Лекция 8. Гидроксикислоты. Оптическая изомерия

ГИДРОКСИКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ (гидроксикислоты, оксикислоты)
ГИДРОКСИКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ (гидроксикислоты, оксикислоты) – карбоновые
кислоты, в которых одновременно содержатся карбоксильная (СООН) и
гидроксильная (ОН) группы
δ-ГИДРОКСИКИСЛОТЫ и т.д.
O
β-ГИДРОКСИКИСЛОТЫ
γ
O
HO
β
HO
α-ГИДРОКСИКИСЛОТЫ
α
γ
OH
γ-ГИДРОКСИКИСЛОТЫ
O
O
HO
α
β
OH
β
HO
γ
α
OH
α
OH
ГИДРОКСИКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ (гидроксикислоты, оксокислоты)
НОМЕНКЛАТУРА
O
O
HO
OH
HO
O
OH
HO
OH
OH
трив.: гликолевая кислота
сист.: гидроксиэтановая кислота
гидроксиуксусная кислота
соли: гликолят
O
CH3
трив.: молочная кислота
сист.: 2-гидроксипропановая кислота
соли: лактат
трив.: глицериновая кислота
сист.: 2,3-дигидроксипропановая
кислота
соли: глицерат
OH
O
O
O
HO
OH
O
O
OH
OH
OH
HO
трив.: яблочная кислота
сист.: 2-гидроксибутандиовая
кислота
соли: малоат
OH
HO
OH
O
OH
трив.: винная кислота
сист.: 2,3-дигидроксибутандиовая
кислота
соли: тартрат
трив.: лимонная кислота
сист.: 2-гидроксипропантрикарбоноаая кислота
соли: цитрат
ГИДРОКСИКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ (гидроксикислоты, оксокислоты)
МЕТОДЫ СИНТЕЗА
ОБЩИЕ МЕТОДЫ СИНТЕЗА
1. Нуклеофильное замещение галогена
O
O
Br
HO
OH
-
HO
OH
t
CH3
CH3
2. Диазотирование аминокислот
CH3
H2N
O
+ -
Na O
OH
N
O
N
HCl
O
CH3
Cl
+
-
HO
OH
N
CH3
H2O
íåóñòîé÷.
3. Гидролиз нитрилов
CH3
HO
N
CH3
O
+
H2O H
t
HO
OH
O
OH
ГИДРОКСИКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ (гидроксикислоты, оксокислоты)
МЕТОДЫ СИНТЕЗА
ОБЩИЕ МЕТОДЫ СИНТЕЗА
4. Гидролиз эфиров, амидов, солей
O
O
O
+
H3C
O
-
H2O H
+
H3C
OH
H2O H
H3C
OH
OH
OH
X
X=RO, NH 2
5. Синтез
дигидроксикислот
O
O
OH
HO
O
[O]
OH
OH
HO
OH
[O] = 1% KMnO 4, H2O2
O
ГИДРОКСИКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ (гидроксикислоты, оксокислоты)
МЕТОДЫ СИНТЕЗА
СПЕЦИАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ СИНТЕЗА
1. α-ГИДРОКСИКИСЛОТЫ. ЦИАНГИДРИННЫЙ СИНТЕЗ
O
O
HCN/CN
H3C
CN
H3C
-
+
H3C
H2O/H /t
OH
OH
H
OH
2. β-ГИДРОКСИКИСЛОТЫ. СИНТЕЗ РЕФОРМАТСКОГО
R
1
R
+
OR
+
O
R
3
1
R
Zn
Br
OC2H5
OH
+
H2O/H /t
OR
2
H3C
R
3
O
OH
2
OH
+
H2O/H /t
OC2H5
O
1
R
OH
O
H
O
Zn
Br
O
H3C
OH
O
2
H3C
O
OH
ГИДРОКСИКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ (гидроксикислоты, оксокислоты)
МЕТОДЫ СИНТЕЗА
Механизм реакции Реформатского
H3C
H
OZnBr O
O
O
Zn
Br
OC 2H5
+
BrZn
O
_
H3C
OC 2H5
OH
OC 2H5
O
H3C
OH
CH3
CH3
O
O
Br
H3C
OC 2H5
H
CH3
CH3
OH
+
H2O/H /t
H3C
O
OH
ГИДРОКСИКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ (гидроксикислоты, оксокислоты)
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
1. Реакции по карбоксильной группе
H3C
O
NaOH
HO
NaHCO 3
H3C
HO
O
OH
H3C
HO
H3C
RNH 2
HO
+
ROH/H /t
H3C
HO
ONa
O
ONa
O
-+
O NH 3R
O
OR
ГИДРОКСИКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ (гидроксикислоты, оксокислоты)
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
2. Реакции по гидроксильной группе
(CH 3)2SO 4/OH
H3C
-
O
(CH 3)2SO 4/OH
H3CO
OH
-
H3C
O
H3CO
