Билет №15

1. Реакции нуклеофильного замещения у sp²-гибридизированного атома углерода (карбоновые кислоты и их функциональные производные). Реакции ацилирования (образование ангидридов, сложных эфиров, сложных тиоэфиров, амидов) и обратные им реакции гидролиза. Сравнительная активность ацилирующих реагентов (ангидридов, карбоновых кислот, сложных эфиров, сложных тиоэфиров). Ацилфосфаты и ацилкофермент А. Биологическая роль реакций ацилирования.

Реакции нуклеофильного замещения характерны для карбоновых кислот и их функциональных производных. Они обусловлены способностью заместителя Х в соединениях типа R-CO-X уходить в виде аниона Х^- или сопряженной кислоты НХ. Их результатом является замещение Х на другую нуклеофильную группу Y. Общая схема механизма таких реакций включает образование нестабильного продукта присоединения нуклеофила к атому углерода карбонильной группы.

Реакция протекает либо при наличии достаточно сильного нуклеофила Y^- и хорошо уходящей группы Х, либо в условиях кислотного катализа. Последний часто оказывается необходимым, так как вследствие +М-эффекта заместителя Х частичный положительный заряд на карбонильном атоме углерода оказывается недостаточным для атаки его нуклеофилом. В таких случаях протонирование кислорода карбонильной группы ведет к появлению полного положительного заряда на атоме углерода, что облегчает атаку нуклеофилом. Большая часть этих реакций ацилирования, т.е. введения ацильной группы R-CO в органическую молекулу вместо водорода. Галогенангидриды (R-CO-Hal) обычно получают действием на карбоновые кислоты или их соли галогенидов фосфора или серы, чаще всего используют хлорид фосфора (V) PCl₅, хлорид фосфора (III) PCl₃ и оксид-дихлорид серы (тионилхлорид) SOCl₂. Последний особенно удобен, так как, кроме целевого хлорангидрида, дает только газообразные продукты.

Галогенангидриды – наиболее активные ацилирующие реагенты среди производных карбоновых кислот. Так, ацетилхлорид легко гидролизуется водой (ацилирует воду) с выделением тепла и образованием уксусной кислоты. Ангидриды карбоновых кислот могут содержать остатки одинаковых кислот R – CO – O – CO – R и могут быть смешанными R – CO – O – CO – R’. Для получения простых ангидридов кислоты нагревают в присутствии водоотнимающих средств, например оксида фосфора (V) P₂O₅, или обрабатывают соль кислоты галогенангидридом. Смешанные ангидриды можно приготовить только вторым способом.

Реакция этерификации в отсутствие катализаторов протекает чрезвычайно медленно вследствие низкой активности карбонильной группы. Однако в присутсвии минеральных кислот (серной, хлороводородной) реакция существенно ускоряется.

Процесс этерификации обратим. Сдвиг равновесия вправо осуществляется за счет удаления из реакционной смеси одного из конечных продуктов.

Амиды могут быть первичными, вторичными и третичными. За счет взаимодействия неподелённой пары электронов атома азота с π-электронами поляризованной двойной связи карбонильной группы связь C-N в амидах имеет частично двойной характер. Поэтому свободное вращение вокруг данной связи заторможено и амидная группировка имеет строение, близкое к плоскому, что важно для структуры белков. Другим следствие +М-эффекта аминогруппы является понижение основности амидов по сравнению с аминами. Амиды дают непрочные, легко гидролизирующиеся соли только с очень сильными кислотами. Амиды проявляют амфотерные свойства. Они могут реагировать с сильными основаниями, например амидом натрия, образую соответствующие соли.

По сравнению с другими производными карбоновых кислот амиды наименее склонны подвергаться нуклеофильному замещению. Это справедливо и в отношении их гидролиза, который осуществляют в кислой или щелочной среде в достаточно жестких условиях.

Сложные тиоэфиры — органические соединения, содержащие функциональную группу C-S-CO-C и являющиеся сложными эфирами тиолов и карбоновых кислот. Сложные тиоэфиры играют важную роль в биохимических процессах, наиболее известный представитель этого класса — ацетил-CoA. Способы получения сложных тиоэфиров разнообразны, но важнейшим является конденсация тиолов и карбоновых кислот в присутствии водоотнимающих реагентов.

