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 uło\
enie tych grup mo\
e być 1,2, 1,3, 1,4, 1,5, itd.,
mówimy wówczas odpowiednio o Ä… ²-, Å‚ ´- i tym podobnych -hydroksykwasach.
Ä…-, ² Å‚-, ´
Ä… ² Å‚ ´
Ä… ² Å‚ ´
CHCOOH CHCH2COOH CHCH2CH2COOH
R R' R''
OH OH OH
Ä…-hydroksykwas ²-hydroksykwas Å‚-hydroksykwas
Ä… ² Å‚
Ä… ² Å‚
Ä… ² Å‚
Występowanie
Hydroksykwasy pełnią wa\
na rolÄ™ biochemicznÄ… i z tego powodu nale\
Ä… do popularnych
związków naturalnych. Spotyka się zarówno hydroksykwasy alifatyczne, aromatyczne, jak i
alifatyczno-aromatyczne. Do najbardziej znanych nale\
ą 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, \
ółci, 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 spo\
ywczych, a tak\
e 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 siÄ™ na dnie
naczyń fermentacyjnych w postaci kamienia winnego.
OH
H
COOH
kwas (+)-(R,R)
HOOC
C winowy
C
H C
H3C
kwas (+)-(S)-
COOH
HO
mlekowy
OH
H
Kwas (-)-(S)-jabłkowy został wyizolowany z soku jabłkowego ju\
w 1785 r. Występuje w wielu
owocach. Jest produktem pośrednim w niektórych procesach biochemicznych, np. w cyklu
kwasu cytrynowego. SÅ‚u\
y do impregnacji materiałów (papieru) do pakowania \
ywności.
Kwas L-askorbinowy (witamina C) jest produkowany powszechnie przez rośliny wy\
sze i wiele
organizmów zwierzęcych. Organizm ludzki go nie wytwarza, dlatego musi być dostarczany wraz
z po\
ywieniem jako witamina. Jego brak lub niedobór wywołuje szkorbut i inne dolegliwości. W
du\
ym stÄ™\
eniu znajduje się w soku owoców cytrusowych, owocach dzikiej ró\
y, jagodach i naci
pietruszki. Rozkłada się pod wpływem światła, łatwo ulega autooksydacji, szczególnie w
obecności śladów jonów metali cię\
kich, w tym \
elaza. Syntetyczny izomer D- jest biologicznie
nieaktywny.
kwas
HO
kwas jabłkowy
askorbinowy
(S)-(-)-hydroksy-
COOH H OH
bursztynowy
O
O
C
H
HOOC
H
HO
OH
HO
Kwas cytrynowy (kwas 2-hydroksypropano-1,2,3-trikarboksylowy) występuje w ka\
dym
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 stÄ™\
enie dochodzi do 5-7%. Wytwarzany jest na skalę przemysłową metodą
fermentacyjną z cukrów. Słu\
y do zakwaszania napojów orzez
wiajÄ…cych, jako antykoagulant
produktów emulsyjnych, a tak\
e w procesach galwanizacyjnych.
Kwas D-(-)-migdałowy [kwas (R)-2-hydroksyfenylooctowy] jest składnikiem amigdaliny,
glikozydu obecnego w gorzkich migdałach. Oba enancjomery słu\
Ä… do rozdzielania
racemicznych amin i alkoholi.
H
OH
HOOC COOH
C
COOH
HO COOH
kwas cytrynowy kwas D-(-)-migdałowy
Znanych jest kilka hydroksyaminokwasów (np., seryna, hydroksylizyna, hydroksyprolina,
tyrozyna i inne). Pośród naturalnych hydroksykwasów nale\
y wymienić kwasy
hydroksytłuszczowe (np., kwas rycynolowy  (R)-12-hydroksy-(Z)-oktadec-9-enowy - składnik
triglicerydów oleju rycynowego), hydroksykwasy w woskach, kwasy mykolinowe  składniki
ściany komórkowej bakterii, i wiele innych.
