Характеристика классов оксикислот, гидроксикислот и аминоспиртов как полифункциональных природных соединений. Химические свойства, структура, классификация, производные соединения, способность образовывать комплексы и внутримолекулярное взаимное влияние.
Аннотация к работе
Изучение полифункциональных природных соединений целесообразно начать с классов оксикислот, оксокислот и аминоспиртов, поскольку, во-первых, эти соединения достаточно широко представлены в живом мире на различных этапах его проявления - они встречаются в свободном виде и как фрагменты достаточно сложных молекул, некоторые из них образуются в процессе метаболизма веществ первичного биосинтеза или являются ключевыми соединениями главных путей биосинтеза. Молекула винной кислоты, образующаяся в процессе брожения виноградного сока, имеет два асимметрических центра, а так как каждый из них может иметь D-и L-конфигурации, то это соединение принципиально может образовать уже четыре конфигурационных изомера:,, и. Остальные изомеры получают рацемизацией природной-0-винной кислоты, которая при кипячении со щелочью образует смесь D, L-рацемата и мезоформы Процесс рацемизации винной кислоты обусловлен ее С-Н-кислыми свойствами - в щелочной среде она образует карбанион, который легко инвертирует. По химическим свойствам оксикислоты являют сумму свойств спиртов и карбоновых кислот, сочетая эти свойства в одной молекуле, и в то же время они проявляют ряд новых свойств, обязанных взаимному влиянию функциональных групп друг на друга или взаимодействию этих групп между собой. Но этот последний процесс является обратимым, и в условиях кислотно-основного катализа доля непредельной гидроксикислоты может быть существенной, хотя термодинамически более стабильна в данном случае б-кетокислота В свою очередь, енольная форма этой кислоты может быть стабилизирована, зафиксирована реакцией ее этерификации фосфорной кислотой Таким образом, глицериновая кислота является источником двух новых соединений кислотного типа, а если учесть еще реакцию восстановления карбоксильной группы до альдегидной, то уже трех веществ, которые известны ка к важные промежуточные продукты основных химических процессов in vivo.
Введение
Изучение полифункциональных природных соединений целесообразно начать с классов оксикислот, оксокислот и аминоспиртов, поскольку, во-первых, эти соединения достаточно широко представлены в живом мире на различных этапах его проявления - они встречаются в свободном виде и как фрагменты достаточно сложных молекул, некоторые из них образуются в процессе метаболизма веществ первичного биосинтеза или являются ключевыми соединениями главных путей биосинтеза. Второй аргумент в пользу выделения такой группы природных соединений в начало нашего курса - это наглядность проявления внутримолекулярного взаимного влияния функциональных групп, ведущего к появлению новых физических и химических свойств относительно исходных простых функций как важного фактора формирования молекул жизни.
1. Гидроксикислоты
Соединения этого класса являются достаточно простыми представителями природных соединений, они весьма часто встречаются в самых различных природных источниках. Гидроксиалкановые кислоты были выделены из ланолина, пчелиного воска, коры, корней, воскообразного слоя листьев, семян, бактерий и грибов. Наиболее часто встречаются б-гидроксикислоты, a в комбинации со сфингозинами животных и фитосфингозинами растений и Микроорганизмов они, очевидно, входят в состав всего живого.
В-гидроксикислоты играют важную роль в биосинтезе и катаболизме жирных кислот. Жирные кислоты с длинной цепью с одной и более гидроксильными группами обнаружены в жирах растительного и животного происхождения. В таких молекулах гидроксильные функции находятся, главным образом, на некотором расстоянии от карбоксильной группы.
Некоторые оксикислоты являются ключевыми соединениями на главных путях биосинтеза, пантовая кислота входит в состав кофермента А. Простейшая оксикислота гликолевая, НО-СН2-СООН, содержится в незрелом винограде, свекле, сахарном тростнике. Природная яблочная кислота, имеющая конфигурацию, содержится в кислых плодах, таких как незрелые яблоки, крыжовник, рябина, ревень. Лимонная кислота - важный продукт обмена веществ в живых организмах, некоторыми растениями накапливается в значительных количествах - в плодах цитрусовых - 6-8%, в листьях махорки - 8-14%, культуральными жидкостями некоторых бактерий - до 10%.
Следует отметить доступность многих гидроксикислот в лабораторных синтезах, а некоторых и в более крупных масштабах, что позволяет в ряде случаев использовать в практических целях синтетические вещества этого класса вместо труднодоступных соединений, полученных из природных источников.
Классификация гидроксикислот построена по общему принципу классификации бифункциональных соединений - согласно взаимному расположению функциональных групп при углеродной цепи и количеству этих функциональных групп. Очень многие природные гидроксикислоты имеют тривиальные названия, которые прочно укоренились в химической и биохимической практике.
