Глава 2. ПРОСТЕЙШИЕ БИФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПРИРОДНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ - МОСТИК К МАССИВУ ПРИРОДНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Изучение полифункционапьных природных соединений целесообразно начать с классов оксикислот, оксокис-лот и аминоспиртов, поскольку, во-первых, эти соединения достаточно широко представлены в живом мире на различных этапах его проявления — они встречаются в свободном виде (гидрок-сикислоты растений) и как фрагменты достаточно сложных молекул (фосфолипиды и сфингозины животных и бактерий), некоторые из них образуются в процессе метаболизма веществ первичного биосинтеза (окисление жирных кислот) или являются ключевыми соединениями главных путей биосинтеза (пировиноградная кислота, лимонная кислота, мевалоновая кислота, шикимовая кислота). Второй аргумент в пользу выделения такой группы природных соединений в начало нашего курса — это наглядность проявления внутримолекулярного взаимного влияния функциональных групп, ведущего к появлению новых физических и химических свойств относительно исходных простых функций как важного фактора формирования молекул жизни.

2.1. Гидроксикислоты

Соединения этого класса являются достаточно простыми представителями природных соединений, они весьма часто встречаются в самых различных природных источниках. Гидроксиалкановые кислоты были выделены из ланолина, пчелиного воска, коры, корней, воскообразного слоя листьев, семян, бактерий и грибов. Наиболее часто встречаются а-гидроксикислоты, a в комбинации со сфингозинами животных и фитосфингозинами растений и Микроорганизмов они, очевидно, входят в состав всего живого.

-гидроксикислоты играют важную роль в биосинтезе и катаболизме жирных кислот. Жирные кислоты с длинной цепью с одной и более гидроксильными группами обнаружены в жирах растительного и животного происхождения. В таких молекулах гидроксильные функции находятся, главным образом, на некотором расстоянии от карбоксильной группы.

Некоторые оксикислоты являются ключевыми соединениями на главных путях биосинтеза (глицериновая, мевалоновая, шикимовая, лимонная и др.), пантовая кислота входит в состав кофермента А (схема 2.1.1). Простейшая оксикислота гликолевая, содержится в незрелом винограде, свекле, сахарном тростнике. Природная яблочная кислота, имеющая содержится в кислых плодах, таких как незрелые яблоки, крыжовник, рябина, ревень. Лимонная кислота — важный продукт обмена веществ в живых организмах (цикл трикарбоновых кислот, глиоксалатный цикл), некоторыми растениями накапливается в значительных количествах — в плодах цитрусовых — 6-8%, в листьях махорки — 8-14%, культуральными жидкостями некоторых бактерий — до 10%.

Следует отметить доступность многих гидроксикислот в лабораторных синтезах, а некоторых и в более крупных масштабах, что позволяет в ряде случаев использовать в практических целях синтетические вещества этого

Схема 2.1.1

класса вместо труднодоступных соединений, полученных из природных источников.

Классификация гидроксикислот построена по общему принципу классификации бифункциональных соединений — согласно взаимному расположению функциональных групп при углеродной цепи и количеству этих функциональных групп (схема 2.1.2). Очень многие природные гидроксикислоты имеют тривиальные названия, которые прочно укоренились в химической и биохимической практике.

В структурном плане для этих соединений характерно появление молекулярного асимметрического центра, что позволяет присутствовать им в природных источниках в трех формах- (+)-изомера, (-)-изомера и (-изомера (рацемата). К примеру, молочная кислота образуется при молочнокислом брожении лактозы в виде рацемической смеси, тогда как в животном организме в результате гликолиза образуется кислота, которая накапливается в мышцах при интенсивной работе, вызывая характерную мышечную боль (схема 2.1.3).

Схема 2.1.2

Молекула винной кислоты, образующаяся в процессе брожения виноградного сока, имеет два асимметрических центра, а так как каждый из них может иметь D- и -конфигурации, то это соединение принципиально может образовать уже четыре конфигурационных изомера: Так как в молекуле винной кислоты оба асимметрических центра имеют одинаковое окружение и собственно одинаковое вращение, т.е. то изомеры идентичны между собой и оптически неактивны. Фактически молекула этой конфигурации имеет плоскость симметрии и молекулярная асимметрия в ней исчезает. Такой изомер, представляющий собой как бы внутримолекулярный рацемат, называют мезоформой. Этерификация одной карбоксильной группы (или спиртовой группы) мезоформы винной кислоты приводит к нарушению симметрии молекулы (так как два асимметрических центра становятся неравноценными) и, соответственно, к возникновению оптической активности у изомеров

Тавинная кислота, которая образуется при брожении виноградной кислоты, имеет еще ее называют виннокаменной кислотой. Остальные изомеры получают рацемизацией природной кислоты, которая при кипячении со щелочью образует смесь D, -рацемата и мезоформы Процесс рацемизации винной кислоты обусловлен ее С-Н-кислыми свойствами (наряду с ОН-кислотностью, конечно) — в щелочной среде она образует карбанион, который легко инвертирует (схема 2.1.4).