Kwas salicylowy (2-hydroksybenzoesowy) i 4-hydroksybenzoesowy sÄ… 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 wyposa\
eniu ka\
dej apteczki.
Kwas 4-hydroksybenzoesowy to istotny prekursor ubichinonów (witamin K) oraz niektórych
pigmentów bakteryjnych.
COOH
COOH
kwas
kwas 4-hydroksy-
salicylowy
benzoesowy
OH
OH
Do popularnych hydroksykwasów nale\
ą pochodne cukrów: kwasy onowe (inaczej aldonowe),
uronowe i arowe. Kwasy onowe i arowe sÄ… 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 mo\
liwe do usunięcia wraz z
moczem. Nazwa uronowe wywodzi siÄ™ od tego, \
e kwasy te zostały wykryte w moczu (urynie).
Kwas galakturonowy jest składnikiem pektyn i agaru (policukrów).
CHO
COOH
CHO
COOH
OH
H C
H OH
OH C
H OH H C
C
HO C H
HO C H
HO C H HO C H
HO C H
H C OH H C OH H C OH
H C OH
H C OH
H C OH H C OH
COOH
COOH
COOH
CH2OH
kwas D-glukonowy kwas D-glukuronowy kwas D-glukarowy kwas D-galakturonowy
Do pochodnych cukrów nale\
y kwas askorbinowy, czyli witamina C.
OH
O
HO
C
H O
O HO C H
HO C H
O
O C H
CH2OH
Å‚-lakton
Å‚
Å‚
Å‚
C
H
kwasu
witamina C - kwas askorbinowy
3-okso-L
C H
HO
-gulono-
(enol Å‚-laktonu kwasu
CH2OH
wego
3-okso-L-gulonowego)
Kwasy \
ółciowe to tak\
e hydroksykwasy, pochodne sterydów. Ich przedstawicielami to kwas
cholowy, deoksycholowy i litocholowy.
HO
H
kwas cholowy
COOH
H
H H
OH
HO kwas
H
litocholowy
kwas
HO
HO
H
deoksycholowy
H
COOH
COOH
H
H
H H
H H
OH
HO
OH
HO
H
H
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.
HOCH2(CH2)10COOH
CH2(CH2)4CH3
kwas 12-hydroksydodecenowy
C
(CH2)7COOH
HO CH2
H CH CH
H H
kwas (R)-12-hydroksy-
(kwas rycynolowy)
-(Z)-9-oktadecenowy
Otrzymywanie
1. Hydroliza halogenokwasów
Substratem w tej metodzie są kwasy karboksylowe, które przeprowadza się w ą-halogenokwasy
Ä…
Ä…
Ä…
w reakcji Hella-Volharda-Zielinskiego, a następnie hydrolizuje się do ą
ą-hydroksykwasów.
Ä…
Ä…
1. -OH/HOH
Br2
CH3CHCOOH
CH3CHCOOH
CH3CH2COOH
2. H+/HOH
P
kwas propanowy
Br
OH
kwas (R,S)-2-bromopropanowy kwas (D,L)-mlekowy
2. Reakcja Reformackiego
Reakcja Reformackiego prowadzi do estrów kwasów ²-hydroksylowych. Z nich przez ostro\
nÄ…
²
²
²
hydrolizÄ™ mo\
na otrzymać kwasy ²-hydroksykarboksylowe. Substratami w tej reakcji sÄ… zwiÄ…zki
²
²
²
karbonylowe, które pod wpływem ą-bromoestrów, w obecności cynku, zostają przekształcone w
Ä…
Ä…
Ä…
²-hydroksyestry. TworzÄ…cy siÄ™ przejÅ›ciowo zwiÄ…zek cynkoorganiczny (np. BrZnCH2COOEt),
²
²
²
przypomina zwiÄ…zek Grignarda, jest jednak od niego mniej reaktywny  reaguje z aldehydami i
ketonami, ale nie z estrami.