В структурном плане для этих соединений характерно появление молекулярного асимметрического центра, что позволяет присутствовать им в природных источниках в трех формах- -изомера, -изомера и -изомера. К примеру, молочная кислота образуется при молочнокислом брожении лактозы в виде рацемической смеси, тогда как в животном организме в результате гликолиза образуется -О-молочная кислота, которая накапливается в мышцах при интенсивной работе, вызывая характерную мышечную боль.
Молекула винной кислоты, образующаяся в процессе брожения виноградного сока, имеет два асимметрических центра, а так как каждый из них может иметь D- и L-конфигурации, то это соединение принципиально может образовать уже четыре конфигурационных изомера:,, и. Так как в молекуле винной кислоты оба асимметрических центра имеют одинаковое окружение и собственно одинаковое вращение, т.е. D=D" и L=L\ то изомеры и идентичны между собой и оптически неактивны. Фактически молекула этой конфигурации имеет плоскость симметрии и молекулярная асимметрия в ней исчезает. Такой изомер, представляющий собой как бы внутримолекулярный рацемат, называют мезоформой. Этерификация одной карбоксильной группы мезоформы винной кислоты приводит к нарушению симметрии молекулы и, соответственно, к возникновению оптической активности у изомеров и.
Та винная кислота, которая образуется при брожении виноградной кислоты, имеет -0-конфигурацию, еще ее называют виннокаменной кислотой. Остальные изомеры получают рацемизацией природной -0-винной кислоты, которая при кипячении со щелочью образует смесь D, L-рацемата и мезоформы Процесс рацемизации винной кислоты обусловлен ее С-Н-кислыми свойствами - в щелочной среде она образует карбанион, который легко инвертирует.
Таким образом, мы получаем общую картину конфигурационной изомерии молекул с двумя асимметрическими центрами, согласно которой такие соединения могут существовать в четырех стереоизомерных формах - паратреоизомеров и пара-эритро-изомеров. Мезоформа, являющаяся результатом идентичности двух асимметрических центров, представляет собой частный случай эритроформы.
Треоизомеры являют собой пару энантиомеров, также как и эритроизомеры. Относительно друг друга трео-и эритроизомеры определяются как диастереомеры. Если известно, что энантиомеры являются друг относительно друга оптическими антиподами, т.е. различаются только по своему отношению к плоскополяризованному свету, то диастереомеры различаются между собой целым рядом физических и химических свойств, так как они имеют различное взаимное расположение функциональных групп внутри молекул, а следовательно отличаются молекулярной формой, геометрическими параметрами, взаимным влиянием несвязанных атомов.
По химическим свойствам оксикислоты являют сумму свойств спиртов и карбоновых кислот, сочетая эти свойства в одной молекуле, и в то же время они проявляют ряд новых свойств, обязанных взаимному влиянию функциональных групп друг на друга или взаимодействию этих групп между собой. К таким появляющимся новым свойствам можно отнести: образование циклических диэфиров, лактидов из боксикислот и легкость их окисления до кетокислот; легкость реакций в-элиминирования в случае в-оксикислот; образование внутримолекулярных сложных эфиров из г-оксикислот. б-Оксикислоты образуют комплексные соединения хелатного типа.
Часто лактонная форма для г-оксикислот является даже более выгодной, чем оксикислотная, и г-оксикислоты самопроизвольно переходят в циклическую форму. Это характерно для таких известных соединений этого класса как пантовая кислота, многие сескви-терпены. Стабильными макроциклическими лактонами представлены некоторые антибиотики и длинноцепочечные оксикислоты из группы мускусов; легко образует лактон и мевалоновая кислота.
Особые, в какой-то мере, специфические свойства проявляют оксикислоты, являющиеся интермедиатами различных биосинтетических реакций при ферментативном катализе in vivo.
Глицериновая кислота в этих условиях обычно фигурирует в виде 3-фосфата, т.е. она избирательно этерифицируется фосфорсодержащими реагентами в присутствии ферментов по первой спиртовой группе. На следующем этапе 3-фосфат глицериновой кислоты элиминирует фрагмент фосфорной кислоты, образуя а-гидрокси-акриловую кислоту, которая сразу же изомеризуется в пировиноградную кислоту.
Но этот последний процесс является обратимым, и в условиях кислотно-основного катализа доля непредельной гидроксикислоты может быть существенной, хотя термодинамически более стабильна в данном случае б-кетокислота В свою очередь, енольная форма этой кислоты может быть стабилизирована, зафиксирована реакцией ее этерификации фосфорной кислотой Таким образом, глицериновая кислота является источником двух новых соединений кислотного типа, а если учесть еще реакцию восстановления карбоксильной группы до альдегидной, то уже трех веществ, которые известны ка к важные промежуточные продукты основных химических процессов in vivo. Следует заметить, что в заметных количествах они в организмах не накапливаются.
