Аминокислоты: общее описание

Понятие и общая характеристика представителей алифатических аминокислот. Ароматические аминокислоты: сущность, применение, методика получение. Реакции по карбоксильной группе. Анализ белковых молекул. Пространственное строение данных соединений.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

Контрольная работа

Аминокислоты: общее описание

Введение

Аминокислотами называют соединения, содержащие одновременно аминогруппу и карбоксил в составе одной молекулы. Аминокислоты классифицируют, основываясь на типе углеводородного радикала, на ароматические и алифатические, последние, в свою очередь, подразделяются на a-, b-, g-, d- и w-аминокислоты, химические свойства которых ощутимо различаются.

1. Представители алифатических аминокислот

Наибольшее значение в химии имеют a-аминокислоты, в основном потому, что они являются мономерами белков - их можно назвать основой жизни. В состав важнейших a-аминокислот входят также и ароматические и гетероароматические радикалы. Номенклатура аминокислот подразумевает использование названия соответствующей карбоновой кислоты в качестве основы, положение заместителей обозначают цифрами, начиная от карбонильного углерода (IUPAC), либо буквами греческого алфавита, начиная от соседнего атома углерода (рациональная). Широко используются и тривиальные названия.

Аналогичным образом называют и аминокислоты с более удаленным расположением функциональных групп.

2. Ароматические аминокислоты

Ароматические аминокислоты различаются взаимным расположением функциональных групп в бензольном кольце.

3. Использование аминокислот

Аминокислоты находят широкое применение, как в синтетической, так и в аналитической химии. В качестве примера использования аминокислот в аналитической химии приведем этилендиаминтетрауксусную кислоту (трилон Б), которая, являясь сильным комплексообразователем, применяется для анализа неорганических солей. Другое применение трилона Б - снижение жесткости воды.

Различные аминокислоты и их производные используются в качестве лекарственных препаратов. Сюда относятся собственно глицин, g-аминомасляная кислота (аминалон, препарат, нормализующий нервные процессы), эфиры п-аминобензойной кислоты (анестезин, новокаин), п-аминосалициловая кислота (ПАСК, противотуберкулезный препарат) и многие другие.

На основе ароматических аминокислот синтезируют диазокрасители, из антраниловой кислоты получают кубовый краситель индиго, из капролактама (циклического внутримолекулярного амида e-аминокапроновой кислоты) - синтетическое волокно капрон, сложные эфиры антраниловой кислоты имеют приятный запах и используются в парфюмерии.

4. Получение

a-Аминокислоты

Для синтеза a-аминокислот применяются четыре основных подхода. Первый основан на замещении атома водорода a-положения карбоновой кислоты на аминогруппу через стадию галогенпроизводного. Галогенкарбоновую кислоту обычно получают по методу Геля-Фольгарда-Зелинского, затем проводится аминирование действием аммиака, либо, по Габриэлю, через N алкилфталимид.



Другой распространенный метод синтеза заключается в гидролизе нитрильной группы цианаминов, которые легко получаются присоединением цианида калия и аммиака к карбонильным соединениям (метод Штреккера). Эта реакция имеет общее значение, т.к. цианамины могут быть получены практически из любых альдегидов и кетонов, т.е. данный метод позволяет синтезировать аминокислоты с самыми разнообразными заместителями.

Третий способ получения a-аминокислот - восстановительное аминирование a-оксокислот. Действием аммиака или гидроксиламина на a-оксокислоты получают соответствующие имины или оксимы, которые восстанавливают водородом в присутствии палладиевого катализатора.

Синтез аминокислот на основе малонового эфира многостадиен и включает в себя стадии нитрозирования, восстановления нитрозомалонового эфира до аминомалонового эфира, алкилирования, гидролиза образовавшегося аминоалкилмалонового эфира и его декарбоксилирования. Тем не менее, этот способ активно применяют, особенно для синтеза полифукциональных аминокислот. Например, ниже приведен способ получения этим методом лизина.

b-Аминокислоты

Все основные способы получения b-аминокислот основаны на использовании в качестве исходных соединений a, b-непредельные карбоксильные соединения. Так, присоединение аммиака к a, b-непредельным кислотам протекает против Правила Марковникова и дает b-аминокислоты. Реакция a, b-непредельных кислот с галогенводородами приводит к b-галогенкарбоновым кислотам, которые при обработке аммиаком или фталимидом калия образуют b-аминокислоты.

