Гетерофункциональные органические кислоты

Пространственное строение и хиральность

Важнейшей особенностью гетерофункциональных кислот является энантиомерия — вид изомерии, возникающий при наличии в молекуле асимметрического атома углерода (хирального центра). Такой центральный атом углерода должен быть связан с четырьмя различными заместителями.

Рассмотрим концепцию хиральности на примере 3-метилпентена-1. К центральному атому присоединены следующие заместители (в порядке усложнения структуры):

1. Водород (–H)
2. Винильная группа (–CH=CH₂)
3. Метильная группа (–CH₃)
4. Этильная группа (–C₂H₅)

Наличие четырех разных заместителей приводит к тому, что вещество может существовать в виде двух пространственных форм — правого и левого энантиомеров. Для изображения оптических изомеров на плоскости используются проекционные формулы. Тетраэдрическую модель молекулы располагают так, чтобы горизонтальные связи (например, H–OH) «смотрели» на наблюдателя, а вертикальные связи углеродного скелета уходили на задний план. Классический пример — молочная кислота: если в проекции гидроксильная группа (OH) находится справа, это D-молочная кислота, если слева — L-молочная кислота.

Свойства энантиомеров

Энантиомеры относятся друг к другу как несовместимые в пространстве предмет и его зеркальное отражение.

Физические свойства оптических изомеров практически идентичны: у них совпадают температуры кипения, плавления и растворимость. Единственное фундаментальное различие заключается в способности вращать плоскость поляризации света: один изомер отклоняет луч вправо, а другой — влево.

Химические свойства также полностью совпадают при реакциях с обычными (ахиральными) реагентами. Именно поэтому обычный лабораторный синтез всегда дает рацемат — смесь энантиомеров в равных количествах. Разница в реакционной способности проявляется исключительно при взаимодействии с другими хиральными веществами. Это можно сравнить с правой и левой перчатками: они выглядят одинаково, но различие становится очевидным только тогда, когда вы пытаетесь надеть их на руку (которая сама по себе является хиральным объектом).

Биологическое значение стереоселективности

В отличие от колбы химика, живые организмы демонстрируют строжайшую стереоселективность. Клетки способны синтезировать и использовать только строго определенные энантиомеры биологически важных соединений, и левые формы никогда не взаимозаменяемы с правыми.

Например, все природные белки состоят только из L-энантиомеров аминокислот. В то же время глюкоза, образующаяся в процессе фотосинтеза растений и питающая животные организмы, представлена исключительно правым изомером — D-глюкозой. Стоит отметить, что глубокий биологический смысл и эволюционные предпосылки такой «хиральной чистоты» биосферы до конца не выяснены наукой.

Способы получения

Гетерофункциональные кислоты можно синтезировать различными путями. Один из методов — получение через альдоли (превращение альдегида в альдоль с последующим окислением альдегидной группы до карбоксильной). Однако наиболее распространенным является синтез через галогенпроизводные.

Рассмотрим этот метод на примере получения α-гидроксипропионовой (молочной) кислоты из пропионовой. Процесс идет в три этапа:

1. Хлорирование. Замещение атома водорода в α-положении. Пропионовая кислота реагирует с хлором в присутствии фосфора, образуя α-хлорпропионовую кислоту и хлороводород.
2. Гидролиз. Замещение атома галогена на гидроксильную группу с помощью избытка гидроксида натрия (NaOH). При этом кислота нейтрализуется, и образуется натриевая соль α-гидроксипропионовой кислоты, вода и хлорид натрия.
3. Подкисление. Для выделения свободной органической кислоты из полученной соли к смеси добавляют серную кислоту (H₂SO₄). В результате образуется целевая спиртокислота и гидросульфат натрия.

Особенности химических реакций

Химическое поведение конкретных гетерофункциональных кислот определяется тем набором функциональных групп, которые они содержат. Наличие и гидроксильной, и карбоксильной групп открывает возможности для межмолекулярных взаимодействий.

Например, при нагревании молочной кислоты в присутствии серной кислоты происходит реакция димеризации. Гидроксильная группа одной молекулы вступает в реакцию с карбоксильной группой другой молекулы. В результате между двумя молекулами молочной кислоты образуется сложная эфирная связь, и выделяется вода.

Вопросы с занятий и экзамена

Что ещё разобрать по теме

• Механизм реакции хлорирования в α-положение с участием фосфора
• Специфика получения спиртокислот через реакцию образования альдолей
• Алгоритм ранжирования заместителей при определении конфигурации хирального центра
• Механизм образования эфирной связи при кислотно-катализируемой димеризации молочной кислоты

Другие темы раздела «Глава 16. Кислородсодержащие органические вещества»

Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.