Тема IV. Моно- и дикарбоновые кислоты

Среди биологически активных соединений большую роль играют различные карбоновые кислоты и их производные. Карбоновые кислоты - органические соединения, содержащие одну или несколько карбоксильных групп —COOH. В живых организмах обнаружены карбоновые кислоты алифатического (жирные кислоты), ароматического (бензойная, коричная, салициловая) и гетероциклического (индолилуксусная, никотиновая) рядов. По числу карбоксильных групп различают монокарбоновые (жирные кислоты), дикарбоновые (малоновая, фумаровая, щавелевая, янтарная), трикарбоновые (изолимонная, лимонная) и поликарбоновые кислоты. Карбоновые кислоты могут быть насыщенными (предельными) и ненасыщенными (непредельными). Карбоновые кислоты играют важную роль в обмене веществ, являясь продуктами превращения углеводов, белков, жиров. При физиологических значениях pH в клетках карбоновые кислоты находятся в основном в виде солей. В большом количестве в организмах встречаются эфиры карбоновых кислот (липиды, ацетилхолин и др.). Важное место в обмене веществ занимают активированные производные карбоновых кислот, например, тиоэфиры карбоновых кислот с коферментом А (ацетил-КоА, ацил-КоА). К другим производным карбоновых кислот относятся амиды карбоновых кислот (никотинамид, аспарагин, глутамин).

По теме занятия студент должен:

знать следующий материал:

• систематические и тривиальные названия, структурные формулы карбоновых кислот (см. приложение к теме VI), наиболее важных для понимания метаболических процессов в организме, возможности их реакционной способности и направления химических реакций;

• важнейшие химические реакции карбоновых кислот in vitro (поведение при нагревании, образование солей с основаниями, функциональных производных - эфиров, ангидридов, амидов,) и in vivo (образование макроэргических тиоэфиров с коэнзимом А и эфиров с глицерином, холестерином и холином);

уметь составлять пары: название - формула и формула – название для важнейших карбоновых кислот; записывать уравнения диссоциации кислот, распределение электронной плотности в карбоксильной группе и карбоксилатном анионе, сравнивать кислотные свойства; составлять уравнения реакций образования функциональных производных и важнейших реакций кислот in vivo (формулами);

владеть навыками проведения и знаниями применения качественных реакций определения биологически важных карбоновых кислот (уксусной, щавелевой) в биологических жидкостях человека; знаниями биологического значения карбоновых кислот и их использования в медицине.

Вопросы для подготовки

1. Классификация карбоновых кислот: по строению радикала (насыщенные, ненасыщенные, карбоароматические, гетероароматические); по числу карбоксильных групп (монокарбоновые, дикарбоновые, трикарбоновые); по наличию в радикале иных функциональных групп (гидроксикарбоновые, оксокарбоновые, аминокислоты).

2. Строение карбоксильной группы, распределение электронной плотности в карбоксильной группе и карбоксилат-ионе. Влияние строения радикала и заместителей на кислотные свойства. Диссоциация карбоксильной группы.

3. Монокарбоновые кислоты (C_nH_2nO₂): муравьиная, уксусная, пропионовая, масляная, валериановая. Физические свойства, изомерия. Химические свойства с участием карбоксильной группы:

3.1. образование солей при взаимодействии с металлами, оксидами, гидроксидами, солями более слабых кислот (угольной);

3.2. образование сложных эфиров - реакции нуклеофильного замещения S_N in vivo (замещение гидроксигруппы в составе функциональной карбоксильной группы - реакция этерификации). Механизм реакции этерификации. Номенклатура эфиров;

3.3. образование амидов, ангидридов;

3.4. образование сложных тиоэфиров – биоактивные вещества: ацетил-КоА, ацил-КоА. (активные формы карбоновых кислот, содержащие макроэргическую связь);

3.5. с участием СН-кислотного центра в α-положении (замещение на галоген in vitro, реакции карбоксилирования in vivo – важнейший биосинтез малонил-КоА ).

4. Непредельные монокарбоновые кислоты: пропеновая (акриловая), метилпропеновая (метакриловая), бут-2-еновая (кротоновая). Их особые химические свойства:

4.1. присоединение воды - гидратация (проходит против правила Марковникова) с образованием β-гидроксикарбоновых кислот;

4.2. восстановление (гидрирование), получение насыщенных кислот.

5. Дикарбоновые кислоты насыщенные: щавелевая, малоновая, янтарная кислота, глутаровая. Физические свойства, изменение кислотных свойств в гомологическом ряду. Биологическое значение янтарной, малоновой кислот. Особые химические свойства:

5.1. образование нерастворимой соли щавелевой кислоты - оксалата кальция, патохимическая роль в организме;

5.2. декарбоксилирование щавелевой и малоновой кислот (теоретическое обоснование реакции);

5.3. дегидрирование янтарной кислоты (образование in vitro – фумаровой и малеиновой, in vivo – фумаровой).