Сложные эфиры a, b-непредельных дикарбоновых кислот, получаемые из малонового эфира и карбонильных соединений, присоединяют аммиак, давая сложные эфиры b-аминодикарбоновых кислот. Их гидролиз и и последующее декарбоксилирование приводит к b-аминокислотам (способ Родионова).



w-Аминокислоты

Общий метод получения w-аминокислот - гидролиз соответствующих лактамов, получаемых из циклических оксимов кетонов перегруппировкой Бекмана. Так в промышленности из циклогексаноноксима синтезируют капролактам, гидролиз которого дает e-аминокапроновую кислоту.

Ароматические аминокислоты

орто-, мета- и пара-Аминобензойные кислоты получают восстановлением нитрогруппы в соответствующих нитробензойных кислотах. Ниже приведена схема синтеза этих соединений исходя их толуола.



Другой способ получения антраниловой кислоты заключается в расщеплении по Гофману моноамида фталевой кислоты.

5. Строение

Стереоизомерия

В большинстве a-аминокислот (за исключением глицина) a-углеродный атом хирален. Это обусловливает существование их в виде двух оптических изомеров - R- и S-энантиомеров, или, по устаревшей номанклатуре D- и L-энантиомеров. Примечательно, что все природные аминокислоты, входящие в состав белков, принадлежат L-ряду.

Цвиттер-ионная структура

Присутствие в молекулах аминокислот функциональных групп кислотного (СООН) и основного (NH₂) характера обусловливает амфотерность этих соединений. В водном растворе алифатические аминокислоты существуют в виде равновесной смеси биполярного иона (его называют цвиттер-ионом), катионной и анионной формы. Положение равновесия зависит от рН среды и строения аминокислоты - главным образом от наличия в составе молекулы дополнительных кислотных или основных центров. Значение рН, при котором концентрация биполярных ионов максимальна, катионная и анионная формы находятся в равных и минимальных концентрациях, называется изоэлектрической точкой (рI). Каждая аминокислота имеет индивидуальное значение рI. В этой точке суммарный заряд молекулы равен 0 и биполярные ионы не перемещаются в электрическом поле. При рН ниже pI катион аминокислоты (аммониевая форма) движется к катоду, а при рН выше pI анион аминокислоты (карбоксилат анион) перемещается к аноду. На этом основано разделение аминокислот методом электрофореза.

Ароматические аминокислоты не образуют цвиттер-ионов, так как основность их аминогруппы понижена из-за сопряжения с бензольным кольцом.

6. Химические свойства

Химические свойства аминокислот складываются из свойств, характерных для амино- и карбоксильных групп, однако аминокислоты вступают также в некоторые специфические превращения.

7. Алифатические аминокислоты

Реакции по аминогруппе

Дезаминирование

Дезаминирование аминокислот протекает при действии на них азотистой кислоты, в результате чего образуются оксикислоты. Механизм этого превращения подобен дезаминированию алифатических аминов азотистой кислотой.

Алкилирование

Алкилирование по аминогруппе осуществляется при обработке аминокислот галогеналканами в присутствии щелочей. Применение избытка алкилирующего агента приводит к образованию четвертичных аммониевых солей - бетаинов.

Ацилирование

Ацилирование аминокислот проводят, действуя на них сильными ацилирующими реагентами - ангидридами или галогенангидридами кислот (например, бензоилирование по Шоттену-Бауману).

Формилирование аминогруппы осуществляют обработкой муравьиной кислотой в среде уксусного ангидрида. Последний служит не только растворителем, но и водоотнимающим агентом.

Не исключено, что муравьиная кислота и уксусный ангидрид генерируют смешанный муравьиноуксусный ангидрид (формилацетат), обладающий более высокой формилирующей спсособностью, чем муравьиная кислота.

Формильная и некоторые ацильные группы, например, трифторацетильная и фталильная, используются для защиты аминогруппы. Однако более удобными защитными функциями являются трет-бутоксикарбонильная (БОК) или бензилоксикарбонильная (КБО) группы. Последние легко удаляются мягким кислотным гидролизом (при 0 - 20^оС) или каталитическим гидрированием, в отличие от ацильных групп, которые снимаются щелочным гидролизом в более жестких условиях.