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 Ä…-, ²-, Å‚-, ´- i tym podobnych -hydroksykwasach.
R CHCOOH CHCH2COOH CHCH2CH2COOH
R' R''
OH OH OH
Ä…-hydroksykwas ²-hydroksykwas Å‚-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 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, 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-askorbinowy (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
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 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 orzez
wiajÄ…cych, 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.
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 należy wymienić także 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. Jego
pochodna  kwas O-acetylosalicylowy, znana jest lepiej pod nazwÄ… popularnej aspiryny. 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 należą 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 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
CHO
COOH
CHO
COOH
H OH
C
OH
H C
OH
H C OH H 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 należy też wspomniany wyżej kwas askorbinowy, czyli witamina C.
OH
O
HO
C
H O
O HO C H
C
HO H
O
O C H
CH2OH
Å‚-lakton
C
H
kwasu
witamina C - kwas askorbinowy
3-okso-L
C
HO H
-gulono-
(enol Å‚-laktonu kwasu
CH2OH
wego
3-okso-L-gulonowego)
Kwasy żółciowe to także hydroksykwasy, pochodne sterydów. Ich przedstawicielami są kwas
cholowy, deoksycholowy i litocholowy.
O
H
O
H
H
H
H
COOH
COOH
COOH
H
H
H
H
H
H
H
H
H
HO
OH
kwas cholowy HO
HO
kwas deoksycholowy
kwas litocholowy
H
H
H
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.
CH2(CH2)4CH3
kwas (R)-12-hydroksy-
HOCH2(CH2)10COOH
C
HO H
-(Z)-9-oktadecenowy
kwas 12-hydroksydodecenowy
CH2 (CH2)7COOH
(kwas rycynolowy)
C CH
H H
Otrzymywanie
1. Hydroliza halogenokwasów
Substratem w tej metodzie są kwasy karboksylowe, które w reakcji Hella-Volharda-Zielinskiego
przeprowadza się w ą-halogenokwasy, a następnie hydrolizuje do ą-hydroksykwasów.
1. -OH/HOH
Br2
CH3CHCOOH
CH3CHCOOH
CH3CH2COOH
2. H+/HOH
P
kwas propanowy
Br
OH
kwas (R,S)-2-bromopropanowy kwas D,L-mlekowy
3
2. Reakcja Reformackiego
Substratami reakcji Reformackiego są związki karbonylowe, które w obecności cynku, pod
wpÅ‚ywem Ä…-bromoestrów zostajÄ… przeksztaÅ‚cone w ²-hydroksyestry. Z nich przez ostrożnÄ…
hydrolizÄ™ można otrzymać kwasy ²-hydroksykarboksylowe.
O
OZnBr
Zn
R-C-R'
C CH2COOEt
R
Br-CH2COOEt Br-Zn-CH2COOEt
R'
Ä…-bromoester zwiÄ…zek cynkoorganiczny produkt addycji zw. cynkoorganicznego ze zw. karbonylowym
Tworzący się przejściowo związek cynkoorganiczny (np. BrZnCH2COOEt), przypomina
zwiÄ…zek Grignarda, jest jednak od niego mniej reaktywny  reaguje z aldehydami i ketonami,
ale nie z estrami. Produkt addycji zwiÄ…zku cynkoorganicznego do aldehydu lub ketonu po
zakwaszeniu zostaje przeksztaÅ‚cony w ²-hydroksyester, a z niego po hydrolizie powstaje ²-
hydroksykwas.
O
Zn
H+/HOH
C CH2COOR
BrCH2COOR C CH2COOR
+
C
eter
OZnBr OH
²-hydroksyester
aldehydlub keton Ä…-bromoester
Produkty reakcji Reformackiego mogą być przekształcane w inne związki, w tym nienasycone i
nasycone estry, a z nich oczywiście odpowiednie kwasy.
CH3 CH3
O
KHCO3
Zn H+/HOH
H3C C CH2COOEt H3C C CH2COOEt (CH3)2C=CHCOOEt
+ BrCH2COOEt
C
- HOH
eter
CH3
H3C
OZnBr OH 3-metylobut-2-enian etylu
aceton bromooctan etylu
3-hydroksy-3-metylobutanian etylu
H2/Pd
(62%) 3-metylobutanian etylu (CH3)2CHCH2COOEt
W reakcji Reformackiego biorÄ… udziaÅ‚ jedynie Ä…-halogenokwasy (nie ²- i dalsze).
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-
hydroksynitryle), z których po hydrolizie twor..
zÄ… siÄ™ Ä…-hydroksykwasy.
..
-
..
: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 m-nitrobenzaldehydu kwas m-nitromigdałowy
4
Również rozgałęzione ą-hydroksykwasy można otrzymać z cyjanohydryn. Kwasy ą-
hydroksykarboksylowe znacznie trudniej ulegajÄ… dehydratacji niż ²-hydroksykwasy czy inne
zwiÄ…zki ²-hydroksykarbonylowe, ale w odpowiednio drastycznych warunkach można takÄ…
operację przeprowadzić.