O
Zn
C CH2COOR
+ BrCH2COOR
C
eter
OZnBr
aldehyd
Ä…-bromoester
Ä…
Ä…
Ä…
H+/HOH
lub keton
C CH2COOR
²-hydroksyester
²
²
²
OH
Produkty reakcji Reformackiego mogą być przekształcane w inne związki, w tym nienasycone i
nasycone estry, a z nich oczywiście odpowiednie kwasy.
CH3
O
Zn
H3C C CH2COOEt
+ BrCH2COOEt
C
eter
CH3
H3C
OZnBr
bromooctan etylu
aceton
1. H+/HOH
CH3
KHCO3
H3C C CH2COOEt
(CH3)2C=CHCOOEt
- HOH
3-metylobut-2-
OH
-enian etylu
3-hydroksy-3-metylo-
H2/Pd
butanian etylu
2-metylobutanian etylu (62%)
(CH3)2CHCH2COOEt
W reakcji Reformackiego biorÄ… udziaÅ‚ jedynie Ä…-halogenokwasy (nie ²
Ä… ²
Ä… ²- i dalsze).
Ä… ²
CHO
1. Zn/eter
CH CHCOOEt
+ CH3CHBrCOOEt
2. H+/HOH
OH CH3
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 (ą
Ä…-
Ä…
Ä…
hydroksynitryle), z których po hydrolizie tworzą się ą
Ä…-hydroksykwasy.
Ä…
Ä…
..
..
-
..
:OH
:
:O
:
O H+/HOH
-
+ CN C
C
CN
C CN
zwiÄ…zek karbonylowy cyjanohydryna
Poprzez odpowiednią cyjanohydrynę otrzymuje się racemiczny kwas migdałowy lub jego
analogi.
COOH
CN
CHO
C-OH C-OH
H H
-
CN H+/HOH
NO2
NO2 NO2
m-nitrobenzaldehyd cyjanohydryna kwas m-nitro-
m-nitrobenzaldehydu migdałowy
Równie\
rozgałęzione ą-hydroksykwasy mo\
na otrzymać z cyjanohydryn. Kwasy ą-
Ä… Ä…
Ä… Ä…
Ä… Ä…
hydroksykarboksylowe znacznie trudniej ulegajÄ… dehydratacji ni\
²-hydroksykwasy czy inne
²
²
²
zwiÄ…zki ²-hydroksykarbonylowe, ale w odpowiednio drastycznych warunkach mo\
na takÄ…
²
²
²
operację przeprowadzić.
OH
O
1. -CN
CH3CH2 C CH3 CH3CH2 C CH3
2. H+/HOH
CN
keton etylowo-metylowy
" H2SO4
OH
"
H+,
CH3CH2 C CH3
CH3CH C COOH
- HOH
COOH
CH3
kwas 2-metylobut-2-enowy kwas 2-metylo-2-hydroksybutanowy
Po hydrolizie produktu reakcji metanalu z cyjanowodorem powstaje kwas glikolowy.
H+/HOH
HCN
H2C O HO CH2COOH
"
metanal kwas glikolowy
Ten sam kwas mo\
na otrzymać z kwasu octowego poprzez chlorowanie go i hydrolizę kwasu
chlorooctowego.
-OH/HOH
Cl2
HOCH2COOH
CH2COOH
CH3COOH
P H+/HOH
Cl
kwas octowy kwas chlorooctowy kwas glikolowy
4. Z aminokwasów w reakcji z kwasem azotowym (III)
ą-Aminokwasy pod wpływem kwasu azotowego (III) ulegają przekształceniu w ą-
Ä… Ä…
Ä… Ä…
Ä… Ä…
hydroksykwasy. Produktem pośrednim jest odpowiedni kwas diazokarboksylowy. Reakcja
przypomina syntezÄ™ fenoli z amin aromatycznych. Kwasy diazokarboksylowe sÄ… stosunkowo
trwałe, np. diazooctan etylu powstający z estru glicyny pod wpływem HNO2 mo\
e być
wyizolowany.
