических ряда: насыщенные кислоты- муравьиная, уксусная, пропионовая и дикарбоновые- щавелевая, малоновая, янтарная. Сравните их кислотные свойства и увидите, что в гомологическом ряду они убывают. Непредельные кислоты сильнее насыщенных ( акриловая и пропионовая). Ароматическая бензойная кислота кислоты сильнее алифатической уксусной . Также дикарбоновые кислоты по первой ступени диссоциации, содержащие до 3 атомов углерода, сильнее муравьиной, а до 5- сильнее уксусной. При более длинной цепи влияние групп становится незаметным. Сравните величины рКа некоторых карбоновых кислот( таблица 1) : 5.2.1. Значение величин рКа некоторых карбоновых кислот : Таблица1
5.3. Химические свойства карбоновых кислот Для последующего изучения биохимических реакций invivo c участием карбоновых кислот следует выделить следующие направления:
а)замещение атома водорода- образование солей б) замещение гидроксигруппы- реакция нуклеофильного замещение SN, которая проходит в два этапа( 1 этап- нуклеофильное присоединение, 2 этап-элиминирование). К этим реакциям относятся - образование сложных эфиров - образование тиоэфиров ( в клетках с коэнзимом А ( НSКоА - сложная органическая молекула, активирующая кислоты для их последующих биохимических превращений) - образование амидов 2. Реакции с участием радикала ( дегидрирование, карбоксилирование ). Обратите внимание, что все последующие реакции с участием карбоксильной группы записаны в общем виде, а студент должен уметь написать аналогичную реакцию для конкретных соединений.. 2.1. Образование солей. Соли карбоновых кислот можно получить при взаимодействии с металлами( по ряду активности до Н ), оксидами металлов, гидроксидами металлов, солями более слабых кислот. R – СООН + MgО ——>( R – СОО ) 2 Mg + Н 2 О R – СООН + N аНСО 3 —> R – СОО Nа + Н 2 О + СО2 Правила образования названия солей: называют ацильный( кислотный) остаток + металл НСОО Nа – формиат натрия СН 3 СН 2 СОО Nа – пропионат натрия СН 3 СОО Nа – ацетат натрия СН 3 СН 2 СН 2 СОО Nа – бутират натрия 2.2.Получение сложных эфиров В условиях invitro сложные эфиры образуются несколькими путями(реакции обратимы) а) в реакции этерификации – взаимодействие карбоновой кислоты со спиртом при нагревании в присутствии катализатора серной кислоты( реакция обратима). R – СООН + R 1 – ОН <——> R – СОО R 1 + Н 2 О сложный эфир б) в реакции переэтерификации – взаимодействие сложного эфира со спиртом, образуется сложный эфир, содержащий другой остаток спирта( реакции также обратимы). R – СОО R 1 + R 2 – ОН <——> R – СОО R 2 + R 1 – ОН Пример : О // СН 3 СООН + С 2 Н 5 ОН <——> СН 3 - С + Н 2 О \ ОС2 Н5 этилацетатПравила образования названий сложных эфиров: а). называют радикал спирта + слово эфир + название кислоты – «этиловый эфир уксусной кислоты» б) называют радикал спирта + остаток кислоты –« этилацетат» 2.3.В реакциях invivo большое значение имеют реакции образования тиоэфиров и участие тиоэфиров в образовании новых эфиров путем переэтерификации. А. Получение тиоэфиров( реакции идут с затратой энергии АТФ). Схема реакции; а) R – СООН + НS- КоА —— АТФ ——> R – СО S- КоА коэнзим А ацилкоэнзим А ( знак означает особый тип связи, который встречается в природных соединениях и называется «макроэргическая», т.е. высокоэнергетическая связь. Две такие связи присутствуют в молекуле АТФ ). СН 3 СООН + НS- КоА ——АТФ ——> СН 3 – СО S- КоА ацетилКоА АцетилКоА можно назвать одним из самых главных соединений, участвующих в обмене в аэробной( потребляющей для жизнедеятельности кислород) клетке Б) этерификация в клетке invivo осуществляется ферментами с участием активных форм карбоновых кислот: взаимодействие спирта с ацилКоА . R – СО S- КоА + R 1– ОН ——> R - СО - О R 1 + Н S- КоА сложный эфир Так образуются сложные эфиры спирта холестерина, трехатомного спирта глицерина.( жиры, триглицериды) , нейромедиатор ацетилхолин. + Ацетилхолин + СН 3 – С S- КоА + НО- СН2-СН2- N ( СН 3 ) 3 ——> СН 3 С - О- СН2-СН2- N( СН 3 ) 3 || || О ацетилКоА холин О + НS КоА 2.4. Образование амидов В условиях invitro амиды легко образуются при взаимодействии сложного эфира с аммиаком или амином при нагревании в слабокислой среде. R – СОО R 1 + NН3 —> R – СО NН 2 + R 1ОН сложный эфир амид R – СОО R 1 + R2 --NН 2 —> R – СО NН - R2 + R 1ОН сложный эфир амин амид спирт Амиды не имеют основных свойств вследствие сопряжения в группе - С(=О) –NН - , более того, амидная группа проявляет слабые кислотные свойства ( NH- кислотный центр). Реакции образования сложных эфиров, амидов в соответствии с механизмом реакции относится к SN(формально происходит замещение группы –ОН на другую нуклеофильную группу.) В процессе реакции выделяют два этапа: вначале происходит нуклеофильное присоединении А N , а затем элиминирование воды. Реакции углеводородного скелета Из школьной программы студентам известна реакция радикального замещения атома водорода у