OCH 3
àëêèëèðîâàíèå
C6H5SO 3CH 3/OH
H3C
HO
O
OH
-
H3C
O
C6H5SO 3CH 3/OH
H3CO
OH
H3C
(CH 3COO) 2O
O
O
O
H3C
HBr
H3C
Br
OH
àöèëèðîâàíèå
O
OH
-
H3C
H3CO
O
OCH 3
ГИДРОКСИКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ (гидроксикислоты, оксикислоты)
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
3. Реакции по гидроксильной и карбоксильной группе
PCl 5
H3C
HO
O
SOCl 2
OH
CH 2N2
H3C
O
Cl
Cl
H3C
O
Cl
Cl
H3C
HO
O
CH 2N2/BF3
OCH 3
H3C
H3CO
O
OCH 3
ГИДРОКСИКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ (гидроксикислоты, оксикислоты)
H3C
HO
Нуклеофильность выше
O
OH
ГИДРОКСИКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ (гидроксикислоты, оксокислоты)
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
4. Дегидратация. Влияние расположения ОН-группы
4.1. Дегидратация α-гидроксикислот
O
OH
..
HO
CH3
O
O
CH3
H3C
O
O
0
150 C
H3C
OH HO
..
O
4.2. Дегидратация β-гидроксикислот
O
O
0
HO
OH
CH3
150-160 C
-H 2O
H2C
OH
CH3
ГИДРОКСИКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ (гидроксикислоты, оксокислоты)
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
4. Дегидратация. Влияние расположения ОН-группы
4.3. Дегидратация γ-гидроксикислот
H2O/H
+
OH HO
H2O/OH
-
OH
t
..
OH HO
O
O
O
-
O
0
O
O
t
NH3
γ-Бутиролактон
OH H2N
O
CH 3OH
O
OH H3CO
0
N
H
O
ГИДРОКСИКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ (гидроксикислоты, оксокислоты)
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
4.4. Дегидратация δ-гидроксикислот
t
..
OH HO
0
δ-Валеролактон
O
O
O
O
5. Окисление
O
3+
H2O2, Fe
H3C
OH
OH
H3C
OH
O
6. Восстановление
O
O
HI/t
H3C
OH
OH
H3C
OH
СТЕРЕОХИМИЯ. ОПТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ. ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ
СТЕРЕОХИМИЯ (от греч. stereos – пространственный) – раздел химии, изучающий
пространственное строение молекул и влияние его на физические, химические свойства
(статическая стереохимия) и на направление и скорость реакций (динамическая стереохимия)
Вещества, способные поворачивать плоскость поляризации проходящего через них
света, называют ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫМИ
Важное структурное свойство веществ - ХИРАЛЬНОСТЬ (от греч. chéir – рука) - явление,
свойственное любым объектам, которые несовместимы со своим отображением в плоском
зеркале. В химии зеркально асимметричные молекулы называются оптическими L- и Dизомерами (от лат. levo – левый и dextro – правый), R- и S-изомерами или ЭНАНТИОМЕРАМИ.
В природе встречаются L-аминокислоты и D-сахара.
ХИРАЛЬНОСТЬ. ЗЕРКАЛЬНОЕ ОТОБРАЖЕНИЕ
СТЕРЕОХИМИЯ И БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С РЕЦЕПТОРАМИ
СТЕРЕОХИМИЯ. ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ (стереоизомерия)
ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ИЗОМЕРИЯ (СТЕРЕОИЗОМЕРИЯ, ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ) - изомерия
возникает в результате различий в пространственной конфигурации молекул, имеющих
одинаковое химическое строение. Этот тип изомеров подразделяют на энантиомерию
(оптическую изомерию) и диастереомерию.
