Карбоксильные соединения. Гидроксикислоты. Кетонокислоты

1.

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра химии
Карбоксильные соединения.
Гидроксикислоты.
Кетонокислоты
1. Классификация
2. Физические и химические свойства
Лектор: доктор биологических наук, профессор,
зав. кафедрой химии Ирина Петровна Степанова

2.

ЦЕЛИ ЛЕКЦИИ
ОБУЧАЮЩАЯ: сформировать знания о
строении, номенклатуре и реакционной
способности
карбоновых
кислот,
гидроксикислот и кетонокислот.
РАЗВИВАЮЩАЯ:
расширить
кругозор
обучающихся на основе интеграции знаний,
развить логическое мышление.
ВОСПИТАТЕЛЬНАЯ:
содействовать
формированию у обучающихся устойчивого
интереса к изучению дисциплины.

3.

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

4.

Классификация карбоновых кислот
I. По числу карбоксильных групп различают:
a) монокарбоновые – содержат одну
карбоксильную группу.
Пример: гомологический ряд предельных
одноосновных кислот
CnH2n+1COOH, n = 0, 1, 2, 3, 4 …
HCOOH муравьиная (метановая) кислота
(соли – формиаты)

5.

Классификация карбоновых кислот
H3C – COOH уксусная (этановая) кислота
(соли – ацетаты)
H3C – CH2 – COOH пропионовая (пропановая)
кислота
(соли – пропионаты)

6.

Классификация карбоновых кислот
H3C – CH2 – CH2 – COOH масляная
(бутановая) кислота
(соли – бутираты)
H3C – CH2 – CH2 – CH2 – COOH валериановая
(пентановая кислота) кислота
(соли – валераты)

7.

Классификация карбоновых кислот
H3C – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – COOH
капроновая (гексановая) кислота
(соли – гексаноаты)

8.

Классификация карбоновых кислот
b) поликарбоновые – содержат в своем
составе две и более карбоксильные группы.
Пример: гомологический ряд предельных
дикарбоновых кислот
HOOC – CnH2n – COOH, n = 0, 1, 2, 3, 4 …
HOOC – COOH щавелевая (этандиовая) кислота
(соли – оксалаты),
HOOC – CH2 – COOH малоновая (пропандиовая)
кислота (соли – малонаты),
HOOC – CH2 – CH2 – COOH янтарная (бутандиовая)
кислота (соли – сукцинаты),
HOOC – CH2 – CH2 – CH2 – COOH глутаровая
(пентандиовая) кислота (соли – глутараты).

9.

Классификация карбоновых кислот
Пример: непредельная дикарбоновая кислота
бутендиовая кислота
НООС-СН=СН-СООН
HOOC
COOH
HOOC
C C
C C
H
H
H
H
COOH
малеиновая кислота
фумаровая кислота
(цис-бутендиовая кислота) (транс-бутендиовая кислота)
(токсична, в природе не
(продукт обмена углеводов
встречается)
в анаэробных условиях)

10.

Классификация карбоновых кислот
II. В зависимости от наличия младших
функциональных групп различают:
a) гидроксикислоты
COO H
HO
C
H
L(+)-молочная
(2-гидроксипропановая)
кислота
(соли – лактаты)
C H3
COOH
H
C
OH
CH3
D(-)-молочная кислота
COOH
HO
C
H
H3C
L(+)-молочная кислота

11.

Классификация карбоновых кислот
CO OH
HO
C
H
C H2
C O OH
L(-)-яблочная кислота
(2-гидроксибутандиовая) кислота
(соли – малаты)

12.

Классификация карбоновых кислот
C OO H
C H2
H
C
C H3
OH
D(+)-β-гидроксимасляная
(2-гидроксибутановая) кислота,
соли – β-гидроксибутираты

13.

Классификация карбоновых кислот
CO OH
C
HO
COOH
C H2
C OO H
C H2
CO OH
H
HO
C
C H2
лимонная
(2-гидроксипропан1,2,3-трикарбоновая)
кислота, соли –
цитраты
C H2
COOH
C OO H
изолимонная
(1-гидроксипропан1,2,3-трикарбоновая)
кислота, соли –
изоцитраты

14.

Классификация карбоновых кислот
Гидроксикислоты
являются,
как
правило,
твёрдыми веществами. Рацемическая молочная
кислота может быть жидкой (т. пл. 18оС).
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.

15.

Схема метаболизма

16.

Классификация карбоновых кислот
b) оксо- (кетоно-) кислоты (содержат в своем
составе карбонильную группу)
C OO H
C
C H3
O
пировиноградная (2-оксопропановая)
кислота (ПВК), соли – пируваты

17.

Классификация карбоновых кислот
CO OH
C
O
CH2
CO O H
щавелевоуксусная
(2-оксобутандиовая) кислота
(ЩУК), соли – соли
щавелевоуксусной кислоты

18.

Классификация карбоновых кислот
C O OH
C H2
C
C H3
O
ацетоуксусная (3-оксобутановая)
кислота, cоли – соли ацетоуксусной
кислоты

19.

