Аминокислоты

Характеристики и физические свойства аминокислот

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Аминокислоты – это сложные органические соединения, которые в своей молекуле одновременно содержат аминогруппу и карбоксильную группу.

Аминокислоты представляют собой твердые кристаллические вещества, характеризующиеся высокими температурами плавления и разлагающиеся при нагревании. Они хорошо растворяются в воде. Данные свойства объясняются возможностью существование аминокислот в виде внутренних солей (рис. 1).

Рис. 1. Внутренняя соль аминоуксусной кислоты.

Получение аминокислот

Исходными соединениями для получения аминокислот часто служат карбоновые кислоты, в молекулу которых вводится аминогруппа. Например, получение их из галогензамещенных кислот

CH₃-C(Br)H-COOH + 2NH₃→CH₃-C(NH₂)H-COOH + NH₄Br.

Кроме этого исходным сырьем для получения аминокислот могут служить альдегиды (1), непредельные кислоты (2) и нитросоединения (3):

CH₃-C(O)H + NH₃ + HCN → CH₃-C(NH₂)H-C≡H + H₂O;

CH₃-C(NH₂)H-C≡H + H₂O (H⁺) → CH₃-C(NH₂)H-COOH + NH₃ (1).

CH₂=CH-COOH + NH₃→ H₂N-CH₂-CH₂-COOH (2);

O₂N-C₆H₄-COOH + [H] →H₂N-C₆H₄-COOH (3).

Химические свойства аминокислот

Аминокислота 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.

Аминокислоты – амфотерные соединения. Они реагируют как с кислотами, так и с основаниями:

NH₂–CH₂-COOH + HCl→ Cl[NH₃–CH₂-COOH]

NH₂–CH₂-COOH + NaOH→ NH₂–CH₂-COONa + H₂O

Водные растворы аминокислот имеют нейтральную, щелочную и кислотную среду в зависимости от количества функциональных групп. Например, глутаминовая кислота образует кислый раствор, поскольку в её составе две карбоксильные группы и одна аминогруппа, а лизин – щелочной раствор, т.к. в её составе одна карбоксильная группа и две аминогруппы.

Две молекулы аминокислоты могут взаимодействовать друг с другом. При этом происходит отщепление молекулы воды и образуется продукт, в котором фрагменты молекулы связаны между собой пептидной связью (-CO-NH-). Например:

Полученное соединение называют дипептидом. Вещества, построенные из многих остатков аминокислот, называются полипептидами. Пептиды гидролизуются под действием кислот и оснований.

Применение аминокислот

Аминокислоты, необходимые для построения организма, как человек, так и животные получают из белков пищи.

γ-Аминомасляная кислота используется в медицине (аминалон / гаммалон) при психических заболеваниях; на её основе создан целый ряд ноотропных препаратов, т.е. оказывающих влияние на процессы мышления.

ε-Аминокапроновая кислота также используется в медицине (кровоостанавливающее средство), а кроме того представляет собой крупнотоннажный промышленный продукт, использующийся для получения синтетического полиамидного волокна – капрона.

Антраниловая кислота используется для синтеза красителей, например синего индиго, а также участвует в биосинтезе гетероциклических соединений.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Напишите уравнения реакций аланина с: а) гидроксидом натрия; б) гидроксидом аммония; в) соляной кислотой. За счет каких групп внутренняя соль проявляет кислотные и основные свойства?

Ответ

Аминокислоты часто изображают как соединения, содержащие аминогруппу и карбоксильную группу, однако с такой структурой не согласуются некоторые их физические и химические свойства. Строение аминокислот соответствует биполярному иону:

H₃N⁺-CH(R)-COO^—.

Запишем формулу аланина как внутренней соли:

H₃N⁺-CH(CH₃)-COO^—.

Исходя из этой структурной формулы, напишем уравнения реакций:

а) H₃N⁺-CH(CH₃)-COO^— + NaOH = H₂N-CH(CH₃)-COONa + H₂O;

б) H₃N⁺-CH(CH₃)-COO^— + NH₃×H₂O = H₂N-CH(CH₃)-COONH₄ + H₂O;

в) H₃N⁺-CH(CH₃)-COO^— + HCl = [H₃N⁺-CH(CH₃)-COOH]Cl^—.

Внутренняя соль аминокислоты реагирует с основаниями как кислота, с кислотами – как основание. Кислотная группа – N⁺H₃, основная – COO^—.

ПРИМЕР 2

Задание

При действии на раствор 9,63 г неизвестной моноаминокарбоновой кислоты избытком азотистой кислоты было получено 2,01 л азота при 748 мм. рт. ст. и 20^oС. Определите молекулярную формулу этого соединения. Может ли эта кислоты быть одной из природных аминокислот? Если да, то какая это кислота? В состав молекулы этой кислоты не входит бензольное кольцо.

Решение

Напишем уравнение реакции:

H₂NC_xH₂_xCOOH + HONO = HO-C_xH₂_x-COOH + N₂ + H₂O.

Найдем количество вещества азота при н.у., применяя уравнение Клапейрона-Менделеева. Для этого температуру и давление выражаем в единицах СИ:

T = 273 + 20 = 293 K;

P = 101,325 × 748 / 760 = 99,7 кПа;

n= pV / RT;

n(N₂) = 99,7 × 2,01 / 8,31 × 293 = 0,082 моль.

По уравнению реакции находим количество вещества аминокислоты и её молярную массу.

По уравнению n(H₂NC_xH₂_xCOOH) = n(N₂) = 0,082 моль.

M(H₂NC_xH₂_xCOOH) = 9,63 / 0,082 = 117 г/моль.

Определим аминокислоту. Составим уравнение и найдем x:

14x + 16 + 45 = 117;

x = 4;

H₂NC₄H₈COOH.

Из природных кислот такому составу может отвечать валин.