КОНФИГУРАЦИЯ СТЕРЕОХИМИЧЕСКАЯ — характеризует относительное пространственное
расположение атомов или групп атомов в молекуле химического соединения.
ЭНАНТИОМЕРАМИ (оптическими изомерами, зеркальными изомерами) являются пары
оптических антиподов — веществ, характеризующихся противоположными по знаку и
одинаковыми по величине вращениями плоскости поляризации света при идентичности всех
других физических и химических свойств (за исключением реакций с др. оптически активными
веществами). Необходимая и достаточная причина возникновения оптических антиподов —
наличие асимметрического атома углерода - sp3-гибридного атома углерода, связанного с
четырьмя разными заместителями.
Эквимолярная смесь энантиомеров не обладает оптической активностью. Такая смесь
называется РАЦЕМИЧЕСКОЙ СМЕСЬЮ или РАЦЕМАТОМ .
ДИАСТЕРИОМЕРЫ – оптические изомеры, характеризующиеся наличием хотя бы одного
асимметрического атома углерода с одинаковой конфигурацией и хотя бы одного с различной.
Диастериомеры характеризуются различными физическими свойствами и одинаковыми
химическими
СТЕРЕОХИМИЯ. ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ (стереоизомерия)
Количество стериоизомеров определяется по формуле:
N=2
n
N-количесвто стериоизомеров, n- количество ассиметрических атомов углерода
O
H
O
H
HO
H
H
OH
CH 2OH
Проекции Э. Фишера
CH 2OH
1
O
1 и 2 – энантиомеры (оптитические антиподы)
2
OH
O
OH
O
H
H
OH
OH
H
OH
HO
H
CH3
1
Энантиомеры –
Диастериомеры -
CH3
2
OH
O
OH
HO
H
H
OH
HO
H
HO
H
CH3
CH3
3
4
СТЕРЕОХИМИЯ. ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ (стереоизомерия)
O
OH
O
OH
O
H
H
OH
H
OH
H
O
OH
O
HO
1
Количество изомеров - ?
Ответ - 3
2
OH
O
OH
HO
H
H
OH
OH
HO
H
HO
OH
O
OH
3
H
O
OH
4
Количество оптически активных изомеров - ?
Ответ - 2
Но, почему - ?, ведь асимметрических атомов углерода 2, значит
количество изомеров должно быть 4
Соединения 2 и 3 это МЕЗОФОРМА – структура не обладающая
оптической активностью (внутримолекулярный рацемат).
Таким образом, 2 и 3 – это одно и то же.
СТЕРЕОХИМИЯ. ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ (стереоизомерия)
L-, D- номенклатура оптических изомеров. Система Фишера-Розанова.
ЭТАЛОН – ГЛИЦЕРИНОВЫЙ АЛЬДЕГИД
O
H
O
H
HO
H
H
OH
CH 2OH
CH 2OH
1
2
L-глицериновый альдегид
(-) –левовращающий изомер
D-глицериновый альдегид
(+) –правовращающий изомер
Было условно принято правовращающий (+) изомер глицеринового альдегида отнести к
D-ряду, а левовращающий (-) – к L-ряду . Для названия других оптически активных
соединений их сравнивали с глицериновым альдегидом и относили к D или L-ряду. При этом
сторона вращения (право (+) или лево (-) не связана с буквой D- или L-). L-изомер может быть
правовращающим или левовращающим. Тоже относится и к D-изомерам.
СТЕРЕОХИМИЯ. ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ (стереоизомерия)
L-, D- номенклатура оптических изомеров. Система Фишера-Розанова.
O
OH
O
OH
HO
H
H
OH
H3C
CH3
H3C
CH3
L-2-гидрокси-3-метилбутановая
кислота
D-2-гидрокси-3-метилбутановая
кислота
L-, D- номенклатура оптических изомеров применяется только для
соединений схожих с глицериновым альдегидом (аминокислоты, сахара).
