Взаємодія амінокислот із карбоновими кислотами. Властивості та функції амінокислот

За характером вуглеводневих заступників аміни ділять на

Загальні особливості будови амінів

Також як і в молекулі аміаку, в молекулі будь-якого аміну атом азоту має неподілену електронну пару, спрямовану в одну з вершин спотвореного тетраедра:

Тому у амінів як і в аміаку істотно виражені основні властивості.

Так, аміни аналогічно аміаку оборотно реагують з водою, утворюючи слабкі підстави:

Зв'язок катіону водню з атомом азоту у молекулі аміну реалізується за допомогою донорно-акцепторного механізму за рахунок неподіленої електронної пари атома азоту. Граничні аміни є сильнішими підставами проти аміаком, т.к. в таких амінах вуглеводневі заступники мають позитивний індуктивний (+I) ефект. У зв'язку з цим на атомі азоту збільшується електронна щільність, що полегшує його взаємодію Космосу з катіоном Н + .

Ароматичні аміни, якщо аміногрупа безпосередньо з'єднана з ароматичним ядром, виявляють слабші основні властивості порівняно з аміаком. Пов'язано це з тим, що неподілена електронна пара атома азоту зміщується у бік ароматичної системи бензольного кільця внаслідок чого, електронна щільність на атомі азоту знижується. У свою чергу, це призводить до зниження основних властивостей, зокрема здатності взаємодіяти з водою. Так, наприклад, анілін реагує лише із сильними кислотами, а з водою практично не реагує.

Хімічні властивості граничних амінів

Як було зазначено, аміни оборотно реагують із водою:

Водні розчини амінів мають лужну реакцію середовища, внаслідок дисоціації основ, що утворюються:

Граничні аміни реагують з водою краще, ніж аміак, зважаючи на сильніші основні властивості.

Основні властивості граничних амінів збільшуються у ряду.

Вторинні граничні аміни є сильнішими основами, ніж первинні граничні, які є своєю чергою сильнішими основами, ніж аміак. Що стосується основних властивостей третинних амінів, то якщо йдеться про реакції у водних розчинах, то основні властивості третинних амінів виражені набагато гірше, ніж у вторинних амінів, і навіть трохи гірше ніж у первинних. Пов'язано це зі стеричними труднощами, які впливають на швидкість протонування аміну. Тобто три заступники «загороджують» атом азоту і заважають його взаємодії з катіонами H+.

Взаємодія з кислотами

Як вільні граничні аміни, і їх водні розчини вступають у взаємодію Космосу з кислотами. При цьому утворюються солі:

Оскільки основні властивості граничних амінів сильніше виражені, ніж у аміаку, такі аміни реагують навіть із слабкими кислотами, наприклад, вугільною:

Солі амінів є твердими речовинами, добре розчинними у воді і погано в неполярних органічних розчинниках. Взаємодія солей амінів з лугами призводить до вивільнення вільних амінів, аналогічно тому, як відбувається витіснення аміаку при дії лугів на солі амонію:

2. Первинні граничні аміни реагують з азотистою кислотою з утворенням відповідних спиртів, азоту N 2 та води. Наприклад:

Характерною ознакою даної реакції є утворення газоподібного азоту, у зв'язку з чим вона є якісною на первинні аміни і використовується для їхнього розрізнення від вторинних і третинних. Слід зазначити, що найчастіше цю реакцію проводять, змішуючи амін не з розчином азотистої кислоти, а з розчином солі азотистої кислоти (нітриту) і подальшим додаванням до цієї суміші сильної мінеральної кислоти. При взаємодії нітритів з сильними мінеральними кислотами утворюється азотиста кислота, яка потім реагує з аміном:

Вторинні аміни дають в аналогічних умовах маслянисті рідини, так звані N-нітрозамином, але дана реакція в реальних завданнях ЄДІ з хімії не зустрічається. Третичні аміни з азотистою кислотою не взаємодіють.

