Биполярный ион и влияние на свойства
Специфика аминокислот заключается в том, что внутри молекулы происходит перенос протона от карбоксильной группы к аминогруппе. В результате образуется так называемый биполярный ион (цвиттер-ион). Это состояние во многом определяет физические и химические свойства веществ.
Ярким доказательством влияния внутренней ионизации служит реакция этерификации. Если обработать аминокислоту спиртом (например, этанолом), образуется сложный эфир. В отличие от самой аминокислоты, ее эфир является летучим соединением. Это происходит потому, что в сложном эфире подвижный протон карбоксильной группы замещен на радикал, биполярный ион образоваться не может, и межмолекулярные взаимодействия ослабевают.
Амфотерные свойства
Как амфотерные электролиты, аминокислоты способны взаимодействовать с противоположными по характеру реагентами. Рассмотрим это на примере глицина.
- С кислотами реагирует отрицательно заряженная карбоксилатная группа биполярного иона (она выступает в роли основания, принимая протон). Продукт реакции — соль по аминогруппе (например, гидрохлорид глицина).
- Со щелочами в реакцию вступает положительно заряженная аммонийная группа (выступает как кислота, отдавая протон). Образуется соль по карбоксильной группе (например, глицинат натрия).
По своей амфотерной природе аминокислоты напоминают такие неорганические соли, как ацетат аммония. Главное отличие в том, что в аминокислоте кислотный и основный центры не свободны, а ковалентно связаны углеродным скелетом.
Кислотно-основная среда в растворах
Среда водного раствора аминокислоты зависит от соотношения функциональных групп в ее структуре.
- Кислая среда (pH < 7). Характерна для моноаминодикарбоновых кислот (например, глутаминовой или аспарагиновой). В них одна карбоксильная группа задействована в образовании биполярного иона, а вторая свободно диссоциирует в воде, высвобождая протоны.
- Щелочная среда (pH > 7). Возникает при растворении диаминомонокарбоновых кислот (например, лизина). Здесь одна аминогруппа участвует во внутренней нейтрализации, а вторая присоединяет протон из молекулы воды, что ведет к накоплению гидроксид-ионов.
Специфические реакции радикалов
Помимо реакций по основным функциональным группам, аминокислоты могут вступать в химические взаимодействия за счет своих радикалов. Важный пример — реакции по ароматическому кольцу.
Тирозин, содержащий фенольное кольцо, легко вступает в реакции электрофильного замещения, такие как галогенирование. При воздействии йода происходит замещение атомов водорода в орто-положениях к гидроксильной группе с образованием 3,5-дийодтирозина. Биологическая значимость этой реакции огромна: именно так в организме синтезируются предшественники важнейших гормонов щитовидной железы.
Комплексообразование
Аминокислоты — отличные лиганды. Анионы аминокислот способны связываться с ионами тяжелых металлов (d-элементов), образуя очень прочные внутрикомплексные соединения. Такие структуры называются хелатами. Например, глицинат-ион образует с ионом меди характерный комплекс, который не диссоциирует на ионы в водном растворе.
Коротко: ответы на вопросы по теме
Какие качественные (цветные) реакции применяются для обнаружения альфа-аминокислот в растворе?
Для качественного обнаружения альфа-аминокислот в растворе применяется нингидриновая реакция, а также специфические методы для концевых участков.
- Нингидриновая реакция — дает характерное фиолетово-синее окрашивание для α-аминокислот.
- Реакции Сендгера и Эдмана — применяются для определения N-концевой аминокислоты в структуре.
Дополнительно для количественного определения может использоваться УФ-спектрофотометрия.
Какие химические реакции характерны для карбоксильной группы аминокислот, помимо этерификации?
Помимо этерификации, для аминокислот подтверждены реакции с участием карбоксильной группы или карбоксилатного остатка, а также образование пептидной связи.
- Реакция с кислотами — роль основания играет остаток карбоксильной группы ($COO^-$); образуются соли по аминогруппе, например гидрохлорид глицина.
- Реакция со щелочами — образуются соли по карбоксильной группе, например глицинат натрия при реакции глицина с гидроксидом натрия.
- Поликонденсация — молекулы аминокислот соединяются с образованием пептидной (амидной) связи $-CO-NH-$ и выделением воды.
Как протекает реакция образования пептидной связи между двумя аминокислотами?
Реакция образования пептидной связи между аминокислотами протекает по механизму поликонденсации.
- Образование дипептида — молекулы аминокислот соединяются пептидной (амидной) связью ($-CO-NH-$) с выделением воды.
- Изомерия — в зависимости от порядка соединения возможно образование изомерных дипептидов (например, Gly-Ala и Ala-Gly).
- Строение связи — образующаяся группировка $CONH$ имеет плоское строение из-за мезомерного эффекта.
Полученный дипептид сохраняет свободные N- и C-концы, что позволяет продолжать реакцию конденсации.
Вопросы с занятий и экзамена
Почему эфиры аминокислот более летучи, чем сами аминокислоты?
В молекуле эфира нет подвижного протона у карбоксильной группы, поэтому не образуется биполярный ион и водородные связи слабее.
Какая группа аминокислоты реагирует при добавлении соляной кислоты?
При реакции с кислотами взаимодействует карбоксилат-анион биполярного иона, принимая на себя протон.
В какой среде находится раствор аспарагиновой кислоты?
В кислой (pH < 7), так как у нее две карбоксильные группы, одна из которых дополнительно диссоциирует в воде.
Где происходит замещение при йодировании тирозина?
Замещение водорода на йод идет в ароматическом кольце, в орто-положении по отношению к фенольному гидроксилу.
Что ещё разобрать по теме
- Подробный механизм образования биполярного иона
- Специфические реакции других боковых радикалов
- Механизм хелатообразования с ионами меди
- Сравнение свойств различных диаминомонокарбоновых кислот
Разберите тему целиком в курсе «Химия»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Химические свойства аминокислот» и ещё 3 009 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 95 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Глава 18. Важнейшие классы биоорганических соединений»
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.