Hóa học hữu cơ [AMINO AXIT]

Hóa học hữu cơ [AMINO AXIT] [Chem][NguyễnDuyThức][HS][nbkVL07-10] email: vietnamhinhchus@gmail.com 1 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hóa học hữu cơ [AMINO AXIT] [Chem][NguyễnDuyThức][HS][nbkVL07-10] email: vietnamhinhchus@gmail.com 2 Amino axit I. Định nghĩa, danh pháp và tính chất vật lý ...................................................................... 3 1. Định nghĩa....................................................................................................................................... 3 2. Cấu tạo phân tử ............................................................................................................................... 3 3. Danh pháp....................................................................................................................................... 3 4. Tính chất vật lý ................................................................................................................................ 8 II. Tính chất hóa học ........................................................................................................... 8 1. Tính lưỡng tính ................................................................................................................................ 8 2. Phản ứng của nhóm cacboxyl :.......................................................................................................... 9 a) Este hóa : .................................................................................................................................... 9 b) Đecacboxyl hóa : .......................................................................................................................... 9 3. Phản ứng của nhóm amino ............................................................................................................... 9 a) Phản ứng với axit nitrơ (tương tự amin bậc I) tạo thành hidroxiaxit : ................................................ 9 b) Phản ứng đeamin hóa :................................................................................................................. 9 c) Phản ứng ngưng tụ với anđehit fomic : ..........................................................................................10 d) Phản ứng ankyl,aryl hóa bằng dẫn xuất halogen ............................................................................10 e) Phản ứng axyl hóa (Phản ứng Sotten – Bauman)............................................................................10 4. Tính chất của cả phân tử amino axit : ...............................................................................................10 a) Phản ứng màu với nihidrin............................................................................................................10 b) Phản ứng tạo phức ......................................................................................................................11 c) Tác dụng của nhiệt ......................................................................................................................11 d) Một số phản ứng màu :................................................................................................................12 e) Phản ứng trùng ngưng tạo peptit : ................................................................................................12 III. Điều chế ...................................................................................................................... 