Оптическая изомерия. Гидрокси- и оксокислоты. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса

1. Лекция 5

Кафедра общей и медицинской химии
Лекция 5
Оптическая изомерия.
Гидрокси – и оксокислоты.
Спектроскопия ядерного
магнитного резонанса
1

2.

Оптическая изомерия.
Призма Николя
Оптическая активность - это свойство отклонять
плоскость поляризованного света, а вещества
которые
проявляют
оптическую
активность
называются оптически активными.
2

3.

Оптической активностью обладают вещества, которые
представляют собой хиральные объекты. (Термин был
предложен лордом Кельвином в конце XIX века.)
Cheir (греч.) рука .( Хирург, хиромантия)
Хиральными называют объекты, для
которых отсутствуют ось и плоскость симметрии.
Они оказываются несовместимыми со своим
зеркальным изображением.
3

4. ХИРАЛЬНОСТЬ

свойство молекулы
быть
несовместимой
со своим
зеркальным
отражением
любой
комбинацией
вращений и
перемещений в
трёхмерном
пространстве.

5.

В
органических
молекулах
хиральным
объектом является amом С, окруженный 4-мя
различными
заместителями
(С
в
sp3
гибридизации).
Этот
атом
называется
асиметрическим (Вант-Гофф, конец XIXв.)
5

6.

Лорд Кельвин
(Вильям Томсон)
(1824 - 1907)
В круг научных интересов Томсона
входили термодинамика,
гидродинамика, электромагнетизм,
теория упругости, теплота,
математика, техника.
Якоб Хендрик Вант-Гофф
(1852—1911)
Был первым Нобелевским
лауреатом(1901) по химии за
открытие законов химической
динамики и осмотического
давления
6

7.

Если молекула имеет один такой атом, то она
хиральна, а растворы такого вещества, проявляют
оптическую активность.
Хиральные молекулы всегда имеют своих зеркальных
«двойников»- оптических антиподов, по строению
являющихся их зеркальным отображением.
7

8.

зеркало
8

9.

Изомеры, относящиеся друг к другу как предмет и
зеркальное отображение и имеющие одинаковые химические и
физические свойства (одинаковые температуры кипения и
плавления, растворимость,
теплопроводность
)
называются
энантиомерами (оптические изомеры).
Энантиомер, отклоняющий луч света по часовой стрелке,
называют правовращающим и обозначают (+), а его антипод –
левовращающим (-).
Количество энантиомеров определяется по формуле N=2n, где
n – количество хиральных атомов в молекуле.
9

10.

Право (+) – и лево (-) – вращающие изомеры отличаются между
собой следующими свойствами:
в жидком, газообразном состояниях и в растворах они отклоняют
плоскость поляризованного света на одинаковый угол, но в
противоположных направлениях:
(+)
(-)
оба изомера кристаллизуются в
энантиоморфных (зеркально противоположных )
формах один относительно другого
эти изомеры проявляют разное физиологическое действие на живые
организмы
обладают разной реакционной способностью относительно других
оптически активных реагентов (используется для разделения
рацемической смеси)
10

11.

Классы органических соединений, среди которых много
оптически активных соединений –
- гидроксикислоты,
*
R
CH
COOH
Общая формула
- гидроксикислот.
OH
- аминокислоты (кроме глицина )
R
CH
COOH
Общая формула
- аминокислот.
NH2
углеводы
Структурная формула
моносахаридаглюкозы
11

12. Оптическая изомерия гидроксикислот

CH3
CH
COOH
OH
2 –гидроксипропановая кислота
α-гидроксипропионовая,
молочная, соли – лактаты.
Молочная кислота-одна из
важнейших - гидроксикислот
Известны три разновидности молочной кислоты
два оптических изомера (число энантиомеров N=21) :
L(+)- правовращающая молочная кислота и D (-) –левовращающая
оптически неактивная рацемическая молочная кислота
-
12

13. Для изображения оптических изомеров на плоскости используют проекционные формулы Фишера. Ребро Н-ОH (Th) занимает

горизонтальное положение, а противоположное ребро COOH-СН3 (Th)
принимает вертикальное положение. Асимметрический атом
углерода
находится
на
пересечении
обеих
линий.
COOH
HO
H
CH3
о
D (-) = - 3,82
левовращающая молочная кислота
(D(-)молочная)
о
L (+) = + 3,82
Правовращающая молочная кислота
(L(+)-молочная) -мясомолочная 13

14.

Правовращающая L(+)-молочная
кислота открыта Либихом (1847) и
получила название мясомолочной
кислоты
Она всегда присутствует в организме
человека, является конечным
продуктом гликолиза – распада
глюкозы с образованием молочной
кислоты и источника энергии – АТФ.
Образуется в мышцах при
физической нагрузке.
Молочная кислота – это показатель
обмена углеводов, отражающий
степень насыщения мышц и тканей
кислородом
14

15.

Чистая левовращающая молочная D(-) кислота может быть
получена брожением сахаристых веществ при посредстве особого
возбудителя брожения (Bacillus acidi laevolactici)
Рацемическая молочная кислота - оптически неактивная, не вращает
плоскость поляризации, так как она состоит из смеси равных количеств
двух зеркальных изомеров.Один из них вызывает правое вращение,
второй - на такой угол-левое.
Такой является молочная кислота, полученная под действием
молочнокислых бактерий при скисании молока, квашении капусты,
солении огурцов, помидоров.
15

16.

