БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Лекция 4 Карбоновые кислоты План 1. Классификация. 2. Химические свойства. 3. Салициловая кислота, фарм. препараты на её основе. Лектор: доктор биологических наук, профессор, зав. кафедрой химии Ирина Петровна Степанова ОМСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ КАФЕДРА ХИМИИ

Карбоновые кислоты Карбоновые кислоты – это органические вещества, содержащие в своем составе карбоксильную группу (- COOH).

Классификация карбоновых кислот I. По числу карбоксильных групп различают: a)монокарбоновые – содержат одну карбоксильную группу. Пример: гомологический ряд предельных одноосновных кислот C n H 2n + 1 COOH, n = 0, 1, 2, 3, 4 … HCOOH муравьиная (метановая) кислота (соли – формиаты)

Классификация карбоновых кислот H 3 C – COOH уксусная (этановая) кислота (соли – ацетаты) H 3 C – CH 2 – COOH пропионовая (пропановая) кислота (соли – пропионаты)

Классификация карбоновых кислот H 3 C – CH 2 – CH 2 – COOH масляная (бутановая) кислота (соли – бутираты) H 3 C – CH 2 – CH 2 – CH 2 – COOH валериановая (пентановая кислота) кислота (соли – валераты)

Классификация карбоновых кислот H 3 C – CH 2 – CH 2 – CH 2 – CH 2 – COOH капроновая (гексановая) кислота (соли – гексаноаты)

Классификация карбоновых кислот b) поликарбоновые – содержат в своем составе две и более карбоксильные группы. Пример: гомологический ряд предельных дикарбоновых кислот HOOC – C n H 2n – COOH, n = 0, 1, 2, 3, 4 … HOOC – COOH щавелевая (этандиовая) кислота (соли – оксалаты), HOOC – CH 2 – COOH малоновая (пропандиовая) кислота (соли – малонаты), HOOC – CH 2 – CH 2 – COOH янтарная (бутандиовая) кислота (соли – сукцинаты), HOOC – CH 2 – CH 2 – CH 2 – COOH глутаровая (пентандиовая) кислота (соли – глутараты).

малеиновая кислота (цис-бутендиовая кислота) Токсична, в природе не встречается. фумаровая кислота (транс-бутендиовая кислота) Продукт обмена углеводов в анаэробных условиях. Пример: непредельная дикарбоновая кислота бутендиовая кислота НООС-СН=СН-СООН Классификация карбоновых кислот

II. В зависимости от наличия младших функциональных групп различают: a) гидроксикислоты COOH HO – C – H CH 3 L (+) - молочная (2 – гидроксипропановая) кислота (соли – лактаты) Пример: L – молочная кислота D – молочная кислота

Классификация карбоновых кислот COOH HO – C – H CH 2 COOH L (-) –яблочная кислота (2- гидроксибутандиовая) кислота (соли – малаты)

Классификация карбоновых кислот COOH CH 2 H – C – OH CH 3 D(+) – β-гидроксимасляная (2-гидроксибутановая) кислота, соли – β-гидроксибутираты COOH HO – C – CH 2 – COOH СH 2 – COOH лимонная (2-гидроксипропан- 1,2,3-трикарбоновая) кислота, соли – цитраты

Классификация карбоновых кислот Гидроксикислоты являются, как правило, твёрдыми телами. Рацемическая молочная кислота может быть жидкой (т. пл. 18 о С). Запахом гидроксикислоты почти не обладают. Гидроксикислоты имеют очень большое значение в биологической химии; их можно встретить во многих очень важных метаболических путях – цикле Кребса, гликолизе, пентозофосфатном цикле, b-окислении жирных кислот, биосинтезе жирных кислот и т.д.

Классификация карбоновых кислот b) оксо- (кетонов-) кислоты – содержат в своем составе карбонильную группу. Пример: COOH C = O CH 3 пировиноградная (2-оксопропановая) кислота (ПВК), соли – пируваты COOH C=O CH 2 COOH щавелевоуксусная (2-оксобутандиовая) кислота (ЩУК), соли – соли щавелевоуксусной кислоты

Классификация карбоновых кислот COOH CH 2 C = O CH 3 ацетоуксусная (3-оксобутановая) кислота, соли – соли ацетоуксусной кислоты

Классификация карбоновых кислот III. Особую группу составляют высшие (жирные) карбоновые кислоты (ВЖК); входят в состав липидов. Различают ВЖК: a)предельные. Пример: C 15 H 31 COOH – пальмитиновая кислота, C 17 H 35 COOH – стеариновая кислота, C 23 H 47 COOH – лигноцериновая кислота, C 23 H 46 (OH)COOH – цереброновая кислота;

b) непредельные. Пример: C 17 H 33 COOH – олеиновая кислота (одна двойная связь), C 17 H 31 COOH – линолевая кислота (две двойных связи), C 17 H 29 COOH – линоленовая кислота (три двойных связи), C 23 H 45 COOH – нервоновая кислота (одна двойная связь). Классификация карбоновых кислот

-метилмасляная кислота 2-метилбутановая кислота Номенклатура карбоновых кислот

Физические свойства Карбоновые кислоты в растворе находятся в виде димеров.

