Поли- и гетерофункциональность, как причина появления специфических свойств у гидрокси-амино и кетокислот. (Лекция 11)

ПЛАН
11.1.Стереоизомерия соединений с одним центром хиральности
11.2.Стереоизомерия соединений с двумя центрами хиральности
11.3.Стереоизомерия соединений с двойной связью (π-диастереоизомерия)
11.4.Реакционная способность гетеро-функциональных соединений

11.1. Стереоизомерия соединений с одним центром хиральности
Атом углерода в sp3-гибридизации имеет тетраэдрическую конфигурацию. Если из 4 заместителей, хотя бы 2 одинаковые, то для такой молекулы существует плоскость симметрии, если же все заместители различные, то симметрия исчезает

Это обстоятельство рождает новое явление хиральность - свойство молекулы соединения не совмещаться со своим зеркальным отображением

Хиральность присуща миру материальных объектов - руки, левые и правые спирали
Существует 2 типа соединений – 1-соединения, которые не могут быть совмещены со своим зеркальным отражением, хиральные 2- соединения, которые могут быть совмещены со своим зеркальным отражением - ахиральные

Хиральная молекула 2-хлорбутана

Ахиральная молекула пропановой кислоты

Термин хиральность (от древнегреческого «хир» - рука) ввел английский физик Кельвин в 1884 году для обозначения объектов, которые подобно правой и левой руке не совмещаются друг с другом

Простейший случай возникновения хиральности - наличие асимметрического атома углерода - т.е. такого атома, который связан с четырьмя различными атомами или группами

Характерное свойство хиральных соединений - способность вращать плоскость поляризации поляризованного света. Хиральные молекулы всегда оптически активны

Геометрическое свойство молекул - хиральность лежит в основе деления конфи-гурационных и конфор-мационных стереоизомеров на энантиомеры и диастереомеры

Энантиомеры или оптические антиподы - это два хиральных стереоизомера, которые являются зеркальным изображением друг друга
Энантиомеры относятся друг к другу как предмет и несовместимое с ним зеркальное изображение

Энантиомеры - оптические изомеры, оптические антиподы, имеют одинаковые физические и химические свойства: температуры кипения, плавления, растворимость, показатели преломления, спектральные характеристики, ИК- и УФ-спектры

Энантиомеры-различные соединения с характерными отличающимися свойствами

1. Энантиомеры вращают плоскость поляризации поляризованного света на один и тот же угол вращения (α), но в противоположных направлениях

Энантиомер, отклоняющий плоскость поляризации поляризованного света влево (против часовой стрелки) называют левовращающим, ему приписывают знак (-), вправо (по часовой стрелке) - правовращающим, ему приписывают знак (+)

2. Энантиомеры реагируют с другими хиральными соеди-нениями с различной скоростью, что имеет большое значение для биохимических процессов, так как многие реагенты природного происхождения (ферменты) обычно вступают в реакции только с одним из энантиомеров

3. При смешении равных количеств двух энантиомеров образуется оптически неактивная смесь (рацемат). Процесс превращения одного из энантиомеров в рацемическую форму называют рацемизацией, а перевод одного из энантиомеров в другой - инверсией

Стереоизомеры, не являющиеся зеркальным изображением один другого и имеющие различные физические и химические свойства называются диастереомеры

Диастереомеры делятся на две группы - σ- и π-диастереоизомеры. Стереоизомеры, у которых хиральный центр связан с заместителями σ-связями называют
σ-диастереоизомерами, а стереоизомеры, содержащие в качестве стерического центра π-cвязь - π-диастереоизомеры

Стереоизомеры с одним центром хиральности
Молекулы, имеющие центры хиральности на плоскости принято изображать в виде проекционных формул Фишера: в точке пересечения горизонтальных и вертикальных линий подразумевается нахождение асимметрического атома углерода (без написания его символа)

Вверху располагают старшую характеристическую,наиболее окисленную группу, чаще всего карбоксильную или альдегидную. По горизонтали располагают неуглеродные заместители: атом водорода, гидроксильную группу, амино-группу

Абсолютную конфигурацию, отражающую истинное расположение заместителей в пространстве впервые определили в 1951 году с помощью рентгеноструктурного анализа для (+)-винной кислоты

Относительную конфигурацию определяют путем сравнения с известным стандартом
Конфигурационный стандарт - глицериновый альдегид

