3.3.2 Аминокислоты

Аминокислоты можно рассматривать как производные углеводородов, содержащие аминогруппы (–NH₂) и карбоксильные группы (–CООН).

Общая формула: (NH₂)_mR(COOH)_n,

Номенклатура.

2-аминобутановая кислота 3-аминобутановая кислота

(α-аминобутановая) (β-аминобутановая)

Остатки около 20 различных α-аминокислот входят в состав белков.

Химические свойства. Аминокислоты являются полифункциональными соединениями. Вступают в реакции, характерные для аминов и карбновых кислот (см. химические свойства карбоновых кислот и аминов).

основные свойства кислотные свойства

(свойства аминов) (свойства карбоновых кислот)

амфотерные свойства

I. Амфотерные свойства.

1. Кислотные свойства (участвует карбоксильная группа):

глицин глицинат натрия (соль)

2. Основные свойства (участвует аминогруппа):

солянокислый глицин (соль)

II. Образование внутренних солей.

Моноаминомонокарбоновые кислоты (нейтральные кислоты):

внутренняя соль

(биполярный ион, или цвиттер-ион)

Водные растворы моноаминомонокарбоновых кислот нейтральны (рН = 7). Водные растворы моноаминодикарбоновых кислот имеют рН < 7, так как в результате образования внутренних солей этих кислот в растворе появляется избыток ионов водорода Н⁺. Водные растворы диаминомонокарбоновых кислот имеют рН > 7 (щелочная среда), так как в результате образования внутренних солей этих кислот в растворе появляется избыток гидроксид-ионов ОН^-.

III. Взаимодействие аминокислот друг с другом – образование пептидов.

Две аминокислоты образуют дипептид, три – трипептид, n - полипептид:

пептидная связь (амидная связь)

глицин аланин глицилаланин

При составлении названия дипептида сначала называют аминокислоту, у которой в образовании дипептида участвует группа –СООН. В тривиальном названии этой кислоты последняя буква «н» заменяется буквой «л». Затем прибавляют без изменений тривиальное название аминокислоты, у которой в образовании дипептида участвует группа –NH₂.

Общая формула пептидов:

Методические указания к выполнению практических занятий Практическое занятие № 1. Теория строения органических соединений а.М. Бутлерова. Классификация органических соединений

Задание 1. Напишите структурные формулы четырех веществ, содержащих карбонильную группу и относящихся к четырем различным классам органических соединений.

Решение.

кетон

альдегид

карбоновая кислота

сложный эфир

Задание 2. Напишите структурную формулу и назовите углеводород, молекула которого содержит 5 первичных, 2 вторичных, 1 третичный и 1 четвертичный атомы углерода.

Задание 3. Напишите формулу и назовите углеводород, который содержит четыре sp²-гибридизованных атома углерода и один sp³-гибридизованный атом углерода.

Решение.

2-метил-бутен-1,3

Задание 4. Напишите полную структурную формулу вещества CF₃–CHBrCI и полные структурные формулы не менее трех изомеров вещества.

Задание 5. Сколько видов структурной изомерии представлено формулами.

Решение.

1) СН₂ = СН – СН₂ – СН₃;

2) СН₂ = СН – (СН₂)₂ – СН₃;

3) СН₃ – СН = СН – СН₃;

4)

5)

Изомеры 1) и 3) представляют изомерию положения двойной связи; изомеры 2) и 5) – изомерию углеродного скелета; изомеры 1) и 4) – межклассовая изомерия (алкены и циклоалканы).

Задание 6. К какому типу относятся реакции:

1) C₂H₅Cl + H₂O → C₂H₅OH + HCl;

2) С₆Н₆ + 3Cl₂ → C₆H₆Cl₆;

3)

4)

5)

6) C₆H₅ – CH₃ + Cl₂ → C₆H₅ – CH₂ – Cl + HCl

Решение. Реакции 1) и 6) относятся к реакциям замещения; реакция 2) – реакция присоединения; реакция 3) – разложения; реакция 4) – отщепления; реакция 5) – окисления.

