Karboxylové kyseliny Organické kyslíkaté sloučeniny obsahujících jednu nebo více karboxylových skupin -COOH (R-COOH) Vznikají oxidací aldehydů Při.

Prezentace na téma: "Karboxylové kyseliny Organické kyslíkaté sloučeniny obsahujících jednu nebo více karboxylových skupin -COOH (R-COOH) Vznikají oxidací aldehydů Při."— Transkript prezentace:

1 Organické kyseliny obsahující kyslík a jejich deriváty As. Libor Staněk

2 Karboxylové kyseliny Organické kyslíkaté sloučeniny obsahujících jednu nebo více karboxylových skupin -COOH (R-COOH) Vznikají oxidací aldehydů Při oxidaci aldehydů vstupuje atom kyslíku mezi atom vodíku a uhlíku aldehydické skupiny a vznikají sloučeniny se skupinou –COOH Karboxylové kyseliny a jejich deriváty patří k biochemicky velmi významným látkám, zúčastní se většiny životních funkcí (energetický metabolismus, regulační mechanismy, výstavba struktur organismu). Charakteristické vlastnosti jim dává karboxylová skupina, která propůjčuje molekule, odštěpením H+ , vlastnosti kyseliny a umožňuje tvorbu solí (např. reakcí s hydroxidy, alkoholáty nebo uhličitany).

3 Karboxylové kyseliny V porovnání s minerálními kyselinami jsou kyselinami výrazně slabšími. Pro srovnání, disociační konstanta pKa nejsilnější karboxylové kyseliny, kyseliny mravenčí, je 3,75 zatímco pKa kyseliny sírové je -3,0. K. octová : / H+/. /CH3 COO- / KA = = 1, mol / dm3 a tedy pK = 4,74 CH3 COOH Kyselost a rozpustnost ve vodě u organických kyselin klesají s velikostí molekuly (např. s délkou uhlíkatého řetězce – negativní korelace mezi počtem uhlíků a kyselostí i rozpustností), takže zatímco kyseliny mravenčí, octová a propionová jsou rozpustné neomezeně, vyšší mastné kyseliny jsou ve vodě nerozpustné. Při disociaci se odštěpuje proton z karbonylové skupiny a vzniká karboxylátový anion: R-COOH + OH− → R-COO− + H2O

4 Názvosloví Karboxylová skupina je v chemickém názvosloví organických sloučenin nejdůležitější skupinou. Proto se systematický název každé látky, která tuto skupinu obsahuje, skládá ze slova kyselina a přídavného jména s koncovkou -ová, resp. karboxylová. Jen když některá karboxylová skupina není započítána do základního řetězce, používá se předpona karboxy-.

5 Příprava karb. kyselin Pro přípravu se používá jak uhlovodíků, tak všech hlavních kyslíkatých derivátů: alkoholů, aldehydů a ketonů i různých derivátů kyselin R-CH3 → R-CH2-OH → R-CH=O → R-COOH

6 Monokarboxylové kys. Kyselina mravenčí, HCOOH , je nejjednodušší karboxylová kyselina (R je pouze jeden atom vodíku), lze ji odvodit od metanu (CH4), přes metanol ( CH3OH ) a formaldehyd (HCOH ) postupnou oxidací, v přírodě se vyskytuje volná i jako deriváty. Od následujících karboxylových kyselin se vlastnostmi poněkud liší: má redukční schopnost (skupina = O může být považován za součást karboxylové i aldehydické skupiny) a je to relativně silná kyselina (viz struktura molekuly). H - C = O / kyselina mravenčí OH Její acyl je důležitou součástí řady syntetických procesů v živých organismech. Oxidací z ní vzniká k. hydroxymravenčí (= uhličitá ) a ta se snadno rozkládá na CO2 a H2O.

