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 grudzień 2006
Hydroksykwasy
są to związki organiczne, których cząsteczki zawierają zarówno grupę
karboksylową, jak i hydroksylową. Wzajemne ułoŜenie tych grup moŜe być 1,2, 1,3, 1,4, 1,5, itd.,
mówimy wówczas odpowiednio o
αααα
-,
ββββ
-,
γγγγ
-,
δδδδ
- i tym podobnych -hydroksykwasach.
CHCOOH
OH
CHCH
2
COOH
OH
CHCH
2
CH
2
COOH
OH
R
R'
R''
αααα
-hydroksykwas
ββββ
-hydroksykwas
γγγγ
-hydroksykwas
Występowanie
Hydroksykwasy pełnią waŜna rolę biochemiczną i z tego powodu naleŜą do popularnych
związków naturalnych. Spotyka się zarówno hydroksykwasy alifatyczne, aromatyczne, jak i
alifatyczno-aromatyczne. Do najbardziej znanych naleŜą kwasy:
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.
Znajduje się we krwi, mięśniach, Ŝółci, 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. Stosowany jest jako środek antyseptyczny, do ochrony
przecidrobnoustrojowej leków i produktów spoŜywczych, a takŜe 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
C
H
3
O
H
H
OH
H
H
OH
COOH
C
kwas (+)-(S)-
mlekowy
HOOC
C
C
kwas (+)-(R,R)
winowy
Kwas (-)-(S)-jabłkowy
został wyizolowany z soku jabłkowego juŜ w 1785 r. Występuje w wielu
owocach. Jest produktem pośrednim w niektórych procesach biochemicznych, np. w cyklu
kwasu cytrynowego. SłuŜy do impregnacji materiałów (papieru) do pakowania Ŝywności.
Kwas L-askorbinow
y (witamina C) jest produkowany powszechnie przez rośliny wyŜsze i wiele
organizmów zwierzęcych. Organizm ludzki go nie wytwarza, dlatego musi być dostarczany wraz
z poŜywieniem jako witamina. Jego brak lub niedobór wywołuje szkorbut i inne dolegliwości. W
duŜym stęŜeniu znajduje się w soku owoców cytrusowych, owocach dzikiej róŜy, jagodach i naci
pietruszki. Rozkłada się pod wpływem światła, łatwo ulega autooksydacji, szczególnie w
obecności śladów jonów metali cięŜkich, w tym Ŝelaza. Syntetyczny izomer D- jest biologicznie
nieaktywny.
COOH
O
H
HOOC
H
O
O
OH
O
H
H
OH
H
O
H
C
kwas jabłkowy
(S)-(-)-hydroksy-
bursztynowy
kwas
askorbinowy
Kwas cytrynowy
(
kwas 2-hydroksypropano-1,2,3-trikarboksylowy
) występuje w kaŜdym
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 stęŜenie dochodzi do 5-7%. Wytwarzany jest na skalę przemysłową metodą
fermentacyjną z cukrów. SłuŜy do zakwaszania napojów orzeźwiających, jako antykoagulant
produktów emulsyjnych, a takŜe w procesach galwanizacyjnych.
Kwas D-(-)-migdałowy
[
kwas (R)-2-hydroksyfenylooctowy
] jest składnikiem
amigdaliny
,
glikozydu obecnego w gorzkich migdałach. Oba enancjomery słuŜą do rozdzielania
racemicznych amin i alkoholi.
COOH
HOOC
O
H
COOH
H
OH
COOH
C
kwas cytrynowy
kwas
D
-(-)-migdałowy
Znanych jest kilka hydroksyaminokwasów (np.,
seryna
,
hydroksylizyna
,
hydroksyprolina
,
tyrozyna
i
inne).
Pośród
naturalnych
hydroksykwasów
naleŜy
wymienić
kwasy
hydroksytłuszczowe (np.,
kwas rycynolowy
–
(R)-12-hydroksy-(Z)-oktadec-9-enow
y - składnik
triglicerydów oleju rycynowego), hydroksykwasy w woskach, kwasy mykolinowe – składniki
ś
ciany 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. Kwas
O-
acetylosalicylowy
, znany pod nazwą
aspiryny
, powinien być na wyposaŜeniu kaŜdej apteczki.
Kwas
4-hydroksybenzoesowy
to istotny prekursor ubichinonów (witamin K) oraz niektórych
pigmentów bakteryjnych.
OH
COOH
OH
COOH
kwas
salicylowy
kwas 4-hydroksy-
benzoesowy
Do popularnych hydroksykwasów naleŜą 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 moŜliwe do usunięcia wraz z
moczem. Nazwa uronowe wywodzi się od tego, Ŝe kwasy te zostały wykryte w moczu (urynie).