6. Дикарбоновые ненасыщенные бутендиовые кислоты: малеиновая (цис) и фумаровая (транс). Пространственное строение. Физические свойства, строение, различие биологических функций. Особые химические свойства:

6.1. реакция гидрирования фумаровой и малеиновой кислот;

6.2. реакция гидратации фумаровой кислоты in vivo (стереоспецифическое образование L– яблочной кислоты).

7. Качественные реакции обнаружения щавелевой и муравьиной кислот.

8. Карбоароматическая кислота: бензойная; гетероароматическая: никотиновая.

Задачи и упражнения

1. Укажите структурные особенности молекул карбоновых кислот, позволяющие им образовывать водородные связи. Объясните, почему Т_кип. карбоновых кислот выше, чем у соответствующих спиртов.

2. Покажите электронные эффекты в молекулах карбоновых кислот, с точки зрения протолитической теории объясните различие силы кислот:

- пропановая и малоновая; - акриловая и кротоновая.

2. Сравните кислотные свойства карбоновых кислот:

1) а) янтарная, б) малоновая, в) щавелевая;

2) а) муравьиная, б) пропановая, в) уксусная;

3) а) хлоруксусная, б) трихлоруксусная, в) уксусная;

4) а) кротоновая, б) пропионовая, в) масляная;

5) а) щавелевая, б) уксусная, в) акриловая.

3. Запишите уравнения химических реакций, укажите условия, назовите продукты:

1) уксусная кислота + этанол;

2) этерификации пропионовой и щавелевой кислот метанолом;

3) образования хлорангидрида валериановой кислоты;

4) образования амида пропановой кислоты;

5) образования натриевой соли муравьиной кислоты;

6) образования ангидридов глутаровой и малеиновой кислот;

7) декарбоксилирования щавелевой и малоновой кислот;

8) образования ацетил-КоА из уксусной кислоты;

9) образования малонил-КоА

10) образования сложного тиоэфира – ацетилхолина;

11) янтарная кислота + ФАД ↔ ? + ФАДН₂

4. Запишите качественные реакции:

1) обнаружения уксусной кислоты;

2) обнаружения муравьиной кислоты;

3) обнаружения акриловой кислоты;

4) обнаружения щавелевой кислоты.

Тесты

1. Монокарбоновыми кислотами являются:

а) уксусная, муравьиная, масляная;

б) щавелевая, малоновая, янтарная;

в) уксусная, масляная, щавелевая;

г) щавелевая, янтарная, муравьиная;

д) муравьиная, масляная, малоновая.

2. Непредельными кислотами являются:

а) бутановая, кротоновая, малеиновая;

б) акриловая, бутановая, янтарная;

в) акриловая, кротоновая, фумаровая;

г) щавелевая, янтарная, муравьиная;

д) муравьиная, масляная, малоновая.

3. Выберите макроэргическое соединение in vivo:

а) уксусная кислота б) муравьиная кислота

в) янтарная кислота г) ацетил-КоА

д) фумаровая кислота

4. Дикарбоновыми кислотами являются:

а) уксусная, муравьиная, масляная;

б) щавелевая, малоновая, янтарная;

в) уксусная, масляная, щавелевая;

г) щавелевая, янтарная, муравьиная;

д) муравьиная, масляная, малоновая.

5. При гидрировании (восстановлении) непредельной кислоты в биохимической реакции получили янтарную кислоту. Какая кислота участвовала в реакции:

а) фумаровая б) малеиновая в) яблочная

г) щавелевоуксусная д) лимонная

6. Выберите дикарбоновую ненасыщенную кислоту, которая является важнейшим клеточным метаболитом:

а) уксусная б) янтарная в) малеиновая

г) глутаровая д) фумаровая

7. Выберите дикарбоновую насыщенную кислоту, которая является метаболитом цикла Кребса, лекарственным препаратом:

а) уксусная б) янтарная в) малеиновая

г) глутаровая д) фумаровая

8. Сравните кислотные свойства карбоновых кислот:

1) муравьиная 2) масляная 3) уксусная

а) 1 > 2 > 3 б) 1 > 3 > 2 в.) 2 > 3 > 1

г) 2 > 1 > 3 д) 3 > 2 > 1

9. Сравните кислотные свойства карбоновых кислот:

1) янтарная 2) малоновая 3) щавелевая

а) 1 > 2 > 3 б) 1 > 3 > 2 в) 2 > 3 > 1

г) 2 > 1> 3 д) 3 > 2 > 1

10. Сравните кислотные свойства карбоновых кислот:

1) масляная 2) щавелевая 3) янтарная

а) 1 > 2 > 3 б) 1 > 3 > 2 в) 2 > 3 > 1

г) 2 > 1 > 3 д) 3 > 2 > 1

Ответы к теме IV

1а; 2в; 3г; 4б; 5а; 6д; 7б; 8б; 9д; 10в.