Принципиальное различие между синтезами органических
веществ, происходящими в живой клетке и в лабораторных
условиях:
Продукт биосинтеза представляет собой определенный
оптический изомер (+) или (-) вращающий
В лабораторном синтезе - продуктом реакции является
рацемическая смесь обеих оптических форм синтезированного
вещества.
16

17. Способы разделения рацемической смеси:

Механический – отбор кристаллов по внешнему
виду (кристаллы имеют зеркально-скошенные
грани).
Биохимический – (+) и (-) антиподы оказывают разное
физиологическое действие на микроорганизмы, которые
избирательно поглощают один энантиомер.
Хроматографический – расщепление рацематов на
оптически активных сорбентах (афинная хроматография).
Химический - основан на химической реакции антипода с
оптически деятельным веществом.
17

18. Оптическая изомерия гидроксикислот

HOOC
CH
CH2
COOH
OH
2- гидроксибутандиовая
( - гидроксиянтарная)
- Яблочная
кислота, соли -малаты
Относится к дикарбоновым (2СООН) и трехатомным (по суммарному
количеству гидроксильных групп -3ОН) кислотам.
Впервые выделена шведским
химиком Карлом Вильгельмом Шееле
в 1785 году из незрелых яблок
Яблочная кислота существует в виде двух оптических изомеров и
рацемической смеси.
18

19.

Формулы Фишера для энантиомеров яблочной кислоты.
COOH
H
OH
CH2COOH
L (-) природная яблочная кислота
Содержится в кислых плодах: в
незрелых яблоках, рябине, в ревене и
др., в виде Са-соли в табаке, а также в
небольшом кол-ве в вине.
D (+) яблочная кислота
D-Яблочная кислота образуется с
небольшим выходом при
восстановлении D-винной к-ты .
19

20.

Яблочная кислота- один из важных промежуточных продуктов обмена
веществ в живых организмах. Участие яблочной кислоты в цикле
Кребса:
Дегидрирование янтарной кислоты - (с участием кофермента ФАД)
Гидратация фумаровой кислоты
Окисление в щавелевоуксусную кислоту коферментом НАД+
HOOC
CH2
CH2
COOH
E
-2H
HOOC
CH
CH2
COOH
CH
COOH
фумаровая
янтарная
+H2O, E HOOC
CH
O
HOOC
C
CH2
COOH
O
OH
яблочная
щавелевоуксусная
20

21. Применение яблочной кислоты

Применяется как пищевая добавка (Е296) при изготовлении
фруктовых вод и кондитерских изделий.
В медицине для производства слабительного и лекарств от
хрипоты;
Один из компонентов косметических препаратов.
21

22.

Оптическая изомерия гидроксикислот
HOOC
CH
OH
CH
OH
COOH – 2,3-дигидроксибутандиовая
– дигидроксиянтарная
_ винная кислота.
Соли-тартраты
Винная кислота содержит 2 асимметрических атома углерода и должна
существовать в виде четырех энантиомеров N=22
Однако известны только 2 оптически активных изомера D(+) и L(-) –
винные кислоты, рацемическая смесь- виноградная кислота и их
диастереомер - мезовинная кислота, оптически неактивная.
22

23. Формулы Фишера для оптически активных изомеров винной кислоты

COOH
COOH
энантиомеры
H
OH
HO
H
OH
HO
HHOHOO
H
COOH
D (+) [ ]
20
оо
= + 12 tпл. = 170
Природная винная кислота
В значительном количестве D(+)винная
кислота
содержится
в
винограде,рябине. При изготовлении и
выдержке виноградных вин в бочках
осаждается
винный
камень
(гидротартрат калия)НOOC-СН(ОН)-СН(ОН)-СООК.
H
L (-) [ ]
20
OH
COOH
о
о
= -12 , tпл. = 170
L (-) винная кислота) не встречается
самостоятельно в природе;
химические
свойства
точное
повторение свойств D(+)
. Отличается, отношением к низшим
организмам
и
к
органическим
основаниям, обладающим оптической
деятельностью
23

24.

Мезовинная кислота – оптически неактивная форма
Плоскость симметрии
Отсутствие оптической активности связано с появлением в
молекуле плоскости симметрии: 2 асимметрических атома С* имеют
одинаковую конфигурацию. Внутри молекулы как бы происходит
внутренняя компенсация вращения.
Образуется мезовинная кислота при продолжительном кипячении
всех форм винной кислоты в растворах едких щелочей, при
окислении малеиновой кислоты КМnО4
Мезоформа - конфигурация молекулы с двумя одинаковыми центрами
хиральности и потому имеющей плоскость симметрии и не
обладающей оптической активностью
24

25. Применение винной кислоты

В пищевой промышленности в качестве консерванта и подкислителя
вкуса(Е334)
Является компонентом многих кремов и лосьонов для тела и лица;
В фармацевтической промышленности, где ее широко применяют при
производстве различных растворимых медикаментов, а также
шипучих таблеток и некоторых других лекарств;
В аналитической химии – для обнаружения альдегидов и сахаров.
25

26. Виноградная кислота - рацемическая смесь винных кислот

Виноградная кислота была открыта в 1822 как
побочный продукт при получении винной кислоты
В 1830 году Берцелиус
установил, что она имеет тот же
элементный состав, что и винная
кислота.
.
Йенс Якоб Берцелиус (1779-1848)
экспериментально подтвердил закон кратных отношений разработал
современную химическую нотацию, электрохимическую теорию сродства,
открыл церий селен, торий и впервые выделил в чистом виде кремний,титан26
,тантал и цирконий.

27.

Виноградная кислота - рацемическая смесь винных кислот
Луи Пастером были проведены
классические
исследования
с
виноградной и винной кислотами .
Он выяснил природу
соединений .
рацемических
Разработал методы их разделения
на составляющие их оптические
изомеры.
Луи Пастер (Louis Pasteur) (1822 1895) - выдающийся французский
микробиолог и химик
27

28.