HNO2 "
HOH,
CH2COOEt CHCOOEt
CH2COOEt
- HOH - N2
N=N
NH2
OH
glicynian etylu diazooctan etylu glikonian etylu
5. Redukcja oksokwasów
Chemiczną redukcję oksokwasów do hydroksykwasów mo\
na przeprowadzić selektywnie
chocia\
by za pomocÄ… tetrahydroboranu sodu.
OH
O
NaBH4
CH3CCOOH
CH3CCOOH
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.
O
C
H3C COOH
2 H enzym
kwas L-(+)-
kwas D-(-)- COOH COOH
-mlekowy
-mlekowy
C C
CH3 CH3
H H
HO HO
Konfiguracja produktu zale\
y od enzymu biorącego udział w reakcji. W naturze występują oba
izomery kwasu mlekowego.
Racemiczny kwas mlekowy, podobnie jak i inne chiralne kwasy mo\
na rozdzielić na
enancjomery poprzez krystalizację ich soli z chiralnymi aminami (zasadami). Sole kwasów
racemicznych z zasadami achiralnymi sÄ… nieprzydatne do tego celu.
COOH
COOH
C
+
CH3
C
H
CH3
H
HO
HO
50% D- racemiczny kwas mlekowy 50% L-
CH3NH2
..
+
+
-
COO- CH3NH3
COO CH3NH3
+
C
C
CH3
CH3 H
H
HO
HO 50% L-
50% D-
racemiczny mleczan metyloamoniowy
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 ró\
nią się np. rozpuszczalnością w odpowiednio
dobranym rozpuszczalniku i mo\
na je rozdzielić przez krystalizację.
COOH
COOH
C
CH3
C
CH3 + H
H
HO
50% (S)-
50% (R)- HO
racemiczny kwas mlekowy
..
NH2
(R)-1-fenylo-
C
H
etyloamina
H3C
krystalizacja
.. ..
-
+
NH2 NH2
COO COO- +
C C
CH3 H C CH3 H C
H H
HO HO
H3C H3C
50% (R,R)-
50% (S,R)-
mleczan fenyloetyloamoniowy
Znane są równie\
inne sposoby rozdzielania racemicznych związków, np. poprzez:
- chromatografiÄ™ chiralnÄ…;
- elektroforezÄ™ chiralnÄ…;
- tworzenie i rozdzielanie diastereoizomerycznych pochodnych;
- przemiany enzymatyczne lub
- krystalizacjÄ™ spontanicznÄ…
PoczÄ…tki stereochemii
L. Pasteurowi przypisuje się odkrycie enancjomerów i tym samym stworzenie podstaw
stereochemii.
Louis Pasteur (1822-1995); ur. w Dôle, Francja; studia w Arbois, Besancon, prof. w Dijon, Strasbourgu, Lille i
École Normale Sup%1Å‚rieure.
Pasteur ukończył studia chemiczne ze słaba oceną, poniewa\
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 zbli\
onej do pokojowej zauwa\
ył w otrzymanym osadzie dwa rodzaje bardzo
podobnych do siebie kryształów. Ró\
niły się jedynie tak, jak ró\
ni siÄ™ 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, \
e ich skład chemiczny, a tak\
e
właściwości fizykochemiczne były identyczne. Ró\
niły się jedynie znakiem skręcalności
właściwej. Roztwór o tym samym stę\
eniu sporządzony z kryształów jednego rodzaju skręcał
światło spolaryzowane w polarymetrze o ten sam kąt lecz w przeciwną stronę ni\
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. Poniewa\
obie odmiany soli miały
identyczny skład chemiczny, Pasteur upatrywał ich odmienne właściwości optyczne w
odmiennym uło\
eniem w przestrzeni czterech ró\
nych 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 póz
niej
udowodniono, \
e odmienne właściwości optyczne winianu sodowo-amonowego wynikają z
ró\
nic w budowie przestrzennej cząsteczki kwasu winowego. Dzięki innemu przestrzennemu
uło\
eniu podstawników przy C2 i C3 kwasu winowego powstają trzy jego odmiany:
lewoskrętna (-), prawoskrętna (+) i optycznie nieczynna (ą) zwana kwasem mezo-winowym.