Повне згоряння будь-яких амінів призводить до утворення вуглекислого газу, води та азоту:

Взаємодія з галогеналканами

Примітно, що така сама сіль виходить при дії хлороводню на більш заміщений амін. У нашому випадку, при взаємодії хлороводню з диметиламіном:

Отримання амінів:

1) Алкілювання аміаку галогеналканами:

У разі нестачі аміаку замість аміну виходить його сіль:

2) Відновлення металами (до водню в ряду активності) у кислому середовищі:

з подальшою обробкою розчину лугом для вивільнення вільного аміну:

3) Реакція аміаку зі спиртами при пропущенні їх суміші через нагрітий оксид алюмінію. Залежно від пропорцій спирт/амін утворюються первинні, вторинні або третинні аміни:

Хімічні властивості аніліну

Анілін - тривіальна назва амінобензолу, що має формулу:

Як можна бачити з ілюстрації, у молекулі аніліну аміногрупа безпосередньо з'єднана з ароматичним кільцем. У таких амінів, як було зазначено, основні властивості виражені набагато слабше, ніж в аміаку. Так, зокрема, анілін практично не реагує з водою та слабкими кислотами типу вугільної.

Взаємодія аніліну з кислотами

Анілін реагує з сильними та середньої сили неорганічними кислотами. При цьому утворюються солі феніламонію:

Взаємодія аніліну з галогенами

Як вже було сказано на початку цієї глави, аміногрупа в ароматичних амінах, втягнута в ароматичне кільце, що у свою чергу знижує електронну щільність на атомі азоту, і як наслідок збільшує її в ароматичному ядрі. Збільшення електронної щільності в ароматичному ядрі призводить до того, що реакції електрофільного заміщення, зокрема, реакції з галогенами протікають значно легше, особливо в орто- та параположеннях щодо аміногрупи. Так, анілін з легкістю вступає у взаємодію з бромною водою, утворюючи білий осад 2,4,6-триброманіліну:

Ця реакція є якісною на анілін і часто дозволяє визначити його серед інших органічних сполук.

Взаємодія аніліну з азотистою кислотою

Анілін реагує з азотистою кислотою, але через специфічність і складність цієї реакції в реальному ЄДІ з хімії вона не зустрічається.

Реакції алкілування аніліну

За допомогою послідовного алкілування аніліну по атому азоту галогенпохідними вуглеводнів можна отримувати вторинні та третинні аміни:

Хімічні властивості амінокислот

Амінокислотами називають сполуки в молекулах яких є два типи функціональних груп – аміно (-NH 2) і карбокси- (-COOH) групи.

Іншими словами, амінокислоти можна розглядати як похідні карбонових кислот, у молекулах яких один або кілька атомів водню заміщені на аміногрупи.

Таким чином, загальну формулу амінокислот можна записати як (NH 2) x R(COOH) y , де x і y найчастіше дорівнюють одиниці або двом.

Оскільки в молекулах амінокислот є аміногрупа і карбоксильна група, вони виявляють хімічні властивості схожі як амінів, так і карбонових кислот.

Кислотні властивості амінокислот

Утворення солей з лугами та карбонатами лужних металів

Етерифікація амінокислот

Амінокислоти можуть вступати в реакцію етерифікації зі спиртами:

NH 2 CH 2 COOH + CH 3 OH → NH 2 CH 2 COOCH 3 + H 2 O

Основні властивості амінокислот

1. Утворення солей при взаємодії з кислотами

NH 2 CH 2 COOH + HCl → + Cl

2. Взаємодія з азотистою кислотою

NH 2 -CH 2 -COOH + HNO 2 → АЛЕ-CH 2 -COOH + N 2 + H 2 O

Примітка: взаємодія з азотистою кислотою протікає так само, як і з первинними амінами

3. Алкілювання

NH 2 CH 2 COOH + CH 3 I → + I

4. Взаємодія амінокислот один з одним

Амінокислоти можуть реагувати один з одним, утворюючи пептиди – сполуки, що містять у своїх молекулах пептидний зв'язок –C(O)-NH-

При цьому слід зазначити, що у разі проведення реакції між двома різними амінокислотами, без дотримання деяких специфічних умов синтезу, одночасно протікає утворення різних дипептидів. Так, наприклад, замість реакції гліцину з аланіном вище, що призводить до гліцилананіну, може відбутися реакція, що призводить до аланілгліцину:

Крім того, молекула гліцину не обов'язково реагує з молекулою аланіну. Протікають також реакції пептизації між молекулами гліцину:

І аланіна:

Крім цього, оскільки молекули пептидів, що утворюються, як і вихідні молекули амінокислот містять аміногрупи і карбоксильні групи, самі пептиди можуть реагувати з амінокислотами та іншими пептидами, завдяки утворенню нових пептидних зв'язків.

