Производные карбоновых кислот, их свойства и взаимные превращения

Среди производных карбоновых кислот в организме чаще всего встречаются их сложные эфиры (ацилпроизводные спир­тов), тиоэфиры (ацилпроизводные тиолов) и амиды (ацилпроизводные аммиака или аминов).

Сложные эфиры и тиоэфиры. Эфиры имеют общую форму­лу , а тиоэфиры ,

где R и R' - углеводород­ные радикалы. Названия сложных эфиров строятся из названий исходных кислоты и спирта. По систематической номенклатуре общее название сложных эфиров - алкилалканоаты.

Сложные эфиры широко распространены в живой природе. Многие из них входят в состав цветов, ягод и фруктов, опреде­ляя их аромат (табл. 19.2), и используются в пищевой и парфюмерной промышленности. Тиоэфиры также отличает резкий запах, но очень неприятный, который обнаруживается уже в ничтожных концентрациях.

Сложные эфиры, подобно карбоновым кислотам, образуют ассоциат с ионом гидроксония, который в очень кислой среде (> 50 % H2SO4) превращается в катион эфира:

В результате этих процессов происходит активация электрофильного центра на углеродном атоме карбонильной группы сложного эфира, по которому протекают реакции нуклеофильного замеще­ния: гидролиз и ацилирование.

Гидролиз сложных эфиров. Реакция расщепления сложных эфиров на кислоту и спирт при действии воды происхо­дит и в кислой, и в щелочной среде. Однако в присутствии щелочи реакция гидролиза (омыления) необратима, так как получается соль карбоновой кислоты, содержащая устойчивый ацилатанион:

Реакция гидролиза сложных эфиров обратна реакции этерификации.

В отличие от обычных сложных эфиров, карбонильный атом уг­лерода в тиоэфирах несет больший положительный заряд, что де­лает их более реакционноспособными. Вследствие этого связь С—S в ацилкоферменте А - макроэргическая. При гидролизе ацетилко-фермента А выделяется даже несколько большая энергия, чем при гидролизе АТФ (AG° = -32,9 и -30,5 кДж/моль соответственно):

Это обстоятельство способствует активности ацилкоферментов А в реакциях, протекающих в организме с их участием.

Ацилирование спиртов сложными эфирами. Сложные эфиры взаимодействуют со спиртами с образованием нового сложного эфира. Эта реакция называется переэтерификацией, а в биохимии ее называют реакцией трансацилирования. Реакция трансацилирования обычно катализируется ки­слотами, и в этих случаях она обратима:

В организме реакция трансацилирования (переэтерификации) катализируется ферментами трансферазами, которые спо­собствуют переносу ацилов от сложных эфиров на спирты, ами­ны и другие субстраты. Источником ацилов обычно являются ацилкоферменты А, т. е. тиоэфиры карбоновых кислот. Одним из примеров реакции трансацилирования является синтез ацетилхолина с помощью ацетилкофермента А:

Ацилирование аминов сложными эфирами. Сложные эфиры взаимодействуют с аммиаком или аминами (ре­акция аминолиза) с образованием амидов соответствующих карбоновых кислот:

Кроме реакций нуклеофильного замещения (гидролиза и ацилирования) молекулы сложных эфиров вступают в реакции конденсации друг с другом с образованием связи С—С. В образо­вании новой связи участвуют углеродный атом карбонильной группы одной молекулы эфира и а-углеродный атом другой мо­лекулы эфира. Эта реакция конденсации (С-ацилирования) со­провождается окислительно-восстановительными превращения­ми, и поэтому она будет рассмотрена в разд. 19.2.4, 19.3.3, 19.4.

Амиды .

В молекулах амидов имеет место сопряжение неподеленной электронной пары атома азота с π-системой двойной связи С=0 (р,777 л-сопряжение). В результате связь С—N в амидах становится короче, чем в аминах, а длина связи С=О такая же, как в карбоновых кислотах, где имеет место анало­гичное р, π -сопряжение (разд. 19.2.1). Благодаря сопряжению атомы амидной группировки находятся в одной плоскости и вращение по амидной связи С—N в значительной степени за­торможено, так как эта связь имеет частично характер двойной связи.

Основность амидов [рК_а(ВH⁺) = 0 - -2] выше, чем сложных эфиров [рК_а(ВН⁺) = -5 - -6]. В то же время их основность значи­тельно меньше основности аминов [pK_a(BH⁺) = 5 - 10] ввиду иной гибридизации атомных орбиталей атома азота, способствующей сильному взаимодействию неподеленной электронной пары атома азота с двойной связью карбонильной группы (разд. 23.1). Если в молекуле амида имеется связь N—Н, то возможна его кислот­ная ионизация. Амиды являются слабыми NH-кислотами (рК_а = = 13 - 15), и их кислотность сравнима с кислотностью спиртов (разд. 17.2):.

Реакции нуклеофильного замещения. Амиды в присутствии щелочи или кислоты легко гидролизуются:

В кислой среде вследствие протонирования молекула амида активируется и может ацилировать спирты, образуя сложный эфир карбоновой кислоты и амин:

Реакции с электрофильными реагентами. Электрофильные реагенты атакуют в амидах кислородный атом карбонильной группы. Так, при нагревании амидов с сильными электрофилами (Р₂0₅, РОС1₃) происходит внутримолекулярное отщепление молекулы воды с образованием нитрилов карбоно­вых кислот:

Нитрилы Нитрилы являются очень слабыми N-ocнованиями [рК_а(ВН⁺) = -10], поскольку их атом азота имеет sр-гибридизацию. Поэтому он более электроотрицателен и зна­чительно сильнее удерживает свою неподеленную электронную пару, чем атом азота в других азотсодержащих соединениях (разд. 23.1).

Нитрилы легко подвергаются гидратации в кислой или ще­лочной среде за счет нуклеофильного присоединения воды к сильнополярной тройной связи с образованием амида соответствующей кислоты:

Ацилирующего действия нитрилы не проявляют. Подобно другим производным карбоновых кислот нитрилы за счет a-водородного атома являются слабыми С—Н-кислотами, образую­щими карбанион на a-углеродном атоме. Такой карбанион лег­ко присоединяется к карбонильным соединениям по реакции типа альдольной конденсации.

Взаимные превращения производных карбоновых кислот. Рассмотренные производные карбоновых кислот склонны к взаимопревращениям за счет реакций нуклеофильного заме­щения у карбонильного углеродного атома. Это отражено на рис. 19.1. На схеме указаны типовые реагенты, при помощи которых из карбоновой кислоты могут быть получены ее про­изводные. Реагенты, отмеченные кружком, позволяют получить

Рис. 19.1. Схема получения производных карбоновых кислот и их превращений

соответствующие им ацилпроизводные из любых других, рас­положенных на схеме правее. Наиболее реакционноспособны галогенангидриды карбоновых кислот (ацилгалогениды), кото­рые можно превратить в ангидриды, сложные эфиры или ами­ды обработкой их или солью кислоты, или спиртом, или ам­миаком соответственно. Ангидриды кислот легко превращаются в сложные эфиры или амиды. В организме галогенангидриды или ангидриды карбоновых кислот не встречаются. Ацил-коферменты А по ацилирующей способности близки к ангидри­дам кислот. В организме они легко превращаются в сложные эфиры или амиды. Сложные эфиры действием аммиака или амина превращаются в амиды.