Луи Пастер впервые расщепил
рацемическую виноградную кислоту,
обнаружив ,что грибок плесени
Penicillium glaucum использует для своей
жизнедеятельности только (+)- винную
кислоту (биохимический метод ).
COOH
(-) энантиомер
остается
неизменным.
OH
HO
H
H
OH
L (-) винная кислота
COOH
28

29.

Виноградная кислота - рацемическая смесь винных кислот
Виноградная кислота получается
длительным нагреванием водных
растворов D - или L-винной
кислоты ( рацемизация).
В
промышленных
масштабах
виноградную кислоту выделяют из
отходов
виноделия:
винного
камня,
виннокислой
извести,
сушёных винных дрожжей.
Свойства виноградной кислоты
отличаются от свойств чистых
оптических
изомеров
винной
кислоты t пл.=2050С. Очевидно, что
это не просто смесь изомеров, а
молекулярное
соединение
(рацемическое).
29

30.

ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ И ФАРМАКОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ
ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ
Механизм действия биологически активных веществ обычно
заключается в их соединении со специфическими рецепторами .
Каждый
рецептор
обладает
характерной
пространственной
структурой участка, взаимодействующего с биологически активным
веществом, и их структуры должны соответствовать друг другу по
принципу ключ-замок.
30

31.

Структуры взаимодействующих соединений должны
соответствовать друг другу по принципу
ключ – замок.
31

32.

ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ И ФАРМАКОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ
ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ
У большинства лекарственных препаратов существует тесная
взаимосвязь
между
пространственной
структурой
и
фармакологической активностью, то есть стереоспецифичность
действия .
(-)-адреналин
(+)-адреналин
32

33.

ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ И ФАРМАКОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ
ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ
Многие синтетические лекарственные препараты существуют в виде
смеси двух пространственных изомеров,являющихся энантомерами
и отличающихся своим биологическим действием. Последствия
таких различий не всегда безопасны.
Распознавание стереоизомеров вводимого в организм вещества может
осуществляться на разных стадиях:
при связывании с
ферментами
при связывании с
рецепторами
при транспорте через
мембраны
Клеточная мембрана
фермент
рецептор
33

34.

ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ И ФАРМАКОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ
ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ
Основная фармакологическая активность рацемических лекарственных
препаратов обычно связана с действием лишь одного энантиомера.
Известны примеры использования в терапевтической практике
рацемических препаратов, когда один из стереоизомеров обладал
сильным токсическим эффектом. Это приводило к трагическим случаям.
(+)Талидомид вызывал
недоразвитие конечностей у
новорожденных
- мощный
транквилизатор
(-)Талидомид
34

35.

ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ И ФАРМАКОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ
ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ
Морфин
Левовращающий морфин
(растительное
сырье) – сильный
анальгетик.
Правовращающий лишен
этих свойств.

36.

ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ И ФАРМАКОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ
ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ
(-)-5-(1,3-диметилбутил)-5-этилбарбитуровая кислота проявляет
обычное для барбитуратов успокаивающее действие, в то время,как
(+)-антипод вызывает конвульсии
Me
Me
O
Me
NH
Et
O
N
H
O
36

37.

ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ И ФАРМАКОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ
ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ
Этамбутол: один энантиомер используется
туберкулёза, другой вызывает слепоту.
при
лечении
Напроксен: один энантиомер лечит
артрит,
но
другой
вызывает
отравление
печени
без
анальгетического эффекта.
37

38.

ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ И ФАРМАКОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ
ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ
В течение
нескольких последних десятилетий велись
интенсивные
исследования
по
развитию
методов
предпочтительного синтеза одного из энантиомеров..
В 2001 году Нобелевская премия была присуждена японскому
ученому Риоджи Нойори, и двум американским – Уильяму Ноулзу
и
Бэрри
Шарплессу.
Ученые
разработали
хиральные
катализаторы для двух важных классов реакций органической
химии: гидрирования и окисления.
Нобелевские луреаты сделали возможным промышленный синтез
таких
фармакологических
продуктов,
как
антибиотики,
противовоспалительные и сердечные средства, а также других
веществ, среди которых кондитерские отдушки, подсластители и
инсектициды
38

39. Нобелевская премия 2001года

Риоджи Нойори
Барри Шарплесс
Уильям Нойлес
Открытия ученых в области хиральных катализаторов
позволили наладить производство более безопасных
лекарств.

40.

Гидроксикислоты гетерофункциональные соединения
40

41.

Схема введения 2-ой функциональной группы в карбоновую
кислоту.
CH2
R
COOH
Cl2, , h
-HCl
or
Br2 , P red
-HBr
NH
CH
COOH
2
NH
3
R
+
-H
CH
CH
COOH
COOH
NH2
OH
2
NH
R
(OH - )
-H
R
O
+ H 2O
C
- галогенокислота
R
CH
COOH
NH
C
NH2
-гидроксикислота
O
O
-аминокислота
R
C
O
COOH
- уреидокислота
- оксокислота
41

42.

Гидроксикислоты.
Гомологический ряд гидроксикислот:
O
HO
C
OH
O
CH2
C
OH
OH
Гидроксиметановая кислота
Гидроксимуравьиная
Угольная (H2CO3)
Гидроксиэтановая кислота
Гидроксиуксусная
Гликолевая
Содержится в незрелых плодах винограда,
сахарном тростнике и свекле.
Используется в
косметологической
практике в качестве
отшелушивающего
средства для
химического пилинга 42

43.

Гидроксипропановая кислота существует в виде двух
структурных изомеров
CH3
CH
COOH
2-гидроксипропановая
α-гидроксипропионовая
молочная кислота
OH
СН2
ОН
СН2
СООН
3 - гидроксипропановая
- гидроксипропионовая
- молочная кислота
43

44.