Для оптически активных веществ, имеющих 2 и более асимметрических атома
Углерода используется R-, S-номенклатура (система Кана-Ингольда-Прелога, CIP)
СТЕРЕОХИМИЯ. ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ (стереоизомерия)
R-, S-НОМЕНКЛАТУРА (СИСТЕМА КАНА-ИНГОЛЬДА-ПРЕЛОГА, CIP)
СИСТЕМА КАНА-ИНГОЛЬДА-ПРЕЛОГА использует символы R (от лат. rectus-правый) или
S (от лат. sinister-левый) для обозначения каждого хирального центра в зависимости от его
конфигурации.
В основе большинства стереохим. обозначений лежит правило старшинства заместителей,
которое определяется атомным номером или массой атома, связанного с асимметрическим
центром. Чем больше номер, тем старше заместитель.
Если эти атомы одинаковы по старшинству, то рассматривают "ВТОРОЙ СЛОЙ", в который входят
атомы, связанные с атомами "ПЕРВОГО СЛОЯ", и т.д., до появления первого различия; номера
атомов, связанных двойной связью, при определении старшинства удваивают.
Обозначение R получает тот из энантиомеров, в к-ром при рассмотрении модели со стороны,
противоположной младшему заместителю, старшинство остальных заместителей уменьшается
по часовой стрелке. Падение старшинства против часовой стрелки соответствует S-обозначению
R,S-изомеры можно определять и по проекционной формуле Фишера. Если в ней младший
заместитель расположен в нижней части формулы, а старшинство заместителей a–>b–>c
уменьшается по часовой стрелке, то конфигурацию обозначают знаком R, а если против
часовой стрелки, то знаком S.
СТЕРЕОХИМИЯ. ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ (стереоизомерия)
R-, S-НОМЕНКЛАТУРА (СИСТЕМА КАНА-ИНГОЛЬДА-ПРЕЛОГА, CIP)
A>B>C>D
Против часовой стрелки – S-изомер
1
1
OH
4
2
4
H
OHC
H
3
HOH 2C
2 CHO
R
OH
S
3
CH2OH
СТЕРЕОХИМИЯ. ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ (стереоизомерия)
R-, S-НОМЕНКЛАТУРА (СИСТЕМА КАНА-ИНГОЛЬДА-ПРЕЛОГА, CIP)
1
1
OH
4
2
4
H
OHC
H
3
HOH 2C
2 CHO
R
O
H
2
H
OH
OH
S
3
O
CH2OH
2
H
1
CH 2OH
3
D-глицериновый альдегид
R-глицериновый альдегид
1 HO
H
CH 2OH
3
L-глицериновый альдегид
S-глицериновый альдегид
СТЕРЕОХИМИЯ. ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ (стереоизомерия)
R-, S-НОМЕНКЛАТУРА (СИСТЕМА КАНА-ИНГОЛЬДА-ПРЕЛОГА, CIP)
O
2 OH
1
HO
3
H
OH
H
3
(2S,3S)
O
H
1
OH
1
HO
H
H
H
OH
3 HO
H
3 HO
O
1
HO
H
2 OH
H
OH
(1)
O (2) OH
3
2
OH
1
OH
H
(3)
O
2 OH
H
1
OH
1
HO
H
OH
(1)
3 HO
(1)
O (2) OH
OH
(2R,3R)
(2S,3R)
(3)
2
O (2) OH
O (2) OH
(2R,3S)
(3)
(3)
3
2 OH
O (2) OH
O (2) OH
O
O
O 2 OH
H
H