COOH
COOH
COOH COOH
C
C H OH
C C HO H
HO H H OH
HO C H H C OH
C C
H OH HO H
COOH
COOH
COOH COOH
kwas (-)-winowy kwas (+)-winowy kwas mezo-winowy
(S,S) (R,R) (R,S)
Właściwości fizykochemiczne (oprócz kierunku skręcalności światła spolaryzowanego  [ą]D)
kwasów (-) i (+)-winowego są identyczne, kwas mezo-winowy ró\
ni siÄ™ od nich, inne
właściwości ma te\
mieszanina racemiczna (Ä…), pomimo tego, \
e 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 ró\
nych
związków. Świadczy o tym chocia\
by obni\
enie jej temperatury topnienia w porównaniu z tt.
czystych enancjomerów.
Wybrane właściwości stereoizomerów kwasu winowego Tabela
Stereo- tt. [oC] Skręcalność Gęstość [g/cm3] Rozpuszczalność
izomer [g/100 ml wody] w 20oC
[Ä…]D
(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)-(Ä…) 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 zale\
y od właściwości
podstawników wokół chiralnego atomu węgla, a nie od konformacji. Skręcalność właściwa [ą
Ä…]D
Ä…
Ä…
zarówno dla konformerów (R), jak i (S), podobnie D-, jak i L- mo\
e przyjmować wartości
dodatnie lub ujemne.
COOH
COOCH3
MeOH/+H
[Ä…]D = +3,82o
[Ä…]D = -8,25o
C
C
H
OH H
OH
H3C
H3C
kwas (S)-(+)-mlekowy (S)-(-)-mleczan metylu
Estryfikacja kwasu (+)-mlekowego metanolem nie zmieniła konfiguracji związku, natomiast
kierunek skręcalności właściwej [ą
Ä…]D estru przyjÄ…Å‚ znak przeciwny  (-).
Ä…
Ä…
Kierunek i wartość bezwzględna skręcalności właściwej jest stałą fizyczną, charakterystyczną dla
określonego związku; nie ma prostej zale\
ności pomiędzy skręcalnością właściwą a
konfiguracjÄ…. ProstÄ… zale\
nością są jedynie przeciwne znaki skręcalności właściwej
enancjomerów.
Reakcje ze zwiÄ…zkami chiralnymi biegnÄ… z retencjÄ… (zostaje zachowana konfiguracja), z
inwersjÄ… (produkt ma zmienionÄ… konfiguracjÄ™ w stosunku do substratu) lub racemizacjÄ…
(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 biegnÄ…ce na centrum chiralnym wg mechanizmu SN2 zachodzÄ… z inwersjÄ…
konfiguracji, a mechanizm SN1 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.
CH3CH2COOH
Br2
P
COOH
COOH
+
C
C
racemiczny kwas
H
H Br
CH3
2-bromopropanowy
H3C
Br
1. -OH 2. H+/HOH
COOH COOH
+
C C
racemiczny kwas
H H
CH3 OH
mlekowy
HO H3C
Podobnie racemiczny produkt powstaje w wyniku katalitycznej redukcji kwasu pirogronowego.