Kwas galakturonowy
jest składnikiem pektyn i agaru (policukrów).
COOH
CH
2
OH
OH
H
OH
OH
H
O
H
H
H
CHO
COOH
OH
H
OH
OH
H
O
H
H
H
COOH
COOH
OH
H
OH
OH
H
O
H
H
H
CHO
COOH
OH
H
H
OH
H
O
H
O
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
kwas
D
-glukonowy kwas
D
-glukuronowy kwas
D
-glukarowy kwas
D
-galakturonowy
Do pochodnych cukrów naleŜy
kwas askorbinowy
, czyli
witamina C
.
O
OH
O
H
O
H
CH
2
OH
H
O
H
CH
2
OH
H
H
H
O
H
O
H
O
H
O
C
C
C
C
C
C
O
witamina C - kwas askorbinowy
(enol
γ
-laktonu kwasu
3-okso-
L
-gulonowego)
γγγγ
-lakton
kwasu
3-okso-
L
-gulono-
wego
Kwasy Ŝółciowe to takŜe hydroksykwasy, pochodne sterydów. Ich przedstawicielami to
kwas
cholowy
,
deoksycholowy
i
litocholowy
.
COOH
H
H
H
H
H
O
H
OH
COOH
H
H
H
H
H
O
H
OH
COOH
H
H
H
H
H
O
H
OH
HO
kwas cholowy
HO
HO
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 do rdzenia nazwy przedrostku
hydroksy
wraz z
odpowiednim lokantem.
CH
(CH
2
)
7
COOH
H
CH
2
H
CH
2
(CH
2
)
4
CH
3
O
H
H
HOCH
2
(CH
2
)
10
COOH
kwas 12-hydroksydodecenowy
CH
C
(kwas rycynolowy)
kwas (R)-12-hydroksy-
-(Z)-9-oktadecenowy
Otrzymywanie
1. Hydroliza halogenokwasów
Substratem w tej metodzie są kwasy karboksylowe, które przeprowadza się w
αααα
-halogenokwasy
w reakcji Hella-Volharda-Zielinskiego, a następnie
hydrolizuje
się do
αααα
-hydroksykwasów.
Br
OH
Br
2
CH
3
CH
2
COOH
P
CH
3
CHCOOH
2.
H
+
/HOH
1. -
OH/HOH
CH
3
CHCOOH
kwas propanowy
kwas (R,S)-2-bromopropanowy kwas (D,L)-mlekowy
2. Reakcja Reformackiego
Reakcja Reformackiego prowadzi do estrów kwasów
ββββ
-hydroksylowych. Z nich przez ostroŜną
hydrolizę
moŜna otrzymać kwasy
ββββ
-hydroksykarboksylowe. Substratami w tej reakcji są związki
karbonylowe, które pod wpływem
αααα
-bromoestrów, w obecności cynku, zostają przekształcone w
ββββ
-hydroksyestry. 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.
O
CH
2
COOR
OZnBr
CH
2
COOR
OH
C
+ BrCH
2
COOR
Zn
eter
C
H
+
/HOH
C
aldehyd
lub keton
αααα
-bromoester
ββββ
-hydroksyester
Produkty reakcji Reformackiego mogą być przekształcane w inne związki, w tym nienasycone i
nasycone estry, a z nich oczywiście odpowiednie kwasy.
C
H
3
CH
3
O
CH
3
CH
2
COOEt
OZnBr
C
H
3
CH
3
CH
2
COOEt
OH
C
H
3
C
+ BrCH
2
COOEt
Zn
eter
C
1.
H
+
/HOH
C
KHCO
3
(CH
3
)
2
C=CHCOOEt
(CH
3
)
2
CHCH
2
COOEt
H
2
/Pd
- HOH
3-metylobut-2-
-enian etylu
aceton
bromooctan etylu
2-metylobutanian etylu
(62%)
3-hydroksy-3-metylo-
butanian etylu
W reakcji Reformackiego biorą udział jedynie
αααα
-halogenokwasy (nie
ββββ
- i dalsze).
CHO
CH CHCOOEt
OH CH
3
+ CH
3
CHBrCOOEt
1.
Zn/eter
2.
H
+
/HOH
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 (
αααα
-
hydroksynitryle), z których po hydrolizie tworzą się
αααα
-hydroksykwasy.
O
CN
O
CN
OH
C
+ CN
-
..
:
C
-
: :
..
H
+
/HOH
C
:
..
związek karbonylowy cyjanohydryna
Poprzez odpowiednią cyjanohydrynę otrzymuje się racemiczny
kwas migdałowy
lub jego
analogi.