Гидроксибутановая (гидроксимасляная) кислота существует в виде
трех структурных изомеров.
Из изомеров гидроксимасляной кислоты особый интерес представляет
- изомер: - гидроксимасляная кислота или 4 – гидроксибутановая
кислота)
Встречается в вине, цитрусовых и
др.
CH2
CH2
COOH
CH2
OH
-гидроксимасляная кислота выполняет
важную роль в центральной нервной
системе человека,
- гидроксимасляная кислота может
применяться как анестетик и седативное
средство, часто- в виде соли —
гидроксибутирата натрия.
Однако во многих странах она находится
вне закона.
44

45.

Химические свойства гидроксикислот
Химическое поведение гидроксикислот как гетерофункциональных
соединений складывается из свойств ОН- и СООН- функциональных групп
и специфических реакций, обусловленных их взаимным влиянием.
.
МОЛОЧНАЯ КИСЛОТА
CH3
Химические реакции ОН гр.
CH3
CH
COOH
COOH
пировиноградная
[O]
O
-H20
CH3
CH
COOH
+
+HCl , H
2 - хлорпропановая к-та
-H2O
OH
C
Cl
CH3
CH
COOH
2 – метоксипропановая
CH3OH
(простой эфир)
H2SO4, t
-H2O
CH3COOH, H+
OCH3
CH3
CH
COOH
сложный эфир
-H2O
O
C
CH3
45
O

46.

Химические реакции
CH3
кислотные свойства
СООН гр.
O
CH
C
- NaOH
ONa
OH
O
CH3
CH
OH
C
декарбоксилирование
CH3
- CO2
OH
CH2
OH
реакция
SN
обр. сложных эфиров
O
CH3
+ROH, H+
CH
C
OR
OH
PCl5 галогенангидрид
-POCl3, -HCl
O
CH3
CH
C
Cl
OH
NH3
амид
-H2O
O
CH3
CH
OH
C
NH2
46

47. Специфические реакции ,,, - гидроксикарбоновых кислот при нагревании.

Специфические реакции , , , гидроксикарбоновых кислот при нагревании.
- гидроксикарбоновые кислоты
при
нагревании образуют межмолекулярные циклические
сложные эфиры - лактиды.
O
C
OH
HO
CH
CH3
-2H2O
+
CH3
CH
HO
OH
t
C
O
O
– УСТОЙЧИВЫЙ
ШЕСТИЧЛЕННЫЙ ЦИКЛ
C
CH3
CH
O
O
CH
CH3
- лактид молочной кислоты
C
O
47

48.

- гидроксикарбоновые кислоты
при нагревании в
присутствии разбавленной Н2SO4 образуют НСООН и альдегид
OH
O
CH3
C
C
t, H2SO4
O
HCOOH
CH3
C
OH
H
H
48

49.

- ОН карбоновые кислоты при температуре образуют
непредельные кислоты (реакция дегидратации).
Н при С атоме обладает подвижностью и при при нагревании
может отщепляться,образуя с соседним ОН молекулу воды.
CH3
CH
CH2
COOH
t
- H2O
OH
- гидроксимасляная кислота
t
- H2O
CH3
CH
CH
COOH
Кротоновая кислота
Транс-бутен-2-овая кислота
49

50.

- и - гидроксикарбоновые кислоты – образуют
внутримолекулярные сложные эфиры – лактоны.
CH2
CH2
OH
CH2
CH2
C
OH
CH2
t
- H2O
O
CH2
C
O
- гидроксимасляная кислота
O
- бутиролактон
ГОМК – в анестезиологии
применяется как
неингаляционный наркоз.
50

51.

Витамин С - L-аскорбиновая кислота - - лактон
Одно из основных веществ в человеческом рационе
необходимо для нормального функционирования соединительнойтельной
и костной ткани
выполняет биологические функции восстановителя и кофермента
некоторых метаболических процессов
является антиоксидантом.
–лактон 2,3 –дегидро L- гулоновой кислоты
51

52.

Химические свойства винной кислоты
Винная кислота – дигидроксиянтарная кислота содержит
Кроме двух СООН групп , 2 гидроксильные (ОН ) группы.
Свойства СООН –групп - все характерные для карбоновых кислот
1.Наиболее интересные - образование солей :
калия (гидротартрата К)
Винный камень имеет тот же
химический состав
O
O
C
C
OK
OH
CHOH
+
KOH
CHOH
CHOH
O
CHOH
O
C
C
OH
+ Н2О
OH
нерастворимый осадок
реакция на К +).
(качественная
52

53.

Образование солей тартрата калия-натрия (Сегнетова соль)
Тартрат натрия-калия является компонентом Фелинговой жидкости, в
составе которой он используется для определения углеводов
O
O
C
C
OK
OK
CHOH
CHOH
O
+ Na2CO3
CHOH
- NaHCO3 CHOH
O
C
C
Сегне́това соль — тетрагидрат
тартрата
калия-натрия
гидротартрат калия тартрат калия-натрия NaKC H O ·4H O. Названа по имени
4 4 6
2
французского
аптекаря
Пьера
Сеньета
(фр.Pierre
Seignette)
получившего её около 1655 г.
OH
ONa
53

54.

Свойства 2-х гидроксильных ОН - образование соли меди .
в щелочной среде винная кислота растворяет Сu(ОН)2 с образованием
прозрачного ярко-синего р-ра – реактива Фелинга.
O
O
C
C
OK
CuSO4 + NaOH
CHOH
CHOH
O
C
OK
O
CH
Cu
- H2O
CH
O
O
C
ONa
ONa
Реактив Фелинга
Реактив Фелинга служит для обнаружения альдегидной группы
в альдегидах и углеводах.
54

55.

Качественные реакции обнаружения альдегидной группы с
помощью реактива Фелинга (реакция медного зеркала)
55

56.

Качественные реакции обнаружения альдегидной группы в
углеводах с помощью реактива Фелинга
2
4
+
56

57.

