Лактон — циклические сложные эфиры¶

Лактон — циклический сложный эфир, образующийся при внутримолекулярной этерификации гидроксикислоты, то есть при взаимодействии карбоксильной группы (−COOH) и гидроксильной группы (−OH) в пределах одной молекулы. В результате замыкается кольцо, размер которого зависит от числа атомов углерода между функциональными группами. Лактоны широко распространены в природе, встречаются среди продуктов растительного и микробного происхождения и играют значительную роль в органическом синтезе, фармакологии и пищевой промышленности.

Название происходит от сочетания слов «лактоза» и «кетон», поскольку первые изученные соединения этого класса были выделены из молочной кислоты. Простейший лактон — β-пропиолактон, четырёхчленное кольцо которого обладает высокой реакционной способностью.

¶Общая характеристика

По химической природе лактоны представляют собой внутренние эфиры. Их образование энергетически выгодно, когда в результате замыкания формируется устойчивое кольцо — чаще всего пятичленное (γ-лактоны) или шестичленное (δ-лактоны). Трёх- и четырёхчленные лактоны (α- и β-лактоны) напряжены и потому реакционноспособны, тогда как крупные циклы образуются с трудом из-за энтропийных и конформационных ограничений.

Ключевые свойства класса:

• способность к гидролизу с раскрытием кольца и возвратом к исходной гидроксикислоте;
• участие в реакциях нуклеофильного замещения по карбонильному углероду;
• склонность к полимеризации у напряжённых циклов;
• наличие оптической активности у многих природных представителей.

¶Классификация

Лактоны классифицируют по размеру цикла, используя греческие буквы, обозначающие положение гидроксильной группы относительно карбоксила:

Отдельно выделяют макролактоны — соединения с кольцом из 12 и более атомов, многие из которых обладают биологической активностью. Также различают насыщенные и ненасыщенные лактоны, а также лактоны, содержащие дополнительные функциональные группы.

¶Природные лактоны

Многие лактоны синтезируются живыми организмами. Аскорбиновая кислота (витамин C) формально является γ-лактоном, хотя её химическое поведение определяется ендиольной группировкой. Глюконолактон, образующийся при окислении глюкозы, применяется как регулятор кислотности в пищевой промышленности.

Среди растительных лактонов известны кумарин и его производные, а также сесквитерпеновые лактоны, характерные для многих сложноцветных. Эти соединения проявляют антимикробные, противовоспалительные и противоопухолевые свойства, что делает их объектом фармакологических исследований.

Из микроорганизмов выделяют макролактоны, к которым относятся некоторые антибиотики. Например, эритромицин содержит макроциклическое лактонное кольцо, соединённое с углеводными остатками.

¶Применение

¶Фармакология

Лактоны служат основой для ряда лекарственных средств. Статины, применяемые для снижения уровня холестерина, содержат лактоновый фрагмент, который в организме гидролизуется до активной гидроксикислоты. Некоторые противоопухолевые препараты растительного происхождения также относятся к сесквитерпеновым лактонам.

¶Пищевая промышленность

Глюконо-δ-лактон используется как мягкий подкислитель, улучшитель хлеба и компонент разрыхлителей. γ- и δ-лактоны участвуют в формировании аромата сливочного масла, сыров и других молочных продуктов.

¶Парфюмерия и химия

Макролактоны, такие как мускон и цибетон, исторически применялись как душистые вещества с мускусным запахом. В промышленности лактоны служат мономерами для получения полиэфиров, в частности полилактида — биоразлагаемого пластика, получаемого из молочной кислоты.

¶Синтез

Основные лабораторные и промышленные методы получения лактонов:

• внутримолекулярная этерификация гидроксикислот в присутствии кислотных катализаторов;
• окисление циклических кетонов (реакция Байера — Виллигера);
• лактонизация по Шехтеру — окисление кетонов надкислотами;
• метатезис диенов с последующим раскрытием и замыканием кольца для макролактонов.

Выбор метода определяется требуемым размером цикла и наличием других функциональных групп в молекуле.

¶Биологическое значение и безопасность

Лактоны участвуют в метаболизме: например, в цикле Кребса промежуточные соединения существуют в равновесии с лактонными формами. Некоторые лактоны токсичны или аллергенны; в частности, сесквитерпеновые лактоны способны вызывать контактный дерматит у чувствительных людей. Отдельные представители класса проявляют канцерогенные свойства в экспериментах на животных, что требует осторожности при работе с ними.

В аналитической химии лактоны определяют методами газовой и жидкостной хроматографии, а также спектроскопии ядерного магнитного резонанса, поскольку характерный сигнал карбонильного углерода в циклическом эфире отличается от сигнала свободной кислоты.