Программа блока гетерофункциональные углеводороды

• Название: Программа блока гетерофункциональные углеводороды
• Анкор: Lektsii_po_geterozameshennym_uglevodorodam.doc
• Дата: 27.09.2017
• Размер: 6.9 Mb.
• Имя файла: Lektsii_po_geterozameshennym_uglevodorodam.doc
• Тип: Программа; #8993
• страница: 9 из 18

Физические свойства. Аминокислоты – бесцветные кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде, трудно растворимые в органических растворителях, с высокой температурой плавления (230–300ºС), с высокой плотностью. Аномально высокие температуры плавления аминокислот связаны с биполярной структурой их твердой фазы.
Таблица – 2 Физические свойства аминокислот

Название	Тплав-ления, оС	(pI)	pКа	Раствори-мость в воде при 25 оС Г / 100 г	Удельное вращение L-ряда (S) [α]D25 (H2O)
Глицин	293	5,97	2,34; 9,60	25
Аланин	297	6,02	2,35; 9,69	16,6	+1,8
Валин	315	5,97	2,32; 9,62	8,85	+5,6
Лейцин	337	5,98	2,36; 9,60	2,2	–11
Изолейцин	284	6,02	2,36; 9,68	4,12	+12,4
Серин	228	5,68	2,21; 9,15	5	–7,5
Треонин	253	6,53	2,63; 10,43	20,5	–28,5
Аспарагино-вая кислота	270	2,97	2,09 (α-COOH) 3,86 (β-COOH) 9,82	0,5	+5,0
Аспарагин	236	5,41	2,02; 880	2,5	–5,6
Глутамино-вая кислота	249	3,22	2,19 (α-COOH) 4,25 (y-COOH) 9,67	0,84	+12,6
Глутамин	185	5,65	2,17; 9,13	4,2	+6,3
Лизин	224	9,74	2,18; 8,95(α-NH2) 10,53 (ε-NH2)	хорошо растворим	+13,5
Аргинин	238	10,76	2,17; 9,04(α-NH2) 12,48 (ион гуанидия)	15	+12,5
Гистидин	277	7,58	1,82; 6,0 (имидазол); 9,17	4,3	–38,5
Фенил-аланин	275	5,98	1,83; 9,13		–34,5
Тирозин	344	5,65	2,20; 9,11 (α-NH2) 10,07 (–OH)		–10 (5М HCl)
Триптофан	282	5,88	2,38; 9,39	1,14	–33,7
Цистеин	178 (хлор-гидрат)	5,02	1,71; 8,33 (–SH) 10,78 (α-NH2)	хорошо растворим	–16,5
Цистин	260	5,06	1,65; 2,26 (COOH) 7,85; 9,85 (α-NH2)	0,011	–211,9 (1М HCl)
Метионин	283	5,75	2,38; 9,39	3,5	–9,8
Пролин	222	6,10	1,99; 10,60	16,2	–
Оксипролин	270	5,83	1,92; 9,73	36,1	–

Аминокислоты лучше растворимы в воде, чем в органических растворителях (например, в этаноле, диэтиловом эфире). Эти свойства указывают на солеобразный характер аминокислот, который является следствием взаимодействия карбоксильных групп с аминогруппами. Многие α-аминокислоты имеют сладкий вкус.

Наличие в молекуле кислотной (-COOH) и основной (-NH₂) групп создаёт возможность образования внутренних солей – бетаинов.

Карбоксильная группа находится в них в неионизированном состоянии.

В таком виде существуют и другие аминокислоты (α, β, γ, δ, …) кроме аминоаренкарбоновых кислот.

В водных растворах осуществляют равновесие между катионом и анионом бетаина.

Соотношение определяется константой ионизации. Максимальное содержание бетаина соответствует минимальной электропроводности – называется изоэлектрической точкой – pH_i

Особенности физических свойств алифатических аминокислот:

• 
  бесцветные высокоплавкие кристаллические вещества;
  
• 
  строение внутренних солей плавятся с разложением в диапазоне от 220 ^оС (серин, пролин) до 340 ^оС и выше (валин, тирозин);
  
• 
  растворимость в воде варъирует в широких пределах и определяется природой радикала и главным образом наличием в молекуле гидрофильных и гидрофобных группировок. К первым относятся амино-, гидрокси- и меркаптогруппы, ко вторым – неполярные углеводородные фрагменты;
  
• 
  растворимость в спирте много выше, чем в воде;
  
• 
  практически не растворяются в эфире, хлороформе и других органических растворителях.
  