Лимонная кислота.
OH
HOOC
CH2
C
-2-гидроксипропан-1,2,3трикарбоновая
-кислота,
CH2
COOH
COOH
3-гидрокси-3-карбоксипентандиовая кта. (C6H8O7) —слабая трёхосновная
кислота (трикарбоновая). Соли и эфиры
лимонной кислоты называются
цитратами.
Содержится в больших количествах в плодах
цитрусовых, вишне,хвое,стеблях махорки,китайском
лимоннике.
57

58.

Химические свойства лимонной кислоты:
1) при t0 с Н2SО4 разлагается - происходят процессы
декарбоксилирования и декарбонилирования
58

59.

Получение лимонной кислоты
Лимонную кислоту раньше получали из сока лимона и биомассы махорки.
В настоящее время основной путь промышленного производства —
биосинтез из сахара или сахаристых веществ (меласса) промышленными
штаммами плесневого гриба Aspergillus niaer
59

60.

Биохимическая роль лимонной кислоты
Лимонная кислота, являясь главным промежуточным продуктом
метаболического цикла трикарбоновых кислот, играет важную роль в
системе биохимических реакций клеточного дыхания множества
организмов.
Биосинтез лимонной кислоты в цикле Кребса происходит по типу
O
альдольной конденсации ЩУК и ацетилкофермента АH3C
C
SKoA
60

61. Фенолокислоты.

Салициловая кислота – 2 – гидроксибензойная кислота,
ароматическая, содержит 2 разные функциональные группы:
ОН-(гидроксильную ) и СООН-(карбоксильную).
COOH
OH
В природе встречается в растениях в
виде производных , салициловая
кислота была впервые выделена из
коры ивы, откуда и происходит
название
Свободная
салициловая
кислота
наряду с салициловым альдегидом в
небольших количествах содержится в
эфирном масле, выделяемых из
цветов некоторых видов спиреи.
61

62. Химические свойства салициловой кислоты

Химические свойства ОН- - группы (характерны все реакции
фенольного гидроксила)
COOH
FeCl3
COOH
- HCl
O
Fe
Cl
Cl
OH
(качественная
реакция
на
фенол
интенсивное фиолетовое окрашивание
(CH3CO)2O
- CH3COOH
COOH
O
C
CH3
O
62
Ацетилсалициловая кислота (аспирин)

63.

Химические свойства СООН- - группы (характерны все реакции
карбоксильной группы).
COONa
OH
+ Na2CO3
- NaHCO3
COOH
O
C
OH
CH 3OH, H
OCH3
Салицилат натрия
+
OH
-H2O
O
Метилсалицилат
C
C6H5OH, H
- H 2O
+
Длительное время фенилсалицилат широко
применяли
при
заболеваниях
кишечника
(колиты,
энтероколиты),
при
циститах,
пиелитах, пиелонефритах.
OC 6H5
OH
Фенилсалицилат (салол)63

64.

Специфические реакции, обусловленные влиянием 2х групп
друг на друга:
Декарбоксилирование
Более сильные кислотные свойства
OH
t
декарбоксилирование
COOH
- CO2
фенол
OH
COOH
Салициловая кислота
Усиление кислотных свойств
(pK = 2.98) по сравнению
бензойной кислотой
Бензойная
кислота
(pK = 4.17) 64

65. Пара-аминосалициловая кислота (ПАСК).

ПАСК (пара-аминосалициловая кислота
и
ее
натриевая
соль
парааминосалицилат
натрия)
противотуберкулезный
бактериостатический
препарат.
антагонист nара – аминобензойной
кислоты,
необходимой
для
нормальной
жизнедеятельности
микроорганизмов.
65

66.

кизил
ОКСОКИСЛОТЫ
66

67.

Оксокислоты.
Оксокислоты – карбоновые кислоты, СОДЕРЖАЩИЕ ОКСО группу:
альдегидо –
C
кетокислоты
O
Альдегидокислоты - органические соединения, совмещающие в
себе свойства альдегидов и кислот из-за присутствия в их
молекуле как альдегидной, так и карбоксильной групп.
Альдегидокислот известно немного.
67

68.

Альдегидокислоты
Простейший представитель - глиоксалевая (глиоксиловая)
кислота.
кизил
В природе содержится в винограде, сахарной
свекле, сахарном тростнике,кизиле и др.
Глиоксиловая кислота часто содержится в недозрелых
фруктах, по мере их созревания она постепенно
исчезает.
Она обладает всеми свойствами
альдегида и одноосновной кислоты
68

69.

Альдегидокислоты . Химические свойства
Глиоксалевая кислота как кислота образует соли, эфиры и другие
функциональные производные, а с другой стороны, как альдегид она
дает реакцию серебряного зеркала с реактивом Толленса, присоединяет
бисульфит натрия, синильную кислоту, образует оксим, гидразон и пр.
Глиоксалевая кислота легко окисляется и восстанавливается
,превращаясь в щавелевую и гликолевую кислоту.
H
C
O
HOOC
COOH
H
O
COOH
Щавелевая кислота
CH2
COOH
OH
Гликолевая кислота
69

70.

Альдегидокислоты .Биохимическая роль.Использование в медицине.
Глиоксиловая
кислотаучастник
цикла
трикарбоновых кислот
С
использованием
глиоксалевой
кислоты
производится
широкий
спектр
антибиотических
препаратов
(пенициллины,
ампицилины,
амоксициллины),
а также свободных добавок
для
кальция
пантотената
(широкая область применения)
70

71.