CHO
NO
2
C-OH
NO
2
COOH
C-OH
NO
2
CN
-
CN
H
H
H
+
/HOH
m-nitrobenzaldehyd cyjanohydryna kwas m-nitro-
m-nitrobenzaldehydu migdałowy
RównieŜ rozgałęzione
αααα
-hydroksykwasy moŜna otrzymać z cyjanohydryn. Kwasy
αααα
-
hydroksykarboksylowe znacznie trudniej ulegają
dehydratacji
niŜ
ββββ
-hydroksykwasy czy inne
związki
ββββ
-hydroksykarbonylowe, ale w odpowiednio drastycznych warunkach moŜna taką
operację przeprowadzić.
O
CH
3
CH
3
CH
2
OH
CH
3
CH
3
CH
2
CN
OH
CH
3
CH
3
CH
2
COOH
COOH
CH
3
CH
CH
3
C
1. -
CN
C
2.
H
+
/HOH
∆
H
2
SO
4
C
C
keton etylowo-metylowy
H
+
,
∆
- HOH
kwas 2-metylobut-2-enowy kwas 2-metylo-2-hydroksybutanowy
Po
hydrolizie
produktu reakcji
metanalu
z cyjanowodorem powstaje
kwas glikolowy
.
O
O
H
CH
2
COOH
H
2
C
HCN
H
+
/HOH
∆
metanal kwas glikolowy
Ten sam kwas moŜna otrzymać z
kwasu octowego
poprzez
chlorowanie
go i
hydrolizę
kwasu
chlorooctowego
.
Cl
CH
3
COOH
Cl
2
P
CH
2
COOH
-OH/HOH
H
+
/HOH
HOCH
2
COOH
kwas octowy kwas chlorooctowy kwas glikolowy
4. Z aminokwasów w reakcji z kwasem azotowym (III)
αααα
-Aminokwasy pod wpływem kwasu azotowego (III) ulegają przekształceniu w
αααα
-
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
moŜe być
wyizolowany.
NH
2
N=N
OH
CH
2
COOEt
HNO
2
CHCOOEt
∆
HOH,
- N
2
- HOH
CH
2
COOEt
glicynian etylu diazooctan etylu glikonian etylu
5. Redukcja oksokwasów
Chemiczną
redukcję
oksokwasów do hydroksykwasów moŜna przeprowadzić selektywnie
chociaŜby za pomocą tetrahydroboranu sodu.
O
OH
CH
3
CCOOH
NaBH
4
CH
3
CCOOH
kwas pirogronowy kwas
(DL)
-mlekowy
Podczas
redukcji chemicznej
oksokwasu bez udziału czynników chiralnych powstaje wyłącznie
racemiczny hydroksykwas. Natomiast
enzymatyczna redukcja
oksokwasów prowadzi do
określonego enancjomeru.
C
H
3
COOH
O
COOH
H
O
H
CH
3
COOH
H
O
H
CH
3
C
2 H
enzym
C
C
kwas
D
-(-)-
-mlekowy
kwas
L
-(+)-
-mlekowy
Konfiguracja produktu
zaleŜy od enzymu biorącego udział w reakcji. W naturze występują oba
izomery
kwasu mlekowego
.
Racemiczny kwas mlekowy
, podobnie jak i inne chiralne kwasy moŜna
rozdzielić na
enancjomery
poprzez krystalizację ich soli z chiralnymi aminami (zasadami). Sole kwasów
racemicznych z zasadami achiralnymi są nieprzydatne do tego celu.
COOH
H
O
H
CH
3
COOH
H
O
H
CH
3
COO
H
O
H
CH
3
COO
H
O
H
CH
3
C
C
+
racemiczny kwas mlekowy
50%
D-
50%
L-
CH
3
NH
2
..
C
C
+
-
-
CH
3
NH
3
+
CH
3
NH
3
+
racemiczny mleczan metyloamoniowy
50%
D-
50%
L-
Oba składniki
racemicznego mleczanu metyloamoniowego
mają w środowisku achiralnym te
same właściwości chemiczne i fizyczne
, a tym samym nie są podatne na rozdzielenie za pomocą
zwykłych sposobów fizycznych. Natomiast kwas racemiczny z enancjomeryczną zasadą tworzy
sole distereoizomeryczne, które zwykle
róŜnią się np. rozpuszczalnością
w odpowiednio
dobranym rozpuszczalniku i moŜna je rozdzielić przez krystalizację.
COOH
H
O
H
CH
3
COOH
H
O
H
CH
3
COO
H
O
H
CH
3
COO
H
O
H
CH
3
NH
2
H
C
H
3
NH
2
H
C
H
3
NH
2
H
C
H
3
C
C
+
racemiczny kwas mlekowy
50% (R)
-
50% (S)
-
C
C
-
-
+
mleczan fenyloetyloamoniowy
50% (R,R)
-
C
..
