Базы данных
База данных понятий
Органические к-ты, содержащие одну или несколько аминогрупп.
В зависимости от природы кислотной ф-ции аминоксилоты подразделяют на аминокарбоновые, например H2N(CH2)5COOH, аминосульфоновые например H2N(CH2)2SO3H, аминофосфоновые, например H2NCH[P(O)(OH)2]2, и аминоарсиновые, например H2NC6H4AsO3H2.
Название аминокислот (А.) производят от названия соответствующей к-ты; взаимное расположение в углеродной цепи карбоксильной и аминной групп обозначают обычно цифрами, в нек-рых случаях - греч. буквами. Однако, как правило, пользуются тривиальными названиями аминоксилот.
Структура и физические свойства.
По физ. и ряду хим. свойств А. резко отличаются от соответствующих к-т и оснований. Они лучше раств. в воде, чем в орг. р-рителях; хорошо кристаллизуются; имеют высокую плотность и исключительно высокие т-ры плавления (часто разложения). Эти св-ва указывают на взаимод. аминных и кислотных групп, вследствие чего А. в твердом состоянии и в р-ре (в широком интервале рН) находятся в цвиттер-ионной форме.
Взаимное влияние групп особенно ярко проявляется у альфа-аминокислот, где обе группы находятся в непосредств. близости, а также у о- и п-аминобензойных к-т, где их взаимод. передается через систему сопряженных связей. Благодаря электроноакцепторным св-вам группы -NH3(+) резко усиливается кислотность карбоксильных групп, напр. рКа глицина 2,34, тогда как уксусной к-ты 4,75, бета-аланина 3,6. Аминогруппа подвергается взаимокомпенсируемому влиянию электроноакцепторной карбонильной группы и электронодонорного отрицательно заряженного атома кислорода, в результате чего, напр., основность аминогрупп аминоуксусной и п-аминобензойной к-т мало отличается от основности соотв. этиламина и анилина. Аминогруппа А. ионизирована в несколько меньшей степени, чем карбоксильная группа, и водный р-р А. имеет слабокислый характер. Значение рН, при к-ром концентрация катионов А. равна концентрации анионов, наз. изоэлектрич. точкой (рI). Все А. в изоэлектрич. точке имеют минимум р-римости (в р-рах к-т и щелочей р-римость возрастает). Вблизи рI р-ры А. обладают миним. буферным действием, а вблизи рК каждой функц. группы - максимальным.
Цвиттер-ионная структура А. подтверждается их большим дипольным моментом (не менее 50-10^-30 Кл-м), а также полосой поглощения 1610-1550 см-1 в ИК-спектре твердой А. или ее р-ра.
Все альфа-А., кроме аминоуксусной (глицина), имеют асимметрический альфа-углеродный атом и существуют в виде двух энантиомеров. За редким исключением прир. альфа-аминоксилоты относятся к L-ряду (S-конфигурация).
При переходе от нейтральных р-ров к кислым для А. L-ряда увеличивается положит. вращение, для D-ряда - отрицательное. Гидроксипролин, треонин, изолейцин имеют два асимметрич. атома и образуют по две пары диастереомеров. Оптич. активность А. сильно зависит от длины волны поляризованного света (дисперсия оптич. вращения). Как правило, А. более устойчивы к рацемизации, чем их производные. Повышенной конфигурационной стабильностью отличаются N-бензилоксикарбонильные производные А.
Расщепление рацематов А. на оптич. антиподы производят затравочной кристаллизацией их солей с арилсульфокислотами или кристаллизацией диастереомерных солей ацильных производных А. с оптически активными основаниями или солей эфиров А. с оптически активными к-тами. Часто используют энантиоселективный гидролиз ациламинокислот ацилазами или гидролиз эфиров А. эстеразами, причем ферменты атакуют в первую очередь L-A. Перспективно расщепление рацематов лигандообменной хроматографией. Хроматографию используют также для анализа энантиомерного состава А.
Свойства основных аминокислот.