Из природных оксикислот можно выделить мевалоновую, являющуюся ключевым соединением биосинтеза изопре-ноидов, легко претерпевающую in vivo синхронное элиминирование фрагментов С02 и Н20, образуя при этом пирофосфатное производное 2-метил-бутенола, с которого и начинаются процессы формирования изопреноидных углеродных систем.
Хинная кислота, являясь исходным соединением биосинтеза ароматических кислородсодержащих соединений, может накапливаться в некоторых растениях в заметных количествах. Но основное предназначение этой кислоты - образование шикимо-вой кислоты, ключевого интермедиа-та вышеуказанных синтезов, с последующим переходом к бензольным производным, используя реакции дегидратации и дегидрогенизации.
2. Оксокислоты
Оксокислоты в природе распространены значительно меньше, чем гидроксикислоты, они редко встречаются в свободном состоянии, не накапливаются в организмах, хотя и образуются на различных стадиях биосинтеза. По поводу последнего факта нужно отметить, что в биосинтезе они играют зачастую важнейшую роль, являясь ключевыми соединениями ряда биосинтезов.
Классифицируют оксокарбоновые кислоты, как и все бифункциональные соединения, согласно взаимному расположению функциональных групп, подразделяя их при этом на альдегидо- и кетонокислоты. Многие оксокислоты носят тривиальные названия.
В структурном плане оксокислоты несколько более примитивны, чем оксикислоты - сказывается потеря асимметрического центра при переходе от гидроксикислот к оксокислотам. Так, при окислении любой формы молочной кислоты мы получим одну единственную пировиноградную кислоту. Но в тоже время, этот класс бифункциональных соединений отличается большим разнообразием химических реакций, химических особенностей, обязанных взаимному влиянию карбонильной и карбоксильной групп.
В случае б-оксокислот можно отметить легкость присоединения нуклеофильных реагентов по карбонильной группе и легкость реакций декарбоксилирования - пировиноградная кислота в условиях окислительного ферментативно катализируемого декарбоксилирования образует уксусную кислоту. Мезоксалевая кислота сочетает в себе легкость протекания обоих этих процессов - она существует только в виде гидратированного аддукта и в водном растворе легко разлагается на глиоксалевую кислоту и двуокись углерода.
Пировиноградную кислоту следует выделить из всех б-оксокислот еще и как источник весьма существенных биологически активных соединений, получаемых in vivo в результате реакции нуклеофильного присоединения по карбонильной группе и последующих преобразований. С таким реагентом как аммиак, она в несколько стадий, включая еще реакции дегидратации и восстановления, образует важную б-аминокислоту аланин; а при взаимодействии с тиолом ферментной природы, коферментом-А, через стадии присоединения, декарбоксилирования и восстановления, образует ацетилированный кофермент-А - важнейший интермедиат многих биосинтетических реакций.
В случае в-кетокислот, на примере ацетоуксусного эфира, мы наблюдаем интереснейшее явление двойственной реакционной способности, называемое таутомерией. Применительно к указанному классу соединений, это явление названо кето-енольной таутомерией. Суть данного явления заключается в следующем: карбонильная и карбоксильная функции, будучи сильными электроноакцепторами, оголяют протоны метиленовой группы, расположенной между ними, что делает их кислыми. В силу этого водород в виде катиона может мигрировать к карбонильному кислороду несущему на себе избыточную электронную плотность; синхронно этому переходу электронная плотность карбонильной группы и у-связей метиленового фрагмента перераспределяется так, как это указано на схеме 2.2.4, образуя систему енола
Процесс является обратимым, поскольку гидроксил при тригональном углероде всегда достаточно кислый и его протон может осуществлять, в свою очередь, электрофильную атаку по С=С связи. Оба эти процесса совершаются столь медленно, что тау-томеры могут быть разделены либо кристаллизацией, либо фракционной перегонкой Но через некоторое время индивидуальные изомеры при стоянии снова превращаются в равновесную смесь соединений кетонной и енольной структуры Таким образом, ацетоуксусный эфир, кроме свойств кетонов и сложных эфиров, обнаруживает еще свойства непредельных соединений, спиртов и фенолов, так как гидроксил при двойной связи ведет себя так же, как и при ароматическом кольце
Следует отметить, что кето-енольная таутомерия проявляется и в свойствах вышеописанной пировиноградной кислоты, и хотя доля енольной формы у нее незначительна, в реакциях она реализуется часто как основная.