13 1. Thủy phân protein...........................................................................................................................13 2. Amin hóa axit α-halogencacboxylic (Phương pháp Hell-Volhard-Zelinski) ..............................................13 3. Ankyl hóa đietyl N-phtalimit maloat (Phương pháp Gabriel, 1889)........................................................13 4. Tổng hợp Strecker (1850) ................................................................................................................13 5. Tổng hợp Bucherer (1943)...............................................................................................................14 6. Phương pháp tổng hợp qua amiđomalonat ........................................................................................14 7. Phương pháp amino hóa α-xetoaxit (sinh tổng hợp) ...........................................................................14 8. Điều chế β-amino axit và γ-amino axit ..............................................................................................15 9. Điều chế ε- và ω-amino axit .............................................................................................................15 10. Điều chế các amino axit thơm.........................................................................................................15 Tự luận............................................................................................................................... 17 Bài 1 :................................................................................................................................................17 Bài 2 :................................................................................................................................................17 Bài 3 :................................................................................................................................................18 Bài 4 :................................................................................................................................................18 Bài 5 :................................................................................................................................................18 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hóa học hữu cơ [AMINO AXIT] [Chem][NguyễnDuyThức][HS][nbkVL07-10] email: vietnamhinhchus@gmail.com 3 Amino axit I. Định nghĩa, danh pháp và tính chất vật lý 1. Định nghĩa Amino axit là loại hợp chất hữu cơ tạp chức mà phân tử chứa đồng thời nhóm amino (-NH2) và nhóm cacboxyl (-COOH). Ví dụ : H2H-CH2-COOH ; R-CH(NH2)-COOH ; R-CH(NH2)-CH2-COOH; m-NH2-C6H4COOH. 2. Cấu tạo phân tử Ở trạng thái kết tinh tồn tại dạng ion lưỡng cực. Trong dung dịch, dạng ion lưỡng cực chuyển một phần nhỏ thành dạng phân tử : Dạng ion lưỡng cực Dạng phân tử 3. Danh pháp - Nếu gốc hidrocacbon trong phân tử là gốc no mạch hở, tùy theo vị trí của nhóm chức amin đối với nhóm cacboxyl mà ta phân biệt α-amino, β-amino, γ-amino, …, ω-amino axit. - Đa số các amino axit trong thiên nhiên là α-amino vì chúng có trong thành phần cấu tạo protein. - Trong tổng hợp hữu cơ sử dụng loại ω-amino axit (nhóm amono ở cuối mạch, mạch C không phân nhánh). Ví dụ : H2N-[CH2]5-COOH axit ω-amino caproic : tơ capron. H2N-[CH2]6-COOH axit ω-amino enantoic : tơ enăng. Tên gọi của 20 amino axit thường gặp trong thiên nhiên Công thức Tên gọi Kí hiệu, viết tắt Độ tan (g/100g H2O) pHI Axit monoaminocacboxylic Glyxin Gly G 25.5 5.97 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hóa học hữu cơ [AMINO AXIT] [Chem][NguyễnDuyThức][HS][nbkVL07-10] email: vietnamhinhchus@gmail.com 4 Alanin Valin Leuxin Isoleuxin Ala A Val V Leu L Ile I 16.6 6.8 2.4 2.1 6.00 5.96 5.98 6.00 Axit điaminomonocacboxylic Lysin Lys K Tốt 9.74 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hóa học hữu cơ [AMINO AXIT] [Chem][NguyễnDuyThức][HS][nbkVL07-10] email: vietnamhinhchus@gmail.com 5 Arginin Arg R Tốt 10.67 Axit monoaminođicacboxylic H2N CH C CH2 OH O C H2N O Axit aspactic Axit