OH
OH
O
"
H2SO4 H+,
1. -CN
CH3CH C COOH
CH3CH2 C CH3
CH3CH2 C CH3 CH3CH2 C CH3 "
- HOH
2. H+/HOH
CH3
COOH
CN
keton etylowo-metylowy
kwas 2-metylo-2-enowy
kwas 2-hydroksy-2-metylobutanowy
Po hydrolizie produktu reakcji metanalu z cyjanowodorem powstaje kwas glikolowy.
H+/HOH
HCN
H2C O HO CH2COOH
"
metanal kwas glikolowy
Ten sam kwas można otrzymać z kwasu octowego poprzez chlorowanie 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-
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 może 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 można przeprowadzić selektywnie,
chociażby za pomocą 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.
COOH
C
CH3 kwas D-(-)-mlekowy
H
HO
O
2 H
C
kwas pirogronowy
enzym
COOH
H3C COOH
C
CH3 kwas L-(+)-mlekowy
HO
H
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 sÄ… nieprzydatne do tego celu.
+
+ -
-
COO CH3NH3
COOH COO
CH3NH3
COOH
CH3NH2
+
C
C C
H
+ H CH3
C H3C
H
CH3 H3C
H
OH
HO
OH
HO
50% D- 50% L-
50% D- 50% L-
racemiczny kwas mlekowy 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 różnią się, np. rozpuszczalnością w odpowiednio
dobranym rozpuszczalniku i można je rozdzielić przez krystalizację.
COOH
COOH
C
CH3 + H3C C H
racemiczny kwas mlekowy H
OH
HO
50% (S)-
50% (R)-
..
NH2
(R)-1-fenylo-
C
etyloamina
H
H3C
krystalizacja
- +
+
mleczan NH3
COO
COO- NH3
fenyloetyloamoniowy
C
C
CH3 H C C
H
H H
H3C
HO
H3C
OH H3C
50% (R,R)-
50% (S,R)-
Znane są również inne sposoby rozdzielania racemicznych związków, np. poprzez:
- chromatografiÄ™ chiralnÄ…;
- elektroforezÄ™ chiralnÄ…;
- tworzenie i rozdzielanie diastereoizomerycznych pochodnych;
- przemiany enzymatyczne lub
- krystalizacjÄ™ spontanicznÄ…
PoczÄ…tki 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 Sup%1Å‚rieure.
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 póz
niej
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 (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
H C OH HO C H
COOH
COOH
COOH COOH
kwas (S,S)-(-)-winowy kwas (R,R)-(+)-winowy kwas mezo-winowy (R,S)
Właściwości fizykochemiczne (oprócz kierunku skręcalności światła spolaryzowanego  [ą]D)
kwasów (-) i (+)-winowego są identyczne, kwas mezo-winowy różni się od nich, inne
właściwości ma też mieszanina racemiczna (ą), 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- 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) oznaczajÄ… tzw. konfiguracjÄ™ absolutnÄ…, oznaczonÄ… 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 [ą]D
zarówno dla enancjomerów (R) i (S), podobnie jak D- i L- może 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]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 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 konfiguracji substratu). 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 tworzy siÄ™ racemiczny kwas mlekowy.
8
COOH COOH
COOH
COOH
1. -OH
Br2 +
C C
C
C +
H
CH3CH2COOH H OH
CH3 H Br 2. H+/HOH H CH3
P
HO
H3C H3C
Br
kwas propanowy
racemiczny kwas 2-bromopropanowy racemiczny kwas mlekowy
Podobnie racemiczny produkt powstaje w wyniku katalitycznej redukcji kwasu pirogronowego.
H3C COOH
H3C COOH
C
C
H H
kwas
H O H
O pirogronowy
H2/Pt
COOH
COOH
racemiczny
C
C
+
H
H
kwas mlekowy
OH
CH3 H3C 50%
50%
HO
Hipoteza Pasteura, że 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 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
(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 przyjął arbitralnie, że aldehyd D-glicerynowy, na projekcji jak powyżej, ma grupę
hydroksylowÄ… 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 odpowiedniÄ… cyjanohydrynÄ™ do odpowiedniego kwasu
winowego.
CN CN COOH COOH
CHO 1. H+/HOH
HCN
H C OH HO C H H C OH HO C H
+ +
H C OH
H C OH H C OH OH H C OH
2. [O] H C
CH2OH
CH2OH CH2OH COOH COOH
aldehyd D-(+)-glicerynowy mieszanina diastereoizome-
kwas mezo-winowy kwas (-)-winowy
rycznych cyjanohydryn
Konfiguracja kwasu mlekowego została określona też za pomocą korelacji do konfiguracji
aldehydu D-glicerynowego.