Особенности физических свойств ароматических аминокислот:

• 
  существуют в основном в неиоизироваррой форме (три изомера аминобензойных кислот);
  
• 
  мало растворимы в воде (0,4–0,6 %, что намного ниже растворимости близкого по структуре, но ионизированного фенилаланина);
  
• 
  значительно лучше растворимы в спирте и эфире (от 2 до 16%).
  

Химические свойства аминокислот

Реакционная способность гетерофункциональных карбоновых кислот определяется:

• 
  реакционной способностью каждой функциональной группы;
  
• 
  взаимным влиянием функциональных групп друг на друга;
  
• 
  участием в реакции обеих функциональных групп.
  

Аминокислоты как гетерофункциональные соединения вступают в большинство реакций, характерных для карбоновых кислот и аминов. Наличие в молекулах аминокислот двух различных функциональных групп приводит к появлению ряда специфических свойств, которые в общих чертах сходны со свойствами гидроксикислот. Имеющиеся в молекулах аминокислот карбоксильная группа (электрофильный центр) и аминогруппа (нуклеофильный центр) способны взаимодействовать с образованием амидной группировки. Это взаимодействие в зависимости от расположения функциональных групп в молекуле может протекать межмолекулярно или внутримолекулярно.

1. 
   Кислотно-основные свойства аминокислот
   

Аминокислоты – амфотерные вещества, которые могут существовать в виде катионов или анионов. Это свойство объясняется наличием как кислотной (–СО₂Н), так и основной (–NH₂) группы в одной и той же молекуле.

В очень кислых растворах NH₂-гpyппa аминокислоты протонируется, и эта кислота становится катионом. В сильнощелочных растворах карбоксильная группа аминокислоты депротонируется и кислота превращается в анион.

В твердом состоянии аминокислоты существуют в виде цвиттер-ионов (известных также под названием диполярных ионов или внутренних солей). В подобных цвиттер-ионах протон переносится от карбоксильной группы к аминогруппе.

Если поместить аминокислоту в среду, обладающую проводимостью, и опустить туда пару электродов, то в кислых растворах аминокислота будет мигрировать к катоду, а в щелочных растворах – к аноду. При некотором значении рН, характерном для данной аминокислоты, она не будет передвигаться ни к катоду, пи к аноду, так как каждая молекула находится в виде цвиттер-иона (иными словами, она несет как положительный, так и отрицательный заряды). Это значение рН называется изоэлектрической точкой (pI) данной аминокислоты (таблица 2). Изоэлектрическая точка аминокислот редко равна 7, так как зависит от кислотности иона алкиламмония, оснoвности карбоксилат-аниона, влияния на них радикала и присутствия любой дополнительной основной или кислотной группы.

При пропускании постоянного тока через раствор, содержащий смесь нескольких аминокислот, каждая из них будет двигаться к катоду или аноду со скоростью, зависящей от природы этой аминокислоты и от рН среды. Разделение и анализ смесей аминокислот, oснованные на этом явлении, называются электрофорезом.

2. 
   Аминокислоты как биполярные ионы. Хотя аминокислоты обычно изображают как соединения, содержащие амино- и карбоксильную группу H₂NCHRCOOH, некоторые их свойства, как физические, так и химические, не согласуются с этой структурой:
   

• 
  в противоположность аминам и карбоновым кислотам аминокислоты представляют собой нелетучие кристаллические вещества, плавящиеся с разложением при довольно высокой температуре;
  
• 
  они не растворимы в неполярных растворителях типа петролейного эфира, бензола или эфира и заметно растворимы в воде;
  
• 
  их водные растворы ведут себя подобно растворам веществ с высоким дипольным моментом;
  
• 
  константы кислотности и основности для групп СООН и NH₂ необычайно малы.
  