COOH
H3C
COOH
H3C
C
H
C
H
kwas
O H
pirogronowy
H
O
H2/Pt
COOH
COOH
C
C
+
H
H
50%
50% OH
CH3
H3C
HO
kwas (R,S)-mlekowy
Hipoteza Pasteura, \
e przeciwne znaki skręcalności właściwej enancjomerów wynikają z innej
ich budowy przestrzennej wyprzedzało epokę i było niezrozumiałe dla współczesnych mu
uczonych. Póz
niej jego koncepcja została powszechnie zaakceptowana, nie znano wtedy jednak
sposobu wyznaczenia przestrzennego uło\
enia atomów (podstawników) wokół chiralnego atomu
węgla.
W 1891 r. E. Fischer zaproponował, \
eby 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 (biegnÄ…cych z retencjÄ… albo z inwersjÄ…) prowadzÄ…cych z aldehydu
glicerynowego do porównywanego związku lub odwrotnie z badanego związku otrzymywano
aldehyd glicerynowy. Ten sposób oznaczania konfiguracji względnej nosił nazwę korelacji
konfiguracji.
CHO
CHO
H C OH
HO C H
CH2OH
CH2OH
aldehyd D-(+)-glicerynowy aldehyd L-(-)-glicerynowy
Fischer przyjÄ…Å‚ arbitralnie, \
e aldehyd D-glicerynowy, na projekcji jak powy\
ej, ma grupÄ™
hydroksylowÄ… po prawej stronie, a enancjomer L- po lewej stronie. Tworzenie tej projekcji,
nazywanej projekcjÄ… Fischera, polega na tym, \
e na powierzchniÄ™ kartki (ekranu, tablicy) jest
robiony rzut cząsteczki uło\
onej w ten sposób, \
eby 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, \
e zało\
enia 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, \
e zało\
enie Fischera będzie zgodne z rzeczywistością wynosiło 50%.
Korelacja konfiguracji
Konfigurację względną kwasów winowych określono w wyniku szeregu reakcji prowadzących
od aldehydu D-glicerynowego poprzez odpowiedniÄ… cyjanohydrynÄ™ do odpowiedniego kwasu
winowego.
CHO
aldehyd D-(+)- H C OH
-glicerynowy
CH2OH
HCN
CN CN
H C OH HO C H
+
H C OH H C OH
CH2OH CH2OH
mieszanina
diastereoizomerycz-
1. H+/HOH 2. [O]
nych cyjanohydryn
COOH COOH
kwas
kwas
H C OH HO C H
mezo-winowy
+
(-)-winowy
C
H C OH H OH
COOH COOH
Konfiguracja kwasu mlekowego te\
została określona za pomocą korelacji do konfiguracji
aldehydu D-glicerynowego.
COOH
CHO COOH
HNO2
HgO
H C OH
H C OH H C OH
H+/HOH
CH2NH2
CH2OH CH2OH
aldehyd D-(+)- kwas D-(-)-
(+)-izoseryna
-glicerynowy -glicerynowy
HBr HNO2
COOH
COOH
Zn
kwas D-(-)-
H C OH
H C OH
-mlekowy
CH3 H+/HOH CH2Br
kwas D-(-)-3-bromo-2-hydroksypropanowy
Od 1951 r. istnieje mo\
liwość oznaczania rzeczywistego uło\
enia podstawników wokół
chiralnego atomu węgla, czyli konfiguracji bezwględnej. W tym właśnie roku J.M. Bijvoet
stwierdził za pomocą rentgenografii, \
e aldehyd D-glicerynowy faktycznie ma takÄ… konfiguracjÄ™
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 sÄ… substancjami krystalicznymi. Kwas glikolowy (HOCH2COOH)
topnieje w temperaturze 75-80oC, natomiast t.t. enancjomerów kwasu mlekowego wynosi 25-
26oC, a kwasu (R)-jabłkowego 101oC, zaś jego racematu 131-132oC. Komercyjny kwas
mlekowy rozprowadzany jest w postaci stÄ™\
onych (np. 90%) roztworów wodnych. Ni\
sze
hydroksykwasy są dobrze rozpuszczalne w wodzie. Dzięki obecności grupy hydroksylowej
hydroksykwasy sÄ… lepiej rozpuszczalne w wodzie ni\
kwasy alkano- czy arenokarboksylowe.