Физические свойства Низшие жирные кислоты представляют собой легкоподвижные жидкости, средние члены – масла, высшие – твёрдые кристаллические вещества. Рис. 1. Температуры плавления карбоновых кислот.

Физические свойства Рис. 2. Температуры кипения в гомологическом ряду карбоновых кислот, альдегидов и спиртов.

Физические свойства Первые члены гомологического ряда карбоновых кислот обладают резким запахом, средние – прогорклым, неприятным, например, масляная кислота пахнет потом, высшие карбоновые кислоты вследствие нелетучести лишены запаха. Карбоновые кислоты, как правило, не ядовиты, однако приём внутрь концентрированных растворов (например, уксусной эссенции) вызывает тяжёлые ожоги. Нежелательно попадание этих растворов на кожу и тем более внутрь.

Строение карбоксильной группы О δ- С δ+ О δ- Н δ+.. Карбоксильная группа представляет собой плоскую p-π –сопряженную систему за счет взаимодействия p z –АО кислорода гидрокси-группы с π-связью карбонильной группы. Это приводит к повышению кислотных свойств карбоновых кислот по сравнению со спиртами.

В карбоновых кислотах частичный положительный заряд на атоме углерода меньше, чем в альдегидах и кетонах, поэтому для карбоновых кислот менее характерны реакции нуклеофильного присоединения (A N ) по сравнению с альдегидами и кетонами. Строение карбоксильной группы

В карбоновых кислотах выделяют следующие реакционные центры: O δ- 1 R CH C δ+ H OH – основный, нуклеофильный центр, 2 – электрофильный центр, 3 – «OH» - кислотный центр, 4 – «CH» - кислотный центр. α

Кислотные свойства Взаимодействие с нуклеофильными реагентами по карбонильному углероду Взаимодействие с нуклеофильными реагентами по карбонильному углероду Восстановление до CH 2 Декарбоксилирование α-H реакции Химические свойства

I. Реакции диссоциации (в «OH»-кислотном центре): За счет p-π –сопряжения отрицательный заряд в ацилат-ионе делокализован между двумя атомами кислорода: Химические свойства

K = 2.14·10 -4 K = 1.75·10 -5 Химические свойства

II. Образование солей: а) С активными металлами: 2 CH 3 COOH + Mg (CH 3 COO) 2 Mg + H 2 б) С основными оксидами: 2 CH 3 COOH + CaO (CH 3 COO) 2 Ca + H 2 O в) Со щелочами (реакция нейтрализации): CH 3 COOH + NaOH CH 3 COONa + H 2 O г) С солями более слабых кислот: CH 3 COOH + NaHCO 3 CH 3 COONa + CO 2 + H 2 O 2 CH 3 COOH + Na 2 CO 3 2 CH 3 COONa + CO 2 + H 2 O Эти реакции используются как качественные на карбоксильную группу (по выделению пузырьков CO 2 ).

Образование солей дикарбоновыми кислотами: гидрооксалат натрия оксалат натрия (кислая соль) (средняя соль) оксалат кальция Химические свойства

Около 80% почечных камней образуется из оксалата кальция. Химические свойства

молочная кислота лактат кальция Образование солей гидроксикислотами: Лактат кальция используется в медицине как кальциевый препарат.

Химические свойства III. Реакции галогенирования (в СН - кислотном центре): CH 3 CH 2 COOH + Br 2 CH 3 CH COOH + HBr Br пропионовая кислота α- бромпропионовая кислота

Химические свойства IV. Реакции декарбоксилирования In vitro реакции протекают при нагревании, in vivo с участием ферментов декарбоксилаз. а) in vitro: HOOC COOH HCOOH + CO 2 to to янтарная кислота ангидрид янтарной кислоты

Химические свойства COOH COOH CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 COOH глутаровая кислота масляная кислота F -CO 2 б) in vivo:

Химические свойства c) Реакции окислительного декарбоксилирования Пример: Превращение ПВК в митохондриях с участием декарбоксилазы (F), дегидрогеназы (НАД + ) и кофермента А (HS – KoA). O H 3 C C COOH H 3 C C O H O H 3 C C + НАД·H - -H + S KoA F -CO 2 HS – KoA, НАД + Ацетил -KoA Ацетилкофермент A вовлекается в цикл трикарбоновых кислот или цикл Кребса.