Таким образом, мы получаем общую картину конфигурационной изомерии молекул с двумя асимметрическими центрами, согласно которой такие соединения могут существовать в четырех стереоизомерных формах — пара-треоизомеров и пара-эритроизомеров. Мезоформа, являющаяся результатом идентичности двух асимметрических центров, представляет собой частный случай эритроформы (схема 2.1.5).

Трео-изомеры являют собой пару энантиомеров, также как и эритро-изомеры. Относительно друг друга трео-и эритро-изомеры определяются как диастереомеры. Если известно, что энантиомеры являются друг относительно друга оптическими антиподами, т.е. различаются только по своему отношению к плоскополяризованному

Схема 2.1.4

свету (вращают плоскость поляризации в противоположные стороны, но на одинаковый угол), то диастереомеры различаются между собой целым рядом физических и химических свойств, так как они имеют различное взаимное расположение функциональных групп внутри молекул, а следовательно отличаются молекулярной формой, геометрическими параметрами, взаимным влиянием несвязанных атомов.

По химическим свойствам оксикислоты являют сумму свойств спиртов и карбоновых кислот, сочетая эти свойства в одной молекуле, и в то же время они проявляют ряд новых свойств, обязанных взаимному влиянию функциональных групп друг на друга или взаимодействию этих групп между собой. К таким появляющимся новым свойствам можно отнести: образование циклических диэфиров, лактидов

Схема 2.1.5

Схема 2.1.6

из а-оксикислот и легкость их окисления до кетокислот; легкость реакций -элиминирования в случае -оксикислот; образование внутримолекулярных сложных эфиров (лактонов) из у-оксикислот. а-Оксикислоты образуют комплексные соединения хелатного типа (схема 2.1.6).

Часто лактонная форма для у-оксикислот является даже более выгодной, чем оксикислотная, и у-оксикислоты самопроизвольно переходят в циклическую форму. Это характерно для таких известных соединений этого класса как пантовая кислота, многие сесквитерпены. Стабильными макроциклическими лактонами представлены некоторые антибиотики (см. раздел 11.5) и длинноцепочечные оксикислоты из группы мускусов; легко образует лактон и мевалоновая кислота (схема 2.1.7).

Особые, в какой-то мере, специфические свойства проявляют оксикислоты, являющиеся интермедиатами различных биосинтетических реакций при ферментативном катализе in vivo.

Глицериновая кислота в этих условиях обычно фигурирует в виде 3-фосфата, т.е. она избирательно этерифицируется фосфорсодержащими реагентами в присутствии ферментов по первой спиртовой группе. На следующем этапе 3-фосфат глицериновой кислоты элиминирует фрагмент фосфорной кислоты, образуя а-гидроксиакриловую кислоту, которая сразу же

Схема 2.1.7

изомеризуется в пировиноградную кислоту Но этот последний процесс является обратимым, и в условиях кислотно-основного катализа доля непредельной гидроксикислоты (енольной кислоты) может быть существенной, хотя термодинамически более стабильна в данном случае а-кетокислота В свою очередь, енольная форма этой кислоты может быть стабилизирована, зафиксирована реакцией ее этерификации фосфорной кислотой (фосфат-несущим реагентом, точнее сказать) Таким образом, глицериновая кислота

Схема 2.1.8

Схема 2.1.9

(см. скан)

Схема 2.1.10

(см. скан)

является источником двух новых соединений кислотного типа, а если учесть еще реакцию восстановления карбоксильной группы до альдегидной, то уже трех веществ, которые известны как важные промежуточные продукты основных химических процессов in vivo (схема 2.1.8). Следует заметить, что в заметных количествах они в организмах не накапливаются.

Из природных оксикислот можно выделить мевалоновую, являющуюся ключевым соединением биосинтеза изопре-ноидов, легко претерпевающую in vivo синхронное элиминирование фрагментов образуя при этом пирофосфатное производное (поскольку и исходная мевалоновая кислота функционирует в виде пирофосфатного эфира) с которого и начинаются процессы формирования изопреноидных углеродных систем (схема 2.1.9).

Хинная кислота, являясь исходным соединением биосинтеза ароматических кислородсодержащих соединений (а- и -пиронов, фенолокислот и др.), может накапливаться в некоторых растениях в заметных количествах (в коре хинного дерева, например). Но основное предназначение этой кислоты — образование шикимовой кислоты, ключевого интермедиата вышеуказанных синтезов, с последующим переходом к бензольным производным, используя реакции дегидратации и дегидрогенизации(окисления).