Удивительный мир органической химии

7.1. «Кирпичики» для гигантов

Среди многомиллионной «армии» органических соединений есть такие вещества, которые сочетают в себе свойства двух или даже более веществ. Кстати, таких соединений немало. Сейчас мы расскажем о веществах, молекулы которых содержат одновременно и карбоксильную группу, и аминогруппу. Такие соединения называются аминокислотами. Нетрудно догадаться, что они обладают свойствами как кислоты, так и основания. Это и понятно: карбоксильная группа отвечает за кислотные свойства, а аминогруппа — за основные. И все же удивительно! Одно и то же вещество, а ведет себя по-разному в зависимости от условий.

Самой простой по строению аминокислотой является аминоуксусная кислота — глицин.

В молекуле этой кислоты аминогруппа и карбоксильная группа связаны с одним и тем же углеродным атомом. Такие кислоты называются α-аминокислотами. Если эти группы разъединяются двумя группами СН₂, то кислоты относят к β-кислотам, если между ними три группы СН₂, — к γ-кислотам и т. д.

Аминоуксусную кислоту (глицин) выделил в 1820 г. французский химик и ботаник Анри Браконно (1780-1854) путем гидролиза белка желатины. Однако есть сведения, что первая аминокислота была получена еще в 1808 г. из сока спаржи.

Аминокислоты — очень важные соединения. Они являются основными «кирпичиками», из которых построены огромные молекулы белков. Это было впервые установлено немецким химиком Эмилем Фишером (1852-1919), который много сделал для установления строения этих сложных веществ. Впоследствии открытие Э. Фишера было подтверждено исследованиями многих ученых мира.

Вначале аминокислоты получали гидролизом белковых веществ. Затем были сделаны первые попытки получить эти соединения синтетическим путем. Первой аминокислотой, полученной синтетически в 1897 г., был лейцин.

В настоящее время существует достаточно много способов получения аминокислот. Чаще всего их получают замещением атома галогена на аминогруппу в галогенозамещенных кислотах:

Удобный метод получения α-аминокислот предложил Н. Д. Зелинский. Для этого он использовал альдегиды и кетоны:

Наибольшую роль играют α-аминокислоты. Именно они являются структурными элементами природных белковых веществ. Таких «белковых» аминокислот насчитывается около 20. Приведем некоторые из них.

Известно, что живой организм синтезирует белки из аминокислот. Но что является источником этих кислот? Некоторые из них образуются в самом организме из различных продуктов питания. Такие аминокислоты называют заменимыми. Но есть и незаменимые кислоты, которые организмом не синтезируются, а поступают в него с продуктами питания. Таких аминокислот восемь: валин, лейцин, изолейцин, лизин, треонин, метионин, фенилаланин и триптофан. Эти аминокислоты содержатся в полноценных белках (в молоке, мясе, яйцах). Взрослому человеку необходимо в сутки около 100 г белков, содержащих незаменимые аминокислоты. При этом совсем неважно, в каком виде поступают в организм аминокислоты: в виде набора аминокислот или в виде белка. Важно, чтобы эти кислоты поступили в организм! Заменить эти аминокислоты нельзя ничем — ни жирами, ни углеводами.

Оказалось, что аминокислотами можно обогащать продукты питания. При этом пища становится не только вкуснее, но и питательнее. Например, если к овощному блюду добавить совсем немного глутаминовой кислоты, то вам может показаться, что вы едите не только овощи, но и... курятину. Кстати, эту кислоту с успехом используют в медицине для лечения нервных, психических и других заболеваний. Глутаминовая кислота предохраняет даже от отравления угарным газом!

Потребность в аминокислотах постоянно растет. И не только для питания людей, но и на подкормку скота и для приготовления лекарственных препаратов. Где же брать аминокислоты? Можно, конечно, получать из белков. Но это связано с разрушением ценных питательных продуктов. Можно аминокислоты синтезировать. Однако это сложно и дорого. Да и качество таких аминокислот ниже, чем природных.

И все же ученые нашли «работника» по производству аминокислот. Им оказались... микробы! Дело в том, что для своей жизнедеятельности некоторые микробы вырабатывают гораздо больше аминокислот, чем им необходимо самим. Вот эти «излишки» и являются источником аминокислот. Но и тут есть свои проблемы. Микроорганизмы, найденные в природе, вырабатывают не одну аминокислоту, а несколько — каждой понемногу. Пришлось «заставить» некоторых микробов производить только одну необходимую нам аминокислоту. Кислоты, получаемые этим способом, практически ничем не отличаются от тех, которые добываются обычным способом — разрушением белковых молекул. К тому же «микробные» аминокислоты намного дешевле.

