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 wrzesień 2007

Hydroksykwasy

są to związki organiczne, których cząsteczki zawierają zarówno grupę

karboksylową, jak i hydroksylową. Wzajemne ułożenie tych grup może być 1,2, 1,3, 1,4, 1,5, itd.,
mówimy wówczas odpowiednio o

α-, β-, γ-, δ- i tym podobnych -hydroksykwasach.

CHCOOH
OH

CHCH

2

COOH

OH

CHCH

2

CH

2

COOH

OH

R

R'

R''

α

-hydroksykwas

β

-hydroksykwas

γ

-hydroksykwas

Występowanie
Hydroksykwasy pełnią ważna rolę biochemiczną i z tego powodu należą do popularnych
związków naturalnych. Spotyka się zarówno hydroksykwasy alifatyczne, aromatyczne, jak i
alifatyczno-aromatyczne. Do najbardziej znanych należą kwasy:

glikolowy

,

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, a

także powszechnie występującej

glukozy

. Znajduje się w krwi, mięśniach, żółci, 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. Znalazł zastosowanie

jako

środek antyseptyczny, do ochrony przecidrobnoustrojowej leków i produktów spożywczych, a
także 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

, występuje w wielu owocach, został wyizolowany z soku jabłkowego już

w 1785 r. Jest produktem pośrednim w niektórych procesach biochemicznych, np. w cyklu
kwasu cytrynowego. Służy do impregnacji materiałów (papieru) do pakowania żywności.

Kwas L-askorbinow

y (witamina C) jest produkowany powszechnie przez rośliny wyższe i wiele

organizmów zwierzęcych. Organizm ludzki go nie wytwarza, dlatego musi być dostarczany wraz
z pożywieniem jako witamina. Jego brak lub niedobór wywołuje szkorbut i inne dolegliwości. W
dużym stężeniu znajduje się w soku owoców cytrusowych, owocach dzikiej róży, jagodach i naci
pietruszki. Rozkłada się pod wpływem światła, łatwo ulega autooksydacji, szczególnie w
obecności śladów jonów metali ciężkich, np. żelaza. Syntetyczny izomer D- jest biologicznie
nieaktywny.

1

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 każdym

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 stężenie dochodzi do 5-7%. Wytwarzany jest na skalę przemysłową metodą
fermentacyjną z cukrów. Służy do zakwaszania napojów orzeźwiających, jako antykoagulant
produktów emulsyjnych, a także w procesach galwanizacyjnych.

Kwas D-(-)-migdałowy

[

kwas (R)-2-hydroksyfenylooctowy

] jest składnikiem

amigdaliny

,

glikozydu obecnego w gorzkich migdałach. Oba jego enancjomery służą 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 należy wymienić także kwasy

hydroksytłuszczowe (np.,

kwas rycynolowy

–

(R)-12-hydroksy-(Z)-oktadec-9-enow

y - składnik

triglicerydów oleju rycynowego), hydroksykwasy w woskach, kwasy mykolinowe – składniki
ściany 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. Jego
pochodna – kwas

O-acetylosalicylowy

, znana jest lepiej pod nazwą popularnej

aspiryny

.

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 należą 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 możliwe do usunięcia wraz z
moczem. Nazwa uronowe wywodzi się od tego, że kwasy te zostały wykryte w moczu (urynie).

Kwas galakturonowy

jest składnikiem pektyn i agaru (policukrów).

2

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 należy też wspomniany wyżej

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)

γ-lakton
kwasu
3-okso-

L

-gulono-
wego

Kwasy żółciowe to także hydroksykwasy, pochodne sterydów. Ich przedstawicielami są

kwas

cholowy

,

deoksycholowy

i

litocholowy

.

COOH

H

H

H

H

H

O

O

H

OH

COOH

H

H

H

H

H

O

H

COOH

H

H

H

H

H

O

O

H

H

kwas cholowy

H

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 przedrostka

hydroksy-

wraz z odpowiednim

lokantem do rdzenia nazwy.

CH

(CH

2

)

7

COOH

H

H

CH

2

CH

2

(CH

2

)

4

CH

3

O

H

H

C

HOCH

2

(CH

2

)

10

COOH

kwas 12-hydroksydodecenowy

C

(kwas rycynolowy)

kwas (R)-12-hydroksy-
-(Z)-9-oktadecenowy

Otrzymywanie

1. Hydroliza halogenokwasów

Substratem w tej metodzie są kwasy karboksylowe, które w reakcji Hella-Volharda-Zielinskiego
przeprowadza się w

α-halogenokwasy, a następnie

hydrolizuje

do

α

-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

3

2. Reakcja Reformackiego

Substratami reakcji Reformackiego są związki karbonylowe, które w obecności cynku, pod
wpływem

α

-bromoestrów zostają przekształcone w

β

-hydroksyestry. Z nich przez ostrożną

hydrolizę

można otrzymać kwasy

β

-hydroksykarboksylowe.

