4. Физические и химические свойства аминокислот.

Аминокислоты - бесцветные кристаллические вещества с относи­тельно высокими температурами плавления. В ряде случаев аминокислоты плавятся с разложением, поэтому температура плавления не яв­ляется характерной константой для них. Аминокислоты хорошо раст­воряются в воде и плохо в неполярных растворителях, α-L-ами­нокислоты, полученное из белков, горьковаты на вкус, тогда как D - изомеры сладкие на вкус. Аминокислоты - бифункциональные соединения, в молекулах которых находятся одновременно две про­тивоположные по кислотности группы: карбоксильная -СООН, амино группа –NH₂. Карбоксильная группа является носителем кислотных свойств, а аминогруппа - носителем основных свойств. Следствием такой бифункциональности является амфотерность аминокислот. В свободном состоянии в растворах между карбоксилами и аминогруппами аминокислот осуществляется химическое взаимодействие, своеоборазная реакция нейтрализации, результатом которой является образование внутренней соли (биполярного иона). Так, кристаллический глицин (т.пл. 236⁰С с разложением) можно описать обычной форму­лой, в то время как на самом деле он представляет собой биполяр­ный ион II, который иногда изображают в виде "бетаина" (формула III):

.. 

H₂N-CH₂-C OH  H₃N-CH₂-COO^-

I ^║ II

O        

CH₂ – C = O

H₃N O III

1. Биполярная структура аминокислот согласуется с тем, что они нелетучие кристаллические вещества, способные растворяться в полярных растворителях (вода), не растворяются в неполярных ра­створителях (диэтиловый эфир, бензол и д.р.). В ИК-спектрах аминокислот отсутствуют частоты, характерные для карбоксильной группы (_COOH = 1650см^-1) и частоты для аминогрупп (_HN2 =3320см^-1). Водные растворы аминокарбоновых кислот показывают нейтральную реакцию, не изменяют цвет обычных индикаторов. Бипо­лярная структура также хорошо согласуется с поведением водных растворов аминокислот в электрическом поле. Если в водный рас­твор аминокислоты пропускают электрический, ток, то в зависимости от рН среды она может мигрировать к аноду или катоду. Те значения рН, при которых аминокислот, оставаясь электронейтральной, не мигри­рует под влиянием электрического тока ни к аноду, ни к катоду,

называют изоэлектрической точкой:

+

O Н^- (pН выше, чем в изо- NH₃-CH₂-COO^- Н⁺ (pН ниже, чем изоэлектрической

электрической точке) изоэлектрическая точке)

точка:

аминокислота не

мигрирует ни к като­ду,

ни к аноду

NH₂ –CH₂ –COO^- +

NH₃-CH₂-COOH

наличие аминогруппы; наличие недиссоциированной

аминокислота ведет себя карбосильной группы;

как анион - мигрирует аминокислота ведет себя,

к аноду как катион – мигрирует к катоду '

2.    Вследствие наличия в молекулах аминокислот функциональных групп кислотного и основного характера α- аминокислоты являются амфотерными соединениями, т.е. они образуют соли как с кислотами, так и со щелочами.

 

+

H₂N– CH–COOH + HCl  [H₃N– CH–COOH] Cl^-(хлористоводородная соль глицина

I I - аминокислоты) R R

H2N–

CH–COOH + NaOH  H2N–  I R

CH–COO-Na+ (натриевая соль α-аминокислоты) + H2O  I R

                       

3.     Важной реакцией, в которой участвуют карбоксильные группы, является образование сложных эфиров, полученных взаимодействием аминокислот со спиртами (обычно в присутствии кислых катализа­торов). В реакции со спиртами образуются сложные эфиры.

 

этиловый эфир аланина

                                   

4)     - Аминокислоты можно ацилировать, в частности, ацетилировать, действуя уксусным ангидридом или хлористым ацетилом. В результате образуются N- ацильные производные - аминокислот (символ "N" означает, что ацил связан с атомом азота).

 

N – ацетилаланин

 

                                                                          

5)     - Аминокислоты вступают друг с другом в реакцию поликонденсации, приводя к амидам кислот. Продукты такой конденсации называются пептидами. При взаимодействии двух аминокислот образуется дипептид:

 

H2N–	H  I CH–	O II C–OH + H–NH–	CH3  I CH–	O II C–OH 
	глицин		аланин

 

 

 H2N–	H  I CH–	O II C–NH–	CH3  I CH–	O II C–OH + H2O

  глицилаланин

При конденсации трех аминокислот образуется трипептид и т.д.

Аминокислоты взаимодействуют с малорастворимыми в воде гадроксидами тяжелых металлов, растворяя их. При этом образуются, как правило, окрашенные комплексные соединения. Так, с гидроксидом меди (II) аминокислоты образуют комплексы, окрашенные в темно-синий или сине-фиолетовый цвет.

+

2 H₂N– CH₂–COOH + Cu(OH)₂  O = C O  CuNH₂ – CH₂

 ..  

H₂C  NH₂ O C =O

В полученном комплексе атом меди соединен ионными связями с атомами кислорода карбоксильных групп и донорно- акцепторными связями с атомами азота аминогрупп за счет свободных пар р-электронов и вакантных d- орбиталей атома меди. В этом случае обра­зуются циклические структуры (хелатные соединения), для которых характерно окрашивание. Являясь би функциональными соединениями,. аминокислоты взаимодействуют как по аминогруппе, так и по карбок­сильной.