Для г- и д- оксокислот характерны как кето-енольная, так и кольчато-цепная таутомерия. Результатом последней, в случае левулиновой кислоты, является гидроксилактон, наиболее устойчивая таутомерная форма этого соединения, которая достаточно легко отщепляет воду в присутствии водоотнимающих агентов, образуя непредельные г-лактоны.
3. Аминоспирты
Алифатические соединения, содержащие амино- и гидрокси- группы, называемые аминоспиртами, классифицируют согласно взаимному расположению этих функциональных групп. 1,1-Аминоспирты - соединения достаточно нестабильные, не встречающиеся в природе, имеют значение как промежуточные в различных органических реакциях. Для химии природных соединений определенное значение имеют 1,2-аминоспирты, среди которых наибольшее значение имеет в-этаноламин, встречающийся достаточно часто в виде производных в связанном виде. в-Этаноламин сочетает в себе свойства первичных спиртов и первичных аминов, обе эти группы в какой-то мере близки по своим свойствам: обе они выполняют электронодонорные функции, могут образовывать водородные связи, проявлять кислотные свойства, являются эффективными нуклеофила-ми. Присутствие и взаимное влияние этих двух функций внутри одной молекулы приводит к затруднению реакций, характерных для класса спиртов и класса аминов - в-этаноламины труднее дегидратируются, этерифицируются или Н-алкилируются. Те же реакции, которые реализуются, носят часто конкурентный характер. Так, при взаимодействии в-этаноламинов с минеральными кислотами может реализоваться как солеобразование по аминогруппе, так и нуклеофильное замещение спиртового гидроксила. При их реакции с карбоновыми кислотами возможно ацилирование обеих функциональных групп, то же самое возможно и при реакциях алкилирования.
Из приведенных на схеме 2.3.1 производных в-этаноламина следует отметить в первую очередь ацетилхолин, выполняющий в организмах теплокровных важнейшую функцию нейромеди-атора. Холин также далеко неэкзотичен в живой природе: он широко распространен в животных и растительных тканях, а также в микроорганизмах; особо высоко содержание его в нервной ткани мозга, печени, почек и мышцы сердца. Важное значение имеет также О-фосфат этаноламина, сочетающий в себе основную и кислотную функции и существующий в виде цвиттериона.
Этот цвиттерионный фрагмент - фрагмент, обладающий высокой гидрофильностью - характерен для фос-фолипидов и соответственно липидных мембран. В некоторых биосинтетических реакциях, в частности, при биосинтезе некоторых аминокислот, в качестве донора метильных групп принимает участие бетаин.
Другой важной группой природных аминоспиртов являются сфингозины - составная часть сфинголипидов, выделенных впервые из тканей мозга, но впоследствии обнаруженных во многих животных и растительных источниках.
Производными в-аминоспиртов являются алкалоиды семейства эфедро-вых - эфедрин, норэфедрин, Н-метилэ-федрин. Среди них наиболее известен эфедрин, используемый в медицинской практике в качестве сосудосуживающего и бронхорасширяющего средства, его применяют при лечении аллергических заболеваний, а также как стимулятор центральной нервной системы и при отравлении некоторыми наркотиками, так как он является их антагонистом.
Из аминоспиртов растительного происхождения следует отметить мускарин, содержащийся в мухоморе красном, являющийся имитатором ацетилхолина. В малых дозах он понижает у человека артериальное давление, амплитуду и частоту сердечных сокращений; в больших дозах вызывает спазмы мышц, судороги, коматозное состояние.
Аминоспирты животного происхождения представлены катехоламинами, осуществляющими регуляцию функций эндокринных желез и передачу нервных импульсов. В первом случае они рассматриваются как гормоны, во втором случае - как нейромедиаторы. Соединения этой группы, кроме спиртового гидроксила, имеют еще и фенольные функции. Биогенные катехоламины представлены тремя соединениями: дофамин, норадреналин, адреналин.
Роль этих веществ в жизнедеятельности животных важна и разнообразна. Дофамин стимулирует секрецию соматотропина и подавляет секрецию пролактина, он также регулирует уровень глюкозы в крови, диурез, кровоток в почках; нарушение синтеза дофамина в мозгу - причина возникновения болезни Паркинсона. Норадреналин участвует в передаче нервных импульсов, воздействует на мышцы кровеносных сосудов, сужая их и повышая тем самым артериальное давление. Адреналин также способствует сужению мелких кровеносных сосудов, вызывает усиление работы сердца, расслабляет мускулатуру бронхов и кишечника. При эмоциональных переживаниях, особенно в стрессовых ситуациях, усиленной мышечной работе, охлаждении и ф д. содержание адреналина в крови резко возрастает, что обеспечивает адаптацию организма к новым условиям.