RSH + R’COОH → RSC(O)R' + H₂O

Ангидриды карбоновых кислот и некоторые лактоны реагируют подобным же образом с тиолами в присутствии оснований.

Гидролиз сложных эфиров может быть осуществлен как в кислой, так и в щелочной среде. Гидролиз в щелочной среде необратим и требует эквимолекулярных количеств щелочи. Приведенная ниже схема механизма справедлива для щелочного гидролиза не только сложных эфиров, но также тиоэфиров, галогенангидридов, ангидридов и амидов карбоновых кислот. Причиной необратимости гидролиза в щелочной среде является образование стабильного ацилат-иона.

Легкость гидролиза зависит от эффективного положительного заряда на карбонильном углероде соединения R-CO-X, величина которого определяется природой Х, т.е. совместным действием его –I и +M-эффектов.

Реакционная способность ацильных соединений определяется как величиной положительного заряда на атоме углерода карбонильной группы, так и способностью уходящей группы уходить.

Величина положительного заряда С^d+=О^d- группы и, следовательно, активность реагента увеличивается с повышением электроноакцепторных свойств радикала. Так, константа диссоциации и ацилирующая активность кислот увеличивается в ряду:

В ацильных соединениях, полученных из одной и той же кислоты, величина d⁺ является результатом взаимодействия электронных облаков карбонильной и уходящей групп:

Она увеличивается при возрастании отрицательного индукционного эффекта и уменьшении положительного эффекта сопряжения.

Способность группы Y уходить зависит от того, каким основанием она является: чем сильнее основание, тем хуже уходит. При определении силы основания обычно используют константу диссоциации сопряженной с ним кислоты: чем сильнее кислота, тем слабее сопряженное с ней основание:

В связи с этим ацилирующая активность производных карбоновой кислоты уменьшается от хлорангидрида к амиду.

Ацилфосфаты являются макроэргическими фосфатами карбоновых кислот. У них остаток фосфорной кислоты соединяется макроэргической связью с кислородом карбоксильной группы кислоты.

Важнейшие представители ацилфосфатов – 1.3-дифосфоглицериновая кислота, ацетилфосфат, сукцинилфосфат и др. 1,3-дифосфоглицериновая кислота образуется в качестве промежуточного продукта в реакциях цикла Кальвина и анаэробной стадии дыхания, где этот макроэргический фосфат участвует в синтезе АТФ. Ацетилфосфат является промежуточным продуктом в синтезе ацетилкофермента А, принимающего участие во многих биосинтетических реакциях, а сукцинилфосфат – промежуточным метаболитом при фосфоролизе сукцинилкофермента А, который происходит в цикле Кребса и служит источником образования АТФ (у растений) или ГТФ (у человека и животных).

Ацилирование — замещение в молекуле органического соединения атома водорода или металла ацилом, т.е. остатком молекулы органической кислоты. Частным случаем ацилирования является ацетилирование — присоединение остатка уксусной кислоты СН₃СО—. В организме реакции ацилирования протекают с участием особого вещества — кофермента ацилирования КоА (KoA-SH). Кислота вначале активируется путем соединения с сульфгидрильной группой KoA-SH (образуется ацил-S-KoA, или ацилкофермент А). Эта реакция протекает с использованием энергии макроэргической связи аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Остаток кислоты затем переносится с ацил-S-KoA на ацилируемое вещество. Таким путем происходит, например, присоединение остатков жирных кислот (стеариновой и др.) к глицеринфосфорной кислоте в процессе синтеза жиров: 1) KoA-SH + стеариновая кислота + АТФ → стеарил-S-KoA + АДФ + пирофосфорная кислота; 2) стеарил-S-KoA + глицеринфосфорная кислота → стеарилглицеринфосфорная кислота + KoA-SH.