Условно, правовращающему глицериновому альдегиду была приписана конфигурация (I) и обозначена "D", а левовращающему энантиомеру - конфигурация (II), обозначенная "L"

D-(+)-глицериновый L-(-)-глицериновый
альдегид (I) альдегид (II)

В настоящее время действует R,S-номенклатура (R-
ректус, правый; S-синистер, левый)

Соединениями с одним цент-ром хиральности являются некоторые гидроксикислоты, участвующие в биохимических процессах: молочная кислота (продукт метаболизма глюкозы), яблочная кислота (участник ЦТК)

Молочная кислота
2 – гидроксипропановая
кислота
Яблочная кислота
2- гидроксибутан-диовая кислота

D-молочная кислота L-молочная кислота

D-яблочная кислота L-яблочная кислота

11.2. Стереоизомерия соединений с двумя центрами хиральности
Возрастание числа центров хиральности и приводит к появлению нового вида стереоизомерии - диастереомерии. Общее число стереоизомеров соответствует формуле 2n, где n-число асимметрических атомов

Винная кислота
2,3 –дигидроксибутандиовая кислота

Особый случай диастереомерии встречается в соединениях, у кото-рых центры хиральности содержат одинаковые заместители. Это при-водит к тому, у молекулы может появиться плоскость симметрии (именно из-за одинаковых замес-тителей) и тогда такая молекула перестает быть хиральной; ее называют мезоформой. Мезоформы оптически неактивны.

Стереоизомеры винной кислоты
D-винная L-винная
кислота кислота мезовинная кислота
I II III

I и II - энантиомеры, I и III,
II и III - диастереомеры.
В молекуле мезовинной кислоты появилась плоскость симметрии, поэтому она оптически неактивна

К соединениям с двумя центрами хиральности относят также и некоторые аминокислоты, участвующие в биосинтезе белков. Примером такой аминокислоты служит треонин:
2-амино-3-гидроксибутановая кислота

Стереоизомеры треонина
D-алло треонин L-алло треонин D-треонин L-треонин
I II III IY

Энантиомеры - I и II; III и IY
Диастереомеры - I и III; I и IY;
II и III; II и IY
Приставка алло используется для той пары энантиомеров, L-изомер которой не является структурным элементом белков

11.3. Стереоизомерия соединений с двойной связью
(π-диастереоизомерия)
π-Диастереомеры относятся к конфигурационным стереоизомерам. Этот вид изомерии наблюдается у соединений с двойными связями (>C=C<, >C=N-, -N=N-), строение которых исключает свободное вращение вокруг двойной связи

Молекулы π-диастереомеров - ахиральны, поэтому для них не может быть энантиомеров. π-диастереомеры также обозначают как цис- и транс-стереоизомеры

Изокротоновая Кротоновая
Кислота кислота

Олеиновая кислота Элаидиновая кислота

Пространственное строение органических молекул тесно связано с проявлением ими биологической активности или возможностью участия в биологических процессах

Следствием стереоселективности взаимодействия живого с оптическими изомерами является, в частности, различие в терапевтической активности энантиомеров оптически активных лекарственных веществ

Так холестерин содержит 8 хиральных центров, т.е. 256 оптических изомеров, между тем природный холестерин – единственный из всех возможных стереоизомеров

Из двух энантиомеров более физиологически активный - называют эвтомер, второй (менее или физиологически неактивный) - дистомер

В настоящее время приблизительно 40 процентов лекарственных веществ являются хиральными и только ничтожная часть этих соединений представлена индивидуальными энантиомерами. Энантиомеры обладают и различающимся фармакологическим действием

11.4. Реакционная способность гетерофункциональных соединений
К гетерофункциональным произ-водным, участвующим в процессах жизнедеятельности относят - аминоспирты, гидрокси- и амино-кислоты, альдегидо- и кетокислоты, а также некоторые полигетерофунк-циональные соединения: двух- и трехосновные гидроксикислоты

Основные гетерофункциональные алифатические производные
аминоспирты
гидроксикислоты
аминокислоты

кетокислоты
альдегидокислоты

Химические свойства этих соеди-нений определяются свойствами соответствующих монофункцио-нальных производных, однако наличие нескольких функцио-нальных групп ведет к появлению специфических химических свойств, которые наиболее важны для обеспечения биологических функций

Каждая гетерофункциональная группа сохраняет свойственную ей реакционоспособность, но происходит и взаимное усиление реакционной способности. В зависимости от расположения эти реакции могут протекать как внутри одной молекулы (внутримолекулярные), так и между молекулами (межмолекулярные)