(R)-1-fenylo-
etyloamina
C
..
+
C
..
50% (S,R)
-
krystalizacja
Znane są równieŜ inne sposoby
rozdzielania racemicznych związków
, np. poprzez:
- chromatografię chiralną;
- elektroforezę chiralną;
- tworzenie i rozdzielanie diastereoizomerycznych pochodnych;
- przemiany enzymatyczne lub
- krystalizację spontaniczną
Początki stereochemii
L. Pasteurowi przypisuje się odkrycie
enancjomerów
i tym samym stworzenie podstaw
stereochemii.
Louis Pasteur (1822-1995); ur. w D
ô
le, Francja; studia w Arbois, Besancon, prof. w Dijon, Strasbourgu, Lille i
É
cole Normale Supěrieure.
Pasteur ukończył studia chemiczne ze słaba oceną, poniewaŜ miał bardzo rozległe
zainteresowania i nie był w stanie skupic się na nauce wąskiego zakresu materiału. Jedną z
dziedzin, która go pasjonowała była krystalografia. Krystalizował między innymi
sole kwasu
winowego
. Podczas rekrystalizacji
winianu sodowo-amonowego
z roztworu wodnego w
temperaturze zbliŜonej do pokojowej zauwaŜył w otrzymanym osadzie dwa rodzaje bardzo
podobnych do siebie kryształów. RóŜniły się jedynie tak, jak róŜni się przedmiot od swojego
odbicia w lustrze. Ich wzajemne relacje przypominały dwie dłonie – lewą i prawą. Pasteur
rozdzielił te kryształy od siebie za pomocą pęsety i stwierdził, Ŝe ich skład chemiczny, a takŜe
właściwości fizykochemiczne były identyczne. RóŜniły się jedynie znakiem skręcalności
właściwej. Roztwór o tym samym stęŜeniu sporządzony z kryształów jednego rodzaju skręcał
ś
wiatło spolaryzowane w polarymetrze o ten sam kąt lecz w przeciwną stronę niŜ roztwór
sporządzony z kryształków drugiego rodzaju. Jedna odmiana winianu sodowo-amonowego
skręcała zatem w prawo (+), a druga w lewo (-). Zostały one nazwane
prawoskrętną
i
lewoskrętna odmianą
. Obie odmiany zmieszane razem traciły zdolność skręcania płaszczyzny
ś
wiatła spolaryzowanego, podobnie jak przed rozdzieleniem stawały się optycznie nieczynne.
Taka mieszanina została nazwana
mieszaniną racemiczną
. PoniewaŜ obie odmiany soli miały
identyczny skład chemiczny, Pasteur upatrywał ich odmienne właściwości optyczne w
odmiennym ułoŜeniem w przestrzeni czterech róŜnych podstawników przy czterowiązalnym
atomie węgla. Tą hipotezą znacznie wyprzedził poglądy współczesnych mu uczonych.
Samoistne rozdzielenie mieszaniny racemicznej, to co udało się Pasteurowi jest niezwykle
rzadkim zjawiskiem. Zwykle potrzeba do tego innego czynnika chiralnego. Znacznie później
udowodniono, Ŝe odmienne właściwości optyczne
winianu sodowo-amonowego
wynikają z
róŜnic w budowie przestrzennej cząsteczki
kwasu winowego
. Dzięki innemu przestrzennemu
ułoŜeniu podstawników przy C2 i C3
kwasu winowego
powstają trzy jego odmiany:
lewoskrętna
(-),
prawoskrętna
(+) i
optycznie nieczynna
(±) zwana
kwasem mezo-winowym
.
COOH
COOH
H
O
H
OH
H
COOH
COOH
OH
H
H
O
H
COOH
COOH
H
O
H
H
O
H
COOH
COOH
OH
H
OH
H
C
C
C
C
C
C
C
C
kwas (-)-winowy kwas (+)-winowy kwas mezo-winowy
(S,S) (R,R) (R,S)
Właściwości fizykochemiczne (oprócz kierunku skręcalności światła spolaryzowanego – [
α
]
D
)
kwasów (-)
i
(+)-winowego
są identyczne,
kwas mezo-winowy
róŜni się od nich, inne
właściwości ma teŜ mieszanina racemiczna (±), pomimo tego, Ŝe składa się z jednakowych
proporcji kwasów (-) i (+). Ta mieszanina racemiczna zachowuje się zatem jakby była
odmiennym, jednorodnym związkiem chemicznym, a nie mieszanką dwóch związków. Z tego
powodu tego typu mieszaninę nazywa się często krótko racematem. Nie zawsze jest tak, czasami
mieszanina racemiczna zachowuje się faktycznie jak by była mieszaniną dwóch róŜnych
związków. Świadczy o tym chociaŜby obniŜenie jej temperatury topnienia w porównaniu z tt.
czystych enancjomerów.
