Образование сложных эфиров.

Важное биологическое значение имеют реакции окисления гидроксикислот, которые in vivo протекают при участии кофермента НАД⁺ и ферментов дегидрогеназ:

СПЕЦИФИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ a-, b-, g-ГИДРОКСИ- И АМИНОКИСЛОТ

 

a-Гидрокси- и аминокислоты при нагревании вступают в реакции межмолекулярного нуклеофильного замещения у sp²-гибридизованного атома углерода в карбоксильной группе.

При нагревании a-гидроксикислот образуется циклический сложный эфир — лактид, содержащий две сложноэфирные связи.

При нагревании a-аминокислот образуется циклический амид — дикетопиперазин, содержащий две амидные связи.

У b-гидрокси и b-аминокислот между двумя функциональными группами появляется СН-кислотный центр, что предопределяет протекание реакций внутримолекулярного элиминирования воды или, соответственно, аммиака.

Яблочную кислота можно рассматривать и как a-, и как b-гидроксикислоту. Как b-гидроксикислота она подвергается внутримолекулярной дегидратации с образованием фумаровой кислоты. Реакция протекает ферментативно.

g-Гидрокси и g-аминокислоты, как кислоты с более удаленным расположением функциональных групп, при нагревании претерпевают дегидратацию за счет идущей внутримолекулярно реакции S_N между карбоксильной группой и нуклеофилом (OH- или NH₂-группой). Из гидроксикислот при этом получаются сложные внутренние циклические эфиры — лактоны, из аминокислот — внутренние циклические амиды — лактамы.

Продукты реакций межмолекулярного и внутримолекулярного взаимодействий, сохраняя свойства сложных эфиров или амидов, способны к гидролизу с образованием исходных соединений.

Особое свойство a-гидроксикислот заключается в их легкой способности разлагаться при нагревании в присутствии минеральных кислот с образованием карбонильных соединений и муравьиной кислоты.

 

ЛИМОННАЯ КИСЛОТА

 

Лимонная (3-гидрокси-3-карбоксипентандио-вая) кислота в больших количествах содержится
в плодах цитрусовых растений, а также винограде, крыжовнике. Соли лимонной кислоты называют цитратами и используют для консервирования
и хранения донорской крови (цитратная кровь).

Биосинтез лимонной кислоты происходит при взаимодействии щавелевоуксусной кислоты и ацетилкофермента А (первая стадия цикла трикарбоновых кислот). Реакция протекает по механизму А_N и является реакцией альдольной конденсации.

При последующей дегидратации лимонной кислоты как b-гидроксикарбоновой
кислоты получается цис-аконитовая кислота, которая далее гидратируется с образованием изолимонной кислоты по механизму А_Е.

Разложение лимонной кислоты при нагревании в присутствии серной кислоты происходит по типу разложения a-гидроксикарбоновых кислот.

 

ОКСОКИСЛОТЫ

 

Оксокислотами называют гетерофункциональные соединения, содержащие в молекуле одновременно карбоксильную и кетонную (или альдегидную) группы. В соответствии с этим различают кетонокислоты и альдегидокислоты.

Простейшим представителем альдегидокислот является глиоксиловая кислота
НООС–СНО. Она содержится в недозрелых фруктах, но по мере созревания ее количество уменьшается. Глиоксиловая кислота обычно существует в виде гидрата НООС–СН(ОН)₂.

Как гетерофункциональные соединения кетонокислоты проявляют свойства карбоновых кислот (реакции S_N и кетонов (реакции A_N), а также особые свойства.

Особые свойства. Пировиноградная кислота легко декарбоксилируется при нагревании с разбавленной Н₂SO₄.

In vivo эта реакция протекает в присутствии фермента декарбоксилазы и соответствующего кофермента. Образующийся ацетальдегид далее окисляется в ацетилкоэнзим А.

Пировиноградная кислота является одним из промежуточных продуктов молочнокислого и спиртового брожения углеводов.

Реакции переаминирования (трансаминирования) заключаются в обмене функциональными группами между кетокислотой и аминокислотой, при этом сохраняется углеродный скелет. При переаминировании α-кетонокислот образуются соответствующие α-аминокислоты.

КЕТОНОВЫЕ ТЕЛА

 

Кетоновые или ацетоновые тела образуются in vivo в процессе метаболизма высших жирных кислот. Процесс образования кетоновых тел активируется при сахарном диабете и голодании.

 

ТАУТОМЕРИЯ

 

Таутомерия — вид динамической изомерии, при которой изомеры могут переходить друг в друга, находясь одновременно в растворе в состоянии подвижного термодинамического равновесия. Такие соединения могут прореагировать полностью как в одной, так
и в другой форме. Таутомерия расширяет реакционную способность природных соединений. В таутомерных формах в растворе существуют моносахариды, пептиды, пуриновые и пиримидиновые основания, другие соединения.

Большое теоретическое значение в связи с вопросами таутомерии и двойственной реакционной способности имеет ацетоуксусный эфир (этиловый эфир ацетоуксусной кислоты). В соответствии со строением у ацетоуксусного эфира (вещества, имеющего кетонную группу), протекают реакции нуклеофильного присоединения (A_N). Однако при взаимодействии
с натрием, гидроксидом натрия или при ацилировании в определенных условиях образуются производные b-гидроксикротоновой кислоты, т. е. соединения с енольной группой.

Специальные исследования показали, что ацетоуксусный эфир находится в растворе в виде двух форм: кето и енольной, находящихся в термодинамическом равновесии. Атом водорода метиленовой группы, находящейся между двумя карбонильными группами, обладает подвижностью, поэтому протон С–Н кислотного центра может присоединиться
к основному центру кислорода карбонильной группы.

Характерные реакции на енольный фрагмент. Ацетоуксусный эфир как енол дает с хлоридом железа (III) характерное фиолетовое окрашивание. Если к этому окрашенному раствору прибавить по каплям бром, то енольный таутомер, присоединяя бром по двойной связи, переходит
в бромпроизводное, и окраска исчезает. Однако через некоторое время окраска вновь появляется, так как нарушенное равновесие восстанавливается, и кетонный таутомер частично переходит в енольную форму. Опыт можно повторить несколько раз,
пока все взятое количество ацетоуксусного эфира не прореагирует с бромом.

Кето-енольной таутомерией обладают такие биологически важные соединения как пировиноградная кислота и щавелевоуксусная кислота.

Существуют и другие виды таутомерии. Например, лактим-лактамная таутомерия. Лактим-лактамная таутомерия имеет важное значение для образования водородных связей пуриновыми и пиримидиновыми основаниями в нуклеиновых кислотах.

АМИДЫ КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ

Эти соединения следует рассматривать как результат замещения гидрокси-группы в карбоновой кислоте на амино-группу

Методы получения амидов:

1. Ацилирование аммиака и аминов.

1. Дегидратация аммониевых солей карбоновых кислот

1. Гидролиз нитрилов карбоновых кислот

1. Перегруппировка оксимов кетонов по Бекману

Обычно к атому азота мигрирует та группа, которая находится в транс-положении к ОН-группе.

Механизм перегруппировки Бекмана:

Синтез лактамов - циклических амидов.

1. Перегруппировка циклических амидов – лактамов

1. Реакция Байера-Виллигера

1. Циклизация аминокислот (n³ 3)