Поскольку в молекуле аминокислот «уживаются» группы с противоположными свойствами, то эти соединения могут вступать в химические реакции, которые, казалось бы, противоречат друг другу. Например, аланин образует соли как с кислотами, так и с основаниями:

Но в этом нет ничего удивительного. Мы же говорили, что аминокислота — одновременно и кислота, и основание. Аминокислоты способны даже взаимодействовать друг с другом — за счет аминогруппы одной молекулы и карбоксильной группы — другой:

В результате такой реакции между остатками аминокислот устанавливается пептидная (амидная) связь —СО—NH—. Образовавшаяся молекула — дипептид — снова содержит две группы (амино- и карбоксильную), которые способны опять взаимодействовать с другими молекулами аминокислот. В результате образуются огромные молекулы — полипептиды, из которых состоит белок. Но об этих молекулах-гигантах речь пойдет ниже.

7.2. И в организме, и в кислом молоке...

Расскажем еще о двух кислотах, которые присутствуют в нашем организме и принимают самое непосредственное участие в его жизнедеятельности. Более того, одна из этих кислот присутствует практически во всех молочных продуктах — в кислом молоке, твороге, сметане, сыре, простокваше. Эта же кислота, находясь в организме, служит своеобразным сигналом физической усталости организма. Что же это за кислота?

В воздухе всегда присутствуют микроорганизмы. Попадая в молоко, даже пастеризованное, некоторые из них (молочнокислые бактерии) начинают интенсивно размножаться. Правда, на холоде этот процесс идет медленнее. Но все же идет. Для размножения бактерий необходима энергия, и они ее получают, расщепляя молекулы сахара — лактозы (молочный сахар) — на четыре части. Это называют молочнокислым брожением. Было установлено, что эти четыре части — не что иное, как четыре молекулы карбоновой кислоты, содержащей гидроксильную группу. Такие кислоты называют гидроксикислотами. Гидроксикислота, которая образуется при молочнокислом брожении, называется молочной кислотой.

Свое название эта кислота получила в связи с ее образованием в прокисшем молоке. Именно она и придает кислому молоку «кислый» запах.

Молочнокислое брожение наблюдается при приготовлении многих продуктов — сыра, квашеной капусты и т. д. Молочная кислота образуется даже при силосовании кормов для животных. Она образуется также в процессах обмена веществ в живом организме.

Впервые молочную кислоту выделил в 1780 г. шведский химик К. Шееле. Но с тех пор прошло слишком много времени, и в настоящее время химики научились получать эту кислоту синтетически. Однако наиболее выгодным способом является брожение отходов сахарного производства (мелассы) под влиянием ферментов.

Молочная кислота — тоже непростое соединение. Ведь в ее молекуле содержатся две группы — карбоксильная и гидроксильная. Поэтому она обладает свойствами кислоты и спирта. Например, как кислота, она образует соли, сложные эфиры и т. д. В то же время, проявляя свойства спиртов, молочная кислота дает алкоголяты, простые эфиры и другие соединения. При окислении молочная кислота превращается в пировиноградную кислоту:

Вы видите из формулы пировиноградной кислоты, что она содержит в молекуле карбонильную группу. Следовательно, она — кетонокислота.

Пировиноградная кислота — важный промежуточный продукт жизнедеятельности организма. Она образуется в числе других соединений, когда молекула глюкозы расщепляется с выделением энергии. Без энергии организм не может существовать. А вот что происходит с пировиноградной кислотой? Это зависит от поступления кислорода в организм. Если кислорода достаточно, то кислота, теряя СO₂, превращается в уксусную кислоту, которая в конце концов может перейти в СO₂ и воду. Но если кислорода не хватает (это происходит в мышцах при тяжелой работе), то глюкоза, расщепляясь, образует значительное количество пировиноградной кислоты. При большой физической нагрузке кровь не успевает поставлять в мышцы достаточно кислорода, чтобы превращать всю пировиноградную кислоту в уксусную. В результате пировиноградная кислота начинает восстанавливаться в молочную. Чем больше молочной кислоты накапливается в мышцах, тем сильнее они ощущают... усталость. В конце концов наступает момент, когда мышцы уже не в состоянии работать. В них скопилось много молочной кислоты. Это уже сигнал — нужен отдых. Отдыхая, мышцы «набираются» кислорода, чтобы с его помощью избавиться от молочной кислоты, превратив ее снова в пировиноградную кислоту (при окислении). Вот почему после бега или тяжелой работы человек продолжает тяжело дышать: кислородная недостаточность компенсируется не сразу. Необходимо время, чтобы организм насытился кислородом.