Wybrane właściwości stereoizomerów kwasu winowego Tabela
Stereo-
izomer
tt. [
o
C]
Skręcalność
[
α
]
D
Gęstość [g/cm
3
]
Rozpuszczalność
[g/100 ml wody] w 20
o
C
(S,S)-(+)
168-170
+12
1,7598
139,0
(R,R)-(-)
168-170
-12
1,7598
139,0
(R,S)-mezo
146-148
0
1,6660
125,0
(R,R/S,S)-(±)
206
0
1,7880
20,6
Przypomnienie: symbole (R) i (S) oznaczają tzw.
konfigurację absolutną
oznaczoną, określoną
wg reguły Cahna-Ingolda-Preloga, zaś D- i L- konfigurację względną (względem
aldehydu
glicerynowego
) oznaczaną wg reguły Fischera. Natomiast symbole (+) i (-) wskazują kierunek
kąta skręcenia płaszczyzny światła spolaryzowanego.
Enancjomery są stereoizomerami, których cząsteczki mają się do siebie jak odbicia lustrzane.
Distereoizomery zaś są stereoizomerami, których cząsteczki nie odpowiadają odbiciom
lustrzanym. Kierunek skręcalności płaszczyzny światła spolaryzowanego zaleŜy od właściwości
podstawników wokół chiralnego atomu węgla, a nie od konformacji. Skręcalność właściwa [
αααα
]
D
zarówno dla konformerów (R), jak i (S), podobnie D-, jak i L- moŜe przyjmować wartości
dodatnie lub ujemne.
COOH
H
C
H
3
OH
COOCH
3
H
C
H
3
OH
C
C
MeOH/
+
H
[
α
]
D
= +3,82
o
[
α
]
D
= -8,25
o
kwas (S)-(+)-mlekowy (S)-(-)-mleczan metylu
Estryfikacja
kwasu (+)-mlekowego metanolem
nie zmieniła konfiguracji związku, natomiast
kierunek skręcalności właściwej [
αααα
]
D
estru przyjął znak przeciwny –
(-)
.
Kierunek i wartość bezwzględna skręcalności właściwej jest stałą fizyczną, charakterystyczną dla
określonego związku;
nie ma prostej zaleŜności pomiędzy skręcalnością właściwą a
konfiguracją
. Prostą zaleŜnością są jedynie przeciwne znaki skręcalności właściwej
enancjomerów.
Reakcje ze związkami chiralnymi biegną z
retencją
(zostaje zachowana konfiguracja), z
inwersją
(produkt ma zmienioną konfigurację w stosunku do substratu) lub
racemizacją
(połowa produktu przyjmuje konfigurację przeciwną do tej jaką miał substrat). Zwykle reakcje,
które wywołują zmiany konstytucyjne z dala od centrum chiralnego nie mają wpływu na zmianę
konfiguracji. Reakcje biegnące na centrum chiralnym wg mechanizmu S
N
2 zachodzą z inwersją
konfiguracji, a mechanizm S
N
1 często bywa przyczyną racemizacji.
W reakcjach, w których tworzy się nowe centrum chiralne bez udziału czynników chiralnych
(chiralnych substratów, chiralnych katalizatorów, czy chiralnego rozpuszczalnika) powstaje
produkt racemiczny.
Bromowanie
kwasu propanowego
prowadzi do
racemicznego kwasu 2-
bromopropanowego
, a z niego w wyniku
hydrolizy
powstaje
racemiczny kwas mlekowy
.
COOH
H
Br
CH
3
COOH
H
C
H
3
Br
COOH
H
O
H
CH
3
COOH
H
C
H
3
OH
CH
3
CH
2
COOH
Br
2
P
C
+
C
1. -
OH
2.
H
+
/HOH
C
C
racemiczny kwas
2-bromopropanowy
+
racemiczny kwas
mlekowy
Podobnie racemiczny produkt powstaje w wyniku
katalitycznej
redukcji
kwasu pirogronowego
.
C
H
3
COOH
O
H
H
C
H
3
COOH
O
H
H
COOH
H
O
H
CH
3
COOH
H
C
H
3
OH
C
C
H
2
/Pt
C
C
+
50%
50%
kwas
pirogronowy
kwas (R,S)-mlekowy
Hipoteza Pasteura, Ŝe przeciwne znaki skręcalności właściwej enancjomerów wynikają z innej
ich budowy przestrzennej wyprzedzało epokę i było niezrozumiałe dla współczesnych mu
uczonych. Później jego koncepcja została powszechnie zaakceptowana, nie znano wtedy jednak
sposobu wyznaczenia przestrzennego ułoŜenia atomów (podstawników) wokół chiralnego atomu
węgla.