При осторожном нагревании аминокислот возможно декарбоксилирование, в результате которого образуются первичные амины

t

H₂N– CH–COOH  R– CH₂– NH₂ + CO₂



R

В живых организмах  - аминокислоты претерпевают разнообраз­ные превращения, в том числе и декарбоксилирование. При этом образуются амины, которые обладают высокой биологической активностью (биогенные амины). Например, при декарбоксилировании глутаминовой кислоты образуется - аминомасляная кислота, которая находится в мозговых тканях и выполняй в организме функции нейрогормонального ингибитора.

фермент   

HOOC  CH  CH₂ CH₂ COOH CH₂  CH₂ CH₂ COOH + CO₂

 

NH₂ NH₂

глутаминовая кислота - аминомасляная кислота

Реакция декарбоксилирования аминокислот проходит при раз­ложении белковых тел, которые переходят в аминокислоты, а затем в амины (трупные яды).

В основе качественного и количественного определения амино­кислот лежит нингидринная реакция. Нингидрин (гидрат трикетогидриндена) при взаимодействии с аминокислотами в щелочной среде образует соединения, окрашенные в сине-фиолетовый цвет. Например, с  - аланином нингидринная реакция описывается следующей последовательностью превращений:

СН₃ −СН−СООН + 2H₂O•  + СН₃ − СНО + СО₂ +NН₃

 нингидрин

NН₂

H − N−H + 2H₂O • + -4H₂O



H

кетонная форма

енольная форма окрашенное соединение

Реакция аминокислот, в которых участвует аминогруппа, подоб­ны реакциям первичных аминов.

При взаимодействии с азотистой кислотой в кислой среде аминогруппа в аминокислотах замещается на оксигруппу. При.этом выделяется азот и образуется оксикарбоновая кислота.

+ HNO₂  CH₃  CH COOH + N₂+ H₂O



OH

- аланин молочная кислота

Реакция используется для количественного определения амино­кислот по объему выделяющегося свободного азота (метод Ван-Слайка).

С алкилирующими реагентами (галогеналкилы, диалкилсульфаты и др.) аминогруппа аминокислот, подобно аминам, алкилируется;

H₂N CH₂ COOH + (CH₃)₂ SO₄  (CH₃)₂N  CH₂ COOH + H₂SO₄

диметилсульфат N,N – диметилгликокол

С ангидридами карбоновых кислот аминокислоты вступают в реакцию ацилирования с образованием N -ацилпроизводных. Аналогично ацилирование проходит при взаимодействии аминокислот с хлорангидридами. Например, гликокол с хлористым бенэоилом образует о кристаллический бензоилгликокол (т.пл.187,5), известный под названием гиппуровой кислоты:

H₂N CH₂ COOH + C₆H₅ C Cℓ  C₆H₅ C NH CH₂ COOH

║ -HСℓ ║

O O

гилпуровая кислота

Гиппуровая кислота вырабатывается в организмах травоядных животных, затем в значительных количествах выделяется с мочой.

Своеобразные и характерные реакции аминокислот проходят при нагревании и в присутствии водоотнимающих веществ. Пои этом по-разному осуществляется превращение аминокислот в зависимости от расположения амино- и карбоксильной групп в их молекулах.  - Аминокислоты при нагревании вступают в реакцию самоацилирования при которой из двух молекул  - аминокислоты за счет водородов аминогрупп и гидроксилов карбоксильных групп выделяются две молекулы воды, а из остатков аминокислот образуются дикетопиперазины. Последние представляют собой кристаллические нейтраль­ные вещества, которые при гидролизе превращаются в дипептиды, а при восстановлении - в азотистые гетероциклы ряда пиперазина.

-2H₂O

+4Н₂

+H₂O Пиперазин

H₂N−CH₂−C−NH−CH₂−COOH

║

O дипептид

 -Аминокислоты при нагревании, особенно в присутствии кислотных реагентов, за счет аминогрупп и  - водородных атомовалкильной части молекулы легко отщепляют аммиак, образуя ,  ненасыщенные кислоты:

CH₂ CH COOH  CH₂ = CH COOH + NH₃

  акриловая кислота

NH₂ H

 - аланин

, , - аминокислоты также при нагревании легко вступают во внутримолекулярную реакцию самоацилированкя. При этом элиминиру­ется вода за счет атома водорода, аминогруппы и гидроксида про­странственно сближенной с ней карбоксильной группы. В результате образуется циклическая структура - лактам;

 β α

C H₂− CH₂− CH₂ -H₂O CH₂ − CH₂ CH₂ −CH₂

N H₂ C = O CH₂ CH₂

N C N C

OH +Н₂О  ║ 

H O OH

-аминомасляная кислота лактамная форма лактимная форма

лактам  - аминомасляной кислоты (бутиролактам)

Лактамы, как и амиды, в кислотной и щелочной средах гидролизуются, превращаясь в соответствующие аминокислоты. Для лактамов характерна лактам- лактимная таутомерия. Под влиянием соседней карбонильной группы С=0 атом водорода иминной группы N H обладает значительной подвижностью и сравнительно легко смещается к кислороду карбонильной группы, образуя енольную форму гидроксила, а вся молекула превращается в лактимную форму. Между лактимной и лактамной формой устанавливается таyтoмepнoe равновесие. Лактамы и лактимы могут давать как N-, так и 0-производные. Промышленно важным является лактам  - аминокапроновой кислоты - капролактам (исходное вещество для получения полимера капрона):

    

C H₂− CH₂− CH₂ −CH₂− CH₂− C =O  CH₂− CH₂− CH₂ −CH₂− CH₂− C =O

  -H₂O

NH − H OH NH

ε- аминокапроновая кислота ε-капролактам