К числу довольно распространенных гидроксикислот относится лимонная кислота.

Эта кислота впервые была получена К. Шееле в 1785 г.

В настоящее время лимонную кислоту получают при грибковом брожении глюкозы или мелассы.

Где используются гидроксикислоты? Молочная кислота применяется в производстве лекарственных средств, пластификаторов, при крашении тканей, в кожевенной промышленности. Лимонная кислота находит применение в производстве ароматизирующих веществ для пищевой промышленности. Незаменима она в качестве консерванта и для очистки и шлифовки нержавеющей стали и других металлов.

7.3. Двуликие вещества

В органической химии встречаются и такие вещества, которые напоминают «двуликого Януса», так как могут одновременно существовать в разных «лицах». Таким соединением является, например, ацетоуксусный эфир (этиловый эфир ацетоуксусной кислоты).

Это необычное вещество было получено в 1863 г и долгое время не давало покоя химикам. Они часто спорили по поводу того, какое строение приписать этому соединению. Казалось бы, чего проще: ацетоуксусный эфир содержит карбонильную группу, а это значит, что вещество будет вступать в реакции, характерные для кетонов. Так и оказалось. Например, при восстановлении ацетоуксусного эфира образуется вторичный спирт:

Это обычная реакция кетонов — органических соединений, содержащих карбонильную группу. При восстановлении они всегда дают вторичные спирты. А вот еще одна реакция, характерная для кетонов, — реакция с синильной кислотой:

Известны и другие реакции, которые подтверждают кетонное строение ацетоуксусного эфира. Однако все было гораздо сложнее. Другие химики, а их было немало, утверждали совсем обратное: ацетоуксусный эфир — непредельный спирт.

Они не только утверждали, но приводили убедительные факты. Например, ацетоуксусный эфир вступает в реакцию с бромом и ведет себя как непредельное соединение. Более того, это вещество, оказывается, реагирует с металлическим натрием, образуя алкоголят — натрийацетоуксусный эфир:

Не правда ли, странно? Одно и то же вещество, а ведет себя то как кетон, то как непредельный спирт.

Ожесточенные споры не прекращались долго. Но наконец-то химики поняли, в чем дело. В их руках необычное вещество. Оно может пребывать в разных формах, имеющих разное строение. Одну форму назвали кетонной, а другую — енольной (ен — двойная связь, а ол — спирт). Эти две формы постоянно переходят друг в друга и получили название таутомеров (от греч. tauto — тот же самый и meros — часть):

Такое сосуществование двух форм, постоянно переходящих (в зависимости от условий реакции) друг в друга, назвали таутомерией. В обычных условиях ацетоуксусный эфир содержит 93% кетонной и 7% енольной форм. Но такое содержание форм непостоянно, оно зависит от растворителя и температуры. Например, при охлаждении до -70 °С кетонная и енольная формы становятся устойчивыми, раздельно существующими изомерами. Так что в условиях антарктической зимы пришлось бы говорить не о таутомерии двух форм, а о простой изомерии. Другими словами, в этих суровых условиях две формы не переходили бы друг в друга, а существовали бы раздельно, как обычные изомеры.

Но не только ацетоуксусный эфир способен на такую «двойственность». Немало и других веществ, которые ведут себя подобным образом. Например, ацетилацетон и гидроксамовые кислоты:

Вот и здесь мы видим две формы. Правда, та форма, которая изображена слева, более устойчива. Часто бывает так, что вещества, устойчивые при обычных условиях, при нагревании способны находиться в двух формах, переходящих друг в друга. Так, обычные бромистый пропил и бромистый изопропил, устойчивые и раздельно существующие изомеры, при нагревании до 250 °С могут сосуществовать друг с другом в таутомерном равновесии:

Вот какие чудеса бывают в органической химии!