O

OZnBr

R

R'

CH

2

COOEt

Br-CH

2

COOEt

Zn

Br-Zn-CH

2

COOEt

R-C-R'

C

α

-bromoester związek cynkoorganiczny produkt addycji zw. cynkoorganicznego ze zw. karbonylowym

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. Produkt addycji związku cynkoorganicznego do aldehydu lub ketonu po
zakwaszeniu zostaje przekształcony w

β

-hydroksyester, a z niego po

hydrolizie

powstaje

β

-

hydroksykwas.

O

CH

2

COOR

OZnBr

CH

2

COOR

OH

C

+

BrCH

2

COOR

Zn

eter

C

H

+

/HOH

C

aldehydlub keton

α

-bromoester

β

-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

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

3-metylobutanian etylu

(62%)

3-hydroksy-3-metylobutanian etylu

W reakcji Reformackiego biorą udział jedynie

α

-halogenokwasy (nie

β

- 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 (

α-

hydroksynitryle), z których po

hydrolizie

twor ą się

α-hydroksykwasy.

..

..

z

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 m-nitrobenzaldehydu kwas m-nitromigdałowy

4

Również rozgałęzione

α-hydroksykwasy można otrzymać z cyjanohydryn. Kwasy α-

hydroksykarboksylowe znacznie trudniej ulegają

dehydratacji

niż

β-hydroksykwasy czy inne

związki

β-hydroksykarbonylowe, ale w odpowiednio drastycznych warunkach można 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-hydroksy-2-metylobutanowy

kwas 2-metylo-2-enowy

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 można otrzymać z

kwasu octowego

poprzez

chlorowanie

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)

α-Aminokwasy pod wpływem kwasu azotowego (III) ulegają przekształceniu w α-
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

może 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 można przeprowadzić selektywnie,

chociażby 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

O

H

H

CH

3

C

2 H

enzym

C

C

kwas

D

-(-)-mlekowy

kwas

L

-(+)-mlekowy

kwas pirogronowy

5

Konfiguracja produktu

zależy od enzymu biorącego udział w reakcji. W naturze występują oba

izomery

kwasu mlekowego

.

Racemiczny kwas mlekowy

, podobnie jak i inne chiralne kwasy można

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

C

H

3

OH

H

COO

H

O

H

CH

3

COO

C

H

3

OH

H

C

C

+

racemiczny kwas mlekowy

50%

D-

50%

L-

CH

3

NH

2

C

C

+

-

-

CH

3

NH

3

+

CH3NH3

+

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

różnią się, np. rozpuszczalnością

w odpowiednio

dobranym rozpuszczalniku i można je rozdzielić przez krystalizację.

COOH

H

O

H

CH

3

COOH

C

H

3

OH

H

COO

H

O

H

CH

3

COO

C

H

3

OH

H

NH

2

H

C

H

3

NH

3

H

C

H

3

NH

3

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 również inne sposoby

rozdzielania racemicznych związków

, np. poprzez:

- chromatografię chiralną;

- elektroforezę chiralną;

- tworzenie i rozdzielanie diastereoizomerycznych pochodnych;

- przemiany enzymatyczne lub

- krystalizację spontaniczną

Początki stereochemii

Odkrycie

enancjomerów

i tym samym stworzenie podstaw stereochemii przypisuje się L.

Pasteurowi.

Louis Pasteur

(1822-1995); ur. w Dôle, Francja; studia w Arbois, Besancon, prof. w Dijon, Strasbourgu, Lille i

École Normale Supěrieure.

6

Pasteur

ukończył studia chemiczne ze słaba oceną, ponieważ miał bardzo rozległe

zainteresowania i nie był w stanie skupić 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 zbliżonej do pokojowej zauważył w otrzymanym osadzie dwa rodzaje bardzo
podobnych do siebie kryształów. Różniły się jedynie tak, jak różni 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, że ich skład chemiczny, a także
właściwości fizykochemiczne były identyczne. Różniły się jedynie znakiem skręcalności
właściwej.