W 1891 r. E. Fischer zaproponował, Ŝeby umownie przyjąć konfigurację dodatnio skręcającego
aldehydu glicerynowego
jako D-, a aldehydu (-)-glicerynowego jako L-. Był więc
aldehyd D-(+)-
glicerynowy
i
aldehyd L-(-)-glicerynowy
. Konfigurację innych chiralnych związków określano
na podstawie porównania ich konfiguracji z konfiguracją
aldehydu glicerynowego
. Z tego
powodu tak oznaczana konfiguracja była
konfiguracją względną
(względem
aldehydu
glicerynowego
). Określanie konfiguracji innych związków dokonywano za pomocą reakcji o
znanej stereochemi (biegnących z retencją albo z inwersją) prowadzących z
aldehydu
glicerynowego
do porównywanego związku lub odwrotnie z badanego związku otrzymywano
aldehyd glicerynowy
. Ten sposób oznaczania konfiguracji względnej nosił nazwę
korelacji
konfiguracji
.
CHO
CH
2
OH
OH
H
CHO
CH
2
OH
H
O
H
C
C
aldehyd
D
-(+)-glicerynowy aldehyd
L
-(-)-glicerynowy
Fischer przyjął arbitralnie, Ŝe
aldehyd D-glicerynowy
, na projekcji jak powyŜej, ma grupę
hydroksylową po prawej stronie, a enancjomer
L-
po lewej stronie. Tworzenie tej projekcji,
nazywanej
projekcją Fischera
, polega na tym, Ŝe na powierzchnię kartki (ekranu, tablicy) jest
robiony rzut cząsteczki ułoŜonej w ten sposób, Ŝeby najbardziej utleniony atom węgla znajdował
się u góry, a pozostałe w jednej linii pod nim. W centrum chiralnym atomy (podstawniki)
związane poziomo znajdują się nad płaszczyzną, a związane pionowo pod płaszczyzną rzutu.
W roku 1951 okazało się, Ŝe załoŜenia Fischera co do rozmieszczenia podstawników wokół
chiralnego atomu węgla odpowiadają rzeczywistej cząsteczce
aldehydu glicerynowego
. Od tego
czasu mówi się o
konfiguracji absolutnej
, czyli takiej, jaka występuje w rzeczywistości.
Prawdopodobieńtwo, Ŝe załoŜenie Fischera będzie zgodne z rzeczywistością wynosiło 50%.
Korelacja konfiguracji
Konfigurację względną
kwasów winowych
określono w wyniku szeregu reakcji prowadzących
od
aldehydu D-glicerynowego
poprzez odpowiednią cyjanohydrynę do odpowiedniego
kwasu
winowego
.
CHO
CH
2
OH
OH
H
CH
2
OH
OH
H
OH
H
CN
CH
2
OH
OH
H
H
O
H
CN
COOH
OH
H
OH
H
COOH
COOH
OH
H
H
O
H
COOH
C
aldehyd
D
-(+)-
-glicerynowy
HCN
C
C
+
C
C
mieszanina
diastereoizomerycz-
nych cyjanohydryn
1.
H
+
/HOH
2.
[O]
C
C
+
C
kwas
mezo-winowy
kwas
(-)-winowy
C
Konfiguracja
kwasu mlekowego
teŜ została określona za pomocą korelacji do konfiguracji
aldehydu D-glicerynowego
.
CHO
CH
2
OH
OH
H
COOH
CH
2
OH
OH
H
COOH
CH
2
NH
2
OH
H
COOH
CH
2
Br
OH
H
COOH
CH
3
OH
H
C
aldehyd
D
-(+)-
-glicerynowy
HNO
2
kwas
D
-(-)-
-glicerynowy
HgO
C
HNO
2
H
+
/HOH
C
HBr
(+)-izoseryna
C
Zn
H
+
/HOH
C
kwas
D
-(-)-
-mlekowy
kwas
D
-(-)-3-bromo-2-hydroksypropanowy
Od 1951 r. istnieje moŜliwość oznaczania rzeczywistego ułoŜenia podstawników wokół
chiralnego atomu węgla, czyli
konfiguracji bezwględnej
. W tym właśnie roku J.M. Bijvoet
stwierdził za pomocą rentgenografii, Ŝe
aldehyd D-glicerynowy
faktycznie ma taką konfigurację
jaką zaproponował E. Fischer. Na tej zasadzie, uprzednio określone
konfiguracje względne
innych związków poprzez korelacje z konfiguracją
aldehydu D-glicerynowego
odpowiadają
konfiguracji bezwględnej
.
