Tài liệu Amin amino axit và peptit

Phần I: LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong quá trình dạy lớp chuyên và tham gia bồi dưỡng đội tuyển HSG QG môn Hóa học hàng năm, cùng với những mong muốn cung cấp một nguồn tài liệu cho học sinh và các đồng nghiệp , tôi đã tổng hợp , sưu tầm nghiên cứu, áp dụng vào dạy học và rút ra được một số kinh nghiệm trong giảng dạy phần hóa học hữu cơ, trong đó có hợp chất chứa nito cụ thể là phần amin –aminoaxit - peptit Hợp chất thiên nhiên có rất nhiều và phức tạp, nhưng trong khuôn khổ của chuyên đề lần này cũng như thời lượng để biên soạn có hạn nên tôi chọn hợp chất thiên nhiên là : “AMIN -AMINO AXIT VÀ PEPTIT”. Đây là một chuyên đề khó về hợp chất thiên nhiên quan trọng bậc nhất và trọng tâm của chương trình ôn thi TN và ôn thi HSG hàng năm. Học sinh thường sợ và lúng túng khi giải các bài tập vê amino axit và peptit vì thiếu cơ sở để tìm ra phương án giải quyết vấn đề và vì các tài liệu viết đều không đầy đủ, không đáp ứng được yêu cầu đơn giản, chính xác và giải nhanh nhất. 1 Phần II: NỘI DUNG A.CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VẤN ĐỀ: I. Amin 1. Cấu tạo − Phân loại: bậc của amin: Ví dụ: Vì thế amin có khả năng kết hợp proton (H+), thể hiện tính bazơ. Nếu R là gốc no mạch hở, có khuynh hướng đẩy electron, làm tăng điện tích âm ở N, làm tăng khả năng kết hợp H+, nghĩa là làm tăng tính bazơ. Amin bậc cao có tính bazơ mạnh hơn amin bậc thấp. Nếu R là nhân benzen, có khuynh hướng hút electron, ngược lại làm giảm tính bazơ của amin (tính bazơ yếu hơn NH3) 2. Tính chất vật lý a) Các amin mạch hở: Những chất đơn giản nhất (CH3 − NH2, C2H5 − NH2) là những chất khí, tan nhiều trong nước, có mùi đặc trưng giống NH3. Khi khối lượng phân tử tăng dần, các amin chuyển dần sang lỏng và rắn, độ tan trong nước cũng giảm dần. Ví dụ. Chất : CH3CH2, (CH3)2NH, C2H5NH2, C2H4(NH2)2 Nhiệt độ sôi −6,3oC +6,9oC +16,6oC +116,5oC b) Các amin thơm: là những chất lỏng hoặc chất tinh thể, có nhiệt độ sôi cao, mùi đặc trưng, ít tan trong nước. 3. Tính chất hoá học a) Tính bazơ − Các amin mạch hở tan được trong nước cho dd có tính bazơ. − Anilin (C6H5 − NH2) và các amin thơm khác do tan ít trong nước, không làm xanh giấy quỳ. − Phản ứng với axit tạo thành muối. b) Các điamin: Các điamin có thể tham gia phản ứng trùng ngưng với các điaxit tạo thành polime (xem phần điaxit) 2 c) Amin thơm: − Nhóm NH2 có ảnh hưởng hoạt hoá nhân thơm và định hướng thế vào vị trí o-, p-. Ví dụ: 4. Điều chế a) Khử hợp chất nitro bằng hiđro mới sinh: b) Phản ứng giữa NH3 với R − X (X = Cl, Br, I) Phản ứng có thể tiếp tục cho amin bậc cao: c) Phương pháp Sabatie 5. Giới thiệu một số amin a) Metylamin CH3 − NH2 Là chất khí, có mùi giống NH3, tan nhiều trong nước, trong rượu và ete. b) Etylamin C2H5 − NH2 Là chất khí (nhiệt độ sôi = 16,6oC), tan vô hạn trong nước, tan được trong rượu, ete. c) Hecxametylđiamin H2N − (CH2)6 − NH2: Là chất tinh thể, nhiệt độ sôi = 42oC. Được dùng để chế nhựa tổng hợp poliamit, sợi tổng hợp. d) Anilin C6H5 − NH2: Là chất lỏng như dầu, nhiệt độ sôi = 184,4oC. Độc, có mùi đặc trưng. ít tan trong nước nhưng tan tốt trong axit do tạo thành muối. Để trong không khí bị oxi hoá có màu vàng rồi màu nâu. Dùng để sản xuất thuốc nhuộm. e) Toluđin CH3 − C6H4 − NH2 Dạng ortho và meta là chất lỏng. Dạng para là chất kết tinh. Điều chế bằng cách khử nitrotoluen. II. AMINO AXIT I.1. Định nghĩa – Danh pháp: 1.1. Định nghĩa: Amino axit là hợp chất hữu cơ tạp chức trong phân tử chứa đồng thời nhóm amino (-NH2) và cacboxyl (-COOH). CTTQ: R(COOH)x(NH2)y x,y ≥ 1 Hay: CnH2n+2-2a-x-y(COOH)x(NH2)y. Amino axit no chứa 1 chức axit, 1 chức amin dạng : CnH2n(COOH)(NH2). 1.2. Danh pháp: a) Danh pháp thay thế : 3 Axit + STT nhóm amino- amino+ tên thay thế của axit cacboxylic tương ứng. Thí dụ: CH3CH(NH2)COOH HOOCCH2CH(NH2)COOH Axit 2-aminopropanoic Axit 2- aminobutanđioic. HOOC- C6H4-NH2 . Axit 4- aminobenzoic. b) Danh pháp bán hệ thống : Axit + vị trí các chữ cái hylap ( α , β , γ , δ . . . ) + amino + tên bán hệ thống của axit cacboxylic tương ứng c) Danh pháp thường : Các amino axit thiên nhiên hầu hết là α -aminoaxit và thường được dùng bằng tên riêng (tên thường) không có hệ thống. Tên Glyxin Alanin Valin Leuxin Axit glutamic Lysin d) Tên gốc: Bảng 1. Các amino axit thiên nhiên. Kí hiệu Công thức Monoaminomonocacboxylic Gly H3N+CH2COOAla H3N+CH(CH3)COOVal H3N+CH(i-Pr)COOLeu H3N+CH(i-Bu)COOGlu HOOC-(CH2)2-CH(+NH3)COOLys H3N+-(CH2)4-CH(NH2)COO- - Khi ngắt bỏ -OH ra khỏi nhóm- COOH ta được nhóm axyl. Thí dụ : H2NCH2COOH glixin H2NCH2CO- CH3CH(NH2)COOH alanin. CH3CH(NH2)CO- glixyl alanyl. - Gốc của các aminoaxit có nhóm amit –CONH2 : đổi “-in” thành “inyl” Thí dụ : H2N-CO-CH2CH(NH2)COOH : Asparagin H2N-CO-CH2CH(NH2)CO- : Asparaginyl - Các monoaminođicacboxylic có 3 gốc tương ứng: + Tên của gốc hóa trị 1 có tiếp vĩ ngữ là yl + Tên của gốc hóa trị 1 có tiếp vĩ ngữ là oyl. Thí dụ : HOOC-CH2-CH(NH2)COOH : Aspatic 4 HOOC-CH2-CH(NH2)CO- : α -Aspatyl -OC-CH2-CH(NH2)CO- : β -Aspatyl -OC-CH2-CH(NH2)CO- : Aspatoyl 1.3. Đồng phân a) Đồng phân cấu tạo: gồm đồng phân về mạch C và đồng phân về vị trí nhóm amino b) Đồng phân lập thể: Cấu hình của hầu hết các amino axit thiên nhiên là S và L (chỉ có L-Xystein là có cấu hình R) I.2. Cấu tạo phân tử - Tính chất vật lý: + 2.1. Cấu tạo phân tử: NH2 - R - COOH ⇄ H3N – R – COOdạng phân tử dạng ion lưỡng cực - Phân tử chứa nhóm –COOH: Có khả năng cho proton- thể hiện tính axit. - Phân tử chứa nhóm –NH2: có khả năng nhận proton: thể hiện tính bazơ. Như vậy, amino axit có tính chất lưỡng tính. - Tinh thể amino axit tồn tại dạng ion lưỡng cực +H3N – R – COO- nên tinh thể có lực hút ion giống muối amoni nội phân tử. 2.2. Tính chất vật lý: - Amino axit là chất rắn kết tinh, có nhiệt độ nóng chảy khá cao (khoảng từ 220 đến 300oC, đồng thời bị phân huỷ) và dễ tan trong nước vì chúng tồn tại ở dạng ion lưỡng cực (muối nội phân tử). - Các amino axit có nguồn gốc thiên nhiên tồn tại chủ yếu dạng α-amino axit: ⇄ +H3N –CH– H2N- CH- COOH COO- R R dạng phân tử I.3. Tính chất hóa học: 3.1. Tính axit- bazơ: NH2 - R - COOH ⇄ dạng ion lưỡng cực + H3N – R – COO- (không di chuyển) +H+ + +HOH2N – R – COOdi chuyển về anot H3N – R – COOH di chuyển về catot Bảng 2. Tính axit-bazơ của amino axit. 5 Amino axit Mạch nhánh trung hòa pK pK a 2 pHI Glyxin 2,34 9,60 5,79 Alanin 2,34 9,69 6,00 Valin 2,32 9,62 5,96 Leuxin 2,36 9,60 5,98 Axit glutamic 2,19 4,25 9,67 3,22 Lysin 2,18 8,95 10,53 9,74 * Trong tất cả các amino axit pK a1 ứng với sự điện li của nhóm cacboxyl và pK a 2 ứng với sự điện li của nhóm amoni. ** Trong tất cả các amino axit pK a1 ứng với sự điện li của nhóm cacboxyl trong RCH(+NH3)COOH. 3.2. Phản ứng của nhóm cacboxyl. a. Phân li trong nước: + NH2 - R - COOH ⇄ H3N – R – COOquỳ tím * a1 H2N- CH- COOH + H2O ⇄ +H3N –CH–COO- + OHxanh NH2 + NH 3 HOOC- CH- COOH + H2O ⇄ -OOC –CH–COO- + H+ hồng NH quỳ quỳ 2 + 3 NH (NH2)y R(COOH)x : x = y : quỳ tím x > y : quỳ hồng x < y : quỳ xanh b. Tác dụng với dung dịch kiềm: H2N-CH2-COOH + NaOH → H2N-CH2-COONa + H2O Mol : a b 0 0 Mol pư: a a a a Mol có: 0 (b-a) a a - Cho dung dịch thu được tác dụng với HCl: NaOH + HCl → NaCl + H2O Mol (b-a) (b-a) H2N-CH2-COONa + 2HCl → ClH3N-CH2-COOH + NaCl Mol a 2a nHCl phản ứng = b-a+2a = (b+a) = nOH − (NaOH) + n NH (a.a) c. Tác dụng với ancol: - Amino axit tác dụng với ancol khi có xúc tác axit vô cơ mạnh (HCl) đun nóng tạo thành este: H2N-CH2-COOH + HOC2H5 ↔ H2N-CH2-COO C2H5 + H2O 2 − + - Este thu được tác dụng với HCl tạo Cl H 3 N CH 2 COOC2 H 5 cần xử lý với NH3 giải phóng aminoeste. 6 − + Cl H 3 N CH 2 COOC2 H 5 + NH3 → H2N-CH2-COOC2H5 + NH4Cl 3.3. Phản ứng của nhóm amino: a- Phản ứng với axit: − + H2N-R-COOH + HCl → Cl H 3 N RCOOH Mol bđ: a b 0 Mol pư: a a a Mol còn: 0 (b-a) a - Cho dung dịch thu được tác dụng với NaOH: NaOH + HCl → NaCl + H2O (1) Mol (b-a) (b-a) − + − + Cl H 3 N RCOOH + 2NaOH → Cl H 3 N RCOONa + NaCl + H2O (2) Mol a 2a ⇒ nNaOH p.ứ = b+a = nNaOH p.ứ với HCl + nNaOH p.ứ với a.a b- Phản ứng với axit nitrơ: HNO2 + HCl ( NaNO2 + HCl ) H2N-R-COOH + HONO ⎯HCl ⎯→ ⎯ HO-R-COOH + N2 ↑ + H2O Phản ứng dùng để định lượng amino axit. c- Phản ứng Aryl hóa bằng dẫn xuất 2,4-đinitro flobenzen. + H-HN-R-COOH → O2N NH-R-COOH ↓ + HF O2 N F NO2 NO2 3.4. Phản ứng nhờ tác dụng của nhiệt: a- Khi đun nóng α-amino axit bị tách nước giữa 2 phân tử tạo thành vòng 6 cạnh theo phương trình: O C R-CH + N H OH H N t H C N 0 R-CH H CHHO– CR O H O CH – R + 2H2O N C H O b- Khi đun nóng β-amino axit bị tách NH3 tạo axit không no theo phương trình: R-CH2-CH-CH2-COOH 0 t R-CH2-CH = CH- COOH + NH3 ⎯⎯→ NH2 c- Khi đun nóng γ,δ,ε-amino axit bị tách H2O cho amit vòng 5→ 7 cạnh, gọi là lactam. 7 O CH2 C O OH H t N CH2 CH2 0 H CH2 C NH CH2 + H2 O CH2 3.5. Phản ứng tách H2O tạo thành hợp chất peptit: a- Phản ứng ngưng tụ: - Khi đun nóng với chất hút nước ( P2O5) ở nhiệt độ thích hợp có phản ứng tách nước tạo hợp chất peptit theo phương trình: a1. Phản ứng tạo đipeptit: t H2N-CH(R1) C OH+ H NH CH(R2) COOH 0 O H2N–CH(R1)–CO–NH–CH(R2)–COOH + H2O Nếu phản ứng từ 2 amino axit khác nhau: H2NCH(R1)CONHCH(R2)COOH H2NCH(R1) COOH + H2NCH(R2)COOH ⎯⎯→ H2NCH(R1)CONHCH(R1)COOH t0 H2NCH(R2)CONHCH(R2)COOH H2NCH(R2)CONHCH(R1)COOH Thí dụ: Phản ứng tạo đipeptit từ hỗn hợp alanin và glyxin: tạo các sản phẩm có thể gồm Ala-Ala; Gly-Gly; Ala-Gly; Gly-Ala. a2 . Phản ứng tạo tripeptit: - 3 phân tử amino axit tách nước tạo thành tripeptit: H2N-CH(R1) C O OH+ H NH CH(R2) C OH+ H –NH–CH(R3) –COOH O 0 t H2N–CH(R1)–CO–NH–CH(R2)–CO–NH–CH(R3)–COOH + 2H2O ⎯⎯→ Thí dụ: Phản ứng tạo tripeptit từ hỗn hợp alanin và glyxin: tạo các sản phẩm có thể gồm Ala-Ala-Ala Ala-Ala-Gly Gly-Gly-Ala Gly-Gly-Gly Ala-Gly-Ala Gly-Ala-Gly Gly-Ala-Ala Ala-Gly-Gly b- Phản ứng tạo poli-peptit ( phản ứng trùng ngưng): - Khi đun nóng ( có xúc tác) ở t0 thích hợp có phản ứng tạo polipeptit: , xt nH2N- CH(R)-COOH ⎯t⎯, p⎯ → H-[NH-CH(R)-CO-]nOH + (n-1)H2O 8 0 Với n = 2 : đipeptit n = 3 : tripeptit n = 4 : tetrapeptit ……………….. n > 50 : protein * Nhận xét: - Peptit là những amit được hình thành bằng cách ngưng tụ 2 hay nhiều phân tử α- amino axit - Trong phân tử peptit: đơn vị amino axit đầu N chứa nhóm NH2, amino axit đầu C chứa nhóm COOH. - Liên kết amit của nhóm CO với nhóm NH giữa 2 đơn vị α- amino axit được gọi là liên kết peptit - Tên gọi peptit: ghép tên gốc axyl của các α- amino axit bắt đầu từ đầu N, rồi kết thúc bằng tên amino axit đầu C (được giữ nguyên). Thí dụ: Ala-Gly-Gly-Ala; Alanylglyxylglyxylalanin - Phản ứng trùng ngưng: là sự kết hợp các phân tử monome thành polime đồng thời giải phóng ra nhiều phân tử H2O. I.4: Điều chế amino axit: + HO - Từ protein: + Thuỷ phân protein ⎯+⎯ ⎯→ α-amino axit: H3N-CH(R)– COOH 3 + + NaOH, t0 H2N- CH- COONa R H N- CH- COOH NH 3 H2N- CH- COOH ⎯+⎯ ⎯→ NH2 2 X , xt + Từ axit: R- CH2-COOH ⎯+⎯ ⎯→ 2 X III. PEPTIT III.1. Định nghĩa. - Peptit là những hợp chất amit chứa từ 2 đến 50 gốc α-amino axit liên kết với nhau bằng các liên kết peptit. - Liên kết amit của nhóm CO với nhóm NH giữa 2 đơn vị α- amino axit được gọi là liên kết peptit - Trong phân tử peptit: đơn vị amino axit đầu N chứa nhóm NH2, amino axit đầu C chứa nhóm COOH. - Các peptit được phân thành hai loại: + Oligopeptit gồm các peptit có từ 2 đến 10 gốc α- amino axit và được gọi tương ứng là đipeptit, tripeptit,…đecapeptit. + Polipeptit gồm các peptit có từ 11 đến 50 gốc α- amino axit. H2N-CH R1 CO [NH CH CO ]n-2NH CH–COOH R ( 2→( n−2)) Rn amino axit đầu N - Đồng phân cấu tạo của peptit: amino axit đầu C 9 + Nếu trong phân tử peptit có chứa n gốc α- amino axit khác nhau thì số đồng phân peptit sẽ là n! Thí dụ: từ 2 amino axit alanin và glyxin tạo nen được 2 đồng phân(2!=2) đipeptit là Ala- Gly và Gly-Ala. + Nếu trong phân tử peptit có chứa m- α- amino axit giống nhau thì số đồng phân peptit sẽ là n!/m! Thí dụ: n=3 => có 3! = 3 đồng phân tripeptit là: Ala-Ala- Gly ; Ala-Gly-Ala và Gly2 Ala-Ala + Nếu trong phân tử peptit có chứa i cặp α- amino axit giống nhau thì số đồng phân peptit sẽ là n! 2i Thí dụ: Số đồng phân tetrapeptit của hai cặp Ala và Gly là 4! =6 22 đồng phân là: Ala-Ala- Gly-Gly ; Ala-Gly-Ala-Gly ; Gly-Ala-Ala-Gly Gly-Ala- Gly- Ala và Gly - Gly-Ala – Ala. + Số peptit tối đa tạo nên từ m α- amino axit = mn. Thí dụ: từ 2 α- amino axit có thể tao nên 23=8 loại tripeptit là: Ala-Ala-Ala Ala-Ala-Gly Ala-Gly-Ala Gly-Ala-Ala Gly-Gly-Gly Gly-Gly-Ala Gly-Ala-Gly Ala-Gly-Gly. II.2.Tính chất hóa học. 2.1. Phản ứng thủy phân: - Peptit có thể bị thủy phân hoàn toàn tạo thành α- amino axit hoặc thủy phân không hoàn toàn tạo đi-, tripeptit… - Chất xúc tác cho phản ứng thủy phân có thể là axit hoặc bazơ, do đó các hợp chất có liên kết peptit kém bền trong môi trường axit hoặc bazơ. Thí dụ: H2N-CH- CO [NH CH R1 + − − CO ]n-2 –NH-CH-COOH + (n-1)H2O ⎯H⎯(hoacOH ⎯⎯⎯) → nH2N-CH( R )COOH R ( 2→( n−2)) Rn - Khi dùng xúc tác enzim các phân tử peptit có thể bị thủy phân từng phần ở một số liên kết nhất định. Thí dụ: + Enzim cacboxipeptiđaza: xúc tác cho thủy phân liên kết peptit của amino axit đầu C → peptit X + amino axit đầu C. + Enzim aminopeptiđaza: xúc tác cho thủy phân liên kết peptit của amino axit đầu N → peptit Y + amino axit đầu N. 2.2. Phản ứng Aryl hóa: - Dẫn xuất 2,4-đinitroflobenzen có thể tác dụng với peptit tạo ra 1 dẫn xuất halogen. O2 N NO2 F + H2N-CH CO NH R CH COOH → R’ O2 N HN-CH 10 NO2 R CO NH CH R’ COOH + HF (A) - Thủy phân (A) trong môi trường H+ cho dẫn xuất 2,4 đinitrophenyl của amino axit đầu N. Vì vậy có thể xác định được cấu trúc của đơn vị amino axit đầu N trong peptit. O2 N HN-CH + H (A) + H2O ⎯⎯→ NO2 R COOH + H2N CH COOH R’ * Phản ứng Aryl hóa xảy ra theo cơ chế SN2 nên mật độ điện tích (+) của vòng benzen càng lớn thì tốc độ phản ứng càng nhanh. Nhóm -NO2, -F hút e mạnh làm tăng mật độ điện tích (+) của vòng benzen, do đó nếu thay -F bằng –Cl, -Br hoặc thay –NO2 bằng –H phản ứng không xảy ra được. 2.3. Phản ứng màu biure. - Các phân tử tripeptit trở đi (có từ hai liên kết peptit trở lên) tác dụng với CuSO4 trong kiềm cho phức có màu tím hoặc tím đỏ. Phản ứng này được gọi là phản ứng màu biure vì nó tương tự phản ứng của biure H2N-CO-NH-CO-NH2 với Cu(OH)2 - Các phân tử amino axit hoặc đipeptit (mạch hở) chỉ có một liên kết peptit không có phản ứng này. II.3. Phân tích peptit: Phân tích peptit để xác định trình tự amino axit trong phân tử peptit. 3.1. Xác định amino axit đầu N Cách 1: Cho peptit tác dụng với dẫn xuất 2,4-đinitroflobenzen sau đó đem sản phẩm thủy phân sẽ thu được dẫn xuất của amino axit đầu N. Cách 2: Cho peptit thủy phân nhờ enzim amino peptiđaza sẽ thu được amino axit đầu N và peptit có mạch ngắn hơn 1 đơn vị. 3.2. Xác định amino axit đầu C. Cho peptit thủy phân nhờ enzim cacboxipeptiđaza sẽ thu được amino axit đầu C và peptit có mạch ngắn hơn 1 đơn vị. 3.3. Xác định số lượng và các amino axit trong phân tử peptit Thủy phân hoàn toàn peptit sẽ xác định được số đơn vị amino axit và các amino axit trong phân tử peptit. 3.4. Xác định amino axit trong mạch peptit. - Thủy phân từng phần mạch peptit sẽ thu được các mạch peptit ngắn hơn để nhận biết. - Tổ hợp các mạch peptit lại ta xác định được cấu trúc của peptit. II.4.Tổng hợp peptit. Khi tổng hợp peptit từ các phân tử amino axit thường tạo ra các peptit có trật tự khác nhau. Do đó để tạo được peptit có trật tự xác định cần phải bảo vệ nhóm –COOH và – NH2 trước khi phản ứng. 11 4.1. Bảo vệ nhóm –COOH. - Nhóm cacboxyl được bảo vệ bằng cách chuyển thành metyl hoặc etyl hoặc benzyl este. Nhóm este dễ thủy phân hơn nhóm amit nên được loại ra bằng phản ứng thủy phân trong dung dịch kiềm. - Nhóm benzyl oxi có thể được loại ra nhờ phản ứng hiđro phân. C NH O CH 0 H 2 − Pd ,t COOCH2C6H5 ⎯+⎯ ⎯⎯→ C NH CH O R COOH + C6H5CH3 R 4.2. Bảo vệ nhóm –NH2. - Dùng phương pháp Bergman. C6H5CH2OCOCl + H2N CH COOH → C6H5CH2OCONH R (X) CH COOH + HCl R Khử dẫn xuất này bằng H2 trên xúc tác Pd. H / Pd (X) ⎯+⎯ ⎯ ⎯→ C6H5-CH3 + H2N – CH- COOH + CO2 2 R 4.3. Ngưng tụ các amino axit đã được bảo vệ. - Ngưng tụ các amino axit đã được bảo vệ ra được sản phẩm: C6H5CH2- OCO(NH – CH- CO)n OCH2C5H5 (Y) R - Hiđro phân sản phẩm thu được peptit. H / Pd (Y) ⎯+⎯ ⎯ ⎯→ H (-NH – CH – CO)nOH + C6H5CH3 + CO2 2 R B- MỘ SỐ BÀI TẬP MINH HỌA Bài 1: Trình bày tính chất hoá học của aminoaxit. Gợi ý: Tính chất của aminoaxit: yêu cầu nêu được tính chất của nhóm amin; tính chất của nhóm cacboxyl; tính chất của gốc hiđrocacbon; tính chất chung của cả hai nhóm này. a-Phản ứng tạo este: Aminoaxit tác dụng với CH3OH hay C2H5OH có xúc tác axit HCl sẽ xảy ra sự este hoá trực tiếp nhóm -COOH. R-CH-COOH + C2H5OH NH2 [R-CH-COOC2H5]Cl- + H2O + NH3 NaOH 12 R- CH-COOC2H5 + NaCl + H2O NH2 b-- Phản ứng với axit nitrơ: Các hợp chất có nhóm NH2 tự do khi tác dụng với HNO2 đều giải phóng nitơ và tạo ra rượu (phản ứng Slyke). Phản ứng này được dùng để xác định nhóm NH2 tự do trong các aminoaxit. R-CH- COOH + HONO R- CH- COOH + N2 + H2O NH2 OH axit lactic c- Phản ứng tạo dẫn xuất N-axyl: Các halogenua axit tác dụng với aminoaxit cho ta dẫn xuất N-axyl. C6H5COCl + H2N-CH2 - COOH C6H5CONH-CH2 – COOH d- Phản ứng N-ankyl hóa: Cho ankylhalogen tác dụng với aminoaxit sẽ cho dẫn xuất N-ankyl. Khi cho 2,4-dinitroflobenzen tác dụng với aminoaxit sẽ thu được dẫn xuất N-aryl của aminoaxit. Phản ứng này được dùng để bảo vệ nhóm amino. C2H5I + H2N-CH2-COOH C2H5-HN-CH2-COOH (NO2)2C6H3F + H2N-CH2-COOH (NO2)2C6H3-HN-CH2-COOH b- Phản ứng tạo ra azalacton: Các α-aminoaxit hay N-axylaminoaxit có thể tác dụng trực tiếp với anhydrit axetic hay clorua axetic cho vòng lacton có sự tham gia đóng vòng của nguyên tử nitơ và gọi là azalacton. Ví dụ: CH3-CH-COOH (CH3CO)2O NH-CO-R C=O ↔ CH3- CH CH3-CH HN O N C=O O CR C HO R e- Phản ứng loại bỏ CO2: Dưới tác dụng của men decacboxylaza hay một số men vi sinh với α-aminoaxit sẽ loại được CO2 và tạo ra amin. R-CH - COOH R- CH2 – NH2 + ⎯Men ⎯→ ⎯ NH2 f- Phản ứng loại cả nhóm amino và nhóm CO2: 13 CO2 ↑ Dưới tác dụng của men oxi hoá các α-aminoaxit sẽ loại được nhóm NH2 để tạo ra xetoaxit rồi tiếp tục phân huỷ thành andehit và CO2. R-CH - COOH + H2O NH2 R- CO - COOH + ⎯Men ⎯→ ⎯ RCHO + NH3 ↑ CO2↑ g- Phản ứng phân huỷ bởi nhiệt: Khi đun nóng α-aminoaxit sẽ tạo ra 2,5- dixetopiperazin CO R-CH-COOH + H2N-CH- R NH2 HOOC 0 t R-CH NH NH CH-R + H2O CO Các β-aminoaxit loại NH3 khi đun nóng cho axit cacboxylic chưa no. t H2N-CH2-CH2-COOH ⎯⎯→ CH2 = CH-COOH + NH3 ↑ Các aminoaxit dưới tác dụng của nhiệt cho vòng lacton. t0 CH2 CH2- CH2- CH2 CH2 CH2 + H 2O NH2 COOH NH C=O h- Các phản ứng quay cấu hình: o COOH COOH H2N H NaBr Br H NH3 CH3 SNi CH3 SN 2 COOH H NH2 NaBr CH3 SN i COOH H Br CH3 COOH NH3 H2N H SN 2 CH3 Bài 2: Axit nucleic là gì, thành phần chính của axit nucleic, viết cấu tạo một mononucleotit để làm thí dụ minh hoạ . Gợi ý: Axit nucleic lµ polinucleotit, ®-îc t¹o ra tõ nhiÒu mononucleotit liªn kÕt víi nhau qua liªn kÕt photphodieste. Thµnh phÇn chÝnh cña axit nucleic bao gåm: c¸c baz¬ dÞ vßng nit¬ (nªu ra mét sè thÝ dô); -pentoz¬: riboz¬ hoÆc ®ezoxiriboz¬ vµ axit photphoric. ThÝ dô 14 NH2 N O O O P O N P O- CH2 O- N N O H OH H OH Adenozinmonophotphat (AMP) Adenozindiphotphat (ADP) Mçi m¾t xÝch nh- vËy gäi lµ mét mononucleotit. Bài 3. Tại sao các peptit luôn luôn có cấu trúc xoắn? Hãy gọi tên và cho biết phương pháp hóa học để xác định chuỗi peptit sau: Ala- Met- Phe-Glu. Gợi ý: Së dÜ m¹ch peptit cã cÊu tróc xo¾n lµ v× ®«i electron tù do cña nit¬ tham gia vµo hÖ liªn hîp víi C= O v× thÕ liªn kÕt C-N kh«ng thÓ quay tù do trong khi tÊt c¶ c¸c liªn kÕt ®¬n kh¸c cã thÓ quay tù do ®-îc v× vËy t¹o nªn cÊu tróc xo¾n ë cÊu tróc bËc I. - Gäi tªn c¸c axit amin ®Çu vµ gi÷a m¹ch b»ng tªn gèc (-yl) axit amin cuèi cïng gäi tªn cña axit amin. - §Ó ph©n tÝch peptÝt ph¶i x¸c ®Þnh ®-îc axit amin “®Çu N”b»ng ph¶n øng víi 3,4-®initroflobenzen sau ®ã thñy ph©n hoµn toµn vµ s¾c kÝ ®Ó nhËn ra axit amin ®Çu Ala (viÕt ®Çy ®ñ ph¶n øng...) - X¸c ®Þnh aminoaxit “®u«i C” Glu. b»ng ph-¬ng ph¸p thñy ph©n b»ng enzim cacboxipeptiddaza viÕt ph¶n øng. - Thñy ph©n hßan toµn ®Ó x¸c ®Þnh ®Þnh tÝnh vµ ®Þnh l-îng tØ lÖ c¸c axit amin (viÕt ph¶n øng thñy ph©n b»ng HCl 6N). 15 - Thñy ph©n kh«ng hoµn toµn b»ng c¸c enzim hoÆc b»ng axit sau ®ã lËp luËn logic ®Ó x©y dùng cÊu tróc bËc 1. Bài 4: Cho amino axit 4- aminobutanoic, alanin, β-alanin. Để tính pHI người ta sử dụng pKa của chúng nêu theo trình tự sau: 2,35; 3,55; 4,03; 9,87; 10,24; 10,56. 1- Viết công thức cấu tạo của các amino axit, ghi các giá trị pKa vào bên cạnh nhóm chức thích hợp của mỗi amino axit. Biết pKa: C2H5COOH là 4,9. 2- Thiết lập biểu thức chung để tính pHI của các amino axit trên theo các giá trị pKa. Sau đó áp dụng biểu thức chung để tính pHI cho từng amino axit. + H 3 NCH (CH 3 )COO − 3- Tính tỉ lệ: + ở giá trị pH=4. H 3 NCH (CH 3 )COOH 4- Nêu phương pháp phân biệt 3 amino axit. 5- Viết sơ đồ tổng hợp CH3-CH-COOH xuất phát từ hợp chất hữu cơ thông NH2 14 thường không chứa C và các hợp chất vô cơ cần thiết. Gợi ý giải 1- Công thức cấu tạo: NH2 - CH2 - CH2 - CH2 - COOH ⇄ +NH3 - CH2 - CH2 - CH2 – COO⇄ NH2 - CH – COOH + NH3 - CH – COOCH3 CH3 NH2 – CH2 - CH2 - COOH ⇄ +NH3 - CH2 - CH2 - COO- Điền pKa vào nhóm chức: pKa của nhóm –NH2 chính là pKa của +NH3 đã được proton hóa, do đó giá trị: 10,56 4,03 10,24 3,55 9,87 2,35 + + + NH3 – (CH2 )3- COOH NH3 – (CH2)2- COOH NH3-CH(CH3)-COOH 2- Biểu thức chung tính pHI: - pHI là pH tại đó amino axit tồn tại ở dạng ion lưỡng cực → Phân tử trung hòa điện tích nên không bị điện di. TH1: Với aminoaxit có số nhóm -NH2 bằng số nhóm –COOH (aminoaxit trung hòa) pKa1: pKa của COOH pKa2: pKa của +NH3 COO- COOH (pKa1) R + HO2H+ NH3 ( pKa2) HO2H+ R + COO- NH3 R NH2 16 Điện tích: 1+ + Dạng lưỡng cực pH<7 Dạng cation → + 0 pH>7 Dạng anion (1-) ← − [ H ][H 3 N − R − COO ] [ H 3 N + − R − COOH ] [ H + ][H 2 N − R − COO − ] K a2 = [ H 3 N + − R − COO − ] [ H + ]2 [ H 2 N − R − COO − ] ⇒ K a2 .K a2 = [ H 3 N + − R − COOH ] K a1 = Vì lúc này ion lưỡng cực không di chuyển (không điện di) cho nên dung dịch trung hòa về điện tích, nghĩa là: [ H 2 N − R − COO − ] [ A− ] = =1 [ A+ ] [ H 3 N + − R − COOH ] ⇒ K a2 .K a2 = [ H + ]2 ⇒ [ H + ] = K a1 .K a2 ⇒ − lg[H + ] = − lg K a1 .K a2 ⇒ pHI = pKa1 + pKa 2 2 TH2: Với aminoaxit có số nhóm -NH2 nhiều hơn số nhóm –COOH (aminoaxit bazơ) COO- COOH (pKa1) + 3 CH- NH (pKa2) HO2H+ CH- NH3 COO+ HO2H+ CH – NH2 COOHO2H+ CH –NH2 R- NH 3+ (pKa3) R - NH 3+ R - NH 3+ R – NH2 đt: (2+) (1+) → 0 (1-) ← Điện tích tổng cộng của mỗi dạng được ghi trong dấu ngoặc đơn ở trên, dạng có điện tích bằng không tồn tại giữa hai dạng có pKa tương ứng là pKa2 và pKa3 . Cho nên: ⇒ pHI = pKa 2 + pKa 3 2 TH3: Với aminoaxit có số nhóm -NH2 ít hơn số nhóm –COOH (aminoaxit axit) COO- COOH (pKa1) CH- NH 3+ (pKa3) R- COOH (pKa2) đt: (1+) → HO2H+ CH- NH 3+ COOHO2H+ CH – NH 3+ R – COO(1-) R - COOH 0 ← 17 COOHO2H+ CH-NH2 R –COO(2-) pKa1 + pKa 2 2 ⇒ pHI = * Áp dụng TH1 => pHI của chúng lần lượt là: 7,3 ; 6,9 ; 6,11 3- Tính tỉ lệ: + + H2H-CH(CH3)-COOH ⇄H3 N CH(CH3)-COO- + H+ ⇄ H3 N CH(CH3)-COOH K a−1 1 + Ta có: [ H 3 N − CH (CH 3 ) − COOH ] = K a−11 + [ H + ][H 3 N − CH (CH 3 ) − COO − ] + ⇒ [ H 3 N − CH (CH 3 ) − COO − ] + = K a1 [ H + ] −1 = 10 − 2,35.10 4 = 101,65 [ H 3 N − CH (CH 3 ) − COOH ] 4- Phân biệt - Dùng thuốc thử ninhiđrin nhận ra α-amino axit: H2N-CH-COOH CH3 - Dùng phản ứng tách NH3 đối với β-alanin và đóng vòng lactam đối với H2N-CH2)3-COOH bởi nhiệt, sau đó dùng dung dịch Br2 để nhận ra amino axit còn lại. 5- Tổng hợp alanin: Chọn sơ đồ ete ( khan ) CH2=CH2 ⎯HCl ⎯→ ⎯ CH3-CH2Cl ⎯Mg ⎯/⎯ ⎯⎯→ CH3-CH2MgCl 1-14CO2 Cl ( P , I ) CH3-CH2-14COOH ⎯+⎯ ⎯⎯→ 2 2 CH3- CH-14COOH 2-H2O CH3-CH-14COOH NH2 Cl Bài 5: a) Viết cân bằng điện li cho lysin và tính điểm đẳng điện của nó. b) Viết cân bằng điện li cho axit aspatic và tính điểm đẳng điện của nó. Gợi ý giải: a) COOH (pKa1) COOCOOCOO+ 3 CH- NH (pKa3) (CH2)3 HO2H+ CH- NH + 3 HO2H+ (CH2)3 CH – NH2 (CH2)3 HO2H+ CH-NH2 (CH2)3 CH2-NH 3+ (pKa2) CH2-NH 3+ CH2-NH 3+ CH2-NH2 đt: (2+) (1+) → 0 (1-) ← Điện tích tổng cộng của mỗi dạng được ghi trong dấu ngoặc đơn ở trên, dạng có điện tích bằng không tồn tại giữa hai dạng có pKa tương ứng là 8,95 và 10,53. Như vậy: pHI = pKa 2 + pKa 3 8,95 + 10,53 = = 9,74 2 2 18 COO- b) COOH (pKa1) CH- NH + 3 HO2(pKa3) H+ CH2 CH- NH COOHO2H+ + 3 CH – NH CH2 COOH (pKa2) đt: (1+) → + 3 HO2H+ CH-NH2 CH2 CH2 COO(1-) COOH 0 ← pKa1 + pKa 2 1,88 + 3,65 ⇒ pHI = = = 2,77 2 2 Bài 6: Cho một số amino axit sau: A : H2N-CH2COOH COO- COO(2-) HOOC-CH2-CH-COOH D: NH2 B: C: COOH HO-CH2-CH- E: HOOC-(CH2)2-CH-COOH NH2 NH2 H2N - (CH2)4- CHCOOH NH2 F: COOH N H 1) Gọi tên các chất theo danh pháp IUPAC và danh pháp thường biết rằng N có tên gọi piroliđin. 2) Sắp xếp các chất trên theo trình tự tăng dần pHI. Biết các giá trị pHI của H chúng là: 2,77 ; 3,22 ; 5,68 ; 5,97 ; 6,3 ; 9,74. 3) Viết công thức cấu trúc của các amino axit tại điểm đẳng điện và tại pH=1; pH=13. Gợi ý giải: 1) Gọi tên IUPAC theo nguyên tắc chung. Tên của amino axit = axit số chỉ vị trí –amino/tên thay thế của axit/đuôi oic(hoặc đioic) Thí dụ: Axit 2-amino-3-hiđroxipropanoic HO-CH2-CHAxit α -amino- β -hiđroxipropionic COOH NH2 2) Thứ tự tăng dần pHI: D < E < 2,77 3,22 B < 5,68 A < 5,97 F < 6,30 Giải thích:Do D: Có hai trung tâm axit, một trung tâm bazơ gần nhau. E: Tương tự D nhưng hai trung tâm axit xa nhau hơn. − B: Có một trung tâm axit, một trung tâm bazơ và có –OH hút e . 19 C. 9,74 A: Có một trung tâm axit, một trung tâm bazơ bậc I. F: Có một trung tâm axit, một trung tâm bazơ bậc II mạnh hơn bậc I. C: Có một trung tâm axit, hai trung tâm bazơ. 3) Công thức cấu trúc của các amino axit: - Tại điểm đẳng điện: A : H3N+-CH2 –COOD : HOOC-CH2-CH-COO H3 N+ B: C: COO - HO-CH2-CH- HOOC-(CH2)2-CH-COO- E: H3 N+ H3 N+ F: H3N+- (CH2)4- CHCOONH N 2 COO- + H H - Tại pH = 1 < pHI của A → F nên chúng tồn tại ở dạng cation A : H3N+-CH2 –COOH D : HOOC-CH2- CH-COOH H3 N+ B: COOH HO-CH2-CHH3 N E: HOOC-(CH2)2-CH-COOH + + C: H3N - (CH2)4COOH H3 N+ H3 N+ CH- F: COOH N+ H H - Tại pH = 13 > pHI của A → F nên chúng tồn tại ở dạng anion A : H2N-CH2 –COOD: OOC-CH2- CH-COONH2 B: C: COO - - HO-CH2- CH- OOC-(CH2)2- CHCOONH2 E: NH2 H2N- (CH2)4COO- CH- F: COON H NH2 Bài 7: Có hỗn hợp gồm các protit: pepsin (pHI =1,1), hemoglobin (pHI =6,8) và prolamin (pHI =12,0), khi tiến hành điện di dung dịch protit trên ở pH=7,0 thì thu được ba vết chất (hình vẽ). A B C • • • 20