Roztwór o tym samym stężeniu sporządzony z kryształów jednego rodzaju skręcał światło
spolaryzowane w polarymetrze o ten sam kąt, lecz w przeciwną stronę niż 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 światła spolaryzowanego,
podobnie jak przed rozdzieleniem stawały się optycznie nieczynne. Taka mieszanina została
nazwana

mieszaniną racemiczną

. Ponieważ obie odmiany soli miały identyczny skład

chemiczny, Pasteur upatrywał ich odmienne właściwości optyczne w odmiennym ułożeniem w
przestrzeni czterech różnych podstawników przy czterowiązalnym atomie węgla. Tą hipotezą
znacznie wyprzedził poglądy współczesnych mu uczonych.

Samoistne rozdzielenie mieszaniny racemicznej, czyli to, co udało się Pasteurowi jest niezwykle
rzadkim zjawiskiem. Zwykle potrzeba do tego czynnika chiralnego. Znacznie później
udowodniono, że odmienne właściwości optyczne

winianu sodowo-amonowego

wynikają z

różnic w budowie przestrzennej cząsteczki

kwasu winowego

. Dzięki innemu przestrzennemu

ułożeniu 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 (

S,S)-(-)-winowy kwas (R,R)-(+)-winowy kwas mezo-winowy

(R,S)

Właściwości fizykochemiczne (oprócz kierunku skręcalności światła spolaryzowanego – [

α]

D

)

kwasów (-)

i

(+)-winowego

są identyczne,

kwas mezo-winowy

różni się od nich, inne

właściwości ma też mieszanina racemiczna (±), pomimo tego, że 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, jakby była mieszaniną dwóch różnych

związków. Świadczy o tym chociażby obniżenie jej temperatury topnienia w porównaniu z tt.
czystych enancjomerów.

7

Wybrane właściwości stereoizomerów kwasu winowego Tabela 20.1

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 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.

Enancjomery

są stereoizomerami, których cząsteczki mają się do siebie jak odbicia lustrzane.

Distereoizomery

też są stereoizomerami, ale ich cząsteczki nie odpowiadają odbiciom

lustrzanym.

Kierunek skręcalności płaszczyzny światła spolaryzowanego zależy od właściwości
podstawników wokół chiralnego atomu węgla, a nie od konfiguracji. Skręcalność właściwa [

α]

D

zarówno dla enancjomerów (R) i (S), podobnie jak

D

-

i

L

-

może 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 [

α]

D

estru przyjął znak przeciwny –

(-)

.

Kierunek i wartość bezwzględna skręcalności właściwej jest stałą fizyczną, charakterystyczną dla
określonego związku;

nie ma prostej zależności pomiędzy skręcalnością właściwą a

konfiguracją

, poza przeciwnymi znakami 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 konfiguracji substratu). 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

tworzy się

racemiczny kwas mlekowy

.

8

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

kwas propanowy

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

racemiczny
kwas mlekowy

C

C

H

2

/Pt

C

C

+

50%

50%

kwas
pirogronowy

Hipoteza Pasteura, że 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 ułożenia atomów (podstawników) wokół chiralnego atomu
węgla.

W 1891 r. E. Fischer zaproponował, żeby 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, że

aldehyd

D-

glicerynowy

, na projekcji jak powyżej, ma grupę

hydroksylową po prawej stronie, a enancjomer

L-

po lewej stronie. Tworzenie tej projekcji,

nazywanej

projekcją Fischera

, polega na tym, że na powierzchnię kartki (ekranu, tablicy) jest

robiony rzut cząsteczki ułożonej w ten sposób, żeby 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, że założenia 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.

Prawdopodobieństwo, że założenie Fischera będzie zgodne z rzeczywistością wynosiło 50%.

9

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 diastereoizome-
rycznych cyjanohydryn

1.

H

+

/HOH

2.

[O]

C

C

+

C

kwas mezo-winowy

kwas (-)-winowy

C

Konfiguracja

kwasu mlekowego

została określona też 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

kw.

D-

(-)-glicerynowy

HgO

C

HNO

2

H

+

/HOH

C

HBr

(+)-izoseryna

C

Zn

H

+

/HOH

C

kw.

D-

(-)-mlekowy

kw.

D-

(-)-3-bromo-2-hydroksypropanowy

Od 1951 r. istnieje możliwość oznaczania rzeczywistego ułożenia podstawników wokół
chiralnego atomu węgla, czyli

konfiguracji bezwględnej

. W tym właśnie roku J.M. Bijvoet

stwierdził za pomocą rentgenografii, że

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 stężonych (np. 90%) roztworów wodnych. Niższe

hydroksykwasy

są dobrze rozpuszczalne w wodzie. Dzięki obecności grupy hydroksylowej

hydroksykwasy

są lepiej rozpuszczalne w wodzie niż kwasy alkano- czy arenokarboksylowe.