Все эти свойства вполне соответствуют структуре диполярного иона для аминокислот H₃N⁺–CHR–COO^–. Физические свойства – температура плавления, растворимость, высокие дипольные моменты – отвечают ожидаемым для подобных солей. Кислотно-основные свойства также становятся понятными, если учесть, что измеряемая К_а в действительности относится к кислотности иона аммония RNH₃⁺




а К_b в действительности относится к основности карбоксилат-иона



В водном растворе кислотность и основность кислоты и ее сопряженного основания (например, СН₃СООН и СН₃СОО^– или СH₃NH₃⁺ и CH₃NH₂) связаны уравнением К_а·К_b = 10^-14. На этом основании можно рассчитать, что К_а = 1,6×10^–10 для NH₃⁺-группы глицина означает К_b= 6,3×·10^-5для NН₂-группы, что кажется вполне приемлемой величиной для алифатического амина. Аналогично К_b = 2,5×10^–12 для группы СОО^– глицина означает, что К_а = 4×10^–3 для СООН-группы, что кажется вполне приемлемой величиной для карбоновой кислоты, содержащей сильную электроноакцепторную (увеличивающую кислотность) NH₃⁺-гpyппy.

При подщелачивании раствора аминокислоты диполярный ион I превращается в анион II; более сильное основание, гидроксил-ион, отрывает протон от иона аммония и вытесняет более слабое основание — амин

Если подкислить раствор аминокислоты, то диполярный ион I превращается в катион III; более сильная кислота Н₃О⁺ отдает протон карбоксилат-иону и вытесняет более слабую карбоновую кислоту

Итак, кислой группой в простых аминокислотах типа глицина является не СООН^–, a NH₃-гpyппa, а основной — не NH₂-гpyппa, а группа COО^–.

Необходимо иметь в виду, что ионы II и III, содержащие свободную NH₂- или СООН-группу, находятся в равновесии с диполярным ионом I; поэтому аминокислоты вступают в реакции, характерные для аминов и карбоновых кислот. По мере удаления иона II, например при реакции с бензоилхлоридом, равновесие сдвигается в сторону образования иона II, так что постепенно аминокислота полностью бензоилируется.

В тех случаях, когда это возможно, желаемую реакцию можно ускорить, создавая нужную концентрацию кислоты или основания в растворе так, чтобы увеличить концентрацию реакционноспособной частицы.

Изоэлектрическая точка аминокислот

Если раствор аминокислоты поместить в электрическое поле, то в зависимости от кислотности или основности раствора будет наблюдаться различная картина. В сильнощелочном растворе концентрация анионов II превышает концентрацию катионов III и наблюдается миграция аминокислоты по направлению к аноду.

В сильнокислом растворе имеется значительный избыток катионов III и будет наблюдаться миграция аминокислоты к катоду. Если концентрации ионов II и III равны друг другу, то не будет наблюдаться никакого видимого движения; в этих условиях любая молекула одно и то же время проводит в состоянии и катиона и аниона, поэтому любое незначительное смещение в направлении одного из электродов немедленно компенсируется равным смещением в направлении другого электрода. Концентрация ионов водорода, при которой данная аминокислота не движется под влиянием электрического поля, называется изоэлектрической точкой данной аминокислоты.

Моноаминомонокарбоновая кислота H₃N⁺CHRCOO^–имеет несколько большую величину кислотности по сравнению с основностью (например, для глицина К_а — 1,6 · 10^–10, а К_ь = 2,5 · 10^–12). Если кристаллы такой аминокислоты прибавить к воде, то образующийся раствор будет содержать больше анионов II (H₂NCHRCOO^–), чем катионов III (H₃N⁺CHRCOOH). Эту «избыточную» ионизацию иона аммония в амин (I < = > II + Н⁺) можно подавить прибавлением кислоты для того, чтобы была достигнута изоэлектрическая точка, которая вследствие этого будет несколько сдвинута в область кислых значений рН. Например, для глицина изоэлектрическая точка лежит при рН 6,1. Аминокислота обычно обнаруживает самую низкую растворимость в растворе при изоэлектрической точке, поскольку при этом концентрация диполярного иона максимальна. Если же раствор будет более щелочным или более кислым, то тем самым увеличивается концентрация одного из более растворимых ионов (II или III).