Природные L-альфа-аминокислоты входящие в состав белков:
1. Аланин H2NCH(CH3)COOH. Сокращения: Ala, A. Растворимость в воде (25 С) 166 г/кг.
2. Аргинин HN=C(NH2)NH(CH2)3CH(NH2)COOH. Сокращения: Arg, R. Растворимость в воде (25 С) 150 г/кг.
3. Аспарагин H2NOCCH2CH(NH2)COOH. Сокращения: Asn, N. Растворимость в воде (25 С) 25 г/кг.
4. Аспарагиновая кислота HOOCCH2CH(NH2)COOH. Сокращения: Asp, D. Растворимость в воде (25 С) 5 г/кг.
5. Валин (CH3)2CHCH(NH2)COOH. Сокращения: Val, V. Растворимость в воде (25 С) 88 г/кг.
6. Гистидин C3H5N2CH2CH(NH2)COOH. Сокращения: His, H. Растворимость в воде (25 С) 41,9 г/кг.
7. Глицин H2NCH2COOH. Сокращения: Gly, G. Растворимость в воде (25 С) 250 г/кг.
8. Глутамин H2NOCCH2CH2CH(NH2)COOH. Сокращения: Gln, Q. Растворимость в воде (25 С) 42 г/кг.
9. Глутаминовая кислота HOOCCH2CH2CH(NH2)COOH. Сокращения: Glu, E. Растворимость в воде (25 С) 9 г/кг.
10. Изолейцин CH3CH2CH(CH3)CH(NH2)COOH. Сокращения: Ile, I. Растворимость в воде (25 С) 41 г/кг.
11. Лейцин (CH3)2CHCH2CH(NH2)COOH. Сокращения: Leu, L. Растворимость в воде (25 С) 22 г/кг.
12. Лизин H2N(CH2)4CH(NH2)COOH. Сокращения: Lys, K.
13. Метионин CH3SCH2CH2CH(NH2)COOH. Сокращения: Met, M. Растворимость в воде (25 С) 34 г/кг.
14. Пролин C4H8NCOOH. Сокращения: Pro, P. Растворимость в воде (25 С) 1623 г/кг.
15. Серин HOCH2CH(NH2)COOH. Сокращения: Ser, S. Растворимость в воде (25 С) 50 г/кг.
16. Тирозин HOC6H4CH2CH(NH2)COOH. Сокращения: Tyr, Y. Растворимость в воде (25 С) 0,5 г/кг.
17. Треонин CH3CH(OH)CH(NH2)COOH. Сокращения: Thr, T. Растворимость в воде (25 С) 205 г/кг.
18. Триптофан C8H6NCH2CH(NH2)COOH. Сокращения: Trp, W. Растворимость в воде (25 С) 11 г/кг.
19. Фенилаланин C6H5CH2CH(NH2)COOH. Сокращения: Phe, F. Растворимость в воде (25 С) 30 г/кг.
20. Цистеин HSCH2CH(NH2)COOH. Сокращения: Cys, C.
Химические свойства.
Реакции по карбоксильным группам А., аминогруппа к-рых защищена ацилированием или солеобразованием, протекают аналогично превращениям карбоновых к-т. А. легко образуют соли, сложные эфиры, амиды, гидразиды, азиды, тиоэфиры, галогенангидриды, смешанные ангидриды и т.д. Эфиры А. под действием натрия или магнийорг. соед. превращаются в аминоспирты. При сухой перегонке в присут. Ва(ОН)2 А. декарбоксилируются.
Реакции аминогрупп А. аналогичны превращениям аминов. А. образуют соли с минер, к-тами и пикриновой к-той, легко ацилируются хлорангидридами к-т в водно-щелочном р-ре (р-ция Шоттена - Баумана) и алкилируются алкилгалогенидами. Метилиодид и диазометан превращают А. в бетаины (CH3)3NCHRCOO. С формалином А. дают метилольные или метиленовые производные, а в присут. муравьиной к-ты или каталитически активированного Н2 - N,N-диметиламинокислоты. Под действием HNO2 ароматич. аминогруппы диазотируются, а алифатические замещаются на гидроксил. При обработке эфиров А. изоцианатами и изотиоцианатами образуются производные мочевины и тиомочевины. При нагр. с содой или при одноврем. воздействии алкоголята и СО2 А. дают соли или эфиры N-карбоксипроизводных А., а при использовании CS2 - аналогичные дитиокарбаматы.