Кетонокислоты являются более устойчивыми, чем
альдегидокислоты. Значительную роль в биохимических
процессах играют следующие кетонокислоты:
C
CH3
COOH
- Пировиноградная к-та
(ПВК)
- 2 – оксопропановая
O
CH3
C
CH2
COOH
- Ацетоуксусная к-та
(АУК)
- 3 – оксобутановая
O
O
O
C
C
CH2
C
OH
HO
O
- Щавелевоуксусная к-та
(ЩУК)
- 2 – оксобутандиовая
O
O
C
C
OH
CH2
CH2
C
OH
O
- - оксоглутаровая к-та
- 2 – оксопентандиовая
71

72.

Пировиноградная кислота
Пировиноградная
к9 (ПВК)
CH3
C
Впервые
получена
нагреванием винной
(и
виноградной)
кислоты
COOH
O
2-оксопропановая кислота
α-оксопропионовая кислота
Соли, эфиры- пируваты
Пировиноградная
кислота
играет
важную роль в обмене веществ, являясь
связующим звеном обмена углеводов,
жиров и белков.
Это жидкость, tкип. = 165 0.
ПВК -центральный продукт углеводного обмена.
Пировиноградная кислота содержится во всех тканях и органах.
В крови человека в норме находится 1 мг%, а в моче 2 мг%.
72

73.

Cпособы получения пировиноградной кислоты:
1). Окисление молочной кислоты (2 – гидроксипропановой).
CH
CH3
COOH
+
O
OH
KMnO4, H 2SO4
CH3
C
-H2O
COOH
O
2)гидролиз - оксонитрилов
O
O
CH3
+ КCN
C
Cl
+ 2Н2О
-NH4+
CH3
C
O
-KCl
CH3
C
CN
COOH
73

74.

Cпособы получения пировиноградной кислоты:
3). Гидролиз (щелочной) дигалогенокислот:
Cl
CH3
C
COOH
+ 2Н2О
( OH - )
CH3
C
COOH
-2HCl
O
Cl
2,2,-дихлорпропановая кислота
2-оксопропановая кислота
Образование ПВК в организме
В организме пировиноградная кислота ( и пируваты) являются
конечным продуктом метаболизма в процессе гликолиза. Одна
молекула глюкозы превращается при этом в две молекулы
пировиноградной кислоты.
74

75.

Химические свойства оксокислот:
Химические свойства оксокислот определяются
наличием 2-х различных функциональных групп.
>С=О
-СООН
Для карбонильной группы характерны реакции АN,
восстановления.
Для карбоксильной группы характерны реакции SN,
образования солей.
Специфические реакции – обусловлены взаимным влиянием 2х групп:
Реакции декарбоксилирования протекают легче,чем в карбоновых кислотах
Более сильные кислотные свойства, чем у карбоновых кислот.
75

76.

Химические свойства пировиноградной кислоты
1) Реакция >С=О - AN
CN
COOH
2- циано-2гидроксипропановая
кислота
COOH
белый
осадок – кач.
реакция на
>C=O
HCN
-
OH - следы CH3
C
OH
OH
NaHSO3
CH3
C
COOH
AN
CH3
O
C
SO3Na
H2, Pd
CH3
CH
OH
COOH
Молочная
кислота
NH2 – NHC6H5
фенилгидразон ПВК
76

77.

2) Реакции – СООН группы.
кисл. св-ва, обр-е солей
CH3
C
COONa
Пируват Na
+NaOH
CH3
C
- H2O
COOH
O
O
O
SN
+ C2H5OH, H+ CH3
+ NH3
NH2
CO
C
C
Этилпируват
(сложный эфир)
OC2H5
амид ПВК
NH2
O
уреид ПВК
t, P 2O5
ангидрид ПВК
PCl5
галогенангидрид ПВК
77

78.

Реакции AN и SN протекают легче, чем в отсутствии второй
функциональной группы:
CH3
+ 1
C
+I eff
>
COOH
CH3
C
O
C
CH3
O
O
CH3
+I eff
+ 2
C
OH
+ 3
>
O
CH3
CH2
C
+ 4
OH
O
Кислотные свойства ПВК выражены значительно сильнее, чем у
пропановой кислоты из-за присутствия ЭА - СО группы. (Кд
(пропионовой кислоты)=0,00134, Кд(пировиноградной кислоты)=0,56
78

79.

Специфические реакции пировиноградной кислоты
Декарбоксилирование in vitro
При нагревании
в
присутствии
протекает декарбоксилирование
CH3
C
t
COOH
CO2
H2SO4
разбавленной
O
+
CH3
C
H
O
декарбонилированиеin vitro
При нагревании
в присутствии H2SO4 концентрированной
протекает декарбонилирование
CH3
C
COOH
t
CO
O
+
CH3
C
OH
O
79

80. Декарбоксилирование пировиноградной кислоты в организме (in vivo)

Метаболизм пировиноградной кислоты возможен двумя путями —
аэробным и анаэробным.
Аэробное расщепление:
При клеточном дыхании в присутствии кислорода ( аэробном)
она в конечном итоге сгорает, превращается в СО2 и Н2О:
Декарбоксилирование пировиноградной кислоты в организме
протекает
в
присутствии
фермента
декарбоксилазы
и
соответствующего кофермента .
CH3
C
COO H
Декароксилаза CH
3
+ кофермент
O
O
E
C
+
CO2
H
80

81.

Декарбоксилирование пировиноградной кислоты в организме
(in vivo)
Образующийся ацетальдегид далее может :
присоединяться к кетонокислотам
с образованием
α-ацето-αгидроксикислоты
или окисляться в присутствии кофермента А в ацетилкофермент А.
АцетилКоА используется при синтезе жирных кислот ,
ацетилхолина
АцетилКоА может передать свой ацил на щавелевоуксусную
кислоту для дальнейшего окисления до CO2 и H2O .
81

82.