α-расположение гетерофункциональных заместителей приводит, как правило, к реакциям межмолекулярной циклизации
Молочная кислота Лактид молочной
кислоты

α-аланин дикетопиперазин
α-расположение

При нагревании в кислой среде α-гидроксикислоты разлагаются с образованием муравьиной кислоты

β-расположение предопределяет между гетерофункциональными группами достаточно сильный СН- кислотный центр благодаря влиянию ЭА групп с двух сторон

β-расположение предполагает реакции элиминирования
β-гидроксимасляная кислота кротоновая
кислота

У β-оксокислот появление СН-кислотного центра служит причиной таутомерии, т.е. динамической изомерии, когда одновременно сосуществуют две таутомерные кето- и енольная формы
кето- форма енольная форма

Кето-енольная таутомерия характерна для β-оксокислот. Наиболее удобно рассмотреть кето-енольную таутомерию на примере ацетоуксусного эфира
Кето-форма (92,5%)
Енольная форма (7,5%)

Ацетоуксусный эфир используется для синтеза кетонов, карбоновых кислот, гетерофункциональных соединений, ЛС, причем при действии на него какого либо реагента в реакцию вступает один из таутомеров и т.к. равновесие постоянно будет смещаться в его сторону , то таутомерная смесь реагирует как единое целое

Если по отношению к карбоксильной группе в α- или β-положении находится сильная ЭА группа, то такие соединения способны к декарбоксилированию

γ- расположение способствует реакциям внутри-молекулярной циклизации, в результате образуются цикли-ческие сложные эфиры или ами-ды. Определяющим фактором является термодинамическая устойчивость образующегося цикла

γ-гидроксимасляная γ-бутиролактон
кислота
γ- расположение

γ-аминомасляная γ-бутиролактам
кислота
γ- расположение

Для незамещенных по азоту лактамов возможна
лактам-лактимная таутомерия
Лактам Лактим

Аминоспирты
коламин, димедрол, холин, катехоламины
Коламин в лаборатории получают при действии аммиака на оксид этилена

Коламин - густая жидкость с характерным запахом аминов Коламин обладает выраженными основными свойствами
НО-СН2-CH2-NH2 + HCl → НО-СН2-CH2-NH3+Cl-

Холин - [HO – CH2 – CH2 – N(CH3)3]+OH- - гидроксид триметил-2-гидроксиэтиламмония входит в состав сложных липидов, используется как витаминоподобное вещество, регулирует жировой процесс, понижает кровяное давление

Холин Ацетилхолин
Схема биосинтеза ацетилхолина

Катехоламины
дофамин, норадреналин и адреналин, являются биогенными аминами, которые образуются в организме из незаменимой аминокислоты фенилаланина

Схема биосинтеза катехоламинов

Адреналин (метиламиноэтанолпирокатехин) образуется в надпочечниках, является гормоном, обладающим способностью сужать кровеносные сосуды, применяется в качестве кровоостанавливающего средства
При стрессах в больших количествах выделяется в кровь (гормон страха) Активен только левовращающий природный изомер

Некоторым людям необходим дополнительный адреналин

Гидроксикислоты
содержат -ОН с -СООН группы
Различают α-,β-, и γ-гидроксикислоты
НОСН2СООН 2-гидроксиэтановая кислота ,
гликолевая кислота (α-кислота)

2-гидроксипропановая
кислота
Молочная кислота
3-гидроксипропановая
кислота
Гидракриловая кислота

3-гидроксибутановая
кислота
β- оксимасляная кислота
4-гидроксибутановая кислота
γ–оксимасляная кислота (ГОМК)

Гидроксикислоты проявляют общие свойства кислот и спиртов, кроме этого для них характерны специфические свойства, связанные с взаимным расположением спиртовой и карбоксильной групп

Кетоновые (ацетоновые) тела
продукты окисления высших жирных кислот, накапливаются в организме у больных сахарным диабетом
β-гидроксимасляная ацетоуксусная ацетон
кислота кислота

Оксокислоты
Различают альдегидо- и кетокислоты
Глиоксиловая кислота
Пировиноградная кислота
(ПВК)

Ацетоуксусная кислота
Щавелевоуксусная кислота (ЩУК)
α-кетоглутаровая кислота (α-КТГ)

Благодарим за внимание !