α-углеродного атома( положение-2 , соседнее с карбоксильной группой) на галоген – галогенирование уксусной, пропионовой и др кислот. СН 3 -СН2 - СООН + С12 —> СН 3 -СН С1 - СООН + НС1 2-хлорпропановая кислота В α- положении карбоновой кислоты возникает СН-кислотный центр под влиянием акцепторной карбоксильной группы, на атомах углерода и водорода возникают заряды б+. Н б+ Н б+ б+ | | Н – С → СООН СН 3 —С → СООН | | Н б+ Н б+ В реакциях invivoα- CН- кислотный центр является местом ферментативной реакции карбоксилирования оксидом углерода( 1V). Образование малонилКоА происходит в процессе биосинтеза высших карбоновых кислот ( пальмитиновой, стеариновой ) в печени и клетках жировой ткани  Н б+ О б- СООН б+ | | | | Н – С → СОSКoA + С ———> СН2 – С О SКoA | | | активная форма малоновой кислоты Н б+ О малонилКоА ( НООС-СН2- СОSКoA ) . 5.4. Характеристика отдельных представителей монокарбоновых кислот , медико-биологическое значение Предельные( насыщенные) кислоты Внимание: высшие карбоновые кислоты , содержащие более 12 атомов углерода, рассматриваются в теме «Липиды» Муравьиная кислота – получила свое название от красных муравьев ( formica rufa ), в организме которых была найдена еще в 17 в. Обнаружена в листьях крапивы( отсюда жалящее действие), в хвое, в некоторых фруктах., в организме гусениц. Для организма человека токсична ( ядовита ) по нескольким причинам: является восстановителем, соединяется с аминогруппами в процессе реакции формилирования и способна разлагаться с выделением СО - оксида углерода(2), который необратимо связывается с ионами железа в гемоглобине. Безводная муравьиная кислота- прозрачная, бесцветная жидкость с резким запахом, по запаху можно спутать с уксусной кислотой, на кожу действует разъедающее до образования ожогов, пузырей. Применяется для изготовления лекарственного средства для наружного применения под названием «муравьиный спирт»( spiritus acidi formici ). Состав: кислоты муравьиной 1 часть, спирта этилового 70% 10 частей. Применяют для для растираний при невралгиях, миозитах. Уксусная кислота в виде уксуса известна с глубокой древности. По рассказам Плиния, египетская царица Клеопатра для поддержания красоты пила напиток, полученный растворением жемчуга в уксусе ( кстати, основу жемчуга составляет карбонат кальция СаСО3 , доля органических соединений в морском жемчуге- до 14%, а в пресноводном- до 95%, много гуанина- основания нуклеиновых кислот ). .Безводная кислота затвердевает при Т=160 в кристаллы, похожие на лед, поэтому ее называют «ледяной уксусной кислотой» Чистая уксусная кислота представляет собой бесцветную прозрачную жидкость с резким запахом, вызывающая ожоги при концентрации более З0 %, а прием вовнутрь вызывает тяжелейшие ожоги пищевода, которые требуют последующей хирургической операции по его восстановлению Уксусная кислота распространена во всем растительном и животном мире в свободном состоянии, в виде эфиров и тиоэфиров. Микроорганизмы, грибы, дрожжи обладают способностью превращать углеводы в уксусную кислоту путем уксуснокислого брожения, так получают фруктовый( яблочный) уксус – слабый раствор уксусной кислоты. Поэтому уксусная кислота присутствует в сыре, кислом молоке. В клетках всех тканей человека уксусная кислота представлена ацетилкоэнзимом А. Этого соединения нет в зрелых эритроцитах. В уксус превращается молодое вино. Этанол , попадающий в организм человека в составе лекарственных спиртовых настоек, алкогольных напитков, также превращается в уксусную кислоту или ее активную форму- АцетилКоА. ( CН 3СОS КоА ) через промежуточное соединение ацетальдегид, который также как и этанол обладает высокой токсичностью для человека. С 2Н5 ОН + НАД + ——( фермент алкогольдегидрогеназа)—>СН 3СНО + НАДН + Н + этаналь СН 3СНО + Н2 О+ НАД + —( ферм. альдегиддегидрогеназа)—> СН 3СООН + НАДН + Н + уксусная кислота СН 3СНО + НАД + + Н S КоА—( ферм. альдегиддегидрогеназа)—> CН 3СОS КоА + НАДН + Н + АцетилКоА образуется в аэробных клетках организма человека из глюкозы, аминокислот и высших карбоновых кислот. АцетилКоА участвует в реакциях цикла Кребса, который объединяет все виды обмена веществ единое целое и создает предпосылки для синтеза АТФ. Фторуксусная кислота СН2F СООН - структурный аналог уксусной кислоты, блокирует реакции цикла Кребса и является поэтому высоко токсичным соединением для организма человека и животных. Физиологическое действие проявляется в поражениях нервной системы и нарушении сердечной деятельности вплоть до летального исхода. Фторацетат калия является токсическим началом ряда ядовитых растений, произрастающих в Африке.( присутствие галогенов в биологически активных природных соединениях – весьма редкое явление! ) Бариевая соль фторуксусной кислоты- одно из самых активных средств в борьбе с грызунами, а 5 мг кислоты на 1 кг массы растений полностью уничтожает тлю, поразившую эти растения. |