Практическое занятие № 2. Определение химической формулы вещества

Для установления химической формулы вещества недостаточно знать массовые доли элементов. В этом случае можно установить лишь простейшую. Например, в веществах, имеющих молекулярные формулы С₂Н₂ (ацетилен) и С₆Н₆ (бензол), соотношение числа атомов углерода и числа атомов водорода одинаково и равно 1:1. Поэтому массовые доли углерода и водорода в этих веществах также одинаковы. Таким образом, простейшая химическая формула, которую можно установить, исходя из массовых долей элементов, это СН. Понятно, что эта формула противоречит понятиям о валентности элементов, тем не менее, именно она выражает простейшее целочисленное отношение между числами атомов углерода и водорода в обоих веществах. Для установления истинной формулы необходимо знать его молекулярную массу.

Задание 1. Путем анализа установлено, что в состав данного вещества входят элементы водород и кислород, массовые доли которых, соответственно, равны 5,88 % и 94,12 %. Молекулярная масса вещества равна 34. Определить простейшую и молекулярную формулы этого вещества.

Решение. Задачи этого типа можно решать двумя способами.

I способ. Пусть молекулярная формула вещества Н_хО_у. По условию задачи М_г(Н_хО_у) = 34, следовательно, М(H_xO_y) = 34 г/моль.

Зная массовые доли элементов, рассчитываем массы водорода и кислорода в 1 моле вещества:

m(Н) = М(Н_хО_у) · W(Н) = 34 · 0,0588 = 2 г;

m(O) = М(Н_хО_у) · ω(O) = 34 · 0,9412 = 32 г.

Определяем число молей атомов водорода и кислорода в 1 моле вещества:

;

В одном моле Н_хО_у содержится 2 моля атомов Н и 2 моля атомов О. Следовательно, в одной молекуле содержится 2 атома водорода и 2 атома кислорода: Н₂O₂.

II способ. Пусть масса вещества равна 100 г. Массы элементов водорода и кислорода в этой массе вещества равны соответственно:

m(Н) = 5,88 г; m(О) = 94,12 г.

Простейшее целочисленное отношение между числами молей атомов водорода и кислорода в данном веществе равно:

Таким образом, соотношение между числами атомов водорода и кислорода равно 1 : 1, и простейшая формула вещества – НО. Молекулярная масса, соответствующая этой формуле, М_г(НО) = 1 + 16 = = 17. Данная в условии задачи молекулярная масса вещества в два раза больше (34:17 = 2). Следовательно, индексы в простейшей формуле нужно удвоить; молекулярная формула вещества Н₂O₂.

Часто в задачах, связанных с установлением молекулярных формул газообразных веществ, не приводятся их молекулярные массы, но указывается относительная плотность этих веществ по какому-либо газу.

Согласно следствию из закона Авогадро, относительная плотность Х по газу У, обозначаемая D_y(X), равна отношению молекулярных (или молярных) масс этих газов:

Если известны плотности газов по водороду или по воздуху, то молекулярные массы этих газов легко рассчитываются по формулам:

М_г(газа) = М_г(Н₂) · D_Н2(газа) = 2 · D_H2(газа);

М_г(газа) = М_г(возд) · D_возд(газа) = 29 · D_возд(газа).

Задание 2. Массовые доли углерода, водорода и кислорода в некотором веществе равны 40,00, 6,67 и 53,33 % соответственно. Плотность паров этого вещества по водороду равна 30. Установите молекулярную формулу вещества.

Решение. Массы элементов в 100 г вещества равны: m(С) = 40,00 г, m(Н) = 6,67 г, m(О) = 53,33 г.

Числа молей атомов данных элементов относятся друг к другу как:

Чтобы получить простейшее целочисленное отношение, разделим полученные числа на меньшее из них:

Простейшая формула вещества: СН₂O.

Зная плотность паров вещества по водороду, рассчитаем молекулярную массу вещества:

М_г(газа) = М_г(Н₂) · D_Н2(газа) = 2 · 30 = 60.

Молекулярная масса, вычисленная для простейшей формулы, М(СН₂O) = 12 + 2 + 16 = 30, что в 2 раза меньше, чем истинная молекулярная масса вещества. Поэтому индексы в простейшей формуле нужно удвоить:

С₂Н₄O₂ – молекулярная формула.

В определенных задачах по выводу формул горючих веществ вместо массовых долей элементов приводятся данные о массах (количествах, объемах) продуктов сгорания. На основании этих данных достаточно просто рассчитываются массовые доли элементов или число молей атомов в сгоревшем веществе.

Задание 3. Вещество состоит из углерода, водорода и хлора. При сжигании 0,956 г его получено 0,352 г углекислого газа и 0,0720 г воды. Молекулярная масса вещества 119,5. Найти его формулу.