3. 
   Комплексные соли с ионами меди
   

Аминокислоты с ионами переходных металлов (Сu, Zn, Co, Pb, Ag, Hg) образуют прочные хелатные комплексы (от греч. сhele – клешня). Малорастворимые хелаты меди (II) имеют глубокую синюю окраску, они устойчивы в щелочной среде и используются для обнаружения α-аминокислот.

4. 
   Образование медной соли аминоуксусной кислоты. В комплексной медной соли аминоуксусной кислоты двувалентная медь связана ковалентными связями с атомами кислорода карбоксильных групп и дополнительными связями с неподелёнными парами электронов аминогрупп. В растворе отсутствуют ионы Cu²⁺, поэтому при добавлении раствора щёлочи осадка гидроксида меди (II) не образуется. Взаимодействие аминоуксусной кислоты с оксидом меди (II):
   

5. Реакции по карбоксильной группе (при защищенной аилированием или солеобразованием аминогруппе) аналогичны реакциям карбоновых кислот, которые образуют соли, сложные эфиры, амиды, ангидриды и т.д.

5.1 Декарбоксилирование (элиминирование СО₂ из карбоксильной группы) при нагревании аминокислот в присутствии Ba(OH)₂ с образованием аминов, легко протекает при наличии в α-положении ЭА-групп


5.1.1



5.1.2



5.1.3


5.1.4 Реакция декарбоксилирования используется для идентификации соответствующих кислот по образованию СО₂.

В живых организмах эта реакция протекает под воздействием ферментов-декарбоксилаз. При этом образуются биогенные амины, обладающие высокой физиологической активностью. При карбоксилировании аминокислоты гистидина образуется гистамин, который снижает кровяное давление и усиливает действие желез внутренней секреции:

Декарбоксилирование глутаминовой кислоты приводит к образованию γ-масляной кислоты – главного тормозного медиатора системы.

Некоторые амины обладают ярко выраженной биологической активностью, и декарбоксилирование аминокислот служит важным источником их возникновения. Особенно существенным является образование дофамина при декарбоксилировании диоксифенилаланина, поскольку дофамин — это биологический предшественник адреналина.


Декарбоксилирование глутаминовой кислоты играет важную роль, так как возникающую в результате реакции y-аминомасляную кислоту можно рассматривать как природный «транквилизатор».

Декарбоксилаза глутаминовой кислоты нуждается в присутствии пиридоксальфосфата для того, чтобы катализировать превращение глутаминовой кислоты в у-аминомасляную. Животные, пища которых не содержит пиридоксина (предшественника пиридоксальфосфата), страдают судорогами, напоминающими эпилепсию. Потребность живых организмов в «витамине В₆» — группе соединений, включающей пиридоксаль, пиридоксин и пиридоксамин, связана с тем, что около двадцати биологических реакций аминокислот нуждаются в пиридоксальфосфате в качестве «кофермента».

1. 
   Взаимодействие с основаниями. Существование бетаинов даёт возможность образованию обычных солей. В результате взаимодействия глицина с гидроксидом натрия получается соль глицинат натрия и вода.
   

2. 
   Превращение карбоксильной группы в галогенангидридную. При действии на аминокилоту хлорида фосфора (V) образуются соли её хлорангидрида:
   

Нейтрализация кислоты (HCl) приводит к образованию очень неустойчивых свободных хлорангидридов.

3. 
   Образование комплексонов. С ионами тяжёлых металлов образуются соли, в которых возможна внутрикомплексная связь.
   

Наиболее известным комплексоном является этилендиаминтетрауксусная кислота.

4. 
   Образование сложных эфиров (этерификация).
   

Карбоксильная группа аминокислоты легко этерифицируется обычными методами. Например, метиловые эфиры получают, пропуская сухой газообразный хлористый водород через раствор аминокислоты в метаноле.

Если спирт не является жидкостью, реакцию можно проводить в инертном растворителе. Воду, которая при этом образуется, отгоняют. Одним из широко применяемых кислотных катализаторов является n-толуолсульфокислота (сильная органическая кислота). В качестве примера ниже показано получение бензилового эфира глицина.

Реакции по аминогруппе:

Они аналогичны превращениям аминов, легко образуют с минеральными кислотами, легко ацилируются и алкилируются.