O (2) OH
O 2 OH
H
3 HO
(1)
1
OH
H
O (2) OH
(3)
(3)
O
1
HO
3
H
2 OH
H
OH
(1)
O (2) OH
(2S,3S)
3
(3)
(3)
O
2 OH
O
H
1
OH
1
HO
H
OH
(1)
3 HO
(1)
O (2) OH
(2R,3S)
2
OH
H
H
O
H
3 HO
(1)
2
OH
1
OH
H
O (2) OH
O (2) OH
(2S,3R)
(2R,3R)
СИНТЕЗ ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫХ СОЕДИНЕНИЙ. ИЗМЕНЕНИЕ
КОНФИГУРАЦИИ
O
HCN/CN
-
H3C
CN
CN
H
H
OH
+ HO
H
CH3
CH3
R
S
рацемат
COOH
HO
H
COOH
+
H
OH
CH3
CH3
(S)
(R)
рацемат
COOH
-
OH (ðàçá)
SN1
H
Br
CH3
(R)
COOH
-
OH (êîíö)
SN 2
HO
H
CH3
(S)
обращение конфигурации
ОБРАЩЕНИЕ КОНФИГУРАЦИИ (SN2)
РАЦЕМИЗАЦИЯ (SN1)
ОБРАЩЕНИЕ КОНФИГУРАЦИИ
СОХРАНЕНИЕ КОНФИГУРАЦИИ
СИНТЕЗ ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫХ СОЕДИНЕНИЙ. ИЗМЕНЕНИЕ
КОНФИГУРАЦИИ
COOH
H
OH
CH3
SOCl2
O
Cl
H
Cl
SN i
CH3
(R)
(R)
без обращение конфигурации
РАЗДЕЛЕНИЕ РАЦЕМИЧЕСКОЙ СМЕСИ
COOH
COOH
H
H
OH
O
CH3
(R)
COOH
HO
Br
(S)
рацемат
O
H
H2O
H
(R,R)
OH
CH3
Br
(R)
CH3
оптически чистое
CH3
(R)
H
CH3
CH3
Cl
H
O
COOH
COOH
COOH
O
O
оптически чистое
H
Br
CH3
H
CH3
(S,R)
диастериомеры
H2O
HO
H
CH3
(S)
оптически чистое
ИЗМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ, КОНФИГУРАЦИИ АТОМОВ
УГЛЕРОДА, КОЛИЧЕСТВА ИЗОМЕРОВ
O
OH
H
OH
OH
H
OH
OH
O
OH
O
OCH 3
H
OH
H
O
H2O/H
+
Изменится ли кол-во оптических изомеров и конфигурация атомов углерода
O
OH
H
OH
CH3
(CH 3)2SO4/OH
1:1
O
OH
H
OCH 3
-
CH3
АМИНОКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ (АМИНОКИСЛОТЫ)
АМИНОКИСЛОТЫ – карбоновые кислоты, в которых одновременно содержатся
карбоксильная (СООН) и амино (NH2) группы
НОМЕНКЛАТУРА
В природе встречаются α-аминокислоты L-ряда
1
NH2
O
H2N
α
OH
Глицин (аминоуксусная кислота)
3
HOOC
O 2
H
CH3
2
H2N
1
OH
H
CH3
3
L-Аланин
2(S)-Аминопропановая кислота
МЕТОДЫ СИНТЕЗА
1. Амминолиз галогенокарбоновых кислот
O
O
NH3
H3C
OH
H3C
OH
Cl
NH2
2. Синтез Габриэля
O
O
NH
HO
-
O
O
Br
-
N
OC 2H5
H2O/OH
N
OC 2H5
O
O
O
O
-
O
H2N
O
-
МЕТОДЫ СИНТЕЗА
3. Синтез Штреккера-Зелинского
O
O
KCN+NH 4Cl+H 2O
H3C
OH
H3C
NH2
H
KCN+NH 4Cl+H 2O
HCN+NH 3+KCl
O
O
H3C
HCN/CN
CN
-
H3C
H
OH
NH3
CN H O/H +
2
OH
H3C
H3C
NH2
+
NH3
МЕТОДЫ СИНТЕЗА
4. Из малонового эфира
NH2
NO
OC 2H5
H5C2O
HNO 2
O
O
OC 2H5
H5C2O
O
O
O
O
CH3
C2H5O
OC 2H5
H5C2O
-
CH3
HN
-
RBr
OC 2H5
C
H5C2O
O
O
O
O
HN
(CH 3COO) 2O
OC 2H5
H5C2O
[H]
O
O
O
CH3
HN
OC 2H5
H5C2O
O
O
R
H2O/H
O
NH2
+
OH
HO
O
O
R
t
R
OH
NH2
МЕТОДЫ СИНТЕЗА
4. Из ненасыщенных кислот
O
NH2
O
NH3
H3C
OH
H3C
ONH 4
5. Синтез Родионова
R
O
+
R
H5C2O
H
OC 2H5
O
H5C2O
OC 2H5
O
O
O
R
R
OH
NH2
O
NH3
R
OH
O
HO
OH
O
O