Окремі амінокислоти використовуються для синтетичних поліпептидів або так званих поліамідних волокон. Так, зокрема, за допомогою поліконденсації 6-аміногексанової (ε-амінокапронової) кислоти в промисловості синтезують капрон:

Отримана в результаті цієї реакції капронова смола використовується для виробництва текстильних волокон і пластмас.

Утворення внутрішніх солей амінокислот у водному розчині

У водних розчинах амінокислоти існують переважно у вигляді внутрішніх солей - біполярних іонів (цвіттер-іонів).

Амінокислоти, білки та пептидиє прикладами сполук, описаних далі. Багато біологічно активних молекул включають кілька хімічно різних функціональних груп, які можуть взаємодіяти між собою і з функціональними групами один одного.

амінокислоти.

Амінокислоти- органічні біфункціональні сполуки, до складу яких входить карбоксильна група; СООН, а аміногрупа - NH 2 .

Поділяють α і β - амінокислоти:

У природі зустрічаються переважно α -кислоти. До складу білків входять 19 амінокислот та ода імінокислота ( З 5 Н 9NO 2 ):

Найпростіша амінокислота- Гліцин. Інші амінокислоти можна розділити на такі основні групи:

1) гомологи гліцину – аланін, валін, лейцин, ізолейцин.

Одержання амінокислот.

Хімічні властивості амінокислот.

Амінокислоти- це амфотерні сполуки, т.к. містять у своєму складі 2 протилежні функціональні групи - аміногрупу та гідроксильну групу. Тому реагують і з кислотами та з лугами:

Кислотно-основні перетворення можна у вигляді:

Амінокислоти містять аміно- та карбоксильну групи і виявляють всі властивості, характерні для сполук з такими функціональними групами. При написанні реакцій амінокислот користуються формулами з неіонізованими аміно-і карбоксигруп.

1) реакції по аміногрупі. Аміногрупа в амінокислотах виявляє звичайні властивості амінів: аміни є основами, а реакціях виступають у ролі нуклеофілів.

1. Реакція амінокислот як основи. При взаємодії амінокислоти з кислотами утворюються амонійні солі:

хлоргідрат гліцину, хлороводнева сіль гліцину

2. Дія азотистої кислоти. При дії азотистої кислоти утворюються гідроксикислоти та виділяється азот та вода:

Цю реакцію використовують для кількісного визначення вільних амінних груп в амінокислотах, а також у білках.

3. Освіта N – ацильних похідних, реакція ацилювання.

Амінокислоти реагують з ангідридами та галогенангідридами кислот, утворюючи N - ацильні похідні амінокислот:

Бензиловий ефір натрієва сіль N карбобензоксигліцин - хлормурашиною гліцину

Ацилювання - один із способів захисту аміногрупи. N-ацильні похідні мають велике значення при синтезі пептидів, так як N-ацилпохідні легко гідролізуються з утворенням вільної аміногрупи.

4. Освіта основ Шиффа. При взаємодії a - амінокислот з альдегідами утворюються заміщені іміни (підстави Шиффа) через стадію утворення карбіноламінів:

аланін формальдегід N-метилольне похідне аланіну

5.Реакція алкілування. Аміїногрупа в a-амінокислоті алкілюється з утворенням N – алкілпохідних:

Найбільше значення має реакція з 2,4 – динітрофторбензолом. Динітрофенільні похідні (ДНФ-похідні), що отримуються, використовуються при встановленні амінокислотної послідовності в пептидах і білках. Взаємодія a-амінокислот з 2,4-динітрофторбензолом є прикладом реакції нуклеофільного заміщення у бензольному ядрі. За рахунок наявності в бензольному кільці двох сильних електроноакцепторних груп галоген стає рухомим і вступає в реакцію заміщення:

2,4 – динітро -

фторбензол N - 2,4 - динітрофеніл - a - амінокислота

(ДНФБ) ДНФ – похідні a – амінокислот

6.Реакція з фенілізотіоціанатом. Ця реакція широко використовується для встановлення будови пептидів. Фенілізотіоціанат є похідним ізотіоціанової кислоти H-N=C=S. Взаємодія a - амінокислот з фенілізотіоціанатом протікає механізмом реакції нуклеофільного приєднання. У продукті, що утворився далі здійснюється внутрішньомолекулярна реакція заміщення, що призводить до утворення циклічного заміщеного аміду: фенілтіогідантоїн.