Hydroksykwasy alifatyczne

są silniejszymi kwasami niż 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 niższych

hydroksykwasów

jest ostry, drażniący.

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 zależą od wzajemnego

położenia obu grup funkcyjnych. Charakterystyczną reakcją dla

α

-hydroksykwasów

jest

tworzenie cyklicznych pochodnych – laktydów,

β

-hydroksykwasy

ulegają

dehydratacji

do

α

,

β

-

nienasyconych kwasów

, zaś

γ- i δ- łatwo przekształcają się w wewnętrzne estry, czyli laktony.

10

Powolna destylacja pod zmniejszonym ciśnieniem

kwasu mlekowego

, przedstawiciela

α

-

hydroksykwasów

, prowadzi do sześcioczłonowego dilaktonu, który został nazwany

laktydem

.

Powstaje on z połączenia dwóch cząsteczek

α-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

α

-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 poliglikolowy

Ogrzewanie

β

-hydroksykwasów

powoduje ich wewnątrzcząsteczkowe odwodnienie prowadzące

do

α

,

β

-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

γ

- i

δ

-hydroksykarboksylowych

podczas ogrzewania powstają odpowiednio pięcio-

lub sześcioczłonowe estry cykliczne zwane laktonami.

OH

OH

R

O

O

O

R

OH

OH

O

R

O

O

R

∆

- HOH

γ

-hydroksy-

kwas

γ

-lakton

∆

- HOH

δ

-hydroksy-

kwas

δ

-lakton

Utlenianie

hydroksykwasów prowadzi do oksokwasów. Z

ω-hydroksykwasów powstają kwasy

dikarboksylowe

.

OH

CH

2

(CH

2

)

3

COOH

KMnO

4

HOOC(CH

2

)

3

COOH

kwas 5-hydroksypentanowy kwas pentanodionowy

11

HALOGENOKWASY

Halogenokwasy

, to kwasy zawierające atom halogenu w łańcuchu bocznym, w odróżnieniu od

halogenków kwasowych

, w których halogen zastępuje grupę -OH w funkcji karboksylowej. Z

uwagi na wzajemne położenie halogenu i funkcji karboksylowej rozróżnianie są

α-, β- γ-

halogenokwasy

i inne.

X

X

X

RCH

2

CH

2

CHCOOH

RCH

2

CHCH

2

COOH

RCHCH

2

CH

2

COOH

α-halogenokwasy β-halogenokwasy γ-halogenokwasy

Właściwości halogenokwasów zależą od tego wzajemnego ułożenia obu podstawników.
Najbardziej reaktywne w reakcjach S

N

są

α-halogenokwasy. Atomy halogenów oddziałują na

zasadzie indukcji na grupę karboksylową zwiększając jej kwasowość – najbardziej kwaśne są
również

α-halogenokwasy.

Otrzymywanie
Chloro- i bromokwasy zawierające atom halogenu w położeniu

α otrzymuje się w reakcji

halogenowania kwasów karboksylowych w obecności czerwonego fosforu, w przemianie zwanej
reakcją

Hella-Volharda-Zielinskiego

.

H

X

RCHCOOH

X

2

/P

- HX

RCHCOOH

α

-chloro-

lub bromokwas

kwas

X: Cl; Br

Jodokwasy

najłatwiej powstają poprzez przekształcenie chlorokwasów jodkiem 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

Cl

CH

3

CH

2

CHCOOH

KI/aceton

- KCl

CH

3

CH

2

CHCOOH

kwas 2-chlorobutanowy kwas 2-jodobutanowy

Właściwości chemiczne

Halogenokwasy

(za wyjątkiem fluorokwasów, które są chemicznie bardzo inertne) ulegają

hydrolizie

do hydroksykwasów.

BrCH

2

COO

-

-

OH/HOH

HOCH

2

COO

-

bromooctan

glikonian

- Br

-

Atom halogenu w halogenokwasach można wymienić na grupę nitrową otrzymując nitrokwasy
obok azotynów hydroksykwasów [estrów kwasu azotowego (III)]. Jon azotynowy jest
odczynnikiem ambidentnym, tzn. że ma dwa centra aktywne i do reakcji dochodzi atomie N lub/i
O.

12

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
Służy do otrzymywania

β

-hydroksyestrów

z

α

-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 poniższym schemacie przedstawione zostały produkty, jakie można
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

.

13