21. Hydroksykwasy i halogenokwasy.pdf

H Y D R O K S Y K W A S Y i H A L O G E N O K W A S Y

Aleksander Kołodziejczyk wrzesień 2007

Hydroksykwasy są to związki organiczne , których cząsteczki zawierają zarówno grupę

karboksylową, jak i hydroksylową. Wzajemne ułożenie tych grup może być 1 , 2 , 1 , 3 , 1 , 4 , 1 , 5 , itd.,

mówimy wówczas odpo wi ednio o α-, β - , γ-, δ- i tym po do bnych - hydroksykwasach .

CHCOOH

CHCH 2 COOH

R''

CHCH 2 CH 2 COOH

α -hydroksykwas β -hydroksykwas γ -hydroksykwas

Występowanie

Hydroksykwasy pełnią ważna rolę biochemiczną i z tego powodu należą do popularnych

związków naturalnych . Spotyka się zarówno hydroksykwasy alifatyczne , aromatyczne , jak i

alifatyczno-aromatyczne . Do najbardziej znanych należą kwasy: glikolowy , mlekowy , winowy ,

jabłkowy , cytrynowy , askorbinowy , salicylowy i migdałowy .

Kwas glikolowy znajduje się w niedojrzałych winogronach, w liściach dzikiej winorośli,

burakach i innych roślinach.

Kwas mlekowy , czyli 2-hydroksypropanowy występuje zarówno w formie D -, L -, jak i

racemicznej . Powstaje głównie w procesie fermentacji cukrów , np. laktozy zawartej w mleku, a

także powszechnie występującej glukozy . Znajduje się w krwi, mięśniach, żółci, nerkach i w

innych częściach ciała zwierząt i ludzi. Jego zawartość w mięśniach wzrasta w trakcie wysiłku

fizycznego; jest odpowiedzialny za tzw. zakwasy w mięśniach. Znalazł zastosowanie jako

środek antyseptyczny, do ochrony przecidrobnoustrojowej leków i produktów spożywczych, a

także w przemyśle do kompleksowania jonów niektórych metali.

Kwas (-)-( S , S )-winowy ( 2,3-dihydroksybutanodiowy ) występuje rzadko w naturze, natomiast

jego stereoizomer (+)-( R , R )- jest szeroko rozpowszechniony w roślinach i owocach. Racemiczny

kwas winowy powstaje w trakcie fermentacji moszczu winogronowego – osadza się na dnie

naczyń fermentacyjnych w postaci kamienia winnego.

COOH

HOOC

kwas (+)-( R , R )

winowy

H 3

kwas (+)-( S )-

mlekowy

COOH

H OH

Kwas (-)-( S )-jabłkowy , występuje w wielu owocach, został wyizolowany z soku jabłkowego już

w 1785 r. Jest produktem pośrednim w niektórych procesach biochemicznych, np. w cyklu

kwasu cytrynowego . Służy do impregnacji materiałów (papieru) do pakowania żywności.

Kwas L-askorbinow y (witamina C ) jest produkowany powszechnie przez rośliny wyższe i wiele

organizmów zwierzęcych. Organizm ludzki go nie wytwarza, dlatego musi być dostarczany wraz

z pożywieniem jako witamina. Jego brak lub niedobór wywołuje szkorbut i inne dolegliwości. W

dużym stężeniu znajduje się w soku owoców cytrusowych, owocach dzikiej róży, jagodach i naci

pietruszki. Rozkłada się pod wpływem światła, łatwo ulega autooksydacji, szczególnie w

obecności śladów jonów metali ciężkich, np. żelaza. Syntetyczny izomer D - jest biologicznie

nieaktywny.

kwas jabłkowy

( S )-(-)-hydroksy-

bursztynowy

kwas

askorbinowy

COOH

O O

HOOC

Kwas cytrynowy ( kwas 2-hydroksypropano-1,2,3-trikarboksylowy ) występuje w każdym

organizmie jako produkt pośredni cyklu kwasu cytrynowego . Organizm dorosłego człowieka

wytwarza go około 2 kg dziennie. Jest szeroko rozpowszechniony w świecie roślin, w soku

cytrynowym jego stężenie dochodzi do 5-7% . Wytwarzany jest na skalę przemysłową metodą

fermentacyjną z cukrów . Służy do zakwaszania napojów orzeźwiających, jako antykoagulant

produktów emulsyjnych, a także w procesach galwanizacyjnych.

Kwas D-(-)-migdałowy [ kwas ( R )-2-hydroksyfenylooctowy ] jest składnikiem amigdaliny ,

glikozydu obecnego w gorzkich migdałach. Oba jego enancjomery służą do rozdzielania

racemicznych amin i alkoholi .