Циклічні сполуки виходять з кількісним виходом і є фенільні похідні тіогідантоїну (ФТГ - похідні) - амінокислот. ФТГ - похідні відрізняються будовою радикалу R.

Крім звичайних солей a-амінокислоти можуть утворювати в певних умовах внутрішньокомплексні солі з катіонами важких металів. Для всіх a - амінокислот дуже характерні красиво кристалізуються, інтенсивно забарвлені в синій колір внутрішньокомплексні (хелатні) солі міді):
Етиловий ефір аланіну

Утворення складних ефірів - один із методів захисту карбоксильної групи у синтезі пептидів.

3.Утворення галогенангідридів. При дії на a-амінокислоти із захищеною аміногрупою оксидихлоридом сірки (тіонілхлоридом) або оксид-трихлоридом фосфору (хлорокис фосфору) утворюються хлорангідриди:

Отримання галогенангідридів - один із способів активації карбоксильної групи в синтезі пептидному.

4. Отримання ангідридів a – амінокислот. Галогенангідриди мають дуже високу реакційну здатність, що знижує селективність реакції при їх використанні. Тому найчастіше використовуваний спосіб активації карбоксильної групи в синтезі пептидів - це перетворення її на ангідридну. Ангідриди в порівнянні з галогенангідридами кислот мають меншу активність. При взаємодії a-амінокислоти, що має захищену аміногрупу, з етиловим ефіром хлормурашиної кислоти (етилхлорформіатом) утворюється ангідридний зв'язок:

5. Декарбоксилювання. a - Амінокислоти, що мають дві електроноакцепторні групи при одному і тому ж атомі вуглецю, легко декарбоксилюються. Ця реакція протікає в організмі за участю ферментів декарбоксилаз з утворенням біогенних амінів:

нінгідрин

Відношення амінокислот до нагрівання. При нагріванні a-амінокислот утворюються циклічні аміди, які називаються дикетопіперазинами:

Дикетопіперазин

g - і d - Амінокислоти легко відщеплюють воду і циклізуються з утворенням внутрішніх амідів, лактамів:

g - лактам (бутіролактам)

У тих випадках, коли аміно- та карбоксильна групи розділені п'ятьма і більше вуглецевими атомами, при нагріванні відбувається поліконденсація з утворенням поліамідних полімерних ланцюгів з відщепленням молекули води.

Амінокислоти (АК) - органічні молекули, які складаються з основної аміногрупи (-NH 2), кислотної карбоксильної групи (-СООН), та органічної R радикала (або бічного ланцюга), яка є унікальною для кожної АК

Структура амінокислот

Функції амінокислот в організмі

Приклади біологічних властивостей АК. Хоча в природі зустрічається більше 200 різних АК тільки близько однієї десятої з них включаються до білків, інші виконують інші біологічні функції:

• Вони будівельні блоки білків та пептидів
• Попередники багатьох біологічно важливих молекул, похідних АК. Наприклад, тирозин є попередником гормону тироксину та пігменту шкіри меланіну, тирозин також попередник сполуки ДОФА (діокси-фенілаланіну). Це нейромедіатор передачі імпульсів у нервовій системі. Триптофан є попередником вітаміну В3 – нікотинової кислоти
• Джерела сірки - сірковмісні АК.
• АК беруть участь у багатьох метаболічних шляхах, таких як глюконеогенез – синтез глюкози в організмі, синтез жирних кислот та ін.

Залежно від положення аміногрупи щодо карбоксильної групи АК можуть бути альфа, -, бета, - і гамма,.

Альфа - аміногрупа приєднана до вуглецю, що примикає до карбоксильної групи:

Бета - аміногрупа знаходяться на 2-му вуглеці від карбоксильної групи

Гамма - аміногрупа на 3-му вуглеці від карбоксильної групи

До складу білків входять лише альфа-АК

Загальні властивості альфа-АК білків

1 - Оптична активність - властивість амінокислот

Усі АК, крім гліцину, проявляють оптичну активність, т.к. містять принаймні один асиметричний атом вуглецю (хіральний атом)

Що таке асиметричний атом вуглецю? Це атом вуглецю, до якого приєднані чотири різні хімічні заступники. Чому гліцину не виявляє оптичної активності? У його радикалі лише три різних заступника, тобто. альфа-вуглець не асиметричний.