Hydroksykwasy alifatyczne sÄ… silniejszymi kwasami ni\
kwasy alkanowe, np. Ka kwasu
glikolowego wynosi 1,5.10-4, w porównaniu do Ka 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; Ka kwasu p-
hydroksybenzoesowego wynosi 3,3.10-5, a benzoesowego 6,5.10-5. Zapach ni\
szych
hydroksykwasów jest ostry, dra\
niÄ…cy.
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 zale\
Ä… od wzajemnego
poło\
enia obu grup funkcyjnych. Charakterystyczną reakcją dla ą-hydroksykwasów jest
Ä…
Ä…
Ä…
tworzenie cyklicznych pochodnych  laktydów, ²-hydroksykwasy ulegajÄ… dehydratacji do Ä…,²
² Ä… ²
² Ä… ²-
² Ä… ²
nienasyconych kwasów, zaÅ› Å‚ ´- Å‚atwo przeksztaÅ‚cajÄ… siÄ™ w wewnÄ™trzne estry, czyli laktony.
Å‚- i ´
Å‚ ´
Å‚ ´
Powolna destylacja pod zmniejszonym ciśnieniem kwasu mlekowego, przedstawiciela ą-
Ä…
Ä…
Ä…
hydroksykwasów, prowadzi do sześcioczłonowego dilaktonu, który został nazwany laktydem.
Powstaje on z połączenia dwóch cząsteczek ą-hydroksykwasu i wydzielenia dwóch cząsteczek
Ä…
Ä…
Ä…
wody. Jest to reakcja estryfikacji.
OH HO O H
H
O O
C
"
C
H3C
H
+
H3C H
C - 2 HOH
O O
C
CH3
OH HO CH3
O
kwas mlekowy laktyd
Kwasy ą-hydroksykarboksylowe, zarówno kwas glikolowy, jak i mlekowy odwadniane w
Ä…
Ä…
Ä…
temperaturze pokojowej tracÄ… wodÄ™ przechodzÄ…c polimeryczne estry liniowe.
- HOH
(n+2) HOCH2COOH HOCH2CO(OCH2CO)nOCH2COOH
kwas glikolowy kwas pologlikolowy
Ogrzewanie ²-hydroksykwasów powoduje ich wewnÄ…trzczÄ…steczkowe odwodnienie prowadzÄ…ce
²
²
²
do Ä… ²-nienasycownych kwasów karboksylowych.
Ä…,²
Ä… ²
Ä… ²
- HOH
kwas 3-hydroksybutanowy CH3CH=CHCOOH
CH3CHCHCOOH
kwas krotonowy
HO H
H
HOOC
- HOH
kwas fumarowy
C C
kwas jabłkowy
HOOCCH-CHCOOH
COOH
H
HO H
Z kwasów Å‚- i ´-hydroksykarboksylowych podczas ogrzewania powstajÄ… odpowiednio piÄ™cio-
Å‚ ´
Å‚ ´
Å‚ ´
lub sześcioczłonowe estry cykliczne zwane laktonami.
O O
"
OH
Å‚-hydroksy-
Å‚
Å‚
Å‚
Å‚-lakton
Å‚
Å‚
Å‚
O
OH
kwas - HOH
R
R
O
O
"
OH
´
´-hydroksy- O ´
´ ´-lakton
´ ´
´
- HOH
kwas OH
R
R
Utlenianie hydroksykwasów prowadzi do oksokwasów. Z É-hydroksykwasów powstajÄ… kwasy
É
É
É
dikarboksylowe.
