Cвойства аминокислот можно разделить на две группы: химические и физические.
В зависимости от соединений, аминокислоты могут проявлять различные свойства.
Взаимодействие аминокислот:
Аминокислоты как амфотерные соединения образуют соли и с кислотами, и со щелочами.
Как карбоновые кислоты аминокислоты образуют функциональные производные: соли, сложные эфиры, амиды.
Взаимодействие и свойства аминокислот с основаниями
:
Образуются соли
:
NH 2 -CH 2 -COOH + NaOH NH 2 -CH 2 -COONa + H2O
Натриевая соль + 2-аминоуксусной кислоты Натриевая соль аминоуксусной кислоты (глицина) + вода
Взаимодействие со спиртами :
Аминокислоты могут реагировать со спиртами при наличии газообразного хлороводорода, превращаясь в сложный эфир . Сложные эфиры аминокислот не имеют биполярной структуры и являются летучими соединениями.
NH 2 -CH 2 -COOH + CH 3 OH NH 2 -CH 2 -COOCH 3 + H 2 O.
Метиловый эфир / 2-аминоуксусной кислоты /
Взаимодействие с аммиаком :
Образуются амиды :
NH 2 -CH(R)-COOH + H-NH 2 = NH 2 -CH(R)-CONH 2 + H 2 O
Взаимодействие аминокислот с сильными кислотами:
Получаем соли:
HOOC-CH 2 -NH 2 + HCl → Cl (или HOOC-CH 2 -NH 2 *HCl)
Таковы основные химические свойства аминокислот.
Перечислим физические свойства аминокислот :
Химическое поведение аминокислот определяется двумя функциональными группами -NН 2 и -СООН. Аминокислотам характерны реакции по аминогруппе, карбоксильной группе и по радикальной части, при этом в зависимости от реагента взаимодействие веществ может идти по одному или нескольким реакционным центрам.
Амфотерный характер аминокислот. Имея в молекуле одновременно кислотную и основную группу, аминокислоты в водных растворах ведут себя как типичные амфотерные соединения. В кислых растворах они проявляют основные свойства, реагируя как основания, в щелочных - как кислоты, образуя соответственно две группы солей:
Благодаря своей амфотерности в живом организме, аминокислоты играют роль буферных веществ, поддерживающих определенную концентрацию водородных ионов. Буферные растворы, полученные при взаимодействии аминокислот с сильными основаниями, широко применяются в биоорганической и химической практике. Соли аминокислот с минеральными кислотами лучше растворимы в воде, чем свободные аминокислоты. Соли с органическими кислотами труднорастворимые в воде и используются для идентификации и разделения аминокислот.
Реакции, обусловленные аминогруппой. С участием аминогруппы аминокислоты образуют аммониевые соли с кислотами, ацилируются, алкилируются, реагируют с азотистой кислотой и альдегидами в соответствии со следующей схемой:
Алкилирование проводится при участии R-На1 или Аr-Наl:
В процессе реакции ацилирования используются хлорангидриды или ангидриды кислот (ацетилхлорид, уксусный ангидрид, бензилоксикарбонилхлорид):
Реакции ацилирования и алкилировнаия применяется для защиты NН 2 -группы аминокислот в процессе синтеза пептидов.
Реакции, обусловленные карбоксильной группой . При участиикарбоксильной группы аминокислоты образуют cоли, сложные эфиры, амиды, хлорангидриды в соответствии со схемой, представленной ниже:
Если при a-углеродном атоме в углеводородном радикале имеется электроноакцепторный заместитель (-NO 2 , -СС1 3 , -СООН, -COR и т.д.), поляризующий связь С®СООН, то у карбоновых кислот легко протекают реакции декарбоксилирования . Декарбоксилирование a-аминокислот, содержащих в качестве заместителя + NH 3 -группу, приводит к образованию биогенных аминов. В живом орга-низме данный процесс протекает под действием фермента декарбоксилазы и витамина пиридоксальфосфата.
В лабораторных условиях реакцию осуществляется при на-гревании a-аминокислоты в присутствии поглотителей СО 2 , например, Ва(ОН) 2 .
При декарбоксилировании b-фенил-a-аланина, лизина, серина и гистидина образуются, соответственно, фенамин, 1,5-диаминопентан (кадаверин), 2-аминоэтанол-1 (коламин) и триптамин.