Декарбоксилирование пировиноградной кислоты в in vivo
Анаэробное расщепление
В отсутствии кислорода
под действием
восстанавливается в молочную кислоту.
CH3
C
COOH
H
, E
CH3
O
Пировиноградная кислота
CH
ферментов
ПВК
COOH
OH
Молочная кислота
Молочная кислота накапливается
в мышцах при интенсивных физических
нагрузках, связанных с большими
затратами О2.
82

83.

• Декарбоксилирование пировиноградной кислоты
Если
кислорода
недостаточно,
пировиноградная
кислота
подвергается анаэробному расщеплению с образованием этанола
у растений.
Анаэробное расщепление
В клетках некоторых микроорганизмов (в дрожжах при спиртовом
брожении)- ферментативное декарбоксилирование
CH3
C
O
COO H
E
CH3
C
O
H
+
CO2
Далее происходит восстановление альдегида в спирт
O
CH3
C
H
[H]
C2H5OH
83

84.

Ацетоуксусная кислота
CH3
C
CH2
COOH
-3 - оксобутановая кислота
-β- оксомасляная кислота
- ацетоуксусная
O
Особенность β - оксомасляной кислоты- неустойчивость.Она
легко декарбоксилируется: даже при слабом нагревании (в
водном растворе) распадается на ацетон и СО2.
O
CH3
C
CH2
C
CH3
C
OH
O
CH3
+ CO2
O
84

85.

Ацетоуксусная кислота в организме
Ацетоуксусная кислота образуется in vivo в процессе
метаболизма высших жирных кислот ( продукт окисления
β-гидроксимасляной кислоты)
При нормальном обмене АУК в тканях и мышцах последовательно
окисляется в СО2, Н2О и выделяющаяся при этом энергия идет на
образование АТФ.
O
C
CH3
CH2
C
OH
N
Н2О + СО2 + АТФ
O
В организме у больных сахарным диабетом ацетоуксусная кислота и
продукты её превращения ( «ацетоновые» или «кетоновые» тела)
накапливаются
O
CH3
C
O
CH2
C
CH3
C
Сахарный
OH диабет
CH3
+ CO2
O
85

86.

Ацетоновые тела: ацетон, ацетоуксусную кислоту, соли
ацетоуксусной кислоты, которые могут содержаться в
моче при сахарном диабете, в клиническом анализе
определяют галоформной реакцией.
86

87.

Ацетоуксусный эфир
Большой теоретический интерес в связи с изучением таутомерии
и двойственной реакционной способности имеет этиловый
эфир ацетоуксусной кислоты –ацетоуксусный эфир
CH3
C
CH2
C
O
C2H5
O
O
Строение этого эфира долгое время не могли установить,так как он
проявлял двойственную реакционную способность, причиной которой
является кето- енольная таутомерия
CH3
C
O
CH2
C
O
C2H5
O
Кетонная форма - 92.5%
tкип = 78º
% содержание кетонных форм зависит
от растворителя
CH3
C
OH
CH
C
O
C2H5
O
Енольная форма – 7.5%
tкип = 44º
87

88.

Ацетоуксусный эфир
Енольная форма стабилизируется за счет сопряжения двойной
углерод-углеродной связи с карбонильной группой и образования
внутримолекулярной водородной связи
Как
кетон ацетоуксусный эфир восстанавливается Н2 до
этилгидроксибутирата;
присоединяет
HCN,
NaHSO3
с
образованием
соответственно
циангидрина
и
гидросульфитного производного.
88

89.

Ацетоуксусный эфир
Как енол ацетоуксусный эфир
мгновенно обесцвечивает раствор Вг2 (реакция служит
для количественного определения енола)
с FeCl3, образует комплекс – интенсивного
фиолетового окрашивания.
CH3
C
OH
CH
C
O
C2H5
+ FeCl3
- HCl
O
CH3
C
Fe
O
Cl
CH
C
O
C2H5
O
Cl
Эта
реакция
соединений и
кетонов.
характерна
для
енольных
совершенно отсутствует у
89

90.

Таутомерия ацетоуксусного эфира
Реакции с бромом в присутствии FeCl3 используются для
изучения скорости установления таутомерного равновесия.
При добавлении избытка FeCl3 появляется фиолетовая окраска
(реакция енола).
При приливании Br2 фиолетовый цвет исчезает, так как комплекс
разрушается, бром присоединяется по двойной связи, но появляется желтая
окраска вследствие отщепления FeCl3
Через некоторое время окраска вновь постепенно появляется в результате
превращения новых порций кетонной формы в енольную.
90

91.

Кето-енольная таутомерия
Основные научные работы Людвига
Кнорра посвящены изучению кетоенольной таутомерии и синтезам на
основе ацетоуксусного эфира. Выделил
(1911) обе формы этого соединения.
Незадолго до смерти синтезировал
Анальгин (метамизол натрия). Изучал (с
1889) строение алкалоидов — кодеина,
морфина, тебаина.
Кнорр, Людвиг (2 декабря 1859 — 4 июня 1921 года) — немецкий химикорганик.
Учился (с 1878 г.) в Мюнхенском, Гейдельбергском, Эрлангенском,
Вюрцбургском университетах. Работал в Эрлангенском (1885 г.),
затем в Вюрцбургском университетах, с 1889 г. — профессор
Йенского университета. Президент Немецкого химического
общества (1915—1916 г.).
91

92.

Щавелевоуксусная кислота
HO
C
C
O
O
CH2
C
OH
O
2- оксобутандиовая
Относится одновременно к
и - оксокислотам
Щавелевоуксусная кислота является промежуточным соединением в
цикле Кребса и глюконеогенезе. Она образуется при окислении
яблочной кислоты. Далее ЩУК взаимодействует с ацетил-КоА, и
превращается в лимонную кислоту
92

93.