glutamic Asparagin Asp D Glu E Asn N 0.5 0.7 2.5 2.77 3.22 5.4 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hóa học hữu cơ [AMINO AXIT] [Chem][NguyễnDuyThức][HS][nbkVL07-10] email: vietnamhinhchus@gmail.com 6 H2N CH C CH2 OH O H2C C H2N O Glutamin Gln Q 3.6 5.7 Amino axit chức nhóm –OH, -SH, SR Serin S Threonin Xistein Methionin Ser Thr T Cys C Met M 4.3 20.5 Tốt 3.3 5.68 5.60 5.10 5.74 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hóa học hữu cơ [AMINO AXIT] [Chem][NguyễnDuyThức][HS][nbkVL07-10] email: vietnamhinhchus@gmail.com 7 Amino axit chứa vòng thơm H2N CH C CH2 OH O Phenylalani n Tirozin Phe F Tyr Y 2.7 0.05 5.48 5.66 Amino axit dị vòng Triptophan Histidin Trp W His H 1.1 4.2 5.89 7.59 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hóa học hữu cơ [AMINO AXIT] [Chem][NguyễnDuyThức][HS][nbkVL07-10] email: vietnamhinhchus@gmail.com 8 Prolin Pro P 162 6.3 Các gốc amino axit R-CH(NH2)-Co- được gọi bằng cách đổi đuôi “in” của tên riêng thành “yl”. Ví dụ : Glyxin ¾¾¾¾® Glyxyl 4. Tính chất vật lý Amino axit là những chất rắn, kết tinh, không màu, nhiệt độ nóng chảy tương đối cao (khoảng 220 -290oC). Đa số tan tốt trong nước, không tan trong dung môi không phân cực như benzen, hexan, ete,…. II. Tính chất hóa học 1. Tính lưỡng tính H2N-CHR-COOH ¾¾®¬¾¾ H2H-CHR-COO(-) + H+ ¾¾®¬¾¾ +H3N-CHR-COO- (ion lưỡng cực). - Ở pH thấp (môi trường axit): tạo ra axit 2 chức +H3N-CHR-COO- + 3H O¾¾¾® +H3N-CHR-COOH ¾¾¾¾® Cực âm Axit 2 chức điện trường - Ở pH cao (môi trường bazơ): tạo ra bazơ 2 chức +H3N-CHR-COO- OH - ¾¾¾® H2N-CHR-COO- ¾¾¾¾® Cực dương Axit 2 chức điện trường - Ở pH trung gian nào đó, amino axit tồn tại ở dạng ion lưỡng cực, khi ấy trong một điện trường nó không chuyển dịch về cực âm lẫn cực dương vì các điện tích trái dầu đã cân bằng. pH đó dược gọi là điểm đẳng diện, kí hiệu là pHI ( I từ isoelectric). Nhận thấy rằng, pHI của các monoamino monocacboxylic có pHI xấp xỉ bằng 6. Có thể tính pHI theo biểu thức : Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hóa học hữu cơ [AMINO AXIT] [Chem][NguyễnDuyThức][HS][nbkVL07-10] email: vietnamhinhchus@gmail.com 9 1 2a a I pK +pK pH = 2 Ví dụ : Alanin có 1a pK (của –COOH) =2.34 và 2a pK (của –NH3+)= 9,69. Vậy pHI=(2.34+9.69)/2=6.01. Nhận xét: Các axit điamino monocacboxylic có pHI khá lớn, trái lại các axit monoamino đicacboxylic có pHI khá nhỏ. Nếu cho dòng điện chạy qua một dung dịch amino axit có pH<pHI thì amino axit sẽ di chuyển về cực âm. Ngược lại nếu dung dịch amino axit có pH>pHI thì amino axit sẽ di chuyển về cực dương. Đây là nguyên tắc của phương pháp điện di amino axit. Thể hiện tính lưỡng tính : Tùy theo số lượng nhóm amino và caboxyl mà có thể làm quỳ tím hóa đỏ, hóa xanh hay không đổi màu. - Phản ứng với axit vô cơ mạnh cho muối : H2H-CH2-COOH + HCl ¾¾®ClH3NCH2COOH Hoặc +H3N-CH2-COO- + HCl ¾¾® ClH3NCH2COOH - Phản ứng với bazơ mạnh cho muối và nước : H2H-CH2-COOH + NaOH ¾¾®H2NCH2COONa + H2O Hoặc +H3N-CH2-COO- + NaOH ¾¾® H2NCH2COONa + H2O 2. Phản ứng của nhóm cacboxyl : a) Este hóa : Amino axit tác dụng với ancol khi có axit vô cơ mạnh xúc tác tạo thành este : H2N-CH2-COOH + C2H5OH HCl¾¾¾®¬¾¾ H2NCH2COOC2H5 1 + H2O b) Đecacboxyl hóa : Khi có enzim thích hợp amino axit bị tách nhóm cacboxyl tạo thành amin. C3H3N2CH2CH(NH2)COOH decacboxylaza¾¾¾¾¾¾®C3H3N2CH2CH2NH2 + CO2 Histidin Histamin 3. Phản ứng của nhóm amino a) Phản ứng với axit nitrơ (tương tự amin bậc I) tạo thành hidroxiaxit : CH3-CH(NH2)-COOH + HONO HCl¾¾¾® CH3-CH(OH)-COOH + N2 + H2O Alanin Axit lactic Phương pháp Van Slai : Dựa vào thể tích N2 thoát ra có thể xác định được lượng amino axit trong dung dịch. b) Phản ứng đeamin hóa : Trong cơ thể người và động vật enzim có khả năng chuyển hóa nhóm >CH-NH2 thành nhóm >C=O. Ví dụ : CH3-CH(NH2)-COOH [O]enzim¾¾¾¾® CH3-CO-COOH 1 Thực ra, este tạo thành ở dạng muối –ClH3N+CH2COOC2H5. Muốn tạo thành amin este ta xử lý với NH3. Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hóa học hữu cơ [AMINO AXIT] [Chem][NguyễnDuyThức][HS][nbkVL07-10] email: vietnamhinhchus@gmail.com 10 Alanin Axit piruvic Trong môi trường kiềm, các enzim đó lại chuyển hóa amino axit tạo thành hidroxiaxit. Ví dụ : Tyrosin biến thành axit p-hidroxiphenyllactic : p-HO-C6H4-CH2CH(NH2)COOH 2 H O enzim¾¾¾¾® p-HO-C6H4-CH2CH(OH)COOH + NH3 Dưới tác động của enzim ancol hóa thì cả nhóm amino và nhóm cacboxyl đều bị phân tách : (CH3)2CHCH2CH(NH2)COOH enzimancol ho'a¾¾¾¾¾® (CH3)2CHCH2CH2OH + NH3 + CO2 c) Phản ứng ngưng tụ với anđehit fomic : HCHO + H2N-CHR-COOH ¾¾®CH2=N-CHR-COOH Phản ứng này dùng để khóa nhóm -NH2 khi chuẩn độ amino axit (phương pháp Sơrenxen). d) Phản ứng ankyl,aryl hóa bằng dẫn xuất halogen Nhóm amino của amino axit được ankyl hay aryl hóa bằng dẫn xuất halogen. C2H5I + NH2-CH2-COOH -HI¾¾¾® C2H5-NH-CH2COOH Ø Chú ý : Amin chỉ aryl hóa với dẫn xuất halogen RX trong đó R không phải Ar. e) Phản ứng axyl hóa (Phản ứng Sotten – Bauman) Khi cho amino axit phản ứng với clorua axit trong môi trường kiềm thu được dẫn xuất N-axyl : C6H5COCl + H2N-CH2-COOH - 21)OH /H O 2) HCl¾¾¾¾¾® C6H5CONH-CH2COOH Glyxyl N-Benzoylglyxyl (Axit hipuric) Do sự liên hợp đôi electron tự do của N vào nhóm C=O nên các N-axylamino axit kiểu axit hipuric có tính axit mạnh tương tự các axit cacboxylic. Ngoài ra, ta còn có thể dùng các tác nhân axyl hóa là anhidrit axetic : (CH3CO)2O + H2NCH2COOH ot¾¾¾®CH3CONHCH2COOH + CH3COOH Dẫn xuất N-fomyl được điều chế bằng cách cho amino axit tác dụng với axit fomic. 4. Tính chất của cả phân tử amino axit : a) Phản ứng màu với nihidrin Tất cả các α-amino axit đều phản ứng với nihidrin cho sản phẩm có màu tím xanh (riêng prolin cho màu vàng) : Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hóa học hữu cơ [AMINO AXIT] [Chem][NguyễnDuyThức][HS][nbkVL07-10] email: vietnamhinhchus@gmail.com 11 Ninhidrin là thuốc thử đặc trưng để nhận biết α-amino axit trên sắc đồ của sắc ký giấy và trên giản đồ điện di. b) Phản ứng tạo phức Các α-amino axit phản ứng với một số ion kim loại nặng cho hợp chất phức khó tan và rất bền, không bị phân hủy bởi NaOH, có màu đặc trưng. Kết tủa màu xanh c) Tác dụng của nhiệt khi đun nóng, α-amino axit bị tách nước giữa hai phân tử tạo ra điamit vòng 6 cạnh kiểu đixetopiperazin Đixetopiperazin Đun β-amino axit bị tách NH3 cho axit không no Với γ-, δ- và ω-amino axit bị tách nước cho mono amit vòng từ 5 – 7 cạnh gọi là lactam : Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hóa học hữu cơ [AMINO AXIT] [Chem][NguyễnDuyThức][HS][nbkVL07-10] email: vietnamhinhchus@gmail.com 12 Butirolactam d) Một số phản ứng màu : * Phản ứng Xantoproteic : Các amino axit chứa gốc hidrocacbon thơm như phenylalanin, tyrozin, trytophan,… phản ứng với axit nitric đặc, nóng tạo thành hợp chất nitro màu vàng gọi là phản ứng Xantoproteic. Thực chất đây là phản ứng nitro hóa nhân thơm có trong aminoaxit. (màu vàng) * Phản ứng Adamkiewicz – Hopkins Các amino axit chứa vòng indol phản ứng với axit glioxilic có mặt axit sunfuric đặc, nóng làm xúc tác thu được sản phẩm có màu xanh tím * Phản ứng với thuốc thử Milon Các amino axit có chứa gốc phenol (tyrozin,…) phản ứng với hỗn hợp Hg(NO3)2 và HNO3 đặc khi đun nóng cho sản phẩm có màu đỏ. * Phản ứng Pauly Phản ứng Pauly dùng để nhận biết trytophan nhờ phản ứng của tryptophan với axit điazobenzensunfonic trong dung dịch kiềm thu được sản phẩm có màu đỏ anh đào. * Phản ứng Sacaguchi Phản ứng này đặc trưng cho arginin. Arginin phản ứng với hỗn hợp α-naphtolat và natri hipobromit cho sản phẩm có màu đỏ. e) Phản ứng trùng ngưng tạo peptit : ngưng tụ 2 hay nhiều phân tử α-amino axit ta thu được những amit có mạch rất dài gọi là peptit (n từ 2-50) hay protein (n>50). (Đề cập ở bài sau). Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hóa học hữu cơ [AMINO AXIT] [Chem][NguyễnDuyThức][HS][nbkVL07-10] email: vietnamhinhchus@gmail.com 13 III. Điều chế 1. Thủy phân protein Khi thủy phân hoàn toàn protein nhờ xúc tác axit hay kiềm, hoặc enzim proteaza thu được hỗn hợp các L- amino axit. Sau khi thủy phân có thể dùng các phương pháp điện di hay sắc kí để tách từng amino axit. 2. Amin hóa axit α-halogencacboxylic (Phương pháp Hell-Volhard-Zelinski) Các α-amino axit được tổng hợp bằng cách brom hóa axit cacboxylic ở vị trí α, sau đó tiếp tục thế nguyên tử brom bằng NH3 đặc ở nhiệt độ phòng : ( ) ( )2 3 2 1)Br ,PBr 3 2 3 3 22)H OCH CH CH CH CH COOH CH CH CH CH CH COOH3 2 Br¾¾¾¾¾® ( ) ( )32NH 3 3 2 2 4CH CH CH CH CH NH COOH+ NH Br¾¾¾® (R,S)- Leuxin (45%) 3. Ankyl hóa đietyl N-phtalimit maloat (Phương pháp Gabriel, 1889) Các α-amino axit được tổng hợp từ đietyl N-phtalimit maloat và ankyl halogenua hoặc hợp chất cacbonyl α, β- chưa no theo sơ đồ phản ứng sau : (D, L) 4. Tổng hợp Strecker (1850) Phản ứng tổng hợp α-amino axit theo Strecker được phát triển từ năm 1850. Phản ứng được tiến hành bằng cách cho andehit tác dụng với KCN trong dung dịch amoni clorua, sau đó thủy phân nitrin thu được α-amino axit. C6H5CHO 4 2 NH Cl, KCN -H O¾¾¾¾¾® C6H5CH2CH(NH2)CN 2H O/H + ¾¾¾¾®C6H5CH2CH(NH2)COOH Phenylaxetandehit α-Aminonitrin (R,S)-Phenylalanin (53%) Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hóa học hữu cơ [AMINO AXIT] [Chem][NguyễnDuyThức][HS][nbkVL07-10] email: vietnamhinhchus@gmail.com 14 5. Tổng hợp Bucherer (1943) Phương pháp này còn gọi là phương pháp Strecker cải tiến. Theo phươn gpháp này, mới đầu tạo thành hidantoin bằng cách cho xianhidrin phản ứng với cacbonat rồi thủy phân hidantoin bằng kiềm tạo α-amino axit : CH3CHO HCN¾¾¾® CH3CH(OH)-CN 4 2 3(NH ) CO¾¾¾¾¾® H O/OH2 - ¾¾¾¾¾® CH3-CH(NH2)-COOH + NH3 + CO2 Hiđantoin 6. Phương pháp tổng hợp qua amiđomalonat Trước tiên chuyển đietyl axetaminđomalonat thành cacbanion bằng cách cho tác dụng với bazơ, sau đó cho phản ứng thế SN2 với dẫn xuất halogen bậc 1 , tiếp theo tiến hành thủy phân và đecaboxyl hóa) Đietyl exetamiđomalonat được điều chế từ đietyl malonat như sau : Sau khi thu được đietyl axetaminđomalonat, đem điều chế amino axit theo sơ đồ sau Axit (R,S)-aspactic (55%) 7. Phương pháp amino hóa α-xetoaxit (sinh tổng hợp) Phương pháp này tất có ý nghĩa vì đã mở ra hướng tổng hợp tương tự trong phòng thí nghiệm để tạo ra một số α-amino axit. Ví dụ : Tổng hợp axit glutamic (có trong cơ thể) : Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hóa học hữu cơ [AMINO AXIT] [Chem][NguyễnDuyThức][HS][nbkVL07-10] email: vietnamhinhchus@gmail.com 15 Axit α-glutamic 2 8. Điều chế β-amino axit và γ-amino axit β-Amino axit và γ-amino axit cũng có thể được điều chế bằng cách amin hóa trực tiếp halogenoaxit như phương pháp điều chế α-amino axit đã nêu trên. β-Amino axit còn có thể được trực tiếp điều chế bằng cách cộng nucleophin amoniac vào α,β- không no. Ví dụ : CH2=CH-COOH + NH3 o150 C¾¾¾® NH2-CH2-CH2-COOH (β-alanin) Ngoài ra Rodionov còn đưa ra phương pháp điều chế β-amino axit như sau : R-CHO + CH2(COOH)2 3 2 +NH -H O¾¾¾®RCH(NH2)CH(COOH)2 2-CO¾¾¾® RCH(NH2)CH2COOH 9. Điều chế ε- và ω-amino axit Oxim của xiclohexanon Chuyển vị Becman Caprolactam Axit ε-aminocaproic Axit ω-aminoanantoic được điều chế từ etilen và cacbon tetraclorua nhờ phản ứng telome hóa tạo thành 1,1,1,7-tetraclopentan, sau đó thủy phân rồi amin hóa : 3CH2=CH2 4 CCl¾¾¾® ClCH2[CH2]5CCl3 2 4 2 H SO -H O¾¾¾¾® ClCH2[CH2]5COOH 3+NH¾¾¾® H2NCH2[CH2]5COOH Axit ω-aminoenantoic 10. Điều chế các amino axit thơm Axit o-aminobenzoic (axit antranilic) được điều chế từ phtalimit : Phtalimit Axit antranilic 2 NADH : Nicotinamit ađe