Участвующие в процессах жизнедеятельности

Подавляющее большинство органических веществ, участвующих в процессах метаболизма, представляют собой соединения с двумя и более функциональными группами. Такие соединения принято классифицировать следующим образом:

1) полифункциональные, содержащие одинаковые функциональные группы, например: этиленгликоль СН₂ОН – СН₂ОН, гидрохинон НО– –ОН, щавелевая кислота НООС–СООН;

2) гетерофункциональные, содержащие различные функциональные группы, например: коламин СН₂ОН–CH₂NH₂, п-аминобензойная кислота H₂N– –СООН, пировиноградная кислота СН₃–С(О) –СООН;

3) гетерополифункциональные, например: различные моносахариды, яблочная кислота

НООС–СН(ОН) –СН₂-СООН.

Наличие нескольких функциональных групп в молекуле оказывает значительное влияние на химические свойства соединения, приводя, с одной стороны, к усилению или ослаблениию реакционной способности соединений, а с другой – к появлению нехарактерных для монофункциональных соединений специфических свойств. Последние являются наиболее важными для обеспечения биологических функций, выполняемых этими веществами в организме.

Кислотно-основные свойства. Выполняется общая закономерность: наличие в молекуле групп ОН, SH, СООН приводит к усилению ее кислотных свойств, а аминогрупп NH₂, NH – к усилению основных свойств. Кроме того, наличие дополнительной электроноакцепторной группы вблизи кислотного центра влечет за собой повышение кислотности соединения. Так, этиленгликоль СН₂ОН–СН₂ОН проявляет более сильные кислотные свойства по сравнению с этанолом СН₃–СН₂ОН; щавелевая кислота НООС–СООН является более сильной кислотой, чем уксусная СН₃–СООН, а молочная кислота СН₃–СН(ОН) –СООН – более сильной, чем пропановая СН₃–СН₂–СООН.

Во всех перечисленных случаях отрицательный индуктивный эффект заместителей (-I-эффект) вблизи групп ОН и СООН обусловливает значительную поляризацию связи О–Н и легкость отщепления протона, т. е. усиление кислотных свойств. Аналогично, замена метильной группы СН₃ в ацетамиде на аминогруппу в карбамиде (мочевине):

приводит к усилению основных свойств, что можно проиллюстрировать реакцией с соляной кислотой (образуется соль – гидрохлорид мочевины):

Еще более сильные по сравнению с карбамидом основные свойства проявляет гуанидин:

NH

NH₂–C–NH₂

Наконец, наличие в молекуле различных по кислотно-основным свойствам функциональных групп обусловливает амфотерные свойства соединений. Предельным случаем является полный перенос протона от кислотного центра к основному, например в a-аминокислотах, которые в кристаллическом состоянии, а так же в нейтральном водном растворе существуют в форме цвиттер-иона (биполярного иона, внутренней соли): H₃N⁺–CH(R) –COO^–.

Нуклеофильно-электрофильные свойства. Выполняется общая закономерность, а именно: наличие электроноакцепторного заместителя (-I-эффект) облегчает протекание нуклеофильных реакций и затрудняет протекание электрофильных реакций. Так, в присутствии карбоксильной группы атом галогена, например в a- галогенкарбоновых кислотах, легко замещается не только на гидроксильную группу (при взаимодействии со щелочами), но и на аминогруппу (при взаимодействии с аммиаком):

R-CH-COOH + 3NH₃ ® R-CH-COONH₄ + NH₄C1

Cl NH₂

Приведенная реакция протекает по механизму S_N, давая соли a-аминокислот.

В a,b-ненасыщенных карбоновых кислотах близость электроноакцептора (карбоксильной группы) приводит к протеканию реакций присоединения по двойной С-С связи по нуклеофильному (A_N) механизму; реакции же электрофильного присоединения затруднены.

Реакции циклизации. Относятся к специфическим реакциям гетерофункциональных соединений и могут протекать как внутримолекулярно, так и межмолекулярно в зависимости от удаленности функциональных групп друг от друга.

Внутримолекулярная циклизация. Выполняется общая закономерность: реакции характерны для гетерофункциональных соединений с g- и d-положением функциональных групп. Нуклеофильный и электрофильный реакционные центры находятся внутри одной молекулы и оказываются сближенными в пространстве за счет существования молекулы в «свернутой» (клешневидной) конформации.