Реакции с одновременным участием групп NH2 и СООН наиболее характерны для альфа-аминоксилот, к-рые способны образовывать устойчивые 5-членные гетероциклы. С ионами переходных металлов (Си, Zn, Ni, Co, Pb, Ag, Hg, Cr) альфа-А. образуют прочные хелатные комплексы, что используется в комплексонах и в комплексообразующих ионообменных смолах на основе аминокарбоновых и аминофосфоновых к-т. При взаимод. с фосгеном альфа-А. превращаются в циклич. ангидриды N-карбоксиаминокислот, а при нагр. с уксусным ангидридом или ацетилхлоридом - в азлактоны; нагревание А. с мочевиной или обработка изоцианатами дает гидантоины, а при использовании арилизотиоцианатов - тиогидантоины.
альфа-А., и особенно легко их эфиры, при нагр. превращаются в 2,5-пиперазиндионы, или днкетопиперазины. Бета-А. при нагр. дезаминируются и образуют альфа,бета-ненасыщенные к-ты, гамма- и дельта-А. отщепляют воду и образуют 5- и 6-членные лактамы. Эпсилон-Аминокапроновая к-та при нагр. образует в осн. полиамид и лишь частично превращ. в капролактам, что характерно и для А. с большим числом метиленовых звеньев между функц. группами. Бетаины альфа-А. при нагр. могут обратимо превращ. в эфиры диметиламинокислот, напр.: (CH3)3NCH2COO < -- > (CH3)2NCH2COOCH3. При элиминировании триметиламина бетаины бета-А. превращ. в ненасыщ. к-ты, гамма- и дельта-бетаины - в циклич. лактоны. При окислении альфа-А. образуют альдегиды с укороченной углеродной цепочкой. Из-за положительного заряда на четвертичном атоме N бетаины не образуют солей со щелочами. По аналогичной причине аминосульфоновые и аминофосфоновые к-ты не образуют солей с к-тами.
Анализ.
Обычно анализ альфа-А. основан на взаимод. с нингидрином, в результате к-рого А. расщепляется до альдегида, СО2 и NH3, a NH3 образует с нингидрином фиолетовый краситель. Для количеств, определения измеряют объем выделившегося СО2 или, чаще, фотометрируют образующийся краситель. Последний метод используется в автоматич. хроматографах, позволяющих разделять на сульфокатионитах и количественно анализировать сложные смеси аминокислот и пептидов. Еще более чувствителен флуоресцентный анализ продуктов реакции А. с о-фталевым диальдегидом. Быстро развивается лигандообменный хроматографический анализ А. и пептидов на силикагельных сорбентах в присутствии ионов меди. Бумажная и тонкослойная хроматография чаще используются для качественного анализа. Измерение объема N2, выделяющегося при дезаминировании А. азотистой к-той, а также титрование А. щелочью в избытке формалина (методы Ван-Слайка и Сёренсена) сохранили лишь историческое значение.
Получение аминоксилот.
альфа-А. получают галогенированием карбоновых к-т или эфиров в альфа-положение с последующей заменой галогена на аминогруппу при обработке амином, аммиаком или фталимидом калия (по Габриелю).
По Штреккеру - Зелинскому альфа-А. получают из альдегидов:
RCHO + NaCN + NH4Cl --> RCH(NH2)CN --> RCH(NH2)CONH2 --> RCH(NH2)COOH
Этот метод позволяет также получать нитрилы и амиды соответствующих альфа-А. По сходному механизму протекает образование альфа-аминофосфоновых к-т по р-ции Кабачника-Филдса, напр.:
RCHO + NH3 + (C2H5O)2PHO -> RCH(NH2)P(O)(OC2H5)2
В этой р-ции вместо альдегидов м. б. использованы кетоны, а вместо диалкилфосфитов - диалкилтиофосфиты, кислые эфиры алкил(арил)фосфонистых к-т RP(OH)OR и диарилфосфиноксиды Аг2НРО. Таким путем получен широкий набор комплексонов.