7 Monokarboxylové kys. Kyselina octová, CH3 COOH, odvozená od etanu (přes etylalkohol a acetaldehyd) je velmi rozšířená, jak volná, tak ve formě derivátů. Její soli (octany, acetáty) i deriváty jsou významné v medicíně a biochemii. Důležitá je v metabolismu, m.j. např. jako thioester s koenzymem A (acetylkoenzym A) Biochemicky významné jsou i substituční deriváty : kyseliny propionové (např. kyselina dihydroxypropionová) kyseliny máselné ( CH3 CH2 CH2 COOH ) (např. kyselina betahydroxymáselná a kyselina gamaaminomáselná - GABA)

8 Aromatické monokarboxylové k.
kyselina benzoová a její deriváty. Lze ji odvozovat od toluenu, jako výsledek postupné oxidace (nebo od benzylalkoholu přes benzaldehyd), v organismu působí problémy (živočichové neumí aromatické jádro syntetizovat, ani odbourat!), detoxikována (v játrech) navázáním glycinu (kyselina hippurová) a pak vylučována močí. Z jejich substitučních derivátů je nedůležitější kyselina salicylová

9 Aromatické monokarboxylové k.
Kyselina nikotinová, vytvořená navázáním karboxylové skupiny -COOH na pyridin (kyselina 3- pyridinkarboxylová), je sice toxická (synaptický jed, ale její amid (nikotinamid) je nezbytnou složkou koenzymů (NAD a NADP), důležitých pro oxidačně-redukční reakce v organismu.

10 Nenasycené karboxylové kyseliny
Nenasycené karboxylové kyseliny obsahují jednu nebo i více dvojných vazeb Kolem dvojné vazby (na rozdíl od jednoduché) není možná volná rotace , proto při navázání různých skupin a vodíku na uhlíky spojené dvojnou vazbou vzniká prostorová izomerie, cis a trans izomery. Vodíky (resp. substituované skupiny) mohou být na uhlíky spojené dvojnou vazbou vázány buď na stejné straně dvojné vazby (cis izomery), nebo na protilehlých stranách (trans izomery) cis trans H H H COOH / / / / C = C C = C HOOC COOH HOOC H cis - ( kyselina maleinová ) trans- (kyselina fumarová

11 Fyzikální vlastnosti izomerů
Příkladem rozdílných vlastností cis a trans izomeru téže mastné kyseliny jsou např.: kyselina olejová (cis) bod tání 14oC kyselina elaidová (trans) bod tání 44oC !

12 Fyzikální vlastnosti izomerů
cool

13 Dikarboxylové kyseliny
Mají v molekule dvě -COOH skupiny, jejich vzájemné ovlivnění (tzv. indukční efekt – polarita jednoho karboxylu zvyšuje kyselost druhého) je tím větší, čím jsou si karboxylové skupiny blíže, s jejich vzdáleností v řetězci (molekule) tento efekt slábne Jsou to silnější kyseliny než monokarboxylové kyseliny Mohou tvořit dvě řady solí (popř. i funkčních derivátů), ale zahříváním buď snadno dekarboxylují, nebo tvoří anhydridy

14 Dikarboxylové kyseliny
Kyselina šťavelová - nejjednodušší dikarboxylová kyselina, dvojsytná, tvoří soli - šťavelany. Kyselina malonová - HOOC – CH2 - COOH, tvoří soli malonáty, (pozor na záměnu s maláty od kyseliny jablečné - A. malicum ) a acyl maloyl. Kyselina jantarová (Acidum succinicum) HOOC – CH2 – CH2 – COOH, je významná metabolicky (vzniká v citrátovém cyklu ) - jako anion sukcinát, tak acyl sukcinyl (např. sukcinylkoenzym A), české ekvivalenty se užívají zřídka. Její oxidací (dehydrogenací) vzniká kyselina fumarová Kyselina glutarová HOOC – CH2 – CH2 – CH2 – COOH, je také biochemicky velmi důležitá, stejně jako dva její substituční deriváty : Kyselina alfa-ketoglutarová a kyselina glutamová (alfa-aminoglutarová) .