Классификация карбоновых кислот
III. Особую группу составляют высшие (жирные)
карбоновые кислоты (ВЖК); входят в состав
липидов.
Различают ВЖК:
a) предельные.
Пример: C15H31COOH – пальмитиновая кислота,
C17H35COOH – стеариновая кислота,
C23H47COOH – лигноцириновая кислота,
C23H46 (OH)COOH – цереброновая кислота;

20.

Классификация карбоновых кислот
b) непредельные.
Пример: C17H33COOH – олеиновая кислота
(одна двойная связь),
C17H31COOH – линолевая кислота (две
двойных связи),
C17H29COOH – линоленовая кислота (три
двойных связи),
C23H45COOH – нервоновая кислота (одна
двойная связь).

21.

Номенклатура карбоновых кислот
C C C C C COOH
6 5 4 3 2 1
CH3 CH2 CH COOH
CH3
-метилмасляная кислота
2-метилбутановая кислота

22.

Физические свойства
Карбоновые кислоты в растворе находятся в виде
димеров.
O
H O
R C
O H
O
C R

23.

Физические свойства
Низшие жирные кислоты представляют собой
легкоподвижные жидкости, средние члены – масла,
высшие – твёрдые кристаллические вещества.
т. пл. оС
100
80
60
40
20
0
-20
-40
n
-60
0
5
10
15
20
25
30
Рис. 1. Температуры плавления карбоновых кислот.

24.

Физические свойства
250
о
RCOOH
т. кип. С
200
R-CH2OH
150
R-CHO
100
50
0
n
-50
0
2
4
6
8
10
Рис. 2. Температуры кипения в гомологическом
ряду карбоновых кислот, альдегидов и спиртов.

25.

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.

26.

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

27.

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

28.

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

29.

Химические свойства
Взаимодействие с
нуклеофильными реагентами
по карбонильному углероду
Кислотные свойства
O
RC C OH
H
Восстановление до CH2
α-H реакции
Декарбоксилирование

30.

Химические свойства
I. Реакции диссоциации (в «OH»-кислотном центре):
O
O
+
C
C
H+
O
OH
За счет p,π-сопряжения отрицательный заряд в
ацилат-ионе делокализован между двумя атомами
кислорода:
-0,5
O
C
C
O
O
O
C
O
O
-0,5

31.

Химические свойства
O
O
+
R C
R C
O
O H
K=
H+
[RCOO-] [H+]
[RCOOH]
O
O
H C
O H
K = 2.14·10-4
CH3 C
O H
K = 1.75·10-5

32.

Химические свойства
II. Образование солей:
а) с активными металлами:
2CH3COOH + Mg → (CH3COO)2Mg + H2↑
б) с оксидами металлов:
2CH3COOH + CaO → (CH3COO)2Ca + H2O
в) со щелочами (реакция нейтрализации):
CH3COOH + NaOH → CH3COONa + H2O
г) с солями более слабых кислот:
CH3COOH + NaHCO3 → CH3COONa + CO2↑ + H2O
2CH3COOH + Na2CO3 → 2CH3COONa + CO2↑ + H2O
Эти реакции используются как качественные на
карбоксильную группу (по выделению CO2).

33.

Химические свойства
Образование солей дикарбоновыми кислотами:
COOH
NaOH
COONa
NaOH
COONa
COOH
-H2O
COOH
-H2O
COONa
гидрооксалат натрия
(кислая соль)
(COOH)2 + CaCl2
(COO)2Ca
оксалат натрия
(средняя соль)
+
оксалат кальция
2 HCl

34.

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

35.

Химические свойства
Образование солей гидроксикислотами:
H3C CH COOH
+
OH
молочная кислота
Ca(OH)2
H3C CH COO Ca
OH
2
лактат кальция
Лактат кальция используется в медицине как
кальциевый препарат.
+
2 H2O

36.

Химические свойства
III. Реакции галогенирования (в СН - кислотном
центре):
CH3
CH2 COOH + Br2
CH3
CH COOH + HBr
Br
пропионовая кислота
α- бромпропионовая кислота

37.

Химические свойства
IV. Реакции декарбоксилирования (элиминирование)
In vitro реакции протекают при нагревании, in vivo с
участием ферментов декарбоксилаз.
а) in vitro: HOOC
to
COOH
O
H2C
H2C
C
C
HCOOH + CO2↑
O
OH
OH
t
H2C
H2C
C
O
+
C
O
O
янтарная кислота
ангидрид
янтарной кислоты
H2O

38.

Химические свойства
б) in vivo:
C O OH
C H2
COOH
F
C H2
CH2
C H2
C H2
C H3
C OOH
глутаровая кислота
масляная кислота

39.

Химические свойства
c) Реакции окислительного декарбоксилирования
Пример: Превращение ПВК в митохондриях с участием
декарбоксилазы (F), дегидрогеназы (НАД+) и кофермента А
(HS – KoA).
H3C
C
O
COOH
F
-CO2
H3 C
C
H
O
HS – KoA, НАД+
H3C
-H+
O
+ НАД·H
C
S KoA
Ацетил -KoA
Ацетил-кофермент A вовлекается в цикл трикарбоновых
кислот или цикл Кребса.

