А Е Щеголев Органическая химия 2016 / 06 Алифатические альдегиды, кетоны и карбоновые кислоты

При этом в последнем из приведѐнных превращений существенную роль играет сильный акцепторный эффект аммонийной группы цвиттер-иона:

Получить ангидриды и хлорангидриды непосредственно из аминокислот обычно не удаѐтся, так как эти реакции протекают с участием аминогруппы и в принципе такие производные аминокислот не могут существовать из-за наличия в молекуле нуклеофильного центра — аминогруппы. Возможно образование (и существование) хлорангидридов N- ацилированных аминокислот:

6.9.2.3.Реакции с одновременным участием карбоксильной и аминогрупп

С ионами тяжѐлых металлов аминокислоты образуют комплексные соли, например:

В тех случаях, когда образующиеся комплексы растворимы в воде (обычно в случаях использования аминодикарбоновых кислот), такие аминокислоты называют комплексонами. Наиболее известным комплексоном является этилендиаминтетрауксусная кислота (трилон Б)

При нагревании -, -, - и -аминокислоты по-разному ведут себя (аналогично соответствующим гидроксикислотам).

-Аминокислоты при нагревании образуют амиды в результате межмолекулярного нуклеофильного замещения:

324

Такие амиды в химии природных соединений называют дипептидами. При взаимодействии с третьей молекулой аминокислоты может образоваться ещѐ одна амидная связь (называемая пептидной) образуется трипептид и т.д. Однако при этом образуется много побочных продуктов. Поэтому для получения полипептидов, лежащих в основе первичной структуры белковой молекулы, разработаны специальные методы (гл. 6.9.5.3).

Одним из конечных продуктов при нагревании -аминокислот до200 С является замещѐнный пиперазин-2,5-дион (2,5-дикетопиперазин) — циклический диамид:

Такие же циклические диамиды получаются и при нагревании сложных эфиров аминокислот, причѐм для них реакция протекает значительно легче, так как молекулы сложных эфиров содержат свободную аминогруппу, а в самих аминокислотах она ионизована.

-Аминокислоты, так же как и другие карбоновые кислоты, содержащие электроноакцепторный заместитель в -положении, при нагревании претерпевают элиминирование с образованием непредельной кислоты:

Аминокислоты с аминогруппой в - и -положениях очень легко образуют стабильные - и -лактамы — внутренние циклические амиды. Например, для -аминокислоты:

325

А для соединений, содержащих в молекуле более удалѐнную от кислотного центра аминогруппу, при нагревании характерно образование линейных полиамидов. Например, для -аминокапроновой кислоты:

t

n H2N-(CH2)5-COOH (-NH(CH2)5CO-)n + n H2O

Характерной реакцией для -аминокислот является нингидриновая реакция, сопровождающаяся появлением сине-фиолетовой окраски. Аминокислота реагирует с нингидрином, образуя азометин:

Дальнейшие превращения азометина с участием ещѐ одной молекулы нингидрина приводят к образованию красителя синего Руэмана:

326

6.9.3. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ АМИНОКИСЛОТ

-Аминокислоты получают из природных веществ и синтетически. Белки при кислотном гидролизе дают смесь -аминокислот.

Среди синтетических способов получения аминокислот важнейшими являются следующие.

1.Аммонолиз -галогенкарбоновых кислот избытком аммиака приводит к аммонийным солям -аминокислот:

2. Другой способ получения -аминокислот — это обработка альдегидов смесью хлорида аммония с цианидами с последующим гидролизом (спо-

соб Зелинского*, называемый также реакцией Зелинского Стадникова или реакцией Штреккера*–Зелинского):

Эта реакция является усовершенствованием синтеза Штреккера — получение -аминокислот из альдегидов или кетонов действием аммиака и синильной кислоты с последующим гидролизом образующихся -амино- нитрилов:

При использовании вместо аммиака первичных аминов получают N- замещѐнные -аминокислоты.

327

3. Алкилирование ацетаминомалонового эфира с последующим гидролизом эфира и декарбоксилированием малонового фрагмента.

Ацетаминомалоновый эфир можно получить обработкой ацетамида броммалоновым эфиром:

CH3CONH2 + BrCH(COOC2H5)2 CH3-CO-NH-CH(COOC2H5)2,

из которого далее получают натриевую соль и обрабатывают алкилгалогенидом:

4. Восстановительное аминирование -оксокислот также может служить способом получения -аминокарбоновых кислот. Реакцию проводят в условиях каталитического гидрирования в присутствии аммиака:

5.Присоединением аммиака к , -ненасыщенным кислотам универсальный способ получения -аминокислот; эта реакция встречалась ранее, в главе 6.5.3.2.

6.Другим удобным способом получения -аминокислот, предложенным В.М. Родионовым*, является конденсация альдегидов с малоновой кислотой в присутствии аммиака:

NH2

-CO2 R-CH-CH2-COOH

7.Гидролизом лактамов получают -аминокислоты (аминокислоты с удалѐнным, концевым положением аминогруппы. А лактамы, в свою очередь, являются продуктом бекмановской перегруппировки оксимов (гл. 6.1.4.1). В целом схему можно представить в следующем виде:

328

8. -Аминокислоты можно получить из продуктов теломеризации этилена с тетрахлорметаном (гл. 4.2.3.6):

NH ,H O

Cl-(CH2CH2)n-CCl3 3 2 NH2(CH2CH2)nCOOH

6.9.4. ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ АМИНОКИСЛОТ

-Аминокислоты являются структурными единицами важнейшего класса биополимеров белков, занимают ключевое положение в азотистом обмене. Восемь из них являются незаменимыми, т.е. не синтезируются в организме человека, но необходимы для синтеза белков. Это валин, лейцин, изолейцин, треонин, лизин, метионин, фенилаланин, триптофан. Многие из-аминокислот используются в медицинской практике в качестве лекарственных средств, влияющих на тканевой обмен и при психических расстройствах (глицин, метионин, аспарагиновая, глутаминовая кислоты).

-Аминопропионовая кислота ( -аланин) входит в состав пантотеновой кислоты компонента кофермента А (кофермента ацилирования), играющего важную роль в процессах обмена веществ, в частности активирующего карбоновые кислоты, превращая их в сложные эфиры тиоспиртов.

-Аминомасляная кислота принимает участие в обменных процессах головного мозга, является нейромедиатором. Применяется при лечении нервно-психических заболеваний.

6.9.5. ПЕПТИДЫ

Как уже рассматривалось в свойствах -аминокислот, при их взаимодействии друг с другом за счѐт амино- и карбоксильной групп образуются пептиды (дипептиды, трипептиды и т.д. — по количеству аминокислотных остатков). Пептиды, содержащие до 10 аминокислотных остатков, называются олигопептидами, содержащие более 10 аминокислотных остатков — полипептидами. Полипептидная цепь, построенная из большого количества аминокислотных остатков (>100), лежит в основе первичной структуры белковой молекулы.

329

O O O

. . . -NH-CH-C-NH-CH-C-NH-CH-C- . . .

6.9.5.1. Строение, номенклатура

Пептидная (амидная) связь имеет свойства частично двойной связи. Это проявляется в уменьшении длины этой связи (0.132 нм) по сравнению с длиной простой связи C–N (0.147 нм). Частично двоесвязанный характер пептидной связи делает невозможным свободное вращение заместителей вокруг неѐ, поэтому пептидная группировка является плоской и имеет обычно транс-конфигурацию:

O -

C N

H

При образовании молекулы белка или полипептида -аминокислоты могут соединяться в различной последовательности. Возможно огромное число комбинаций. Так, из 20 26 аминокислот можно образовать более 1018 комбинаций. Существование различного типа полипептидов практически неограничено.

Аминокислотный остаток, несущий свободную аминогруппу, называется N-концевым, а несущий свободную карбоксильную группу — С-концевым. Пептидные и белковые цепи принято называть с N-конца. При этом используют тривиальные названия аминокислот, в которых окончание - ин заменяется на -ил; исключение — С-концевой остаток, название которого совпадает с названием соответствующей аминокислоты. Для записи широко используют трѐхбуквенные и однобуквенные обозначения аминокислотных

остатков. Например:

O O

NH2-CH-C-NH-CH-C-NH-CH-COOH

CH3 CH2SH CH CH3 CH3

Ala-Cys-Val — аланил-цистеил-валин

6.9.5.2. Свойства, способы установления структуры

Олигопептиды по свойствам близки к аминокислотам, полипептиды — подобны белкам. Олигопептиды представляют собой, как правило, кристаллические вещества, разлагающиеся при нагревании до 200 300 С. Они хо-

330

рошо растворимы в воде, разбавленных кислотах и щелочах, почти не растворяются в органических растворителях, за исключением олигопептидов, построенных из остатков гидрофобных аминокислот. Химические свойства олигопептидов определяются содержащимися в них функциональными группами, а также особенностями пептидной связи. Их химические превращения в значительной мере аналогичны соответствующим реакциям аминокислот. Они дают положительную нингидриновую реакцию (гл. 6.9.2.3) и биуретовую реакцию. Биуретовая реакция — это цветная реакция на биурет NH2-CO-NH-CO-NH2, которую осуществляют, прибавляя к его щелочному раствору разбавленный водный раствор соли Cu2+, обычно CuSO4. При этом раствор окрашивается в интенсивный фиолетовый цвет благодаря образованию комплексного соединения. В пептиде для этого должно быть не менее двух амидных группировок:

Атом меди в таком комплексе, вероятно, образует связи именно с атомами азота, а не кислорода, так как атомы азота представляют более мягкие оснόвные центры и в соответствии с принципом Р. Пирсона (гл. 1.6) образуют более прочные связи с атомом меди.

Для идентификации аминокислотного состава белков и пептидов используют специфические реакции на аминокислоты. Эти реакции протекают за счѐт участия функциональных групп, находящихся в углеводородных радикалах аминокислотных остатков. К ним относятся: ксантопротеиновая реакция — появление жѐлтого окрашивания при взаимодействии с концентрированной азотной кислотой (качественная реакция на тирозин и фенилаланин); реакция Эрлиха — появление красно-фиолетового окрашивания при взаимодействии с п-диметиламинобензальдегидом в сернокислой среде (качественная реакция на триптофан); взаимодействие с ацетатом свинца в щелочной среде — выпадение чѐрного осадка PbS (качественная реакция на серосодержащие аминокислоты).

Аминокислотный состав устанавливается путѐм анализа пептидных и белковых гидролизатов различными методами. Амидные связи способны гидролизоваться как в кислой, так и в щелочной среде. При полном гидроли-

331

зе образуется смесь аминокислот. Щелочной гидролиз практически не используется из-за неустойчивости многих -аминокислот в этих условиях. Поэтому обычно гидролиз осуществляют в кислой среде.

Последовательность соединения аминокислот в полипептиде (или в белковой молекуле) устанавливают путѐм ступенчатого расщепления или рентгеноструктурным анализом. Разработаны химические способы отщепления -аминокислот с N-конца. В основе их лежат нуклеофильные свойства первичной аминогруппы. Это 1) метод динитрофенилирования, в котором реагентом является 2,4-динитро-1-фторбензол; 2) метод Эдмана, в котором используется фенилизотиоцианат; 3) дансильный метод, использующий реакцию с дансилхлоридом (5-N,N-диметиламинонафталин-1-сульфо- хлоридом):

2,4-динитро-1-фторбензол

N(CH3)2

дансилхлорид (5-N,N-диметиламинонафталин-1-сульфохлорид)

После гидролиза получившееся N-замещѐнное производное концевой аминокислоты отделяют и идентифицируют обычно одним из хроматографических методов.

6.9.5.3. Химический синтез

Химический синтез пептидов заключается в создании пептидной связи между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой аминокислоты. Сложность синтеза связана с необходимостью обеспечения строго определѐнной последовательности аминокислот. Для проведения целенаправленного контролируемого синтеза пептидов необходима предвари-

332

тельная временная защита всех (или некоторых) функциональных групп, которые не участвуют в образовании пептидной связи, а также предварительная активация одной из компонент пептидного синтеза. По окончании синтеза защитные группы удаляют. При получении биологически активных пептидов необходимое условие — предотвращение рацемизации аминокислот на всех этапах пептидного синтеза.

Итак, образование пептидных связей происходит в реакции между аминокислотой или еѐ функциональным производным с защищѐнной аминогруппой (1) и аминокислотой в виде соли или сложного эфира (2):

Среди N-защитных групп наиболее важными являются ацильные за-

щитные группы, в том числе моноацилы замещѐнной угольной кислоты типа

O

R-O C , например бензилоксикарбонильная группа и трет-бутокси- карбонильная группа:

а также ацилы муравьиной и трифторуксусной кислот.

Для активации карбоксильной группы еѐ превращают в сложноэфирное производное или в смешанный ангидрид. В сложноэфирном производном спиртовый (или фенольный) остаток должен содержать сильный электроноакцепторный заместитель — в результате образуется высокореакционноспособный эфир, легко подвергающийся аминолизу под действием другой аминокислоты. Это, например, п-нитрофениловый эфир, пентафторфениловый эфир.

F F

333