Аминокислоты: строение, номенклатура, свойства, пептидная связь

1. Определение

Определение

Аминокислоты — органические бифункциональные соединения, содержащие в молекуле одновременно карбоксильную группу $-COOH$ и аминогруппу $-NH_2$.

Общая формула α-аминокислот: $NH_2-CHR-COOH$ ($R$ — боковой радикал)

α-Аминокислоты

В природных аминокислотах группа $-NH_2$ находится при α-углероде (соседнем с $-COOH$). Именно α-аминокислоты входят в состав белков.

2. Строение

Молекула содержит две функциональные группы противоположного характера:

$-COOH$ (кислотная)

Определяет кислотные свойства: реагирует со щелочами, металлами, оксидами.

$-NH_2$ (основная)

Определяет основные свойства: реагирует с кислотами.

⭐ Биполярный ион (цвиттер-ион)

В водном растворе и в кристаллическом виде аминокислоты существуют как внутренние соли:
$NH_2-CHR-COOH \rightleftharpoons ^+NH_3-CHR-COO^-$

3. Номенклатура

Тривиальные: глицин, аланин, серин — общепринятые для белковых α-аминокислот.

IUPAC: приставка «амино-» + название карбоновой кислоты + номер положения:

$NH_2CH_2COOH$ → 2-аминоэтановая кислота (= аминоуксусная = глицин)

$CH_3CH(NH_2)COOH$ → 2-аминопропановая кислота (= аланин)

Греческие буквы: α, β, γ — позиция $-NH_2$ от $-COOH$.

4. Важнейшие аминокислоты

Формула	Тривиальное	Систематическое	Среда р-ра
$NH_2CH_2COOH$	Глицин (Gly)	2-Аминоэтановая	Нейтральная
$CH_3CH(NH_2)COOH$	Аланин (Ala)	2-Аминопропановая	Нейтральная
$HOCH_2CH(NH_2)COOH$	Серин (Ser)	2-Амино-3-гидроксипропановая	Нейтральная
$C_6H_5CH_2CH(NH_2)COOH$	Фенилаланин (Phe)	2-Амино-3-фенилпропановая	Нейтральная
$HOOCCH_2CH_2CH(NH_2)COOH$	Глутаминовая (Glu)	2-Аминопентандиовая	Кислая (2 COOH)
$NH_2(CH_2)_4CH(NH_2)COOH$	Лизин (Lys)	2,6-Диаминогексановая	Щелочная (2 NH₂)

Глицин

$NH_2CH_2COOH$

Аланин

$CH_3CH(NH_2)COOH$

Фенилаланин

$C_6H_5CH_2CH(NH_2)COOH$

Среда раствора — ключ для ЕГЭ!

Равное число $-COOH$ и $-NH_2$ → нейтральная.
Больше $-COOH$ (глутаминовая) → кислая.
Больше $-NH_2$ (лизин) → щелочная.

5. Изомерия

5.1. Углеродного скелета

С $C_4$: $CH_3CH_2CH(NH_2)COOH$ ⟷ $(CH_3)_2C(NH_2)COOH$

5.2. Положения аминогруппы

$CH_3CH(NH_2)COOH$ (α, 2-амино) ⟷ $NH_2CH_2CH_2COOH$ (β, 3-амино)

5.3. Межклассовая изомерия

Аминокислоты изомерны нитросоединениям, аминоальдегидам, аминоэфирам и др.

6. Физические свойства

Твёрдые кристаллические вещества с высокой T плавления
Хорошо растворимы в воде (ионный характер — цвиттер-ионы)
Водные растворы проводят электрический ток

7. Химические свойства

7.1. Амфотерные свойства

⭐ Амфотерность — главное свойство!

Аминокислоты реагируют и с кислотами, и со щелочами.