40.

Химические свойства
Структура Коэнзима А:
NH2
CH3
O
N
O
HS CH2 CH2 NH C CH2 CH2 N C CH C CH2 O P O P O CH2
N
H
O
O
O OH CH3
OH
OH
H
H
H
H
OH
OH
N
N

41.

Химические свойства
V. Реакции этерификации или нуклеофильного
замещения (SN)у sp2-гибридизованного атома
углерода
Пример:
H2SO4
O
CH3 C
O H +
уксусная кислота
O
CH3 C
H O C2H5
этиловый спирт
O C2H5 +
H O H
этилацетат
вода

42.

Химические свойства
VI. Реакции элиминирования с образованием
ангидридов (при пропускании паров кислот над
водоотнимающими средствами P2O5, H2SO4конц.):
O
O
2 H3C
C
OH
P 2O5
-H2O
H3C
C
H3C
C
O + 2 HPO3
O
уксусный ангидрид
“Ангидрид”
(an – отрицающая частица, греч.
udor – вода) означает “лишённый воды”.

43.

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:
CH3 CH2 CH2 COOH
H2O2
CH3 CH CH2 COOH
OH
H2O2
CH3 C CH2 COOH
O

44.

Химические свойства
Процесс α-окисления идёт в пероксисомах. При
нарушении этого процесса развивается синдром
Рефсума,
характеризующийся
накоплением
фитановой кислоты в мозге.
-Окисление:
R CH2 COOH
R CHO
H2O2
H2O, CO2
H2O, НАД+
R COOH
НАДН+Н+

45.

Химические свойства
Окисление дикарбоновых кислот in vivo:
COOH
CH2
сукцинатдeгидрогeназа
C
CH2
COOH
COOH
H
C
ФАД
янтарная кислота
ФАДН2
HOOC
H
фумаровая кислота

46.

Химические свойства
VIII. Реакции окисления гидроксикислот
a) Окисление молочной кислоты:
HO
CO OH
COO H
C
C
H
C H3
молочная кислота
O
C H3
пировиноградная кислота

47.

Химические свойства
b) Окисление яблочной кислоты:
CO OH
HO
C
H
COO H
C
O
C H2
C H2
C OO H
C OO H
яблочная кислота
щавелевоуксусная кислота

48.

Химические свойства
с) Окисление β-гидроксимасляной кислоты:
H
CO OH
COO H
C H2
CH2
C
OH
CH3
β-гидрокимасляная кислота
C
O
CH3
ацетоуксусная кислота

49.

Химические свойства
В норме ацетоуксусная кислота подвергается
гидролитическому расщеплению с образованием двух
молекул уксусной кислоты:
H3C C CH2 COOH + H2O
O
2H3C COOH
Уксусная кислота, вовлекаясь в обменные процессы,
окисляется до конечных продуктов CO2 и H2O. При
патологии (сахарном диабете) идет декарбоксилирование
уксусной кислоты:
F
H3C C CH2
O
COOH
H3C C
O
CH3 + CO2
В крови больных накапливаются кетоновые тела:
β-гидрокимасляная кислота, ацетоуксусная кислота,
ацетон.

50.

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

51.

Салициловая кислота, фарм. препараты на её
основе
O
COOH
Cδ+ O
OH
O H
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.

52.

Салициловая кислота, фарм. препараты на её основе
Салициловая
кислота
применяется в медицине в виде
спиртовых растворов и мазей
как
антисептическое
лекарственное средство.

53.

Салициловая кислота, фарм. препараты на её основе
1) Получение метилсалицилата:
O
C O CH
3
COOH
OH
H2SO4
+
CH3OH
-H2O
t
Используется
анальгетическое
мазей).
OH
O
как противовоспалительное,
средство наружно (в виде

54.

Салициловая кислота, фарм. препараты на её основе
2) Получение салицилата натрия:
COOH
COONa
OH
+
NaHCO3
OH
+ CO2 + H2O
Применяется в качестве анальгетического,
противовоспалительного, жаропонижающего
средства.

55.

Салициловая кислота, фарм. препараты на её основе
3) Получение фенилсалицилата (салол):
O
C Cl
COONa
OH
POCl3
OH
O
C OC H
6 5
C6H5ONa
OH
-NaCl
салицилат
натрия
хлорангидрид
салициловой кислоты
Фенилсалицилат
препаратов.
входит
в
фенилсалицилат
состав
фарм.

56.

Салициловая кислота, фарм. препараты на её основе
4) Получение ацетилсалициловой кислоты
(аспирин):
COOH
COOH
OH
+
CH 3
C
CH 3 C
O
O
O
C
O
CH 3
+ CH3COOH
O
Ацетилсалициловая кислота используется в
качестве анальгетического, жаропонижающего
средства.

57.

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.

58.

СПАСИБО ЗА
ВАШЕ ВНИМАНИЕ!