Właściwości fizykochemiczne hydroksykwasów
Hydroksykwasy zwykle są substancjami krystalicznymi.
Kwas glikolowy
(HOCH
2
COOH)
topnieje w temperaturze 75-80
o
C, natomiast t.t. enancjomerów
kwasu mlekowego
wynosi 25-
26
o
C, a
kwasu (R)-jabłkowego
101
o
C, zaś jego racematu 131-132
o
C. Komercyjny
kwas
mlekowy
rozprowadzany jest w postaci stęŜonych (np. 90%) roztworów wodnych. NiŜsze
hydroksykwasy są dobrze rozpuszczalne w wodzie. Dzięki obecności grupy hydroksylowej
hydroksykwasy są lepiej rozpuszczalne w wodzie niŜ kwasy alkano- czy arenokarboksylowe.
Hydroksykwasy alifatyczne są silniejszymi kwasami niŜ kwasy alkanowe, np. K
a
kwasu
glikolowego
wynosi 1,5
.
10
-4
, w porównaniu do K
a
kwasu octowego
– 1,76
.
10
-5
. Wzrost
kwasowości wywołany jest efektem indukcyjnym -I funkcji hydroksylowej. Natomiast efekt
mezomeryczny +M tej funkcji osłabia moc kwasów hydroksyarenowych; K
a
kwasu
p-
hydroksybenzoesowego
wynosi 3,3
.
10
-5
, a benzoesowego 6,5
.
10
-5
. Zapach niŜszych
hydroksykwasów jest ostry, draŜniący.
Właściwości chemiczne
Reaktywność hydroksykwasów wynika z obecności dwóch grup funkcyjnych – hydroksylowej i
karboksylowej. Z tego powodu z kwasami mogą tworzyć estry na grupie hydroksylowej, a z
alkoholami – estry na grupie karboksylowej. Ich właściwości chemiczne zaleŜą od wzajemnego
połoŜenia obu grup funkcyjnych. Charakterystyczną reakcją dla
αααα
-hydroksykwasów jest
tworzenie cyklicznych pochodnych – laktydów,
ββββ
-hydroksykwasy ulegają
dehydratacji
do
αααα
,
ββββ
-
nienasyconych kwasów, zaś
γγγγ
- i
δδδδ
- łatwo przekształcają się w wewnętrzne estry, czyli laktony.
Powolna destylacja pod zmniejszonym ciśnieniem
kwasu mlekowego
, przedstawiciela
αααα
-
hydroksykwasów, prowadzi do sześcioczłonowego dilaktonu, który został nazwany
laktydem
.
Powstaje on z połączenia dwóch cząsteczek
αααα
-hydroksykwasu i wydzielenia dwóch cząsteczek
wody. Jest to reakcja
estryfikacji
.
OH
O
H
C
H
3
OH
O
H
O
H
O
H
CH
3
O
O
O
O
H
C
H
3
H
CH
3
C
C
+
C
C
∆
- 2 HOH
kwas mlekowy laktyd
Kwasy
αααα
-hydroksykarboksylowe, zarówno
kwas glikolowy
, jak i
mlekowy
odwadniane w
temperaturze pokojowej tracą wodę przechodząc polimeryczne estry liniowe.
(n+2) HOCH
2
COOH
- HOH
HOCH
2
CO(OCH
2
CO)
n
OCH
2
COOH
kwas glikolowy kwas pologlikolowy
Ogrzewanie
ββββ
-hydroksykwasów powoduje ich wewnątrzcząsteczkowe odwodnienie prowadzące
do
αααα
,
ββββ
-nienasycownych kwasów karboksylowych.
H
CH
3
CHCHCOOH
- HOH
CH
3
CH=CHCOOH
kwas krotonowy
kwas 3-hydroksybutanowy
HO
H
COOH
HOOC
H
H
HOOCCH-CHCOOH
- HOH
C
C
kwas jabłkowy
kwas fumarowy
HO
Z kwasów
γγγγ
- i
δδδδ
-hydroksykarboksylowych podczas ogrzewania powstają odpowiednio pięcio-
lub sześcioczłonowe estry cykliczne zwane laktonami.
OH
OH
R
O
O
O
R
∆
- HOH
γγγγ
-hydroksy-
kwas
γγγγ
-lakton
OH
OH
O
R
O
O
R
∆
- HOH
δδδδ
-hydroksy-
kwas
δδδδ
-lakton
Utlenianie
hydroksykwasów prowadzi do oksokwasów. Z
ω
ω
ω
ω
-hydroksykwasów powstają kwasy
dikarboksylowe.
