Реферат

Тема: Аминокислоты

Содержание.

1.     Классификация аминокислот.

2.     Синтезы , , - аминокислот.

3.     Свойства аминокислот: амфотерность, реакция по аминогруппе и карбоксилу.

4.     - аминокислоты, их роль в природе.

5.     Синтез пептидов.

Классификация аминокислот.

Аминокислотами называются органические кислоты, содержащие одну или несколько аминогрупп. В зависимости от природы кислотной функции аминокислоты подразделяют на аминокарбоновые, например H2N(CH2)5COOH, аминосульфоновые, например H2N(CH2)2SO3H, аминофосфоновые, H2NCH[P(O)(OH)2]2, аминоарсиновые, например, H2NC6H4AsO3H2.

Согласно правилам ИЮПАК название аминокислот производят от названия соответствующей  кислоты; взаимное расположение в углеродной цепи карбоксильной и аминной групп обозначают обычно цифрами, в некоторых случаях - греческими буквами. Однако, как правило, пользуются тривиальными названиями аминокислот. ( см. таблицу 1.) .

В зависимости от положения аминогруппы по отношению к карбоксилу различают , и - аминокислоты:

Все  - аминокислоты, кроме аминоуксусной (глицина), имеют асимметрический - углеродный атом и существуют в виде двух энантиомеров. За редким исключением, природные -аминокислоты относятся к L- ряду (S-конфигурация) и имеют следующее пространственное строение:

По физическим и ряду химических свойств аминокислоты резко отличаются от соответствующих кислот и оснований. Они лучше растворяются в воде, чем в органических растворителях; хорошо кристаллизуются; имеют высокую плотность и исключительно высокие температуры плавления. Эти свойства указывают на взаимодействие аминных и кислотных групп, вследствие чего аминокислоты в твёрдом состоянии и в растворе (в широком интервале pH) находятся в цвиттер-ионной форме (т.е. как внутренние соли). Взаимное влияние групп особенно ярко проявляется у -аминокислот, где обе группы находятся в непосредственной близости.

Цвиттер-ионная структура аминокислот подтверждается их большим дипольным моментом (не менее 5010-30 Кл  м), а также полосой поглощения в ИК- спектре твердой аминокислоты или её раствора. 

Таблица 1. Важнейшие аминокислоты.

Синтезы , , - аминокислот.

-аминокислоты получают галогенированием карбоновых кислот или эфиров в -положение с последующей заменой галогена на аминогруппу при обработке амином, аммиаком или фталимидом калия (по Габриэлю).

По Штрекеру – Зелинскому -аминокислоты получают из альдегидов:

Этот метод позволяет также получать нитрилы и амиды соответствующих  -аминокислот. По сходному механизму протекает образование -аминофосфоновых кислот по реакции Кабачника- Филдса, например:

В этой реакции вместо альдегидов могут быть использованы кетоны, а вместо диалкилфосфитов- диалкилтиофосфиты, кислые эфиры алкилфосфонистых кислот RP(OH)OR и диарилфосфиноксиды  Ar2HPO.

Альдегиды и кетоны или их более активные производные – кетали служат для синтеза - аминокислот с увеличением числа углеродных атомов на две единицы. Для этого их конденсируют с циклическими производными аминоуксусной кислоты – азалактонами, гидантоинами, тиогидантоинами, 2,5-пиперазиндионами или с её медными или кобальтовыми хелатами, например:

Удобные предшественники  -аминокислот  аминомалоновый эфир и нитроуксусный эфир. К их -углеродным атомам можно предварительно ввести желаемые радикалы методами алкилирования  или конденсации. -кетокислоты превращают в -аминокислоты  гидрированием в присутствии NH3 или гидрированием их оксимов, гидразонов и фенилгидразонов.