KMnO4
CH2(CH2)3COOH
HOOC(CH2)3COOH
OH
kwas 5-hydroksypentanowy kwas pentanodionowy
HALOGENOKWASY
Halogenokwasy, to kwasy zawierające atom halogenu w łańcuchu bocznym, w odró\
nieniu od
halogenków kwasowych, w których halogen zastępuje grupę -OH funkcji karboksylowej. Z
uwagi na wzajemne poło\
enie halogenu i funkcji karboksylowej rozró\
nianie sÄ… Ä…-, ²- Å‚-
Ä… ² Å‚
Ä… ² Å‚
Ä… ² Å‚
halogenokwasy i inne.
RCH2CH2CHCOOH
RCH2CHCH2COOH RCHCH2CH2COOH
X
X X
Ä… ² Å‚
Ä…-halogenokwasy ²-halogenokwasy Å‚-halogenokwasy
Ä… ² Å‚
Ä… ² Å‚
Właściwości halogenokwasów zale\
ą od tego wzajemnego uło\
enia obu podstawników.
Najbardziej reaktywne w reakcjach SN są ą-halogenokwasy. Atomy halogenów oddziałują na
Ä…
Ä…
Ä…
zasadzie indukcji na grupę karboksylową zwiększając jej kwasowość  najbardziej kwaśne są ą-
Ä…
Ä…
Ä…
halogenokwasy.
Otrzymywanie
Chloro- i bromokwasy zawierające atom halogenu w poło\
eniu Ä…
Ä… otrzymuje siÄ™ w reakcji
Ä…
Ä…
halogenowania kwasów karboksylowych w obecności czerwonego fosforu, w reakcji zwanej
reakcjÄ… Hella-Volharda-Zielinskiego.
X2/P
RCHCOOH RCHCOOH
Ä…-chloro-
Ä…
Ä…
Ä…
- HX
kwas
H X lub bromokwas
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 wytrÄ…canie siÄ™ z roztworu nierozpuszczalnego chlorku
potasu przesuwa równowagę na korzyść jodokwasu.
KI/aceton
CH3CH2CH2COOH CH3CH2CHCOOH
- KCl
kwas 2-jodobutanowy
kwas butanowy
I
Halogenokwasy (za wyjątkiem fluorokwasów, które są chemicznie bardzo inertne) ulegają
hydrolizie do hydroksykwasów.
-
OH/HOH
-
glikonian
bromooctan BrCH2COO- HOCH2COO
- Br-
Halogen w halogenokwasach mo\
na wymienić na grupę nitrową otrzymując nitrokwasy obok
azotynów hydroksykwasów [estrów kwasu azotowego (III)]. Jon azotynowy jest odczynnikiem
ambidentnym, tzn. \
e ma dwa centra aktywne i do reakcji dochodzi atomie N i O.
-
OH
-
Cl-CH2COOH Cl-CH2COO
chlorooctan
- .. ..
kwas chlorooctowy
: :
O N O
..
NaNO2 .. ..
:
O N O:
-
-
O2N-CH2COO- + O=N-O-CH2COO
azotyn kwasu
nitrooctan
glikolowego (sól)
H+/HOH
HO-CH2COOH + HNO2
O2N-CH2COOH +
kwas glikolowy
kwas nitrooctowy
" dekarboksylacja
nitrometan
O2N-CH3 + CO2
Reakcja Reformackiego
SÅ‚u\
y do otrzymywania ²-hydroksyestrów z Ä…-halogenokwasów i zwiÄ…zków karbonylowych w
² Ä…
² Ä…
² Ä…
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 poni\
szym schemacie przedstawione zostały produkty jakie mo\
na
otrzymać z halogenoestrów.
Ar-O-CH2COOR
O2N-CH2COOR NC-CH2COOR
ArO-
NO2-
CN-
NH3
H2N-CH2COOR
X-CH2COOR
R'S-
-CH(COOR')2
R'O-
R'S-CH2COOR
(R'OOC)2CH-CH2COOR
R'O-CH2COOR
Zadanie: nazwij produkty powstające z halogenokwasów w reakcji substytucji nukleofilowej.