Щавелевоуксусная кислота, кето-енольная таутомерия
Для
щавелевоуксусной
кислоты
характерна
кето-енольная
таутомерия, причем енольная форма более устойчива.
HO
C
C
O
O
CH2
Кето – форма 20%
C
O
OH
HO
C
C
O
OH
Енольная форма
CH
C
OH
O
80%
Устойчивость енольной формы обусловлена более длинной
цепью сопряжения.
93

94.

α-оксоглутаровая кислота
HOOC
C H2
C H2
C
O
COOH
2-оксопентандиовая
кислота,
α-кетоглутаровая
кислота
Ключевой продукт цикла Кребса, образуется в
результате
декарбоксилирования
изолимонной
кислоты.
94

95.

α-оксоглутаровая кислота - предшественник
глутаминовой кислоты
95

96. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса

96

97. ЯМР

• Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) является
наиболее мощным инструментом выяснения структуры
органических веществ.
• Она основана на магнитных свойствах ядер, имеющих
спиновое квантовое число I, отличное от нуля.
• Не обладают магнитным моментом ядра с четным числом
протонов и нейтронов (12С, 16О, 32 S и др)
• Ядра с нечетным числом обладают магнитным моментом
(1Н,13С 15N,31P и др.)
97

98. В органической химии наибольшее распространение получили:

• Спектроскопия протонного магнитного резонанса
(ПМР) с использованием ядер 1Н (протонов)
• В последнее время используют ядра 13С
Ядро атома водорода состоит из одного протона.
Этот протон вращается вокруг своей оси и
представляет собой магнит.
98

99.

В отсутствие внешнего магнитного поля спины
протонов ориентированы беспорядочно.
Но в магнитном поле
возможны лишь две
ориентации спина, которые
называются спиновыми
состояниями.
99

100.

• При помещении вещества в сильное магнитное поле
Н0 ядра ориентируются вдоль силовых линий .
• Спиновые состояния, в которых магнитный момент
(показан стрелкой) ориентирован по полю, имеют
несколько меньшую энергию, чем те, которые –
против поля.
Н0
Эта энергетическая разница соответствует энергии фотона радиочастотного излучения
100

101.

•Под действием относительно слабого переменного
магнитного поля радиочастотной области (40-500МГц)
перпендикулярно силовым линиям поля Н0 при
определённой частоте происходит переориентация спинов
ядер. Наблюдается явление резонанса.
•Поглощение энергии регистрируется в виде
резонансного пика.
101

102. Спектроскопия ЯМР

• Атомы водорода в молекуле находятся в различном
химическом окружении. Одни входят в состав метильных
групп, другие соединены с атомами кислорода или
бензольным кольцом, третьи находятся рядом с двойными
связями. Этой небольшой разницы в электронном
окружении оказывается достаточно для изменения
разности энергий между спиновыми состояниями.
• Спектр ЯМР возникает как результат поглощения
радиочастотного излучения веществом, находящимся в
магнитном поле.
• Спектроскопия ЯМР позволяет различить атомы водорода
в молекуле, находящиеся в различном химическом
окружении.
102

103. Химический сдвиг в ЯМР

• Зная ,в какой области спектра находятся пики
поглощения тех или иных типов атомов водорода,
можно сделать определённые выводы о структуре
молекулы.
Резонансный сигнал протона каждого типа
наблюдается при различных напряженностях
магнитного поля.
Разность между резонансными частотами
определенного сигнала и сигнала стандартного
вещества называется химическим сдвигом.
103

104.

Стандартным веществом часто служит тетраметилсилан
или ТМС.
Положение сигналов протона ТМС принимается за нулевую
точку отсчёта.
104

105. Химический сдвиг в ЯМР

• Шкала химических сдвигов называется шкалой δ.
• Сдвиг резонансной частоты Δν ( в герцах) зависит от
напряженности приложенного поля Н0, но если его
отнести к рабочей частоте прибора ν0, то он
становится константой, измеряемой в миллионных
долях (м.д.) от частоты радиоизлучения
δ = 106 Δν / ν0
Обычно все сигналы расположены в области 0 -10 м.д.
105

106. Спектры ЯМР

• Правая часть спектра называется сильнопольной
областью, а левая – слабопольной.В спектрах ЯМР
пики по традиции направлены вверх, а не вниз, как в
ИК- спектрах.
106

107.

Спектры ЯМР
ПМР-спектр этилового спирта
107

108. Спектры ЯМР

• Для интерпретации спектра и получения из него структурной
информации имеют значения три типа спектральных параметров:
• 1) Положение сигнала в δ шкале ( характеризует тип атома
водорода)
• 2)Площадь сигнала (характеризует число атомов водорода
данного типа)
• 3) Мультиплетность (форма ) сигнала ( характеризует число
близко-расположенных атомов водорода других типов)
108

109. ЯМР в исследовании белков

• Получение 3D изображений молекул

110. Использование ЯМР в медицине

111. Метод ядерного магнитного резонанса

• При воздействии на исследуемую область
электромагнитным излучением определённой
частоты, часть протонов поменяют свой магнитный
момент на противоположный, а потом вернутся в
исходное положение. При этом системой сбора
данных томографа регистрируется выделение
энергии во время «расслабления», или релаксации
предварительно возбужденных протонов.

112. МР-диффузия

• Позволяет определять движение внутриклеточных
молекул воды в тканях

113. МР-перфузия

Метод
позволяющий
оценить
прохождение
крови через ткани
организма.

114. МР-ангиография

• Метод получения
изображения
кровеносных
сосудов при
помощи магнитнорезонансного
томографа.

115. Другие виды МРТ:

• МР спектроскопия
• Функциональная МРТ
• МРТ термометрия

116.

Спасибо
за внимание!
116