Реакции аминокислот с участием боковой группы. При нитровании аминокислоты тирозин азотной кислотой происходитобразованиединитропроизводного соединения, окрашенного в оранжевый цвет (ксантопротеиновая проба):
Окислительно-восстановительные переходы имеют место в системе цистеин - цистин:
2НS CH 2 CH(NH 2)COOH ¾¾¾® HOOCCH(NH 2)CH 2 S-S CH 2 CH(NH 2)COOH
HOOCCH(NH 2)CH 2 S-S CH 2 CH(NH 2)COOH ¾¾¾® 2 НS CH 2 CH(NH 2)COOH
В некоторых реакциях аминокислоты реагируют по обеим функциональным группам одновременно.
Образование комплексов с металлами. Почти все a-аминокислоты образуют комплексы с ионами двухвалентных металлов. Наиболее устойчивыми являются комплексные внутренние соли меди (хелатные соединения), образующиеся в результате взаимодействия с гидроксидом меди (II) и окрашенные в синий цвет:
Действие азотистой кислоты на алифатические аминокислоты приводит кобразованию гидроксикислот, на ароматические - диазосоединений.
Образование гидроксикислот:
Реакция диазотирования:
(диазосоединение)
1. с выделением молекулярного азота N 2:
2. без выделения молекулярного азота N 2:
Хромофорная группа азобензола -N=N в азосоединениях обуславливает желтую, желтую, оранжевую или другого цвета окраску веществ при поглощении в видимой области света (400-800 нм). Ауксохромная группа
СООН изменяет и усиливает окраску за счет π, π - сопряжения с π - электронной системой основной группы хромофора.
Отношение аминокислот к нагреванию. При нагревании аминокислоты разлагаются с образованием различных продуктов в зависимости от их типа. При нагревании a-аминокислот в результате межмолекулярной дегидратации образуются циклические амиды - дикетопиперазины:
валин (Val) диизопропильное производное
дикетопиперазина
При нагревании b-аминокислот от них отщепляется аммиак с образованием α, β-непредельных кислот с сопряженной системой двойных связей:
β-аминовалериановая кислота пентен-2-овая кислота
(3-аминопентановая кислота)
Нагревание g- и d-аминокислот сопровождается внутримолекулярной дегидратацией и образованием внутренних циклических амидов - лактамов:
γ-аминоизовалериановая кислота лактам γ-аминоизовалериановой
(4-амино-3-метилбутановая кислота) кислоты
Аминокислоты – соединения, которые содержат в молекуле одновременно аминогруппу и карбоксильную группу. Простейшим представителем аминокислот является аминоуксусная (глицин) кислота: NH 2 -CH 2 -COOH
Так как аминокислоты содержат две функциональные группы, то и свойства их зависят от этих групп атомов: NH 2 - и –CООН. Аминокислоты – амфотерные органические вещества, реагирующие как основание и как кислота.
Физические свойства.
Аминокислоты представляют собой бесцветные кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде и малорастворимые в органических растворителях. Многие аминокислоты имеют сладкий вкус.
Химические свойства
Кислоты (проявляются основные свойства)
Основания
+оксиды металловАминокислоты – образование пептидов
Аминокислоты не изменяют окраску индикатора, если количество аминогрупп и карбоксильных групп одинаково.
1) NH 2 -CH 2 -COOH + НCl → NH 3 Cl-CH 2 -COOH
2) NH 2 -CH 2 -COOH + NaOH → NH 2 -CH 2 -COONa + H 2 O
3) NH 2 -CH 2 -COOH + NH 2 -CH 2 -COOH → NH 2 -CH 2 -CO NH-CH 2 -COOH + H 2 O
Биологическая роль аминокислот заключается в том, что из их остатков образуется первичная структура белка. Существует 20 аминокислот, которые являются исходными веществами для производства белков в нашем организме. Некоторые аминокислоты применяются в качестве лечебных средств, например глутаминовую кислоту - при нервных заболеваниях, гистидин – при язве желудка. Некоторые аминокислоты находят применение в пищевой промышленности, их добавляют в консервы и пищевые концентраты для улучшения пищи.
Билет № 16
Анилин – представитель аминов. Химическое строение и свойства, получение и практическое применение.
Амины - это органические соединения, представляющие собой производные аммиака, в молекуле которого один, два или три атома водорода замещены на углеводородный радикал.
Общая формула:
Физические свойства.
Анилин- бесцветная маслянистая жидкость со слабым характерным запахом, малорастворим в воде, но хорошо растворим в спирте, эфире, бензоле. Температура кипения 184°C. Анилин- сильный яд, действует на кровь .
Химические свойства.
Кислоты (реакции по аминогруппе)
Br 2 (водный раствор)
C 6 H 5 NН 2 + НCl → C 6 H 5 NН 3 Cl
Химические свойства анилина обусловлены наличием в его молекуле аминогруппы -NH 2 и бензольного ядра, которые оказывают взаимное влияние друг на друга.