В результате реакций внутримолекулярной циклизации могут образоваться циклические полуацетали из альдегидоспиртов по механизму A_N:

 

циклические эфиры – лактоны – из гидроксикислот по механизму S_N с участием sр²-гибридизованного атома углерода

 

 

циклические амиды – лактамы – из аминокислот по механизму S_N с участием sр²-гибридизованного атома углерода:

 

 

Реакции идут самопроизвольно уже при незначительном наггревании. Образующиеся циклические продукты подвергаются гидролизу в кислой и щелочной среде с образованием соответствующих солей.

Межмолекулярная циклизация. Выполняется общая закономерность: реакции характерны для замещенных кислот, проходят по механизму межмолекулярного элиминирования и сопровождаются образованием устойчивых шестичленных циклов – циклических диэфиров – лактидов из a-гидроксикислот; например, образование лактида молочной кислоты или циклических диамидов – дикетопиперазидов из a-аминокислот:

 

 

Реакции комплексообразования. Выполняется общая закономер­ность: поли- и гетерофункциональные соединения с a-положением функциональной группы выступают в роли бидентатных или полидентатных лигандов при взаимодействии с ионами переходных металлов с образованием внутрикомплексных соединений – хелатов.

Реакции хелатообразования являются специфическим свойством поли- и гетерофункциональных соединений; чрезвычайно широко распространены и играют существенную роль в процессах метаболизма. Один из примеров – образование внутрикомплексной соли – глицината меди – при взаимодействии в растворе амино-уксусной кислоты с солями меди(П):

Хелаты представляют собой устойчивые циклические комплекс­ные соединения. Большинство ионов биометаллов в организме находятся в виде хелатных комплексов с органическими биолигандами. Одним из примеров таких соединений является гемовая структура (гем), представленная на рисунке.

Многоатомные спирты.

В соответствии с числом гидроксильных групп, входящих в их состав, различают одноатомные, двухатомные и т. д. спирты. Двухатомные спирты, т. е. спирты, содержащие две гидроксильные группы, носят общее название диолы, или гликоли. Трехатомные спирты называют триолами, или глицеринами; спирты с большим числом гидроксильных групп носят общее название полиолы.

Простейшие и наиболее важные представители диолов и триолов – этиленгликоль и глицерин соответственно.

Многоатомные спирты обладают большей кислотностью по сравнению с одноатомными, что является следствием - I- эффекта одной гидроксильной группы по отношению к другой. Многоатомные спирты по свойствам в значительной степени напоминают одноатомные. Гидроксильные группы в них могут первичными, вторичными и третичными, причем в реакции может вступать одна или несколько гидроксильных групп. Многоатомные спирты с гидроксидами некоторых тяжелых металлов в щелочной среде образуют внутрикомплексные (хелатные) соединения, имеющие характерное окрашивание. В частности, при взаимодействии с гидроксидом меди(II) возникает интенсивное синее окрашивание.

Дегидратация этиленгликоля в специальных условиях приво­дит к макроциклическим полиэфирам, так называемым к р а у н - э ф и р а м. Краун-эфиры весьма перспективные комплексообразователи, своеобразные ловушки катионов. В определенной сте­пени они моделируют действие некоторых веществ (например, антибиотика пептидной природы валиномицина), облегчающих транспорт ионов через клеточные мембраны. Примером может служить полиэфир 18-краун-6, образующий прочный комплекс с ионом калия.

Примерами многоатомных спиртов высшей атомности служат пентиты и гекситы – соответственно пяти- и шестиатомные спирты с открытой цепью. Накопление гидроксильных групп в молекуле ведет к появлению сладкого вкуса.

Представители пентитов и гекситов – ксилит и сорбит – заменители сахара для больных диабетом. Инозиты – шестиатомные спирты циклогексанового ряда. В связи с наличием асимметрических атомов углерода у инозита существует несколько стереоизомеров.

 

Справа приведена кресловидная информация мезоинозита (в которой пять из шести гидроксильных групп находятся в экваториальном положении).

Мезоинозит относится к витаминоподобным соединениям (витамины группы В) и является структурным компонентом сложных липидов. В растениях широко распространена фитиновая кислота, представляющая собой гексафосфат мезоинозита. Ее кальциевая или смешанная кальций магниевая соль, называемая фитином, стимулирует кроветворение, улучшает нервную деятельность при заболеваниях, связанных с недостатком фосфора в организме.