Важнейшее значение в процессах обмена веществ имеет активная форма уксусной кислоты — ацетил-S-KoA, которая образуется при аэробном распаде углеводов, аминокислот, жирных кислот. С другой стороны, ацетил-S-KoA участвует в синтезе разнообразных веществ, в том числе жирных кислот и аминокислот. Таким образом, ацетил-S-KoA оказывается звеном, в котором перекрещиваются пути обмена основных компонентов организма. Кроме того, остаток уксусной кислоты ацетил-S-KoA может быть окислен до CO₂ и H₂O в цикле трикарбоновых кислот, причем энергия этого окислительного процесса аккумулируется в АТФ. Две молекулы ацетил-S-KoA могут взаимодействовать с образованием ацетоацетил-S-KoA; это соединение распадается на ацетоуксусную кислоту и KoA-SH. Существенна также роль ацилирования в процессах обезвреживания и выделения ядовитых или не свойственных организму веществ. Бензойная кислота обезвреживается в печени путем образования гиппуровой кислоты. Вначале образуется бензоил-S-KoA, который ацилирует глицин с образованием гиппуровой кислоты. На этом свойстве печени основана функциональная проба Квика. Многие лекарственные вещества (сульфаниламиды, фтивазид, ПАСК и др.) в значительной части выводятся из организма в виде ацетильных производных.

К реакциям биологического ацилирования относится также и биосинтез белков. В этой реакции не участвует КоА: аминокислота активируется по карбоксильной группе путем образования ангидридной связи с адениловой кислотой. Активированная аминокислота ацилирует другую аминокислоту по аминогруппе, в результате чего образуется пептидная связь.

2. Лекарственные средства на основе модифицированных нуклеиновых оснований (фторурацил, меркаптопурин). Нуклеозиды-антибиотики. Принцип химического подобия. Изменение структуры нуклеиновых кислот под действием химических веществ. Мутагенное действие азотистой кислоты.

В качестве лекарственных средств в онкологии используют синтетические производные пиримидинового и пуринового рядов, по строению похожие на естественные метаболиты (в данном случае – на нуклеиновые основания), но не полностью им идентичные, т.е. являющиеся антиметаболитами. Например, 5-фторурацил выступает в роли антагониста урацила и тимина, 6-меркаптопурин – аденина. Конкурируя с метаболитами, они нарушают синтез нуклеиновых кислот в организме на разных этапах.

В клетках в свободном состоянии содержатся некоторые нуклеотизы, не являющиеся компонентами нуклеиновых кислот. Эти нуклеозиды обладают антибиотической активностью и приобретают всё большее значение при лечении злокачественных образований. Они отличаются от обычных нуклеозидов некоторыми деталями строения либо углеводной части, либо гетероциклического основания. Это позволяет им выступать, по-видимому, в роли антиметаболитов. Нуклеозидные антибиотики пиримидинового ряда часто подобны цитидину, пуринового ряда – аденозину. «Небольшой» разницы в строении или конфигурации всего лишь одного атома углерода в углеводном остатке зачастую достаточно, чтобы соединение выполняло роль ингибитора биосинтеза (белка, ДНК) и размножения (вирусов, грибков, бактерий).

Одной из причин возникновения мутаций служит воздействие химических факторов. Наиболее распространённый вид мутаций – замена какой-либо пары оснований на другую, одной из причин которого может являться сдвиг таутомерного равновесия. Например, тимин в лактамной форму не образует водородные связи с гуанином, а в лактимной – образует, что приводит к замене обычной пары тимин-аденин на пару тимин-гуанин.

Если на аденозин подействовать азотистой кислотой, то в результате реакции дезаминирования аминогруппа превратится в гидроксильную, вследствие чего из аденозина получается другой нуклеотид – инозин, содержащий гипоксантин. Это может привести к замене в ДНК комплементарной пары оснований, так как адениновый нуклеотид комплементарен тиминовому, а инозин может образовывать комплементарную пару только с цитидиновым нуклеозидом.

3. Приведите проекционную формулу стереоизомера природной α-аминокислоты, содержащей в радикале гидрокси-группу, в форме катиона.

Серин:

HO – CH₂ – C^*H – COOH

|

NH₂

Природный стереоизомер (L-форма) D-форма

COОH COОH

H₃N⁺ Н Н NH₃⁺

CH₂OH CH₂OH

4. Напишите строение участка одной цепи ДНК, включая три разных нуклеотида.

Наже приведена структура участка одной цепи ДНК, включающая в себя четыре разных нуклеотида (рядом с нуклеотидами латиницей указаны сокращения названий этих нуклеотидов).

5. Как химическим путём различить растворы глюкозы и этилглюкозида?

В молекуле глюкозы одна из гидроксильных групп существенно отличается по свойствам от всех остальных (см. реакцию ниже).

Такая реакция не характерна для этилглюкозида, водород этой гидроксогруппы уже замещён на этильный радикал.