1. 
   Ацилирование (образование амидов по аминогруппе). При нагревании с карбоновыми кислотами, их ангидридами и хлорангидридами аминокислоты ацилируются с образованием N-замещенных аминокислот:
   

Ангидриды и хлорангидриды, как сильные ацилирующие реагенты, вступают в реакцию с аминокислотами при комнатной температуре. Реакции с кабоновыми кислотами протекают в более жестких условиях (при нагревании).

2. 
   Алкилирование. Подобно аминам, α-аминокислоты можно алкилировать алкилгалогенидами. В этой реакции образуются смеси с различной степенью алкилирования, а также триалкильные производные, которые обладают четвертичным атомом азота и называются бетаинами.
   

У животных и растений аминокислоты могут подвергаться полному метилированию с образованием бетаинов, которые обладают значительным запасом энергии и являются донорами метильных групп в метаболических процессах, не требующих дополнительного источника энергии. В настоящее время выделены бетаины глицина, триптофана, пролина, y-масляной кислоты.

3. 
   Взаимодействие с альдегидами. Аминокислоты, подобно певичным аминам, реагируют с альдегидами с образованием оснований Шиффа (азометинов):
   

Эта реакция лежит в основе титрования аминокислот. Вследствие амфотерности аминокислоты не могут быть оттитрованы щелочью, но после обработки формальдегидом у них остается свободной только СООН-группа, которая может быть количественно оттитрована.

4. 
   Дезаминирование (диазотирование): Реакция, при которой аминокислота теряет свою аминогруппу.
   

Удаление аминогруппы из молекулы амнокислоты может осуществляться под действием азотистой кислоты, воды, при нагревании, а также ферментативно.

Под действием азотистой кислоты через неустойчивые соли диазония образуются оксикарбоновые кислоты и выделяется молекулярный азот:

Возможно гидролитическое дезаминирование аминокислот:

При нагревании некоторые аминокислоты могут отщеплять аммиак с образованием непредельных карбоновых кислот:

В живых организмах дезаминирование осуществляется под действием ферментов несколькими путями: восстановлением (а), окислением (б) и гидролизом.

Восстановительное дезаминирование. Реакция характерна для некоторых микроорганизмов. В качестве примера можно назвать превращение аспарагиновой кислоты в фумаровую кислоту и аммиак под действием фермента аспартазы.

Окислительное дезаминирование – наиболее распространенный (встречается в основном у бактерий и грибов) в природе процесс:

Для того чтобы полностью прошла реакция окислительного дезаминирования, например превращение аланина в пировиноградную кислоту, фермент, катализирующий эту реакцию, нуждается в окислительном (дегидрирующем) агенте. Обычным акцептором водорода в таких системах служит ФАД (флавинадениндинуклеотид), который переходит в восстановленную форму, сокращенно обозначаемую ФАД-Н₂. Окислительное дезаминирование осуществляется через образование промежуточного имина. Ниже приведены два уравнения, описывающие дезаминирование аланина до пировиноградной кислоты: первое из них написано химиком-органиком, второе — биохимиком.

Реакции дезаминирования позволяют организму удалять избыток аминокислот, однако концентрация нежелательных азотистых веществ в системе при этом повышается. Высокие концентрации аммиака токсичны для организма, который стремится поэтому освободиться от аммиака или его производных. Организмы, обитающие в воде, выделяют аммиак непосредственно в окружающую среду. Поскольку наземные организмы лишены такой возможности, они выделяют лишний азот в виде твердых веществ — мочевины или мочевой кислоты.

5. 
   Взаимодействие с кислотами. В результате получаем солянокислый глицин (соль).
   

6. 
   Переаминирование аминокислот с участием пиридоксальфосфата и аминотрансфераз, в результате чего аспарагиновая кислота превращается в щавелевоуксусную кислоту, а пиридоксальфосфат – в пиридоксаминофосфат. Последний участвует в аминировании α-кетокислот, например, при биосинтезе глутаминовой кислоты из D-глюкозы.
   

Реакции с одновременным участием карбоксильной и аминогруппы:

1. 
   Межмолекулярная дегидратация (отношение к нагреванию). В зависимости от положения аминогруппы аминокислоты при нагревании ведут себя по-разному.
   