H OH

COOH

HOOC

COOH

kwas cytrynowy

kwas D -(-)-migdałowy

Znanych jest kilka hydroksyaminokwasów (np., seryna , hydroksylizyna , hydroksyprolina ,

tyrozyna i inne). Pośród naturalnych hydroksykwasów należy wymienić także kwasy

hydroksytłuszczowe (np., kwas rycynolowy – ( R )-12-hydroksy-( Z )-oktadec-9-enow y - składnik

triglicerydów oleju rycynowego ), hydroksykwasy w woskach , kwasy mykolinowe – składniki

ściany komórkowej bakterii i wiele innych.

Kwas salicylowy ( 2-hydroksybenzoesowy ) i 4-hydroksybenzoesowy są przedstawicielami

naturalnych hydroksykwasów aromatycznych . Kwas salicylowy jest składnikiem wielu ziół, jego

estry znajdują się w olejkach eterycznych i w korze niektórych drzew, np. wierzby. Jego

pochodna – kwas O -acetylosalicylowy , znana jest lepiej pod nazwą popularnej aspiryny . Kwas

4-hydroksybenzoesowy to istotny prekursor ubichinonów ( witamin K ) oraz niektórych

pigmentów bakteryjnych.

COOH

kwas

salicylowy

COOH

kwas 4-hydroksy-

benzoesowy

Do popularnych hydroksykwasów należą pochodne cukrów: kwasy onowe (inaczej aldonowe ),

uronowe i arowe . Kwasy onowe i arowe są kwasami syntetycznymi, natomiast kwas

glukuronowy ( uronowy ) bierze czynny udział w oczyszczaniu organizmu z niektórych toksyn.

Tworzy z nimi rozpuszczalne w wodzie pochodne, a przez to możliwe do usunięcia wraz z

moczem. Nazwa uronowe wywodzi się od tego, że kwasy te zostały wykryte w moczu (urynie).

Kwas galakturonowy jest składnikiem pektyn i agaru ( policukrów ).

COOH

CHO

COOH

CHO

COOH

kwas D -glukonowy kwas D -glukuronowy kwas D -glukarowy kwas D -galakturonowy

CH 2 OH

COOH

Do pochodnych cukrów należy też wspomniany wyżej kwas askorbinowy , czyli witamina C .

CH 2 OH

γ -lakton

kwasu

3-okso- L

-gulono-

wego

witamina C - kwas askorbinowy

(enol γ-laktonu kwasu

3-okso- L -gulonowego)

CH 2 OH

Kwasy żółciowe to także hydroksykwasy , pochodne sterydów . Ich przedstawicielami są kwas

cholowy , deoksycholowy i litocholowy .

COOH

H H

kwas cholowy

kwas deoksycholowy

kwas litocholowy

Nomenklatura

Wiele zwyczajowych nazw naturalnych hydroksykwasów jest dopuszczone do nazewnictwa

systematycznego. Natomiast typowym sposobem nazywania hydroksykwasów jest sposób

podstawnikowy , polegającym na dołączeniu przedrostka hydroksy- wraz z odpowiednim

lokantem do rdzenia nazwy.

CH 2 (CH 2 ) 4 CH 3

kwas ( R )-12-hydroksy-

-( Z )-9-oktadecenowy

HOCH 2 (CH 2 ) 10 COOH

kwas 12-hydroksydodecenowy

CH 2

(CH 2 ) 7 COOH

(kwas rycynolowy)

Otrzymywanie

1. Hydroliza halogenokwasów

Substratem w tej metodzie są kwasy karboksylowe , które w reakcji Hella-Volharda-Zielinskiego

przeprowadza się w α - halogenokwasy , a następnie hydrolizuje do α -hydroksykwasów .

1. - OH/HOH

CH 3 CH 2 COOH

Br 2

CH 3 CHCOOH

2. H + /HOH

kwas propanowy

kwas ( R , S )-2-bromopropanowy kwas D,L -mlekowy

2. Reakcja Reformackiego

Substratami reakcji Reformackiego są związki karbonylowe , które w obecności cynku, pod

wpływem α -bromoestrów zostają przekształcone w β -hydroksyestry . Z nich przez ostrożną

hydrolizę można otrzymać kwasy β -hydroksykarboksylowe .

OZnBr

R-C- R'

Br-CH 2 COOEt

Br-Zn-CH 2 COOEt

CH 2 COOEt

α -bromoester związek cynkoorganiczny produkt addycji zw. cynkoorganicznego ze zw. karbonylowym

Tworzący się przejściowo związek cynkoorganiczny (np. BrZnCH 2 COOEt ), przypomina

związek Grignarda , jest jednak od niego mniej reaktywny – reaguje z aldehydami i ketonami ,

ale nie z estrami . Produkt addycji związku cynkoorganicznego do aldehydu lub ketonu po

zakwaszeniu zostaje przekształcony w β -hydroksyester , a z niego po hydrolizie powstaje β -

hydroksykwas .