Как кислоты (по $-COOH$):

a) С щелочами

$NH_2CH_2COOH + NaOH \to NH_2CH_2COONa + H_2O$ (глицинат натрия)

b) С активными металлами

$2NH_2CH_2COOH + Mg \to (NH_2CH_2COO)_2Mg + H_2 \uparrow$

c) С основными оксидами

$2NH_2CH_2COOH + CuO \to (NH_2CH_2COO)_2Cu + H_2O$

d) С карбонатами

$2NH_2CH_2COOH + Na_2CO_3 \to 2NH_2CH_2COONa + H_2O + CO_2 \uparrow$

Как основания (по $-NH_2$):

a) С кислотами

$NH_2CH_2COOH + HCl \to [^+NH_3CH_2COOH]Cl^-$ (гидрохлорид глицина)

b) С аминами

$NH_2CH_2COOH + CH_3NH_2 \to NH_2CH_2COO^- \cdot [CH_3NH_3]^+$

Горение

$4NH_2CH_2COOH + 9O_2 \to 8CO_2 + 10H_2O + 2N_2$

7.2. Этерификация

По $-COOH$ — реакция со спиртами:

$NH_2CH_2COOH + CH_3OH \xrightarrow{HCl(г)} NH_2CH_2COOCH_3 + H_2O$

7.3. Образование пептидов (поликонденсация)

Пептидная связь

При взаимодействии двух аминокислот $-COOH$ одной молекулы реагирует с $-NH_2$ другой. Образуется пептидная связь $-CO-NH-$ и выделяется $H_2O$.

Образование дипептида

глицин

+

аланин

глицилаланин
пептидная связь -CO-NH-

+ H₂O

Название: глицилаланин.

Белки — полипептиды

Белки — природные полипептиды, содержащие от десятков до тысяч аминокислотных остатков, соединённых пептидными связями.
Качественные реакции на пептидную связь: биуретовая (CuSO₄ + NaOH → фиолетовое окрашивание).

8. Способы получения

1

Замещение галогена в галогензамещённых кислотах

$ClCH_2COOH + 2NH_3 \to NH_2CH_2COOH + NH_4Cl$

2

Восстановление нитрозамещённых кислот

Для ароматических аминокислот:

$NO_2-C_6H_4-COOH + 3H_2 \xrightarrow{Ni, t} NH_2-C_6H_4-COOH + 2H_2O$

3

Гидролиз белков Лабораторный

Полный гидролиз в кислой или щелочной среде:

Белок $+ nH_2O \xrightarrow{H^+ или OH^-}$ смесь α-аминокислот

Практические задания

Задача 1. Амфотерность глицина

Решение

Напишите уравнения реакций глицина с: а) NaOH; б) HCl.

а) По кислотному типу:

$NH_2CH_2COOH + NaOH \to NH_2CH_2COONa + H_2O$

б) По основному типу:

$NH_2CH_2COOH + HCl \to ClNH_3CH_2COOH$

Задача 2. Среда раствора

Решение

Определите среду водного раствора: а) глицина; б) глутаминовой кислоты; в) лизина.

а) Глицин: 1 COOH + 1 NH₂ → нейтральная

б) Глутаминовая: 2 COOH + 1 NH₂ → кислая

в) Лизин: 1 COOH + 2 NH₂ → щелочная

Задача 3. Образование дипептида

Решение

Напишите реакцию образования дипептида из двух молекул глицина.

$2NH_2CH_2COOH \to NH_2CH_2CO-NHCH_2COOH + H_2O$

Образуется глицилглицин + вода. Выделена пептидная связь $-CO-NH-$.

Задача 4. Цепочка превращений

Решение

$CH_3COOH \to ClCH_2COOH \to NH_2CH_2COOH \to NH_2CH_2COONa$

1) Хлорирование:

$CH_3COOH + Cl_2 \xrightarrow{P} ClCH_2COOH + HCl$

2) Замещение галогена:

$ClCH_2COOH + 2NH_3 \to NH_2CH_2COOH + NH_4Cl$

3) Нейтрализация:

$NH_2CH_2COOH + NaOH \to NH_2CH_2COONa + H_2O$

Задача 5. С чем реагирует аланин?

Решение

Из списка выберите вещества, с которыми реагирует аланин: 1) NaOH; 2) $Cu$; 3) $HBr$; 4) $Na_2CO_3$; 5) $C_2H_5OH$; 6) глицин.

1) Да — по COOH

2) Нет — Cu стоит после H₂ в ряду активности

3) Да — по NH₂ (образование соли)

4) Да — по COOH (вытеснение CO₂ из карбоната)

5) Да — этерификация (по COOH)

6) Да — образование дипептида (пептидная связь)

Ответ: 1, 3, 4, 5, 6