Структура Коэнзима А: Химические свойства

V. Реакции этерификации или нуклеофильного замещения (S N )у sp 2 -гибридизованного атома углерода Пример: уксусная кислота этиловый спирт этилацетат вода

Химические свойства VI. Межмолекулярная дегидратация с образованием ангидридов (при пропускании паров кислот над водоотнимающими средствами P 2 O 5, H 2 SO 4 конц : Ангидрид (an – отрицающая частица, греч. udor – вода) означает лишённый воды.

Химические свойства VII. Окисление карбоновых кислот В организме карбоновые кислоты окисляются в основном за счёт т.н. b-окисления. Кроме того in vivo встречается также α- и w-окисление. In vitro некоторые аналогичные реакции b-окисления можно осуществить с помощью 3% перекиси водорода.

Химические свойства Процесс α-окисления идёт в пероксисомах. При нарушении этого процесса развивается синдром Рефсума, характеризующийся накоплением фитиновой кислоты в мозге. -Окисление:

Химические свойства Окисление дикарбоновых кислот in vivo: янтарная кислота фумаровая кислота

Химические свойства VII. Реакции окисления гидроксикислот a) Окисление молочной кислоты COOH COOH HO C H C O CH 3 CH 3 молочная кислота + НАД + - НАД · H, - H + пировиноградная кислота

Химические свойства b) Окисление яблочной кислоты COOH COOH HO C H C O CH 2 CH 2 COOH COOH яблочная кислота + НАД+ - НАД ·H, - H + щавелевоуксусная кислота

Химические свойства с) Окисление β-гидроксимасляной кислоты COOH COOH CH 2 CH 2 H C OH C O CH 3 CH 3 + НАД+ - НАД ·H, - H + β –гидрокимасляная кислота ацетоуксусная кислота

Химические свойства H 3 C C CH 2 COOH + H 2 O 2 H 3 C COOH O В норме ацетоуксусная кислота подвергается гидролитическому расщеплению с образованием двух молекул уксусной кислоты. уксусная кислота Уксусная кислота, вовлекаясь в обменные процессы, окисляется до конечных продуктов CO 2 и H 2 O. При патологии (сахарном диабете) идет декарбоксилирование уксусной кислоты. H 3 C C CH 2 COOH H 3 C C CH 3 + CO 2 O O ацетон В крови больных накапливаются кетоноввые тела: β-гидрокимасляная кислота, ацетоуксусная кислота, ацетон. F

Химические свойства Специфические свойства винной кислоты – образование хелатных комплексов с ионами металлов. L-винная кислота D-винная кислота мезовинная кислота

Салициловая кислота, фарм. препараты на её основе Салициловая кислота: (о-гидроксибензойная кислота) Обладает большей кислотностью, чем бензойная кислота, а также мета- и пара- изомеры. Это объясняется стабилизацией аниона за счет образования внутримолекулярной водородной связи: δ+δ+ Салициловая кислота, фарм. препараты на её основе

Салициловая кислота применяется в медицине в виде спиртовых растворов и мазей как антисептическое лекарственное средство.

1)Метилсалицилат: Используется как противовоспалительное, анальгетическое средство наружно (в виде мазей). Салициловая кислота, фарм. препараты на её основе

2)Салицилат натрия: Применяется в качестве анальгетического, противовоспалительного, жаропонижающего средства. Салициловая кислота, фарм. препараты на её основе

3)Фенилсалицилат: салицилат хлорангидрид фенилсалицилат натрия салициловой кислоты Фенилсалицилат входит в состав фарм. препаратов. Салициловая кислота, фарм. препараты на её основе

4)Ацетилсалициловая кислота (аспирин): Ацетилсалициловая кислота используется в качестве анальгетического, жаропонижающего средства. Салициловая кислота, фарм. препараты на её основе

Салициловая кислота и её производные со свободной гидроксильной группой дают с раствором хлорида железа (III) фиолетовое окрашивание, характерное для фенолов, что используется в качественном анализе. Салициловая кислота, фарм. препараты на её основе

СПАСИБО ЗА ВАШЕ ВНИМАНИЕ!