Получение.
Восстановление нитросоединений – реакция Зинина
C 6 H 5 NО 2 + Н 2 → C 6 H 5 NН 2 + Н 2 О
Применение.
Анилин применяется в производстве фотоматериалов, анилиновых красителей. Получают полимеры, взрывчатые вещества, лекарственные препараты.
Билет № 17
Белки - как биополимеры. Строение, свойства и биологические функции белков.
Белки (протеины , полипептиды ) - высокомолекулярные органические вещества, состоящие из соединённых в цепочку пептидной связью аминокислот. В живых организмах аминокислотный состав белков определяется генетическим кодом, при синтезе в большинстве случаев используется 20 стандартных аминокислот.
Структура белка
Молекулы белков представляют собой линейные полимеры, состоящие из α -аминокислот (которые являются мономерами) и, в некоторых случаях, из модифицированных основных аминокислот. Последовательность аминокислот в белке соответствует информации, содержащейся в гене данного белка.
· Первичная структура - последовательность аминокислот в полипептидной цепи-линейно.
· Вторичная структура - закручивание полипептидной цепи в спираль, поддерживающееся водородными связями.
· Третичная структура -упаковка вторичной спирали в клубок. Поддерживают третичную структуру: дисульфидные связи, водородные связи.
Свойства
Белки являются амфотерными веществами, также как и аминокислоты.
Отличаются по степени растворимости в воде, но большинство белков в ней растворяются.
Денатурация: Резкое изменение условий, например, нагревание или обработка белка кислотой или щёлочью приводит к потере четвертичной, третичной и вторичной структур белка. Денатурация в некоторых случаях обратима.
Гидролиз: Под воздействием ферментов происходит гидрол белка до составляющих его аминокислот. Этот процесс происходит, например, в желудке человека под воздействием таких ферментов как пепсина и трипсина.
Функции белков в организме
Каталитическая функция
Ферменты - группа белков, обладающая специфическими каталитическими свойствами. Среди ферментов можно отметить такие белки: трипсин, пепсин, амилаза, липаза.
Структурная функция
Белки – это строительный материал почти всех тканей: мышечных, опорных, покровных.
Защитная функция
Белки антитела, способные обезвреживать вирусы, болезнетворные бактерии.
Сигнальная функция
Белки-рецепторы воспринимают и передают сигналы, поступившие от соседних клеток.
Транспортная функция
Гемоглобин переносит кислород из лёгких к остальным тканям и углекислый газ от тканей к лёгким.
Запасающая функция
К таким белкам относятся так называемые резервные белки, которые запасаются в качестве источника энергии и вещества в семенах растений и яйцеклетках животных. Они служат строительным материалом.
Двигательная функция
Белки, осуществляющие сократительную деятельность это актин и миозин
Билет №18
1. Общая характеристика высокомолекулярных соединений: состав, строение, реакции, лежащие в основе их получения (на примере полиэтилена).
Высокомолекулярные соединения (полимеры ) – это вещества, макромолекулы которых состоят из многократно повторяющихся звеньев. Их относительная молекулярная масса может измеряться от нескольких тысяч до многих миллионов.
Мономер – это низкомолекулярное вещество из которого получают полимер.
Структурное звено – многократно повторяющиеся в макромолекуле полимера группы атомов.
Степень полимеризации
– количество повторяющихся структурных звеньев.
nСН 2 =СН 2 → (-СН 2 -СН 2 -) n
Полимеры могут быть получены в результате реакций полимеризации и поликонденсации.
Признаки реакции полимеризации :
1. Не образуется побочных веществ.
2. Реакция идет за счет двойных или тройных связей.
nСН 2 =СН 2 → (-СН 2 -СН 2 -) n – реакция полимеризации этилена - образование полиэтилена.
Признаки реакции поликонденсации :
1. Образуются побочные вещества.
2. Реакция идет за счет функциональных групп.
Пример: образование фенолформальдегидной смолы из фенола и формальдегида, полипептидной связи из аминокислот. При этом образуется кроме полимера побочный продукт – вода.
Высокомолекулярные соединения имеют определенные преимущества перед другими материалами: они устойчивы к действию реагентов, не проводят ток, механически прочные, легкие. На основе полимеров получают пленки, лаки, резину, пластмассы.
Химическое поведение аминокислот определяется двумя функциональными группами -NН 2 и –СООН. Аминокислотам характерны реакции по аминогруппе, карбоксильной группе и по радикальной части, при этом в зависимости от реагента взаимодействие веществ может идти по одному или нескольким реакционным центрам.