Що означає оптична активність? Це означає, що АК у розчині може бути присутнім у двох ізомерах. Правообертальний ізомер (+), який має здатність обертати площину поляризованого світла вправо. Лівообертальний ізомер (-), який має здатність обертати площину поляризації світла вліво. Обидва ізомери можуть обертати площину поляризації світла на ту саму величину, але в протилежному напрямку.

2 - Кислотно-основні властивості

Внаслідок їх здатності до іонізації можна записати наступну рівновагу цієї реакції:

R-СООН<------->R-C00 - + H +

R-NH 2<--------->R-NH 3 +

Оскільки ці реакції оборотні це означає, що вони можуть діяти як кислоти (пряма реакція) або як основи (зворотна реакція), що пояснює амфотерні властивості амінокислот.

Цвіттер іон - властивість АК

Усі нейтральні амінокислоти при фізіологічному значенні рН (близько 7,4) присутні як цвіттеріони – карбоксильна група непротонована та аміногрупа протонована (рис.2). У розчинах більш основних, ніж ізоелектрична точка амінокислоти (ІЕТ), аміногрупа -NH3+ в АК жертвує протон. У розчині кислішому, ніж ІЕТ АК, карбоксильна група -СОО - в АК приймає протон. Таким чином, АК іноді веде себе як кислота, в інші часи як основа в залежності від рН розчину.

Полярність як загальна властивість амінокислот

При фізіологічному рН АК присутні як цвіттер іони. Позитивний заряд несе альфа-аміногрупа, а негативний карбонова. Таким чином, створюється два протилежні заряди з обох кінців молекули АК, молекула має полярні властивості.

Наявність ізоелектричної точки (ІЕТ) - властивість амінгокислот

Значення рН, у якому чистий електричний заряд амінокислоти дорівнює нулю, і, отже, вона може переміщатися в електричному полі називається ИЭТ.

Здатність поглинати в ультрафіолеті – властивість ароматичних амінокислот

Фенілаланін, гістидин, тирозин та триптофан поглинають при 280 нм. На рис. відображено значення молярного коефіцієнта екстинкції (ε) цих АК. У видимій частині спектра амінокислоти не поглинають, отже вони безбарвні.

АК можуть бути присутніми у двох варіантах ізомерів: L-ізомеру та D- ізомери, які є дзеркальними відображеннями, і відрізняються розташуванням хімічних груп навколо атома вуглецю.

Всі амінокислоти в білках в L-конфігурації, L-амінокислоти.

Фізичні властивості амінокислоти

Амінокислоти в основному водорозчинні, що пояснюється їхньою полярністю та наявністю заряджених груп. Вони розчиняються в полярних і не розчиняються в неполярних розчинниках.

АК мають високу температуру плавлення, що відображає наявність сильних зв'язків, що підтримують їхню кристалічну решітку.

Загальнівластивості АК є загальним для всіх АК і в багатьох випадках визначаються альфа-аміногрупою та альфа-карбоксильною групою. АК мають і специфічні властивості, які диктуються унікальним бічним ланцюгом.

Хімічні властивості а-амінокислот визначаються, в загальному випадку, наявністю в одного і того ж атома вуглецю карбоксильної та амінної груп. Специфіка бічних функціональних груп амінокислот визначає відмінності в їхній реакційній здатності та індивідуальності кожної амінокислоти. Властивості бічних функціональних груп виходять першому плані в молекулах поліпептидів і білків, тобто. після того, як амінна та карбоксильна група свою справу зробили – утворили поліамідний ланцюжок.

Отже, хімічні властивості власне амінокислотного фрагмента поділяються на реакції амінів, реакції карбонових кислот та властивості, зобов'язані взаємному їхньому впливу.

Карбоксильна група проявляє себе в реакціях зі лугами - утворюючи карбоксилати, зі спиртами - утворюючи складні ефіри, з аміаком та амінами - утворюючи аміди кислот, а-амінокислоти досить легко декарбоксилюються при нагріванні та при дії ферментів (схема 4.2.1).