Можно получать -аминокислоты также непосредственно из -кетонокислот, действуя на них аммиаком и водородом над никелевым катализатором:

Некоторые L--аминокислоты ввиду сложности синтеза и разделения оптических изомеров получают микробиологическим способом (лизин, триптофан, треонин) или выделяют из гидролизатов природных белковых продуктов (пролин, цистин, аргинин, гистидин).

- аминосульфоновые кислоты получают при обработке аммиаком продуктов присоединения NaHSO3 к альдегидам:

RCHO + NaHSO3   RCH(OH)SO3Na   RCH(NH2)SO3Na

-аминокислоты синтезируют присоединением  NH3 или аминов к ,-ненасыщенным кислотам:

В.М.Родионов предложил метод, в котором совмещаются в одной операции получение ,-непредельной кислоты конденсацией альдегида с малоновой кислотой и присоединение аммиака:

-аминокислоты получают гидролизом соответствующих лактамов, которые образуются в результате перегруппировки Бекмана из оксимов циклических  кетонов под действием H2SO4. -аминоэтановую и -аминоундекановую кислоты синтезируют из ,,,-тетрахлоралканов путем их гидролиза конц. H2SO4 до -хлоралкановых кислот с последующим аммонолизом:

Cℓ(CH2CH2)nCCℓ3  →  Cℓ(CH2CH2)nCOOH   →  H2N(CH2CH2)nCOOH

Исходные тетрахлоралканы получают теломеризацией этилена с CCℓ4.

Бекмановская перегруппировка оксимов циклических кетонов. Наибольшей практический интерес представляет перегруппировка оксима циклогексанона:

Получаемый этим путем капролактам полимеризуют в высокомолекулярный поликапромид

из которого изготовляют капроновое волокно.

Свойства аминокислот: амфотерность, реакция по аминогруппе и карбоксилу.

1.  Большинство аминокислот – бесцветные кристаллические вещества, обычно хорошо растворимы в воде, часто сладковаты на вкус.

2.     В молекулах аминокислот  содержатся две группы с прямо противоположными свойствами: карбоксильная группа-кислотная, и аминогруппа с основными свойствами. Поэтому они обладают одновременно и кислотными и основными свойствами. Как кислоты, аминокислоты образуют со спиртами сложные эфиры, а с металлами и основаниями-соли:

Для аминокислот особенно характерно образование медных солей, обладающих  специфической синей окраской. Эти вещества являются внутренними комплексными солями; в них атом меди связан не только с атомами кислорода, но и с атомами азота аминогрупп:

Связь между атомом меди и азота осуществляется дополнительными валентностями( за счет свободной пары электронов азота аминогруппы). Как видно, при этом возникают кольчатые структуры, состоящие из пятичленных циклов.  На легкость образования подобных пяти- и шестичленных циклов обратил  внимание в 1906г. Л.А. Чугаев и отметил их значительную устойчивость. Медь(и другие металлы) в таких внутрикомплексных соединениях не имеют ионного характера. Водные растворы подобных соединений не проводят в заметной степени электрический ток.

При действии едких щелочей  на медные соли аминокислот не происходит выпадания гидрата окиси меди. Однако при действии сероводорода происходит разрушение внутрикомплексного соединения и выпадает труднорастворимая в воде сернистая медью

3. Кислотные свойства в моноаминокислотах выражены весьма слобо-аминокислоты почти не изменяют окраски лакмуса. Таким образом, кислотные свойства карбоксила в них значительно ослаблены.

4.   Как амины, аминокислоты образуют соли с кислотами, например:

HCℓ∙NH2CH2COOH

Но эти соли весьма непрочны и легко разлагаются. Таким образом, основные свойтва аминогруппы в аминокислотах также значительно ослаблены.

5.   При действии азотистой кислоты на аминокислоты образуются оксикислоты:

NH2CH2COOH  +  NHO2         HOCH2COOH     +    N2    +    H2O

Эта реакция совершенно аналогична  реакции образования спиртов при действии азотистой кислоты на первичные амины.