Альдегиды и кетоны или их более активные производные - кетали служат исходными соед. для синтеза альфа-А. с увеличением числа углеродных атомов на две единицы. Для этого их конденсируют с циклич. производными аминоуксусной к-ты - азалактонами, гидантоинами, тиогидантоинами, 2,5-пиперазиндионами или с ее медными или кобальтовыми хелатами.
Удобные предшественники альфа-А. - аминомалоновый эфир и нитроуксусный эфир. К их альфа-углеродным атомам можно предварительно ввести желаемые радикалы методами алкилирования или конденсации. альфа-Кетокислоты превращ. в альфа-А. гидрированием в присут. NH3 или гидрированием их оксимов или гидразонов.
Нек-рые L-aльфа-A. ввиду сложности синтеза и разделения оптич. изомеров получают микробиол. способом (лизин, триптофан, треонин) или выделяют из гидролизатов природных белковых продуктов (пролин, цистин, аргинин, гистидин). Перспективны смешанные химически-ферментативные способы синтеза.
альфа-Аминосульфоновые к-ты получают при обработке аммиаком продуктов присоединения NaHSO3 к альдегидам:
RCHO + NaHSO3 --> RCH(OH)SO3Na --> RCH(NH2)SO3Na
бета-А. синтезируют присоединением NH3 или аминов к альфа,бета-ненасыщенным к-там, а также по методу Родионова - конденсацией альдегидов с малоновой к-той в присут. NH3:
RCHO + CH2(COOH)2 + NH3 --> RCH(NH2)CH2COOH + СО2 + Н2О
омега-А. получают гидролизом соответствующих лактамов (напр., эпсилон-капролактама), к-рые образуются в результате перегруппировки Бекмана из оксимов циклич. кетонов под действием H2SO4. омега-Аминоэнантовую, омега-аминопеларгоновую и омега-аминоундекановую к-ты синтезируют из альфа,альфа,альфа,омега-тетрахлоралканов путем их гидролиза конц. H2SO4 до омега-хлоралкановых к-т с послед, аммонолизом. Исходные тетрахлоралканы получают теломеризацией этилена с СС14.
Ароматич. А. синтезируют восстановлением нитробензойных к-т или окислением толуидинов после предварительного бензоилирования аминогруппы. Антраниловую к-ту получают из фталевого ангидрида.
Для синтеза альфа-А., меченных изотопами, обычно пользуются методами Габриеля и Штреккера. Меченные тритием А. получают из ненасыщ. предшественников.
Сульфаниловая к-та образуется при нагр. сульфата анилина до 180°С. Ее мета-изомер получают сульфированием нитробензола с послед. восстановлением нитрогруппы.
Применение.
Наибольший интерес представляют 20 L-aльфа-аминокислот (аланин, аргинин, аспарагин и др.), входящих в состав белковых молекул. Смеси L-A., а также индивидуальные А. (напр., метионин) применяют в медицине для парэнтерального питания больных с заболеваниями пищеварит. и др. органов, при нарушениях обмена в-в и др.; лизин, метионин, треонин, триптофан - в животноводстве для обогащения кормов; глутамат натрия и лизин - в пищ. пром-сти. омега-А. и их лактамы служат для пром. произ-ва полиамидов. гамма-Аминомасляная к-та (аминалон) - медиатор в центральной нервной системе, применяется как лек. ср-во при сосудистых заболеваниях головного мозга. Ароматич. А. используют в синтезе красителей и лек. ср-в. На основе аминокарбоновых и аминофосфоновых к-т синтезируют селективные комплексоны, комплексообразующие иониты, лигандообменные сорбенты, ПАВ.