Решение. Пусть вещество имеет формулу C_xH_yCl_z.

Запишем схему реакции сгорания этого вещества:

C_хH_уCl_z, + O₂ → СO₂ + Н₂O + С1₂

Из схемы видно, что все атомы углерода из C_xH_yCl_z переходят в СO₂, а все атомы водорода – в молекулы воды Н₂O.

Находим количества вещества СО₂, Н₂О:

n(CO₂) = m(CO₂) / M(CO₂) = 0,352 / 44 = 0,008 моль;

n(H₂O) = m(H₂O) / M(H₂O) = 0,0720 / 18 = 0,004 моль.

Находим число атомов углерода и водорода:

n(С) = n(СO₂) = 0,008 моль;

n(Н) = 2n(Н₂O) = 2 · 0,004 = 0,008 моль.

Массы элементов углерода и водорода в исходном веществе:

m(С) = n(С) · М(С) = 0,008 · 12 = 0,096 г;

m(H) = n(Н) · M(H) = 0,008 · 1 = 0,008 г.

Находим массу и число атомов хлора в веществе:

m(С) + m(Н) = 0,096 + 0,008 = 0,104 г;

m(С1) = m (в-ва) – 0,104 = 0,956 – 0,104 = 0,852 г;

n(Cl) = m(Cl) / M(Cl) = 0,852 / 35,5 = 0,024 моль.

Простейшее целочисленное отношение чисел молей атомов в данном веществе равно:

n(С) : n(Н) : n(С1) = 0,008 : 0,008 : 0,024 = 1:1:3.

Простейшая формула вещества: СНС1₃.

Молекулярная масса простейшей формуле, М_r(СНС1₃) = 12 + 1 + 3 × 35,5 = 119,5, что совпадает с приведенной в условии молекулярной массой вещества. Таким образом, молекулярная и простейшая формулы идентичны.

Задание 4. При сжигании 12 г органического соединения образовались 14,4 г воды и углекислый газ, при пропускании которого через раствор гидроксида кальция образовалось 60 г осадка. Определите истинную (молекулярную) формулу исходного соединения, если относительная плотность его паров по воздуху равна 2,069.

Решение. Находим число атомов водорода:

n(Н₂O) = m(Н₂O) / M(Н₂O) = 14,4 / l8 = 0,8 моль;

n(Н) = 2n(Н₂O) = 2 · 0,8 = 1,6 моль;

m(Н) = n(Н) · М(Н) = 1,6 · 1 = 1,6 г.

Находим число атомов углерода. Количество СO₂ определяем по массе осадка СаСO₃, который образуется в результате реакции:

СO₂ + Са(ОН)₂ = СаСO₃↓ + Н₂O

n(СO₂) = n(СаСO₃) = m(СаСO₃) / M(СаСO₃) = 60 / 100 = 0,6 моль.

n(С) = n(СO₂) = 0,6 моль;

m(С) = n(С) · М(С) = 0,6 · 12 = 7,2 г.

Сумма масс элементов водорода и углерода равна:

m(Н) + m(С) = 1,6 + 7,2 = 8,8 г.

Эта сумма меньше массы сгоревшего вещества. Следовательно, в состав этого органического вещества входит также элемент кислород; рассчитаем его массу и количество атомов:

m(O) = m (в-ва) – 8,8 = 12 – 8,8 = 3,2 г;

n(О) = m(O) / M(О) = 3,2 / l6 = 0,2 моль.

Простейшее целочисленное отношение количеств атомов С, Н и О в данном веществе равно:

n(С) : n(Н) : n(О) = 0,6 : 1,6 : 0,2 = 3 : 8 : 1.

Простейшая формула вещества С₃Н₈O, М_г(С₃Н₈O) = 60.

Рассчитаем истинную молекулярную массу вещества, исходя из плотности его паров по воздуху:

М_г(в-ва) = 29 · D_возд(в-ва) = 29 · 2,069 = 60.

Следовательно, молекулярная формула вещества совпадает с простейшей – С₃Н₈О.

Задания для самоконтроля.

1. Определите формулу углеводорода, массовая доля углерода в котором 80 %.

2. Плотность углеводорода по кислороду равна 1,75, массовая доля водорода в нем равна 14,3 %. Определите молекулярную формулу углеводорода.

3. Массовая доля кислорода в предельном одноатомном спирте равна 18,18 %. Установите молекулярную формулу спирта.

4. При взаимодействии ацетиленового углеводорода с избытком раствора хлора образуется соединение, массовая доля хлора в котором 63,39%. Установите молекулярную формулу исходного алкина.

5. При каталитическом гидрировании 23,2 г альдегида было получено 24 г соответствующего спирта. Определите исходный альдегид.

6. При дегидратации 18,5 г предельного одноатомного спирта образовался алкен, объем которого (н.у.) равен 3,36 л. Выход в реакции дегидратации составил 60 %. Определите молекулярную формулу исходного спирта.

7. При дегидратации предельного одноатомного спирта объемом 66 мл (р = 0,85 г/мл) образовалось 46,2 г неразветвленного алкена симметричного строения. Назовите исходный спирт.

8. Альдегид, образовавшийся при окислении 15 г предельного одноатомного спирта с выходом 80 %, окислили аммиачным раствором оксида серебра. Реакция прошла с выходом 80 %, и образовалось 34,56 г серебра. Назовите исходный спирт.

9. При сгорании алкана образуется 94,08 л (н.у.) углекислого газа и 86,4 г воды. Определите молекулярную формулу алкана.

10. При сгорании арена массой 32,2 г выделилось 107,8 г оксида углерода (IV). Установите формулу арена.

11. При сгорании алкена образуется 40,32 л углекислого газа (н.у.) и 32,4 г воды. Такое же количество этого углеводорода обесцвечивает 3200 г бромной воды с массовой долей брома 3 %. Определите молекулярную формулу углеводорода.

12. При реакции циклоалкана с хлороводородом образуется вторичное галогенпроизводное, массовая доля хлора в котором 38,38 %. Определите структурную формулу циклоалкана и назовите его по систематической номенклатуре.

13. При сгорании смеси двух изомерных алканов образовалось 58,24л (н.у.) углекислого газа и 58,5 г воды. Сколько атомов углерода в молекулах изомеров.

14. При сгорании 18,4 г органического соединения образовалось 17,92 л (н.у.) углекислого газа и 21,6 г воды. Определите простейшую формулу соединения.

15. К 11,1 г одноосновной органической кислоты добавили сначала 14 г 20 %-ного раствора гидроксида натрия, а затем избыток раствора карбоната калия. При этом выделилось 896 мл (н.у.) газа. Назовите кислоту.

16. Для получения 58,68 г монобромпроизводного циклоалкана неизвестного строения использован раствор, содержащий 96 г брома, причем реакция протекала с выходом 60 %. Установите число изомерных циклоалканов, удовлетворяющих данному условию.

17. При монобромировании ароматического углеводорода в присутствии железного катализатора выделился бромоводород, на нейтрализацию которого потребовалось 80 г 10 %-ного раствора гидроксида натрия. При сгорании того же количества этого арена выделилось 35,84 л (н.у.) оксида углерода (IV). Установите число изомеров, которые имеет этот арен.

18. При бромировании гомолога бензола в присутствии железа образовалось 95,52 г монобромпроизводного и выделился бромоводород, на нейтрализацию которого потребовалось 80 мл (р = 1,2 г/мл) раствора с массовой долей гидроксида натрия 20 %. Определите структурную формулу арена. Название его, если известно, что при бромировании в указанных условиях образуется только 1 изомер монобромпроизводного.

19. Отношение молярных масс монохлорпроизводного алкана и полученного из него при действии водного раствора щелочи спирта равно 1,578. Установите формулу галогеналкана.

20. 30 г моноаминомонокарбоновой кислоты прореагировало с 16 г гидроксида натрия. Назовите исходную кислоту.

21. При сжигании 6,9 г газа, плотность которого (н.у.) 2,054 г/л, получено 13,2 г оксида углерода (IV) и 8,1 воды. Определите структурную формулу данного вещества.

22. Смесь этиленового углеводорода и водорода пропустили над платиновым катализатором. При этом реакция прошла с выходом 80 %, и объем смеси уменьшился на 4,48 л (н.у.). При пропускании такого же количества исходной смеси через колбу с бромной водой весь углеводород прореагировал, и масса содержимого колбы увеличилась на 10,5 г. Установите формулу исходного алкена.

23. При сгорании 44,5 г органического соединения выделилось 31,5 г воды и 39,2 л (н.у.) газа. Газ был пропущен через избыток раствора гидроксида натрия, при этом его объем уменьшился в 7 раз. Определите число изомеров, которое может иметь данное соединение, учитывая, что оно способно вступать в реакции с соляной кислотой и раствором гидроксида натрия.

24. Смесь равных количеств двух различных алканов имеет плотность по водороду, равную 15. Установите формулы данных алканов.

25. При гидрировании алкена образовался алкан, массовая доля водорода в котором на 5,714 % больше, чем в исходном алкене. Определите формулу алкена.

26. В некотором органическом веществе массовая доля углерода равна 85,71 %, водорода – 14,29 %. 42 г этого вещества при температуре 127 ⁰С и давлении 5 атм. занимают объем 3,28 л. Определите молекулярную формулу вещества.

27. При сгорании 2,3 г органического вещества образовалось 4,4 г углекислого газа и 2,7 г воды. 2,3 г паров сгоревшего вещества при температуре 40 ⁰С и давлении 1,5 атм. занимают объем 0,855 л. Определите молекулярную формулу вещества.

Практическое занятие № 3. Важнейшие классы органических соединений. Генетическая связь между классами органических соединений

Задание1. На вещество А состава С₆Н₁₀Сl₄ подействовали при нагревании водным раствором щелочи. Продукт реакции Б не дает положительную реакцию на пробу Бейльштейна. При окислении Б в жестких условиях образуются уксусная и щавелевая кислоты в молярном отношении 2 : 1. Напишите структурные формулы веществ А и Б.

Решение. Проба Бейльштейна – качественная реакция на наличие в молекуле органического вещества атомов галогенов. Исходя из результатов окисления Б, это вещество имеет структуру:

CH₃ – CO – CH₂ – CH₂ – CO – CH₃,

Оно получается при гидролизе тетрахлоралкана А:

CH₃ – C(Cl)₂ – CH₂ – CH₂ – C(Cl)₂ – CH₃

Задание 2. Предложите способ выделения компонентов из смеси н-октана, 2,2,4-триметилпентана, фенола и бензойной кислоты.

Решение. Обработка смеси водным раствором щелочи ведет к переходу в раствор фенола и бензойной кислоты:

C₆H₅OH + NaOH → C₆H₅ONa + H₂O,

C₆H₅COOH + NaOH → C₆H₅COONa + H₂O.

Если через полученный раствор пропустить СО₂, осаждается фенол:

C₆H₅ONa + H₂O + СО₂ →C₆H₅OH↓ + NaHСO₃,

а обработка оставшегося раствора сильной кислоты ведет к выделению бензойной кислоты:

C₆H₅ – COONa + HCl → C₆H₅COOH↓ + NaCl.

К оставшейся смеси углеводородов можно добавить мочевину

H₂N – CO – NH₂, образующую с н-октаном нерастворимое клатратное соединение. Обработка этого клатрата водой вызовет его разрушение с образованием мочевины и н-октана.

Задание 3. В произвольном порядке приведены значения константы диссоциации (К_Д) веществ: фенола, этанола, хлоруксусной кислоты, бензойной кислоты, угольной кислоты: 1,8·10^-18; 4,9·10^-7; 1,3·10^-10; 1,4·10^-5; 6,3·10^-5.

Какое из приведенных значений К_Д соответствует каждому из соединений.

Решение.

Вещество	КД
Фенол	1,3·10-10
Этанол	1,8·10-18
Хлоруксусная кислота	1,4·10-5
Бензойная кислота	6,3·10-5
Угольная кислота	4,9·10-7

Задание 4. Составьте уравнения реакций, описывающие схему превращений:

Решение.

Задания для самоконтроля

1. Составьте уравнения реакций, описывающие схему превращений:

а)

б)

в)

г)

д)

2. Используя только неорганические реагенты, из ацетилена получите этиловый эфир уксусной кислоты.

3. Производное бензола состава С₉Н₈ реагирует с амидом натрия, вступает в реакцию Кучерова и при окислении перманганатом калия дает бензойную кислоту. Установите структурную формулу производного бензола и напишите реакции.

4. При взаимодействии соединения С₂Н₄О₂ с водно-аммиачным раствором Ag₂O выделяется серебро, а исчерпывающее восстановление приводит к метанолу. Определите структурную формулу С₂Н₄О₂ и предложите способ его синтеза из метана.