6.          С галоидангидритами кислот аминокислоты образуют вещества, которые одновременно являются и аминоксилотами и амидами кислот. Так, при действии хлористого ацетила на аминоуксусную кислоту образуется ацетиламиноуксусная килослота:

CH3COСℓ + NH2CH2COOH           СH2CONHСH2COOH   + HCℓ

                                                                        ацетиламиноуксусная килослота

Ацетиламиноуксусную кислоту можно рассматривать и как производное аминоуксусной кислоты, в молекуле которой атом водорода аминогруппы замещен ацетилом CH3CO- и как ацетамид, в молекуле которого атом водорода аминогруппы замещен остатком уксусной кислоты  -CH2COOH.

7. -Аминокислоты при нагревании легко отщепляют воду,

причем из двух молекул аминокислоты выделяются две молекулы воды и образуются дикетопиперазины:

Дикетопиперазины-циклические соединения, кольцо которых образовано четырьмя атомами углерода и двумя атомами азота. Дикетопиперазины  - твердые, хорошо кристаллизующиеся вещества.

  - Аминокслоты  при нагревании теряют аммиак, переходя в непредельные кислоты:

   - Аминокслоты легко отщепляют воду, образуя лактамы:

Лактамы можно рассматривать как внутренние амиды.

8.Аминокислоты образуют сложные эфиры при действии хлористого водорода на них спиртовые растворы. При этом, разумеется, образуется солянокислые соли эфиров, из которых свободные эфиры можно получить, удаляя хлористый водород окисью серебра, окисью свинца или триэтиламином:

+                                                                              +

          NH3—CH2—C—O–     +    C2H5OH   + HCℓ          NH3—CH2—C—OC2H5 Cℓ–          

                               ║                                                                                ║

                               O                                                                                O

     +

2  NH3—CH2—C—OC2H5 Cℓ–      +     Ag2O          NH2—CH2—C—OC2H5  +  2AgCℓ–   +  H2O

                          ║                                                                          ║

                          O                                                                          O

  Эфиры обычных аминокислот - жидкости, перегоняющиеся в вакууме. Именно этерификацией суммы аминокислот, получающихся в результате гидролиза белка, разгонкой в вакууме и последующим гидролизом Э.Фишер выделил индивидуальные аминокислоты и дал способ установления аминокислотного состава белков.

9.         При действии пятихлористого фосфора на аминокислоты образуются солянокислые соли  хлорангидридов аминокислот, довольно неустойчивые соединения, при отщеплении HCℓ образующие совсем неустойчивые свободные хлорангидриды:

+                                                          +

          NH3—CH2—C—O–    +    PCℓ5          NH3—CH2—C—Cℓ Cℓ–    +   POCℓ3          

                               ║                                                           ║

                               O                                                           O

10.  Аминокислоты ацилируются по аминогруппе:

+                                                         

          NH2—CH2—C—O–    + CH2—C  O        CH3—C—NH—CH2—C—OH    +  CH3—C—OH

                               ║                           ║                       ║                         ║                            ║

                               O                           O  2                    O                         O                            O

                                                                                                                ацетилгликокол

+                                                         

          NH2—CH2—C—O–    +  C6H5—C—Сℓ         C6H5—C—NH—CH2—C—OH    +  HСℓ

                               ║                             ║                              ║                         ║                       

                               O                             O                              O                         O

                                                                                                                       бензоилгликокол

                                                                                                                    (гиппуровая кислота)

  Образующаяся в последней из написанных реакций гиппуровая кислота – вещество, в виде которого травоядные животные выделяют с мочой небезвредную бензойную кислоту, попадающую в организм с пищей.