15 Nenasycené dikarboxylové kyseliny
kyselina fumarová a kyselina maleinová, jsou to cis (maleinová) a trans (fumarová) izomery stejné čtyřuhlíkaté kyseliny k.butendiové Cis k. maleinová je kyselejší a reaktivnější než trans forma k. fumarová, která je stabilnější a proto i častější v přírodě (méně stabilní k. maleinová na ni často přechází). Kyselina fumarová vzniká z kyseliny jantarové (enzymatickou oxidací) a redukcí v ní opět může přejít

16 Aromatické dikarboxylové kyseliny
jsou zajímavé izomery kyseliny ftalové k. ftalová (orthoftalová 1,2 benzendikarboxylová, s karboxyly v pozici 1,2) tvoří snadno při zahřátí cyklický anhydrid (ftalanhydrid) zatímco oba její další izomery k. izoftalová (1,3 benzendikarboxylová) a k. tereftalová (1,4 benzendikarboxylová) při zahřívání dekarboxylují (za vzniku CO2 a k. benzoové)

17 Mastné kyseliny „FA“ 1. definice, obecné vlastnosti
konfigurace řetězců mastných kyselin klasifikace desaturace, elongace mastné kyseliny jako signální molekuly

18 Definice „FA“ Biochemicky a biomedicínsky významné karboxylové kyseliny s počtem atomů uhlíku

19 „FA“ V lidské plazmě analyzováno více jak 60 (FA)
Převážně rovný řetězec se sudým počtem uhlíků a dvojnými vazbami v pentadienovém uspořádání, převážně konfigurace „cis“ Obecné značení : CN:P n-x CN celkový počet atomů C P počet dvojných vazeb X poloha první dvojné vazby

20 Vlastnosti mastných kyselin
většina má lineární uhlíkatý řetězec, pouze několik rozvětvený různý stupeň nasycenosti – nasycené (SAT) – nenasycené (MUFA, PUFA) U živočichů převládají nenasycené FA, většinou několikanásobně nenasycené U bakterií více dvojných vazeb jen vyjímečně za fyziologických podmínek ve formě esteru nebo vázané na proteiny V plazmě též volné autooxidace nenasycených mastných kyselin různá délka řetězce (C12-36) „nás zajímá 12 – 22“

21 Význam mastných kyselin
hlavní zdroj kalorického přijmu zdroj acetyl-CoA – prekursor syntézy cholesterolu, ketolátek komponenty membránových lipidů kotvy membránových proteinů PUFA – prekursory signálních molekul (eikosanoidy) PUFA – signální molekuly regulátory genové transkripce

22 Fyzikální charakteristika mastných kyselin
zkr tání prostor. šíře nm kyselina stearová : ° ,25 kyselina olejová c-18: ° ,72 kyselina elaidová t-18: ° ,31 kyselina linolová c,c-18: ° ,13

23 Fyzikální vlastnosti izomerů
cool

24 Názvosloví některých mastných kyselin
triviální název systematický název zkratky** pozice dvojných vazeb*** kyselina: kyselina: palmitová hexadecanová :0 palmitolejová hexadecenová :1n-7 stearová octadecanová :0 olejová octadecenová :1n 9 elaidová *t-9-octadecenová t-18:1n t-9 linolová ,12-octadecadienová :2n 9,12 -Linolenová ,12,15-octadecatrienová :3n 9,12,15 arachidonová ,8,11,14-eicosatetraenová :4n 5,8,11,14 timnodonová ,8,11,14,17-eicosapentaenová :5n 5,8,11,14,17 klupanodonová 4,7,10,13,16,19-docosahexaenová :6n 4,7,10,13,16,19 * t – trans konfigurace (není-li označeno, znamená to, že ostatní kys. jsou v cis konfiguraci) ** pozice první dvojné vazby od metylového konce *** pozice první dvojné vazby od karboxylového konce

25 Zdroj FA v potravě

26 Relativní obsah n-6 a n-3 PUFA ve tkáních a tekutinách

27 Vliv n-3 PUFA na rizikové faktory ICHS v krvi
hypolipidemický efekt snížená agregace destiček antitrombotický a zvýšený trombolytický efekt snížení viskozity krve snížení krevního tlaku protizánětlivý efekt

28 Funkce mastných kyselin

29 Karboxylové kyseliny Mohou obsahovat krom karboxylu i jiné skupiny
-OH : kyselina mléčná, citronová, jablečna -C=O : kyselina pyrohroznová -NH2 : 20 aminikyselin

30 Deriváty karboxylových kyselin -funkční
Vznikají odělením hydroxylové skuiny –OH nebo =O skupiny z karboxylu (někdy i obou současně) kyseliny….tím vzniká zbytek XCO-, který se obecně nazývá acyl. H-CO- formyl CH3-CO- acetyl CH3-CH2-CO- propionyl