• 
  α-аминокислоты образуют циклические амиды с устойчивым шестичленным циклом – дикетопиперазины (при этом аминогруппа одной молекулы аминокислоты взаимодействует с карбоксильной группой другой молекулы и наоборот), нециклические – пептиды, линейные амиды и полиамиды:
  

1,1-амидные группы



глицин дикетопиперазин
Дикетопиперазины способны гидролизоваться до исходных α-аминокислот.Дикетопиперазины можно рассматривать как замещенные амиды, содержащие две амидные группировки. Название дикетопиперазины связано с названием шестичленного гетероцикла пиразина.

• 
  β-аминокислоты отщепляют аминогруппу и атом водорода у α-углеродного атома с образованием α,β-непредельной кислоты:
  

Причиной такой реакции является высокая подвижность атомов водорода, находящихся рядом с карбоксильной группой (влияние σ, π-сопряжения).

Способность β-аминокислот вступать в реакции элиминирования обусловлена тем, что за счет –I-эффекта двух электроноакцепторных групп у α-атома углерода возникает СН-кислотный центр и атом водорода становится способным отщепляться в виде протона.

В специальных условиях β-аминокислоты образуют β-лактамы:

• 
  y,δ-аминокислоты образуют внутренние (циклические) амиды – лактамы, которые самопроизвольно могут переходить в таутомерную y-лактимную форму:
  

δ-валеролактам
Получение лактамов объясняется пространственным сближением амино- и карбоксильной групп (за счет свободного вращения вокруг С–С- и С–N-связей и образования клешневидной конформации), а также устойчивостью 5- и 6-членных циклов, образующихся в этих реакциях.

у-Аминокислоты, подобно y-гидроксикислотам, могут принимать клешневидную конформацию. В клешневидной конформации оказываются сближенными в пространстве карбоксильная группа и аминогруппа, поэтому взаимодействие между ними протекает внутримолекулярно. Лактамы способны гидролизоваться до исходной аминокислоты.

• 
  ε-аминокислоты и аминокислоты, у которых амино- и карбоксильная группы разделены шестью и более атомами углерода, превращаются в полиамид и лишь частично в лактам. При образовании полиамида молекулы аминокислот вступают в реакцию поликонденсации по типу «голова-хвост»:
  

Для получения пептидов с определенной последовательностью аминокислот пользуются специальными методами «защиты» и «активации» функциональных групп.

Один из способов предотвращения полимеризации аминокислоты состоит в блокировании ее аминогруппы с тем, чтобы в реакцию могла вступать только аминогруппа амина. С этой целью используют карбобензоксихлорид (известный также под названием карбобензилоксихлорида или бензилхлор-формиат ), который реагирует с аминогруппами аминокислот и других соединений, давая карбамат:

2. 
   Взаимодействие с реактивом Сэнгера (2, 4-динитрофторбензол). Эта реакция идёт по механизму нуклеофильного ароматического замещения в слабощелочном растворе с образованием замещенного динитроанилина.
   

3. 
   Нингидриновая реакция применяется для качественного и количественного анализа (обнаружения) в аминокислотных анализаторахдля спектрофотометрического определения α-аминокислот. Нингидрин разлагает α-аминокислоты на альдегиды, оксид углерода (IV) и аммиак. Аммиак конденсируется с избытком нингидрина и с продуктами его восстановления. Продукты конденсации окрашены в розово-фиолетовый цвет. Различные α-аминокислоты образуют окрашенные соединения, отличающиеся оттенком.
   

Продукт конденсации с нингидрином даёт краситель:

4. 
   Действие окислителей.
   

5. 
   Ионнообменная хромотография – анализаторы аминокислот. Нерастворимые полимеры или смолы, содержащие свободные сульфогруппы, при обработке едким натром, становятся анионами, которыми заполняют колонку и пропускают через нее водный раствор смеси аминокислот. Различные цвиттер-ионы дают соли с основными группами смолы и связываются с ней.
   

Если вводить в колонку смесь аминокислот в виде раствора катионных солей, они будут еще прочнее связываться со смолой из-за отсутствия карбоксилат-анионов:

Чтобы разделить смесь аминокислот, колонку со смолой, содержащей катионы аминокислот H₃NCHRCO₂H, медленно промывают (элюируют) буферами, постепенно повышая их рH. При этом различные аминокислоты переходят в анионную форму и вымываются из колонки.