11.  Аминокислоты можно алкилировать по аминогруппе. Алкилированием глицина получается метиламиноуксосная кислота-саркозин

+                                                                +

          NH3—CH2—C—O–    +    CH2I          CH3NH2—CH2—C—O–    +   HI          

                               ║                                                                  ║

                               O                                                                  O

                                                                  саркозин

которая в связанном виде содержится в некоторых белках

  При избытке иодистого метила образуется замещенная на четвертичноаммониевую группировку уксусная кислота

+                                                                    +

          NH3—CH2—C—O–    + 3CH3I           (CH3)3N—CH2—C—OH I–    +   2HI          

                               ║                                                                  ║

                               O                                                                  O

от которой  можно отщепить HI и получить бетаин, лучше синтезируемый из триметиламина и хлоруксусной кислоты:

                                                                      +

          (СH3)3N  +  CℓCH2—C—ONa           (CH3)3N—CH2—C—O–    +   NaCℓ          

                                             ║                                                    ║

                                             O                                                    O

                                                                                             бетаин

      Бетаин, получивший свое название от свеклы(Beta vulgaris), в соке которой он находится, дал название и всему классу внутренних солей, в которых анион и катион связаны внутри одной молекулы. В этом смысле говорят о бетаинобразной структуре самих аминокислот:

  +                                                           +

          H3N—CH2—C—O–                                (CH3)3N—CH2—C—O–

                                               ║                                                           ║

                               O                                                           O

Бетаины обладают большим дипольным моментом и солеобразны (тверды, нелетучи, водорастворимы). 

- аминокислоты, их роль в природе.

В молекулах большинства -аминокислот содержится асимметрический атом углерода; природные аминокислоты существуют в виде оптических антиподов. Те из антиподов, конфигурация которых аналогична конфигурации правовращающего глицеринового альдегида, обозначаются буквой D; буквой L обозначаются антиподы, конфигурация которых соответствует конфигурации левовращающего глицеринового альдегида:

Конфигурация -асимметрического атома углерода у всех природных -аминокислот одинаковая, все они относятся к L-ряду.

    Наибольший интерес представляют 20 -аминокислот, входящих в состав белковых молекул.

  Принадлежность природных аминокислот к  -аминокислотам легко устанавливается по их способности образовывать дикетопиперазины и характерные внутрикомплексные медные соли. Азотистая кислота превращает их в -оксикислоты, из которых многие известные уже со второй половины XVIII столетия. Если при этом получается неизвестная оксикислота, то аминогруппу можно заменить на хлор действием хлористого нитролиза

                       R                                                      R

+        │                                                      │

          NH3—CH—C—O–    +  NOCℓ          Cℓ—CH—C—OH    +  N2  + H2O

                                              ║                                                      ║

                              O                                                       O

а затем, заменив действием цинка в кислой среде хлор на водород, получить известную карбоновую кислоту(в случае аминодикарбоновых кислот-двухосновную). Таким путем, например, из валина образуется изовалериановая кислота, из лейцина – изокапроновая, из глутаминовой – глутаровая, которые легко идентифицировать по каким-либо твердым производным (например по анилидам).

Синтез пептидов.

   Дипептидами называются -амино-N-ациламинокислоты

          R—CH—C—NH—CH—C—O–

                          │+      ║               │     ║

                  NH3 O              R’     O

   Полипептиды  построены по тому же амидному принципу из нескольких одинаковых или  разных аминокислот. Они называются по числу участвующих остатков аминокислот ди-, три- и т.д. полипептидами.

  Дипетиды с одинаковыми  -аминокислотными остатками  можно получить гидролитическим размыканием дикетопиперазинов. Дипетиды с любыми  -аминокислотными остатками были получены  Э. Фишером путем ацилирования аминокислоты по аминогруппе хлорангидритом   -галоидзамещенной кислоты и последующей заменой  -галоида на аминогруппу действием аммиака:

Сℓ—CH—C—Сℓ      H2N—CH—C—OH           Сℓ—CH—C—NH—CH—C—OH   +    HСℓ

               │        ║                            │    ║                                               │       ║                │    ║

          R    O                            R’   O                               R   O                R’   O

Сℓ—CH—C—NH—CH—C—OH  +  2NH3              H2N—CH—C—NH—CH—C—O–  +  NH4Сℓ 

          │       ║                │    ║                                                 │       ║                │    ║

          R   O                R’   O                                                 R   O                R’   O

  Подобная же последовательность реакций, примененная к полученному дипетиту, приведет к трипетиду и т.д. Э. Фишер получил таким путем октадекапептид, состоящий из 18 остатков аминокислот.