31 Deriváty karboxylových kyselin -funkční
- soli - kyselý vodík karboxylové skupiny je nahrazen kationtem kovu nebo amonným kationtem. Obecný vzorec: R-CO-OMe - estery - karboxylových kyselin - kyselý vodík karboxylové skupiny je nahrazen alkylem. Obecný vzorec: R-CO-O-R' - amidy - skupina OH je nahrazena amidovou skupinou NH2. Obecný vzorec: R-CO-NH2 - imidy - dvě karboxylové skupiny jsou propojeny přes imidovou skupinu NH. Obecný vzorec: R-CO-NH-CO-R' - anhydridy - vznikají odštěpením vody, obvykle ze dvou molekul karboxylových kyselin, které se tak (resp. jejich zbytky) spojí svými karboxyly: R – CO – O – CO – R´ H2O - acylhalogenidy - jsou funkční deriváty karboxylových kyselin vzniklé náhradou skupiny- OH v karboxylu halogenem. Jsou velmi reaktivní, nestálé, snadno hydrolyzují (na příslušný halogenovodík a organickou kyselinu) - nitrily - K vytvoření nitrilů dochází vznikem tzv. nitrilové skupiny - C N , tedy nahrazením, jak skupiny -OH, tak i =O, trojvazným dusíkem.

32 Významné funkční deriváty
Nitrily - Nejznámější je nitril kyseliny mravenčí, čili kyanovodík (k.kyanovodíková), HCN, slabá kyselina (tak slabá, že může být vytěsněna ze svých solí i kyselinou uhličitou !), ale silně jedovatá. Většina jejích solí je nerozpustných, dobře rozpustné jsou kyanidy sodný a draselný (NaCN a KCN), jejich roztoky reagují alkalicky a jsou jedovaté. Toxicita je způsobena vazbou kyanidové (nitrilové) skupiny na železo v dýchacím řetězci buněk, především na železo v cytochromoxidáze Estery - K významným esterům patří tuky - acylglyceroly (= estery vyšších mastných kyselin s glycerolem, nebo acetylcholin, dále vosky (estery vyšších alkoholů a vyšších mastných kyselin) a řada dalších látek . Medicinsky významným esterem je např. kyselina acetylosalicylová (Acylpyrin, Aspirin) Příklady cyklických esterů jsou laktidy a laktony

33 Významné funkční deriváty
Amidy - Velmi důležité amidy jsou amid kyseliny nikotinové nikotinamid, který je součástí koenzymu NAD a amidy kyseliny glutamové (glutamin) a asparagové (asparagin)

34 Deriváty karboxylových kyselin -substituční
Vznikají náhradou vodíku v jiných než karboxylových skupinách - halogenkyseliny - atom H je nahrazen halogenem - aminokyseliny - řetězec obsahuje aminoskupinu -NH2 - hydroxykyseliny - řetězec obsahuje hydroxylovou skupinu -OH - Oxokyseliny - řetězec obsahuje karbonylovou skupinu - aldehydovou (-CHO) nebo ketoskupinu (-CO-)

35 Halogenkyseliny kyselina octová a její chlorderiváty : kyselina chloroctová (monochloroctová), dichloroctová a především trichloroctová Kyselina trichloroctová denaturuje bílkoviny a používá se proto k deproteinaci séra a k desinfekci (např. chirurgických nástrojů, inkubátorů apod., přípravek Persteril).

36 Hydroxykyseliny a oxokyseliny
Substitucí –OH skupiny získá hydroxykyselina vlastnosti nejen kyseliny, ale i alkoholu (popř. fenolu), z toho plyne, kromě vyšší kyselosti, i možnost uplatnění obou skupin (karboxylové i alkoholové) při tvorbě funkčních derivátů a dalších reakcích. Skupina = O (oxo-, keto- ) nemá na kyselost podstatný vliv, ale podle polohy, tj. uhlíku, na který se váže, přidává molekule vlastnosti buď aldehydu ( 1- oxo-, aldokyseliny, tj. oxo skupina je na koncovém uhlíku řetězce) nebo ketonu ( oxo skupina na některém z uhlíků v řetězci, s výjimkou koncových uhlíků ).

37 Děkuji za pozornost