OH
CH
2
(CH
2
)
3
COOH
KMnO
4
HOOC(CH
2
)
3
COOH
kwas 5-hydroksypentanowy kwas pentanodionowy
HALOGENOKWASY
Halogenokwasy, to kwasy zawierające atom halogenu w łańcuchu bocznym, w odróŜnieniu od
halogenków kwasowych, w których halogen zastępuje grupę -OH funkcji karboksylowej. Z
uwagi na wzajemne połoŜenie halogenu i funkcji karboksylowej rozróŜnianie są
αααα
-,
ββββ
-
γγγγ
-
halogenokwasy i inne.
X
X
X
RCH
2
CH
2
CHCOOH
RCH
2
CHCH
2
COOH
RCHCH
2
CH
2
COOH
α
α
α
α
-halogenokwasy
ββββ
-halogenokwasy
γγγγ
-halogenokwasy
Właściwości halogenokwasów zaleŜą od tego wzajemnego ułoŜenia obu podstawników.
Najbardziej reaktywne w reakcjach S
N
są
αααα
-halogenokwasy. Atomy halogenów oddziałują na
zasadzie indukcji na grupę karboksylową zwiększając jej kwasowość – najbardziej kwaśne są
αααα
-
halogenokwasy.
Otrzymywanie
Chloro- i bromokwasy zawierające atom halogenu w połoŜeniu
α
α
α
α
otrzymuje się w reakcji
halogenowania kwasów karboksylowych w obecności czerwonego fosforu, w reakcji zwanej
reakcją
Hella-Volharda-Zielinskiego
.
H
X
RCHCOOH
X
2
/P
- HX
RCHCOOH
αααα
-chloro-
lub bromokwas
kwas
X: Cl; Br
Jodokwasy najłatwiej powstają poprzez przekształcenie chlorokwasów pod wpływem jodku
potasu w acetonie. Jodek potasu jest rozpuszczalny w acetonie, natomiast chlorek potasu nie.
Dochodzi do wymiany chloru na jod, a wytrącanie się z roztworu nierozpuszczalnego chlorku
potasu przesuwa równowagę na korzyść jodokwasu.
I
CH
3
CH
2
CH
2
COOH
KI/aceton
- KCl
CH
3
CH
2
CHCOOH
kwas butanowy
kwas 2-jodobutanowy
Halogenokwasy (za wyjątkiem fluorokwasów, które są chemicznie bardzo inertne) ulegają
hydrolizie
do hydroksykwasów.
BrCH
2
COO
-
-
OH/HOH
HOCH
2
COO
-
bromooctan
glikonian
- Br
-
Halogen w halogenokwasach moŜna wymienić na grupę nitrową otrzymując nitrokwasy obok
azotynów hydroksykwasów [estrów kwasu azotowego (III)]. Jon azotynowy jest odczynnikiem
ambidentnym, tzn. Ŝe ma dwa centra aktywne i do reakcji dochodzi atomie N i O.
O N O
O N O
Cl-CH
2
COOH
-
OH
Cl-CH
2
COO
-
NaNO
2
:
:
..
..
..
-
:
:
..
..
-
O
2
N-CH
2
COO
-
+
O=N-O-CH
2
COO
-
H
+
/HOH
O
2
N-CH
2
COOH
O
2
N-CH
3
+ CO
2
+ HO-CH
2
COOH + HNO
2
∆
dekarboksylacja
kwas chlorooctowy
kwas nitrooctowy
azotyn kwasu
glikolowego
(sól)
kwas glikolowy
nitrometan
chlorooctan
nitrooctan
Reakcja Reformackiego
SłuŜy do otrzymywania
ββββ
-hydroksyestrów z
αααα
-halogenokwasów i związków karbonylowych w
obecności cynku. Biegnie ona poprzez związki cynkoorganiczne. Reakcja Reformackiego
została przedstawiona w podrozdziale dotyczącym otrzymywania hydroksykwasów.
Reakcje substytucji nukleofilowej halogenokwasów prowadzą jeszcze do wielu innych
pochodnych kwasów. Na poniŜszym schemacie przedstawione zostały produkty jakie moŜna
otrzymać z halogenoestrów.
X-CH
2
COOR
ArO
-
Ar-O-CH
2
COOR
NO
2
-
O
2
N-CH
2
COOR
CN
-
NC-CH
2
COOR
H
2
N-CH
2
COOR
R'S
-
R'O
-
-CH(COOR')
2
(R'OOC)
2
CH-CH
2
COOR
R'S-CH
2
COOR
R'O-CH
2
COOR
NH
3
Zadanie: nazwij produkty powstające z halogenokwasów w reakcji substytucji nukleofilowej.