  В более новых методах  синтеза полипептидов исходят из хлорангидридов аминокислот(или из иных функциональных производных аминокислот с резко выраженной ацилирующей способностью) с защищенной аминогруппой. Такая защита необходима, чтобы хлорангидрид первой аминокислоты не проацилировал себе подобную молекулу, а осуществил связь со второй аминокислотой . Защита аминогруппы ацетилированием мало удобна, так как условия удаления ацетильной группы гидролизом таковы, что сам ди  или полипептид будет гидролизоваться, распадаясь на аминокислоты. Поэтому аминогруппу кислоты, предназначенной в качестве ацилирующего агента и превращаемой для этого в хлорангидрид, защищают, в водя в аминогруппу такую группировку, которую можно удалить из дипептида гидролизом в очень мягких условиях или каким-либо другим методом. Например группу CF3CO- можно удалить обработкой слабой щелочью или гидрогенолизом; группу C6H5CH2OCO- легко удалить гидрированием над палладиевым катализатором, восстановлением  раствора натрия в жидком аммиаке или действием гидрозина; фталильная группа под действием гидразина отщепляется в виде

               CO

                     NH

     C6H4              │ 

                     NH

               CO

Что касается того, в форме какого функционального производного должен находится карбоксил защищенной описанным способом аминокислоты, то чаще чем хлорангидриды, применяют легко ацитилирующие эфиры или смешанные ангидриды, например:

HN—CH—C—O—            —NO2   или   HN—CH—C—  —O—C—OR’

   │    │      ║                                                │     │      ║                 ║

   X    R      O                                                X     R      O                 O

где  X- защищающий аминогруппу заместитель, R’- остаток пространственно затрудненного алифатического спирта, например (CH3)2CH—CH2OH, что обеспечивает разрыв ацилирующей молекулы по линии, намеченной пунктиром.

  Совершенно иное дело-получение полипептидов, даже с высоким молекулярным весом, из остатков одной кислоты. Для этой цели выработан следующий метод(Лейхс), рассмотренный на примере  глицина (R=H):

                                                        R

                                                        │

C6H5CH2—O—C—Cℓ   +  H2N—CH—C—OH    

                          ║                                    ║

                          O                                    O

                                                     R

                                                     │

           C6H5CH2—O—C—NH—CH—C—OH    

                                    ║                        ║

                                    O                        O                                                    O

                                                     R                                       R—CH—C

                                                     │                     нагревание

           C6H5CH2—O—C—NH—CH—C—Cℓ                                          O      

                                    ║                        ║                                                

                                    O                        O                                 HN — C

                                                                                                                    O

  Такие циклические внутренние смешанные ангидриды при нагревании распадаются с выделением CO2 и образованием высокомолекулярных полипетидов:

                           O

  R—CH—C                                                           R                        R

                                                                     │                        │

n                     O              nCO2  +  —HN—CH—C—(HN—CH—C—)n-1

                                                                              ║                         ║

      HN — C                                                                             O                         O

                         O

В химии белков и полипептидов для сокращения принято писать формулы, обозначая остатки аминокислот буквами. Например, Glu- обозначение глутаминовой кислоты, Cys- цистеина, Gly- глицина и т.д. Сокращенная формула глутатиона будет в таком изображении

Gly—Cys—Gly

Список используемой литературы:

1.       А.Н.Несмеянов, Н.А.Несмеянов «Начала органической химии», т.1, 2.

2.       Б.А.Павлов, А.П.Терентьев «Курс органической химии».

3.       Химическая энциклопедия, т. 1.

4.       Дж.Робертс, М.Касерио «Основы органической химии».

5.       Шабаров Ю.С. «Органическая химия»

3