Ця реакція має важливе фізіологічне значення, оскільки її реалізація in vivo призводить до утворення відповідних біогенних амінів, що виконують низку специфічних функцій живих організмів. При декарбоксилюванні гістидину утворюється гістамін, що має гормональну дію. В організмі людини він знаходиться у зв'язаному вигляді, звільняється при запальних та алергічних реакціях, анафілактичному шоці, викликає розширення капілярів, скорочення гладкої мускулатури, різко підвищує секрецію соляної кислоти у шлунку.

Також, реакцією декарбоксилювання, разом з реакцією гідроксилювання ароматичного циклу, з триптофану утворюється інший біогенний амін - серотонін. Він міститься у людини в клітинах кишечника в тромбоцитах, в отрутах кишковопорожнинних, молюсків, членистоногих та земноводних, зустрічається в рослинах (бананах, каві, обліпихі). Серотонін виконує медіаторні функції у центральній та периферичній нервовій системах, впливає на тонус кровоносних судин, підвищує стійкість капілярів, збільшує кількість тромбоцитів у крові (схема 4.2.2).

Аміногрупа амінокислот проявляє себе в реакціях із кислотами, утворюючи амонійні солі, ацилюється

Схема 4.2.1

Схема 4.2.2

і алкілується при взаємодії з галогенангідридами та галогеналкілами, з альдегідами утворює підстави Шиффа, а з азотистою кислотою, як і звичайні первинні аміни, утворює відповідні гідроксипохідні, в даному випадку оксикислоти (схема 4.2.3).

Схема 4.2.3

Одночасна участь аміногрупи та карбоксильної функції у хімічних реакціях досить різноманітна. а-Амінокислоти утворюють комплекси з іонами багатьох двовалентних металів - ці комплекси побудовані за участю двох молекул амінокислот на один іон металу, при цьому метал утворює з лігандами зв'язку двох типів: карбоксильна група дає з металом іонний зв'язок, а аміногрупа бере участь у своїй неподіленій електронній парі, координується на вільні орбіталі металу (донорно-акцепторний зв'язок), даючи так звані хелатні комплекси (схема 4.2.4, метали розташовані в ряд за стійкістю комплексів).

Так як у молекулі амінокислоти присутня одночасно і кислотна і основна функція, то безумовно взаємодія між ними неминуче – воно призводить до утворення внутрішньої солі (цвіттер-іона). Оскільки це сіль слабкої кислоти і слабкої основи, то водному розчині вона легко гидролизоваться, тобто. система рівноважна. У кристалічному стані амінокислоти мають суто цвіттер-іонну структуру, звідси високі ці речовини (схема 4.2.5).

Схема 4.2.4

Схема 4.2.5

Нінгідринна реакція має велике значення для виявлення амінокислот при їх якісному та кількісному аналізі. Більшість амінокислот реагує з нінгідрином, виділяючи відповідний альдегід, при цьому розчин забарвлюється в інтенсивний синьо-фіолетовий колір (нм), розчини помаранчевого кольору (нм) дають лише пролін та оксипролін. Схема реакції досить складна і її проміжні стадії не зовсім зрозумілі, забарвлений продукт реакції зветься "фіолетовий Руемана" (схема 4.2.6).

Дикетопіперазини утворюються при нагріванні вільних амінокислот, а краще при нагріванні ефірів.

Схема 4.2.6

Продукт реакції можна визначити за структурою – як похідне гетероциклу піразину, за схемою реакції – як циклічний подвійний амід, оскільки утворюється він взаємодією аміногруп з карбоксильними функціями за схемою нуклеофільного заміщення (схема 4.2.7).

Утворення поліамідів а-амінокислот є різновидом вищеописаної реакції утворення дикепіперазинів, причому тієї

Схема 4.2.7

Схема 4.2.8

різновидом, заради якої напевно Природа і створила цей клас з'єднань. Суть реакції полягає в нуклеофільній атаці амінної групи однієї а-амінокислоти за карбоксильною групою другої а-амінокислоти, тоді як амінна група другої амінокислоти послідовно атакує карбоксильну групу третьої амінокислоти і т.д. (Схема 4.2.8).

Результатом реакції є поліамід або поліпептид. Відповідно фрагмент -CO-NH-називають пептидною ланкою або пептидним зв'язком.