Амфотерный характер аминокислот. Имея в молекуле одновременно кислотную и основную группу, аминокислоты в водных растворах ведут себя как типичные амфотерные соединения. В кислых растворах они проявляют основные свойства, реагируя как основания, в щелочных – как кислоты, образуя соответственно две группы солей:
Благодаря своей амфотерности в живом организме, аминокислоты играют роль буферных веществ, поддерживающих определенную концентрацию водородных ионов. Буферные растворы, полученные при взаимодействии аминокислот с сильными основаниями, широко применяются в биоорганической и химической практике. Соли аминокислот с минеральными кислотами лучше растворимы в воде, чем свободные аминокислоты. Соли с органическими кислотами труднорастворимые в воде и используются для идентификации и разделения аминокислот.
Реакции, обусловленные аминогруппой. С участием аминогруппы аминокислоты образуют аммониевые соли с кислотами, ацилируются, алкилируются, реагируют с азотистой кислотой и альдегидами в соответствии со следующей схемой:
Алкилирование проводится при участии R-На1 или Аr-Наl:
В процессе реакции ацилирования используются хлорангидриды или ангидриды кислот (ацетилхлорид, уксусный ангидрид, бензилоксикарбонилхлорид):
Реакции ацилирования и алкилировнаия применяется для защиты NН 2 –группы аминокислот в процессе синтеза пептидов.
Реакции, обусловленные карбоксильной группой. При участии карбоксильной группы аминокислоты образуют cоли, сложные эфиры, амиды, хлорангидриды в соответствии со схемой, представленной ниже:
Если при -углеродном атоме в углеводородном радикале имеется электроноакцепторный заместитель (NO 2 , СС1 3 , СООН, COR и т.д.), поляризующий связь ССООН, то у карбоновых кислот легко протекают реакции декарбоксилирования . Декарбоксилирование -аминокислот, содержащих в качестве заместителя + NH 3 -группу, приводит к образованию биогенных аминов. В живом организме данный процесс протекает под действием фермента декарбоксилазы и витамина пиридоксальфосфата.
В лабораторных условиях реакцию осуществляется при нагревании -аминокислоты в присутствии поглотителей СО 2 , например, Ва(ОН) 2 .
При декарбоксилировании -фенил--аланина, лизина, серина и гистидина образуются, соответственно, фенамин, 1,5-диаминопентан (кадаверин), 2-аминоэтанол-1 (коламин) и триптамин.
Реакции аминокислот с участием боковой группы. При нитровании аминокислоты тирозин азотной кислотой происходитобразованиединитропроизводного соединения, окрашенного в оранжевый цвет (ксантопротеиновая проба):
Окислительно-восстановительные переходы имеют место в системе цистеин – цистин:
2 Н S CH 2 CH(NH 2)COOH HOOCCH(NH 2)CH 2 S–S CH 2 CH(NH 2)COOH
HOOCCH(NH 2)CH 2 S – S CH 2 CH(NH 2)COOH 2 Н S CH 2 CH(NH 2)COOH
В некоторых реакциях аминокислоты реагируют по обеим функциональным группам одновременно.
Образование комплексов с металлами. Почти все -аминокислоты образуют комплексы с ионами двухвалентных металлов. Наиболее устойчивыми являются комплексные внутренние соли меди (хелатные соединения), образующиеся в результате взаимодействия с гидроксидом меди (II) и окрашенные в синий цвет:
Действие азотистой кислоты на алифатические аминокислоты приводит к образованию гидроксикислот, на ароматические - диазосоединений.
Образование гидроксикислот:
Реакция диазотирования:
с выделением молекулярного азота N 2:
2. без выделения молекулярного азота N 2:
Хромофорная группа азобензола -N=N в азосоединениях обуславливает желтую, желтую, оранжевую или другого цвета окраску веществ при поглощении в видимой области света (400-800 нм). Ауксохромная группа
СООН изменяет и усиливает окраску за счет π, π - сопряжения с π - электронной системой основной группы хромофора.
Отношение аминокислот к нагреванию. При нагревании аминокислоты разлагаются с образованием различных продуктов в зависимости от их типа. При нагревании -аминокислот в результате межмолекулярной дегидратации образуются циклические амиды - дикетопиперазины:
валин (Val) диизопропильное производное
дикетопиперазина
При нагревании -аминокислот от них отщепляется аммиак с образованием α, β-непредельных кислот с сопряженной системой двойных связей:
β-аминовалериановая кислота пентен-2-овая кислота
(3-аминопентановая кислота)
Нагревание - и -аминокислот сопровождается внутримолекулярной дегидратацией и образованием внутренних циклических амидов – лактамов:
γ-аминоизовалериановая кислота лактам γ-аминоизовалериановой
(4-амино-3-метилбутановая кислота) кислоты
Аминокислоты содержат амино - и карбоксильную группы и проявляют все свойства, характерные для соединений с такими функциональными группами. При написании реакций аминокислот пользуются формулами с неионизированными амино- и карбоксигруппами.
1)реакции по аминогруппе. Аминогруппа в аминокислотах проявляет обычные свойства аминов: амины являются основаниями, а в реакциях выступают в роли нуклеофилов.
1. Реакция аминокислот как основания. При взаимодействии аминокислоты с кислотами образуются аммонийные соли:
2. Действие азотистой кислоты. При действии азотистой кислоты образуются гидроксикислоты и выделяется азот и вода:
Эту реакцию используют для количественного определения свободных аминных групп в аминокислотах, а также и в белках.
3.Образование N - ацильных производных, реакция ацилирования.
Аминокислоты реагируют с ангидридами и галогенангидридами кислот, образуя N - ацильные производные аминокислот:
Бензиловый эфир натриевая соль N карбобензоксиглицин - хлормуравьиной глицина
Ацилирование - один из способов защиты аминогруппы. N-ацильные производные имеют большое значение при синтезе пептидов, так как N-ацилпроизводные легко гидролизуются с образованием свободной аминогруппы.
4.Образование оснований Шиффа. При взаимодействии a - аминокислот с альдегидами образуются замещенные имины (основания Шиффа) через стадию образования карбиноламинов:
аланин формальдегид N-метилольное производное аланина
5.Реакция алкилирования. Амииногруппа в a -аминокислоте алкилируется с образованием N – алкилпроизводных:
Наибольшее значение имеет реакция с 2,4 - динитрофторбензолом. Получаемые динитрофенильные производные (ДНФ-производные) используются при установлении аминокислотной последовательности в пептидах и белках. Взаимодействие a- аминокислот с 2,4-динитрофторбензолом является примером реакции нуклеофильного замещения в бензольном ядре. За счет наличия в бензольном кольце двух сильных электроноакцепторных групп галоген становится подвижным и вступает в реакцию замещения:
фторбензол N - 2,4 - динитрофенил - a - аминокислота
(ДНФБ) ДНФ - производные a - аминокислот
6.Реакция с фенилизотиоцианатом. Эта реакция широко используется при установлении строения пептидов. Фенилизотиоцианат является производным изотиоциановой кислоты H-N=C=S. Взаимодействие a - аминокислот с фенилизотиоцианатом протекает по механизму реакции нуклеофильного присоединения. В образовавшемся продукте далее осуществляется внутримолекулярная реакция замещения, приводящая к образованию циклического замещенного амида: фенилтиогидантоин.
Циклические соединения получаются с количественным выходом и представляют собой фенильные производные тиогидантоина (ФТГ - производные) - аминокислот. ФТГ - производные различаются строением радикала R.
Образование сложных эфиров - один из методов защиты карбоксильной группы в синтезе пептидов.
3.Образование галогенангидридов. При действии на a- аминокислоты с защищенной аминогруппой оксидихлоридом серы (тионилхлоридом) или оксид-трихлоридом фосфора (хлорокисью фосфора) образуются хлорангидриды:
Получение галогенангидридов - один из способов активации карбоксильной группы в пептидном синтезе.
4.Получение ангидридов a - аминокислот. Галогенангидриды обладают очень высокой реакционной способностью, что снижает селективность реакции при их использовании. Поэтому более часто используемый способ активации карбоксильной группы в синтезе пептидов - это превращение ее в ангидридную. Ангидриды по сравнению с галогенангидридами кислот обладают меньшей активностью. При взаимодействии a- аминокислоты, имеющей защищенную аминогруппу, с этиловым эфиром хлормуравьиной кислоты(этилхлорформиатом) образуется ангидридная связь:
5. Декарбоксилирование. a - Аминокислоты, имеющие две электроноакцепторные группы при одном и том же атоме углерода, легко декарбоксилируются. В лабораторных условиях это осуществляется при нагревании аминокислот с гидроксидом бария.Эта реакция протекает в организме при участии ферментов декарбоксилаз с образованием биогенных аминов:
Отношение аминокислот к нагреванию. При нагревании a- аминокислот образуются циклические амиды, называемые дикетопиперазинами:
Дикетопиперазин
g - лактам (бутиролактам)
В тех случаях, когда амино - и карбоксильная группы разделены пятью и более углеродными атомами, при нагревании происходит поликонденсация с образованием полимерных полиамидных цепей с отщеплением молекулы воды.