H + /HOH

CH 2 COOR

OZnBr

BrCH 2 COOR

CH 2 COOR

eter

aldehydlub keton α -bromoester

β -hydroksyester

Produkty reakcji Reformackiego mogą być przekształcane w inne związki, w tym nienasycone i

nasycone estry , a z nich oczywiście odpowiednie kwasy .

CH 3

CH 2 COOEt

OZnBr

H + /HOH

CH 3

CH 2 COOEt

KHCO 3

(CH 3 ) 2 C=CHCOOEt

+ BrCH 2 COOEt

H 3

CH 3

eter

- HOH

3-metylobut-2-enian etylu

aceton

bromooctan etylu

3-hydroksy-3-metylobutanian etylu

H 2 /Pd

(62%)

3-metylobutanian etylu

(CH 3 ) 2 CHCH 2 COOEt

W reakcji Reformackiego biorą udział jedynie α -halogenokwasy (nie β- i dalsze).

CHO

+ CH 3 CHBrCOOEt

1. Zn/ete r

2. H + /HOH

CH CHCOOEt

OH CH 3

benzaldehyd 2-bromopropanian etylu 3-fenylo-3-hydroksy-2-metylopropanian etylu (58%)

3. Reakcja cyjanohydrynowa i hydroliza cyjanohydryn

Aldehydy i ketony w reakcji z cyjanowodorem zostają przekształcane w cyjanohydryny (α-

hydroksynitryle ), z których po hydrolizie twor ą się α- hydroksykwasy .

: :

H + /HOH

+ CN

związek karbonylowy cyjanohydryna

Poprzez odpowiednią cyjanohydrynę otrzymuje się racemiczny kwas migdałowy lub jego

analogi.

COOH

CHO

C-OH

- CN

H + /HO H

m -nitrobenzaldehyd cyjanohydryna m -nitrobenzaldehydu kwas m -nitromigdałowy

NO 2

Również rozgałęzione α- hydroksykwasy można otrzymać z cyjanohydryn . Kwasy α-

hydroksykarboksylowe znacznie trudniej ulegają dehydratacji niż β- hydroksykwasy czy inne

związki β- hydroksykarbonylowe , ale w odpowiednio drastycznych warunkach można taką

operację przeprowadzić.

1. - CN

CH 3

H 2 SO 4

H + , ∆

CH 3 CH

COOH

CH 3

CH 3 CH 2

CH 3

CH 3 CH 2

2. H + /HOH

∆

- HOH

COOH

CH 3

keton etylowo-metylowy

kwas 2-hydroksy-2-metylobutanowy kwas 2-metylo-2-enowy

Po hydrolizie produktu reakcji metanalu z cyjanowodorem powstaje kwas glikolowy .

H 2 C

HCN

H + /HO H

∆

2 COOH

metanal kwas glikolowy

Ten sam kwas można otrzymać z kwasu octowego poprzez chlorowanie i hydrolizę kwasu

chlorooctowego .

Cl 2

-OH/HOH

CH 3 COOH

CH 2 COOH

H + /HOH

HOCH 2 COOH

kwas octowy kwas chlorooctowy kwas glikolowy

4. Z aminokwasów w reakcji z kwasem azotowym (III)

α - Aminokwasy pod wpływem kwasu azotowego (III) ulegają przekształceniu w α -

hydroksykwasy . Produktem pośrednim jest odpowiedni kwas diazokarboksylowy . Reakcja

przypomina syntezę fenoli z amin aromatycznych . Kwasy diazokarboksylowe są stosunkowo

trwałe, np. diazooctan etylu powstający z estru glicyny pod wpływem HNO 2 może być

wyizolowany.

HNO 2

HOH,

∆

CH 2 COOEt

CHCOOEt

CH 2 COOEt

- HOH

- N 2

N=N

NH 2

glicynian etylu diazooctan etylu glikonian etylu

5. Redukcja oksokwasów

Chemiczną redukcję oksokwasów do hydroksykwasów można przeprowadzić selektywnie,

chociażby za pomocą tetrahydroboranu sodu.

CH 3 CCOOH

Podczas redukcji chemicznej oksokwasu bez udziału czynników chiralnych powstaje wyłącznie

racemiczny hydroksykwas . Natomiast enzymatyczna redukcja oksokwasów prowadzi do

określonego enancjomeru.

COOH

H H

CH 3

kwas D -(-)-mlekowy

2 H

kwas pirogronowy

H 3

COOH

enzym

COOH

CH 3

kwas L -(+)-mlekowy

NaBH 4 CH 3 CCOOH

kwas pirogronowy kwas DL -mlekowy

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: