CHUYÊN ĐỀ HÓA HỌC HỮU CƠ :
Hợp chất thiên nhiên: “AMINO AXIT VÀ PEPTIT”
LỜI NÓI ĐẦU
Trong quá trình dạy lớp chuyên và tham gia bồi dưỡng đội tuyển HSG QG
môn Hóa học hàng năm, đồng thời được kế thừa những kinh nghiệm bồi dưỡng
HSG của người chồng thân yêu đã quá cố, cùng với những mong muốn tiếp tục
phát huy sự nghiệp trồng nguời của anh, tôi đã miệt mài 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 thiên nhiên.
Hợp chất thiên nhiên có rất nhiều và phức tạp, nhưng trong khuôn khổ của
chuyên đề hội thảo lần này cũng như thời lượng để biên soạn có hạn nên tôi chọn
hợp chất thiên nhiên là : “AMINO AXIT VÀ PEPTIT”. Đây là một chuyên đề
khó về hợp chất thiên nhiên quan trong bậc nhất và trọng tâm của chương trình
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.
Sau đây là nội dung của chuyên đề:
A. Cơ sở lý thuyết.
B. Các bài tập vận dụng có lời giải chi tiết.
C. Các bài tập tự luyện tập.
D. Kết luận
NỘI DUNG
I.
A. CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:
AMINO AXIT
1
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 : C nH2n(COOH)(NH2).
1.2. Danh pháp:
a) Danh pháp thay thế :
Axit + STT nhóm amino- amino+ tên thay thế của axit cacboxylic tương ứng.
Thí dụ:
CH3CH(NH2)COOH
HOOCCH2CH(NH2)COOH
Axit 2- aminobutanđioic.
Axit 2-aminopropanoic
HOOC- C6H4-NH2 .
Axit 4- aminobenzoic.
b) Danh pháp bán hệ thống :
Axit + vị trí các chữ cái hylap ( , , , . . . ) + amino + tên bán hệ thống của
axit cacboxylic tương ứng
c) Danh pháp thường :
Các amino axit thiên nhiên hầu hết là -aminoaxit và thường được dùng bằng
tên riêng (tên thường) không có hệ thống.
Bảng 1. Các amino axit thiên nhiên.
Tên
Kí hiệu
Glyxin
Alanin
Valin
Leuxin
Isoleuxin
Serin
Threonin
Gly
Ala
Val
Leu
Ile
Ser
Thr
Axit aspatic
Asparagin
Axit glutamic
Glutamin
Asp
Asp(NH2 )
Glu
Glu(NH2 )
Công thức
Monoaminomonocacboxylic
H3 N+CH2 COO H3 N+CH(CH3 )COO H3 N+CH(i-Pr)COO H3 N+CH(i-Bu)COO H3 N+CH(s-Bu)COO H3 N+CH(CH2 OH)COO H3 N+CH(CHOHCH3 )COO Monoaminođicacboxylic và dẫn xuất amit
HOOC-CH2 -CH(+NH3 )COO H2 NOC-CH2 -CH(+NH3 )COOHOOC-(CH2 )2 -CH(+NH3 )COO H2 NOC-(CH2 )2 -CH(+NH3 )COOĐiaminomonocacboxylic
2
Lysin
Hyđroxilysin
Arginin
Lys
Hylys
Arg
Systein
Cystin
Methionin
CySH
CySSCy
Met
Phenylalanin
Tyrosin
Phe
Tyr
Histidin
His
H3 N+-(CH2 )4 -CH(NH2 )COO H3 N+-CH2 CHOH-CH2 -CH2 - CH(NH2 )COO H3 N+=C(NH2 )-NH-(CH2 )3 -CH(NH2 )COOAmino axit chứa lưu huỳnh
H3 N+CH(CH2 SH)COO - OOC CH(H N +)CH SSCH CH(H N +)COO 3
2
2
3
+
CH2 SCH2 CH2 CH(H3 N )COO
Amino axit thơm
PhCH2 CH(H3 N+)COO p-C6 H5 CH2 CH(H3 N+)COO Amino axit dị vòng
CH2 – CH-COO -
N
H3 N+
N
H
Prolin
Pro
H
COO H
Tryptophan
N
+
H
Try
CH2 – CH-COO H3 N+
N
H
d) Tên gốc:
- Khi ngắt bỏ -OH ra khỏi nhóm- COOH ta được nhóm axyl.
Thí dụ : H2NCH2COOH
glixin
H2NCH2CO-
glixyl
CH3CH(NH2)COOH alanin.
CH3CH(NH2)CO-
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
-Aspatyl
HOOC-CH2-CH(NH2)CO- :
-OC-CH2-CH(NH2)CO- :
-Aspatyl
-OC-CH2-CH(NH2)CO- :
Aspatoyl
3
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
⇄
dạng phân tử
+H N
3
– R – COO-
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:
H2N- CH- COOH ⇄ +H3N –CH–COOR
R
dạng phân tử
dạng ion lưỡng cực
I.3. Tính chất hóa học:
3.1. Tính axit- bazơ:
NH2 - R - COOH
⇄
+H N
3
+H+
+H N
3
+HO-
– R – COOH
H2N – R – COO-
di chuyển về catot
Amino axit
pK *a
1
– R – COO- (không di chuyển)
di chuyển về anot
Bảng 2. Tính axit-bazơ của amino axit.
Mạch nhánh trung hòa
pHI
pK a 2
4
Glyxin
Alanin
Valin
Leuxin
Isoleuxin
Methionin
Prolin
Phenylalanin
Tryptophan
Asparagin
Glutamin
Serin
Threonin
Amino axit
2,34
2,34
2,32
2,36
2,36
2,28
1,99
1,83
2,83
2,02
2,17
2,21
2,09
9,60
9,69
9,62
9,60
9,60
9,21
10,60
9,13
9,39
8,80
9,13
9,15
9,10
pK *a*
1,88
2,19
2,20
1,96
2,18
2,17
1,82
pK a 2
3,65
4,25
9,11
8,18
8,95
9,04
6,00
1
Axit aspatic
Axit glutamic
Tyrosin
Cystein
Lysin
Arginin
Histidin
5,79
6,00
5,96
5,98
5,98
5,74
6,30
5,48
5,89
5,41
5,65
5,68
5,60
Mạch nhánh ion
pK a 3
9,60
9,67
10,07
10,28
10,53
12,48
9,12
pHI
2,77
3,22
5,66
5,07
9,74
10,76
7,59
* 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
⇄
+H N
3
– R – COO-
H2N- CH- COOH + H2O ⇄ +H3N –CH–COO- + OH-
quỳ tím
quỳ xanh
NH 3
NH2
HOOC- CH- COOH + H2O ⇄ -OOC –CH–COO- + H+
NH 3
NH2
(NH2)y R(COOH)x : x = y : quỳ tím
x > y : quỳ hồng
x < y : quỳ xanh
b. Tác dụng với dung dịch kiềm:
5
quỳ hồng
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:
khí HCl
H2N-CH2-COOH + HOC2H5
H2N-CH2-COO C2H5 + H2O
2
- Este thu được tác dụng với HCl tạo Cl H 3 N CH 2 COOC 2 H 5 cần xử lý với NH3
giải phóng aminoeste.
→ H2N-CH2-COOC2H5 + NH4Cl
3.3. Phản ứng của nhóm amino:
a- Phản ứng với axit:
Cl H 3 N CH 2 COOC 2 H 5 + NH3
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)
+ 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
O2N
F
Cl H 3 N RCOOH
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 H
O
H
6
C
OH H
C
N
t
0
N
b- Khi đun nóng β-amino axit bị tách NH 3 tạo axit không no theo phương
trình:
t
R-CH2-CH-CH2-COOH
R-CH2-CH = CH- COOH + NH3
0
NH2
c- Khi đun nóng γ,δ,ε-amino axit bị tách H2O cho amit vòng 5→ 7 cạnh, gọi
là lactam.
O
O
CH2 C OH H
CH2 C
0
t
NH + H2O
N
CH2 CH2
CH2 CH2
H
3.5. Phản ứng tách H2O tạo thành hợp chất peptit:
a- Phản ứng ngưng tụ:
- Khi đun nóng với chất hút nước ( P 2O5) ở nhiệt độ thích hợp có phản ứng
tách nước tạo hợp chất peptit theo phương trình:
a1. Phản ứng tạo đipeptit:
t0
H2N-CH(R1) C OH+ H NH CH(R 2) COOH
O
H2N–CH(R1)–CO–NH–CH(R2)–COOH + H2O
Nếu phản ứng từ 2 amino axit khác nhau:
H2 NCH(R1 )CONHCH(R2 )COOH + H2 O
H2 NCH(R1 ) COOH + H2 NCH(R2 )COOH H2 NCH(R1 )CONHCH(R1 )COOH + H2 O
H2 NCH(R2 )CONHCH(R2 )COOH + H2 O
H2 NCH(R2 )CONHCH(R1 )COOH + H2 O
t0
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:
7
H2N-CH(R1) C OH+ H NH CH(R 2)
O
C
OH+ H –NH–CH(R3) –COOH
O
t
H2N–CH(R1)–CO–NH–CH(R2)–CO–NH–CH(R3)–COOH + 2H2O
0
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
H-[NH-CH(R)-CO-]nOH + (n-1)H2O
nH2N- CH(R)-COOH t, p
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:
H O
α-amino axit: +H3 N-CH(R)– COOH
- Từ protein: + Thuỷ phân protein
0
3
+ NaOH, t0
H2 N- CH- COONa
R
H N- CH- COOH
X , xt
2
+ Từ axit: R- CH2-COOH
2
X
8
NH 3
H 2 N- CH- COOH
NH2
II- PEPTIT
II.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
CO [NH CH CO ]n-2NH
R ( 2( n2))
R1
CH–COOH
Rn
amino axit đầu N
amino axit đầu C
- Đồng phân cấu tạo của peptit:
+ 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 2 α- amino axit giống nhau thì số đồng
phân peptit sẽ là
n!
2
Thí dụ: n=3 => có
3!
3
2
đồng phân tripeptit là: Ala-Ala- Gly ; Ala-Gly-Ala và
Gly-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:
9
- 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:
H2 N-CH- CO [NH CH CO ]n-2 –NH-CH-COOH + (n-1)H2 O H(hoacOH
) nH2 N-CH( R )COOH
R ( 2( n2))
R1
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.
O2N
F +
NO2
H2 N-CH CO NH CH
R
COOH
R’
O2N
HN-CH
NO2
R
CO NH CH COOH + HF
’
(A) R
- 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.
H
O2N
HN-CH COOH + H2 N CH COOH
(A) + H2O
NO2
R
R’
* Phản ứng Aryl hóa xảy ra theo cơ chế S N2 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 CuSO 4
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
10
- 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.
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
O
NH CH
H 2 Pd ,t
COOCH2 C6 H5
0
C NH CH
O
R
COOH + C6 H5 CH3
R
4.2. Bảo vệ nhóm –NH2.
- Dùng phương pháp Bergman.
C6 H5 CH2 OCOCl + H2 N CH COOH C6 H5 CH2 OCONH CH COOH + HCl
R
(X)
Khử dẫn xuất này bằng H2 trên xúc tác Pd.
H / Pd
C6H5-CH3 + H2N – CH- COOH + CO2
(X)
2
R
11
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
H (-NH – CH – CO)nOH + C6H5CH3 + CO2
(Y)
2
R
B- CÁC BÀI TOÁN VẬN DỤNG – CÁCH GIẢI
Bài 1:
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
thường không chứa 14C và các hợp chất vô cơ cần thiết.
Bài giải
1- Công thức cấu tạo:
NH2 - CH2 - CH2 - CH2 - COOH ⇄
NH2 - CH – COOH
⇄
- CH2 - CH2 - CH2 – COO-
+NH
3
+NH
3
- 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
+NH – (CH ) - COOH
+NH – (CH ) - COOH
+NH -CH(CH )-COOH
3
2 3
3
2 2
3
3
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.
12
TH1: Với aminoaxit có số nhóm -NH2 bằng số nhóm –COOH (aminoaxit trung hòa)
pKa1: pKa của COOH
pKa2: pKa của +NH3
COOH (pKa1)
COOCOOHO2H+
R
+NH
3
Điện tích: 1+
NH2
Dạng lưỡng cực
pH<7
→
R
+NH
3
pH>7
0
Dạng anion
(1-)
K a1
[ H ][ H 3 N R COO ]
[ H 3 N R COOH ]
K a2
[ H ][ H 2 N R COO ]
[ H 3 N R COO ]
K a2 .K a2
R
( pKa2)
Dạng cation
HO2H+
[ H ]2 [ H 2 N R COO ]
[ H 3 N R COOH ]
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 pKa2
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:
13
pKa2 pKa3
2
pHI =
TH3: Với aminoaxit có số nhóm -NH2 ít hơn số nhóm –COOH (aminoaxit axit)
COO-
COOH (pKa1)
CH- NH 3 (pKa3)
HO2H+
COOHO2H+
CH- NH 3
R- COOH (pKa2)
đt: (1+)
→
R - COOH
0
CH – NH 3
COOHO2H+
CH-NH2
R – COO(1-)
R –COO(2-)
pKa1 pKa2
2
pHI =
* Áp dụng TH1 => pHI của chúng lần lượt là: 7,3 ; 6,9 ; 6,11
3- Tính tỉ lệ:
H2 H-CH(CH3 )-COOH ⇄H3 N CH(CH3 )-COO - + H+ ⇄ H3 N CH(CH3 )-COOH K a11
Ta có:
[ H 3 N CH (CH 3 ) COOH ]
K a11
[ H ][ H 3 N CH (CH 3 ) COO ]
[ H 3 N CH (CH 3 ) COO ]
K a1 [ H ]1 10 2,35.104 101,65
[ 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
1-14 CO2
HCl
Mg / ete ( khan )
CH3-CH2Cl
CH3-CH2MgCl 2-H 2 O
CH2=CH2
Cl ( P , I )
CH3 - CH-14 COOH
CH3-CH2-14COOH
2
2
Cl
CH3-CH-14COOH
NH2
Bài 2:
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.
Bài giải.
14
COO-
a) COOH (pKa1)
3
CH- NH (pKa3)
HO2H+
(CH2)3
CH- NH
COOHO2H+
3
(CH2)3
COO-
CH – NH2
HO2H+
(CH2)3
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 =
pKa2 pKa3 8,95 10,53
9,74
2
2
COO-
b) COOH (pKa1)
CH- NH
3
HO2(pKa3) H+
CH2
CH- NH
COOHO2H+
3
CH – NH
CH2
COOH (pKa2)
đt: (1+)
→
pHI =
COOH
0
COO
3
HO2H+
CH-NH2
CH2
CH2
COO (1-)
COO(2-)
pKa1 pKa2 1,88 3,65
2,77
2
2
Bài 3: Cho một số amino axit sau:
A : H2N-CH2COOH
D:
HOOC-CH2-CH-COOH
NH2
B:
HO-CH2-CH-COOH
E:
HOOC-(CH2)2-CH-COOH
NH2
C:
H2N - (CH2)4- CH-COOH
NH2
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.
Bài giải
1) Gọi tên IUPAC theo nguyên tắc chung.
15
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-CH-COOH
Axit -amino- -hiđroxipropionic
NH2
2) Thứ tự tăng dần pHI:
D < E <
2,77
3,22
B <
5,68
A <
5,97
F < C.
6,30
9,74
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 .
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-COOH3 N +
B:
HO-CH2-CH-COO-
E:
HOOC-(CH2)2-CH-COO-
H3 N +
C:
H3N+- (CH2)4- CH-COONH2
H3 N +
F:
COO N
+
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:
HO-CH2-CH-COOH
E:
HOOC-(CH2)2-CH-COOH
H3 N +
+
C: H3N - (CH2)4- CH-COOH
H3 N +
F:
H3 N +
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-COO16
NH2
B:
-
HO-CH2- CH-COO-
E:
OOC-(CH2)2- CH- COONH2
NH2
C:
H2N- (CH2)4- CH-COO-
F:
NH2
COO N
H
Bài 4:
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
xuất phát
Cho biết mỗi vết đặc trưng cho chất nào? Giải thích?
Bài giải
- Pepsin, vì Pepsin là protit có tính axit mạnh (pHI =1,1): Tại pH=7,0 > pHI =>
HO
dạng anion (-) nên ion chạy về cực (+) => vết A đặc trưng cho
pepsin
pepsin.
- Hemoglobin (pHI =6,8): Tại pH=7,0 pHI (hầu như ở dạng ion lưỡng cực)=>
HO
dạng anion ( -) nên ion chạy về cực (+) => vết B đặc trưng
hemoglobin
cho hemoglobin.
- Prolamin, vì Prolamin là protit có tính bazơ mạnh (pHI =12,0): Tại pH=7,0 <
H
dạng cation (+) nên ion chạy về cực (-) => vết C đặc
pHI => prolamin
trưng cho prolamin.
Bài 5:
Thuỷ phân hoàn toàn 0,5 mol peptit (X) thu được 1 mol Phe ; 0,5 mol Ala; 0,5
mol Asp và 0,5 mol Lys. Cho (X) phản ứng hoàn toàn với 2,4-đinitroflobenzen,
sau đó thuỷ phân sản phẩm thu được: Phe, Asp, Lys và dẫn xuất
Ar- NH- CH(CH3) -COOH
Mặt khác, thuỷ phân (X) nhờ enzim cacboxipeptiđaza thu được Asp và một
tetrapeptit (Y), tiếp tục thuỷ phân (Y) nhờ enzim cacboxipeptiđaza thu được Lys
và tripeptit (Z).
1) Viết công thức cấu tạo và gọi tên (X), (Y), (Z).
2) Sắp xếp các amino axit theo thứ tự giảm dần pHI.
3) Viết công thức cấu trúc dạng ion của các amino axit trên ở giá trị pH = 2 ; 12.
Bài giải
Theo giả thiết:
17
H O
X
Phe + Ala + Asp + Lys
Mol: 0,5
1
0,5
0,5
0,5
hay
1
2
1
1
1
Vậy (X) là pentapeptit được hình thành từ 2 đơn vị Phe, 1 đơn vị Ala, 1 đơn vị
Asp và 1 đơn vị Lys.
H O
Ar- NH- CH-COOH
(X) + 2,4-đinitroflobenzen SP
=> amino axit đầu N là Ala
CH3
3
3
en zim
(X) + H2O
cacboxipeptiđaza
en zim
(Y) + H2O
cacboxipeptiđaza
Asp + (Y) nên amino axit đầu C là Asp
Lys + (Z) nên amino axit đầu C là Lys
Vậy trình tự của (X) là: Ala-Phe-Phe-Lys-Asp.
2) Sắp xếp các amino axit theo thứ tự giảm dần pHI.
Ala : H2N-CH-COOH
Lys : H2N -(CH2)4-CH-COOH
NH2
CH3
Phe: C6H5- CH2- CH-COOH
Asp : HOOC-CH2-CH-COOH
NH2
NH2
Thứ tự giảm dần pHI:
Lys > Ala > Phe > Asp
pHI : 9,74
6,0
5,48 2,77
vì Asp có –CH3 gây hiệu ứng +I
Phe có –C6H5 gây hiệu ứng –I
3) Viết công thức cấu trúc dạng ion của các amino axit trên ở giá trị pH = 2 ; 12.
- Ở pH =2 < pHI của 4 chất nên
Ala :
H3N+-CH-COOH
Lys : H3N+ -(CH2)4-CH-COOH
CH3
Phe: C6H5- CH2- CH-COOH
H3 N +
Asp : HOOC-CH2-CH-COOH
H3 N +
H3 N +
- Ở pH =12 > pHI của 4 chất nên
Ala : H2N- CH-COO_
Lys : H2N -(CH2)4-CH-COO
NH2
CH3
18
Phe: C6H5- CH2- CH-COO-
Asp : -OOC-CH2-CH-COONH2
NH2
Bài 6:
Hợp chất X được tách từ thịt mà qua phản ứng biure thấy X là peptit hoặc
protein. Thuỷ phân hoàn toàn X thu được 3 amino axit có số mol bằng nhau A, B,
C. Người ta tổng hợp A và B theo sơ đồ sau:
Ia II III IV V A
Ib III VI VII B
Ia và Ib là các C xHy.
A khác B và C ở chỗ: A không có đồng phân đối quang.
Sự chuyển hoá VI VII xảy ra trong môi trường NH3. Trong đó nhóm –OH ở
VI được thay thế bằng -NH2
C được tổng hợp theo sơ đồ:
CH2 CH2 NH
C O VIII C
CH2 CH2 CH
NO2
Mx < (MA + MB + MC)
Sản phẩm của phản ứng thuỷ phân X không những chỉ gồm các amino axit mà
còn sản phẩm A-B ; C-A.
1) Hỏi trong phản ứng biure: X có dấu hiệu gì?
2) Thay chữ cái bằng các chất thích hợp.
3) Gọi tên các chất A, B, C.
4) Nêu cấu trúc có thể có đối với X
5) Cho biết cấu trúc lập thể đối với B và C.
Bài giải
A không đối quang nên A là H2N-CH2COOH (duy nhất) vì không có C*
C được tổng hợp theo sơ đổtên nên C là :
CH2 CH2 NH
CH 2 CH2 NH
H 3O
C O
(H )
C O
NH2
CH2 CH 2 CH
CH 2 CH 2 CH
(Lys)
NH2
NO2
H2 N-(CH2 )4 -CH-COOH
- Từ sơ đồ Ia thấy thỏa mãn:
H O
O
O
Cl
CH3-CH2OH
CH2=CH2
CH3-CHO
CH3-COOH
3
2
NH
H2N-CH2COOH (A)
ClCH2-COOH
19
3
2
2
- Từ sơ đồ Ib thấy thỏa mãn:
H O , xt
HCN
CH CH
CH3 -CH-CN
CH3CHO
2
NH 3
CH3 -CH-COOH
H 3O
CH3 -CH-COOH
OH
OH
(B)
NH2
1) Trong phản ứng màu biure : X cho dung dịch màu tím hoặc tím đỏ.
2)
3) Gọi tên:
A: H2N-CH2-COOH Glyxin (axit aminoaxetic)
B:
CH3 -CH-COOH
Alanin (axit 2-aminopropanoic)
NH2
C: H2N-(CH2)4-CH-COOH
Lysin (axit 2,6-điaminohexanoic)
NH2
4) X có cấu trúc? Khi thuỷ phân X thấy : Mx < (MA + MB + MC)
=> X là tripeptit tạo ra từ 1 đơn vị A, B, C
Từ giả thiết => X là : C- A – B.
COOCấu trúc:
CO
C
H
NH
H3 N +
H
NH
H
CH3
H
(CH2)4NH2
5) Cấu trúc lập thể đối với B và C
COOB:
H3 N +
COOC: H3N+
H
CH3
H
(CH2)4NH2
Bài 7:
Hãy tổng hợp methionin theo 3 phương pháp : phương pháp Gabriel ( từ đietyl bromomalonat), phương pháp Steckơ (từ anđehit và metanthiol) và phương pháp Peckin
( từ - bromocacboxylic, NH3 dư)
20
- Xem thêm -
.PDF 
30 
1470 
70 