COOH COOH COOH
CHO COOH
HBr Zn
HNO2
HgO
H C OH H C OH H C OH
H C OH H C OH
HNO2
H+/HOH H+/HOH
CH2NH2 CH2Br CH3
CH2OH CH2OH
(+)-izoseryna
aldehyd D-(+)-glicerynowy kw. D-(-)-glicerynowy kw. D-(-)-3-bromo-2-hydroksypropanowy kw. D-(-)-mlekowy
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 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 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. 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 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 ą-hydroksykwasów jest
tworzenie cyklicznych pochodnych  laktydów, ²-hydroksykwasy ulegajÄ… dehydratacji do Ä…,²-
nienasyconych kwasów, zaÅ› Å‚- i ´- Å‚atwo przeksztaÅ‚cajÄ… siÄ™ w wewnÄ™trzne estry, czyli laktony.
10
Powolna destylacja pod zmniejszonym ciśnieniem kwasu mlekowego, przedstawiciela ą-
hydroksykwasów, prowadzi do sześcioczłonowego dilaktonu, który został nazwany laktydem.
Powstaje on z połączenia dwóch cząsteczek ą-hydroksykwasu i wydzielenia dwóch cząsteczek
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
temperaturze pokojowej tracÄ… wodÄ™ przechodzÄ…c polimeryczne estry liniowe.
- HOH
(n+2) HOCH2COOH HOCH2CO(OCH2CO)nOCH2COOH
kwas glikolowy kwas poliglikolowy
Ogrzewanie ²-hydroksykwasów powoduje ich wewnÄ…trzczÄ…steczkowe odwodnienie prowadzÄ…ce
do Ä…,²-nienasycownych kwasów karboksylowych.
- HOH
kwas 3-hydroksybutanowy CH3CH=CHCOOH
CH3CHCHCOOH
kwas krotonowy
H
HO
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-
lub sześcioczłonowe estry cykliczne zwane laktonami.
O
O
O O
"
"
OH
OH ´-hydroksy- O
´-lakton
Å‚-hydroksy-
O Å‚-lakton
- HOH
OH
OH
- HOH kwas
kwas
R
R R
R
Utlenianie hydroksykwasów prowadzi do oksokwasów. Z É-hydroksykwasów powstajÄ… kwasy
dikarboksylowe.
KMnO4
CH2(CH2)3COOH
HOOC(CH2)3COOH
OH
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 poÅ‚ożenie halogenu i funkcji karboksylowej rozróżnianie sÄ… Ä…-, ²- Å‚-
halogenokwasy i inne.
RCH2CH2CHCOOH
RCH2CHCH2COOH RCHCH2CH2COOH
X
X X
Ä…-halogenokwasy ²-halogenokwasy Å‚-halogenokwasy
Właściwości halogenokwasów zależą od tego wzajemnego ułożenia obu podstawników.
Najbardziej reaktywne w reakcjach SN są ą-halogenokwasy. Atomy halogenów oddziałują na
zasadzie indukcji na grupę karboksylową zwiększając jej kwasowość  najbardziej kwaśne są
również ą-halogenokwasy.
Otrzymywanie
Chloro- i bromokwasy zawierające atom halogenu w położeniu ą otrzymuje się w reakcji
halogenowania kwasów karboksylowych w obecności czerwonego fosforu, w przemianie zwanej
reakcjÄ… Hella-Volharda-Zielinskiego.
X2/P
RCHCOOH RCHCOOH
Ä…-chloro-
- HX
kwas
H X lub bromokwas
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 wytrÄ…canie siÄ™ z roztworu nierozpuszczalnego chlorku potasu przesuwa
równowagę na korzyść jodokwasu.
KI/aceton
CH3CH2CHCOOH
CH3CH2CHCOOH
- KCl
Cl I
kwas 2-chlorobutanowy kwas 2-jodobutanowy
Właściwości chemiczne
Halogenokwasy (za wyjątkiem fluorokwasów, które są chemicznie bardzo inertne) ulegają
hydrolizie do hydroksykwasów.
-
OH/HOH
-
glikonian
bromooctan BrCH2COO- HOCH2COO
- 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
- NaNO2
OH
-
-
-
Cl-CH2COOH Cl-CH2COO + O=N-O-CH2COO
O2N-CH2COO
.. ..
- .. ..
azotyn kwasu
: : : : nitrooctan
O N O O N O
kwas chlorooctowy chlorooctan
..
-
glikolowego (sól)
H+/HOH
"
HO-CH2COOH + HNO2
O2N-CH2COOH +
nitrometan O2N-CH3 + CO2
dekarboksylacja
kwas glikolowy
kwas nitrooctowy
Reakcja Reformackiego
SÅ‚uży do otrzymywania ²-hydroksyestrów z Ä…-halogenokwasów i zwiÄ…zków 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.
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.
13