1,1-Амидные группы
глицин дикетопиперазин
Дикетопиперазины способны гидролизоваться до исходных α-аминокислот. Дикетопиперазины можно рассматривать как замещенные амиды, содержащие две амидные группировки. Название дикетопиперазины связано с названием шестичленного гетероцикла пиразина.
β-аминокислоты отщепляют аминогруппу и атом водорода у α-углеродного атома с образованием α,β-непредельной кислоты:
Причиной такой реакции является высокая подвижность атомов водорода, находящихся рядом с карбоксильной группой (влияние σ, π-сопряжения).
Способность β-аминокислот вступать в реакции элиминирования обусловлена тем, что за счет –I-эффекта двух электроноакцепторных групп у α-атома углерода возникает СН-кислотный центр и атом водорода становится способным отщепляться в виде протона.
В специальных условиях β-аминокислоты образуют β-лактамы:
y,δ-аминокислоты образуют внутренние (циклические) амиды – лактамы, которые самопроизвольно могут переходить в таутомерную y-лактимную форму:
δ-валеролактам
Получение лактамов объясняется пространственным сближением амино- и карбоксильной групп (за счет свободного вращения вокруг С–С- и С–N-связей и образования клешневидной конформации), а также устойчивостью 5- и 6-членных циклов, образующихся в этих реакциях.
у-Аминокислоты, подобно y-гидроксикислотам, могут принимать клешневидную конформацию. В клешневидной конформации оказываются сближенными в пространстве карбоксильная группа и аминогруппа, поэтому взаимодействие между ними протекает внутримолекулярно. Лактамы способны гидролизоваться до исходной аминокислоты.
ε-аминокислоты и аминокислоты, у которых амино- и карбоксильная группы разделены шестью и более атомами углерода, превращаются в полиамид и лишь частично в лактам. При образовании полиамида молекулы аминокислот вступают в реакцию поликонденсации по типу «голова-хвост»:
Для получения пептидов с определенной последовательностью аминокислот пользуются специальными методами «защиты» и «активации» функциональных групп.
Один из способов предотвращения полимеризации аминокислоты состоит в блокировании ее аминогруппы с тем, чтобы в реакцию могла вступать только аминогруппа амина. С этой целью используют карбобензоксихлорид (известный также под названием карбобензилоксихлорида или бензилхлор-формиат ), который реагирует с аминогруппами аминокислот и других соединений, давая карбамат:
Взаимодействие с реактивом Сэнгера (2, 4-динитрофторбензол). Эта реакция идёт по механизму нуклеофильного ароматического замещения в слабощелочном растворе с образованием замещенного динитроанилина.
Нингидриновая реакция применяется для качественного и количественного анализа (обнаружения) в аминокислотных анализаторах для спектрофотометрического определения α-аминокислот. Нингидрин разлагает α-аминокислоты на альдегиды, оксид углерода (IV) и аммиак. Аммиак конденсируется с избытком нингидрина и с продуктами его восстановления. Продукты конденсации окрашены в розово-фиолетовый цвет. Различные α-аминокислоты образуют окрашенные соединения, отличающиеся оттенком.
Продукт конденсации с нингидрином даёт краситель:
Действие окислителей.
Ионнообменная хромотография – анализаторы аминокислот. Нерастворимые полимеры или смолы, содержащие свободные сульфогруппы, при обработке едким натром, становятся анионами, которыми заполняют колонку и пропускают через нее водный раствор смеси аминокислот. Различные цвиттер-ионы дают соли с основными группами смолы и связываются с ней.
Если вводить в колонку смесь аминокислот в виде раствора катионных солей, они будут еще прочнее связываться со смолой из-за отсутствия карбоксилат-анионов:
Чтобы разделить смесь аминокислот, колонку со смолой, содержащей катионы аминокислот H3NCHRCO2H, медленно промывают (элюируют) буферами, постепенно повышая их рH. При этом различные аминокислоты переходят в анионную форму и вымываются из колонки.
Качественные реакции аминокислот
Особенностью химии аминокислот является многочисленность качественных (цветных) реакций, которые необходимы при исследовании их физико-химическими методами (хроматография, электрофорез).
Нингидриновая реакция применяется для качественного и количественного анализа (обнаружения) в аминокислотных анализаторах для спектрофотометрического определения α-аминокислот. Нингидрин разлагает α-аминокислоты на альдегиды, оксид углерода (IV) и аммиак. Аммиак конденсируется с избытком нингидрина и с продуктами его восстановления. Продукты конденсации окрашены в розово-фиолетовый цвет. Различные α-аминокислоты образуют окрашенные соединения, отличающиеся оттенком.
Продукт конденсации с нингидрином даёт краситель:
Биуретовая реакция применяется для обнаружения пептидных связей в пептидах и белках. В основе её лежит способность пептидных связей образовывать с ионами меди хелаты, окрашенные в сине-фиолетовый цвет.
Ксантопротеиновая реакция используется для обнаружения α-аминокислот, содержащих в радикале ароматический цикл.
Существует ряд частных реакций на отдельные аминокислоты. Например, цистеин (серосодержащая аминокислота) обнаруживают по реакции с ацетатом свинца при нагревании. В щелочной среде образуется осадок сульфида свинца PbS чёрного цвета.
Реакция с формалином применяется для блокирования аминогрупп при количественном определении аминокислот щелочным титрованием (формольное титрование). Прямое титрование аминокислот непроводится из-за их амфотерности.
Реакция с азотистой кислотой применяется для количественного определения аминокислот (по объёму выделившегося азота). В кислой среде из нитрита натрия выделяется свободная азотистая кислота, которая реагирует с аминогруппой аминокислоты. В результате реакции образуется оксикислота:
Отношение моноаминомонокарбоновых кислот к индикаторам. Окраска индикаторов (метилового оранжевого, метилового красного, лакмуса) в водных растворах аминокислот (моноаминомонокарбоновых) не меняется. Объясняется это тем, что аминокислоты амфотерны, они существуют в виде биполярных ионов (внутренних солей), причём основность аминогруппы и кислотность карбоксильной группы примерно равны, поэтому водные растворы моноаминомонокарбоновых кислот имеют нейтральную реакцию:
Реакция аминоуксусной кислоты с формальдегидом. Формальдегид связывает аминогруппу в аминокислотах (до N–монооксиметиламиноуксусной кислоты и N,N–диоксиметиламиноуксусной кислоты) по следующей схеме:
Радиальная (круговая) распределительная хроматография на бумаге для разделения аминокислот.
Практическое применение аминокислот
Аминокислоты широко используются в современной медицине в качестве лекарственных средств. К таким аминокислотам относится глутаминовая кислота, метионин, гистидин, глицин, цистеин.
Глутаминовая кислота участвует в обмене белков и углеводов, способствует синтезу нейромедиатора ацетилхолина, АТФ, переносу ионов К+, стимулирует окислительные процессы. Глутаминовая кислота относится к нейромедиаторам, стимулирующим передачу в синапсах центральной нервной системы возбуждения. При приёме внутрь она хорошо проходит через клеточные мембраны, поступает в центральную нервную систему и широко используется для лечения заболеваний центральной нервной системы: эпилепсии, психозов, депрессий, детского церебрального паралича, болезни Дауна, полиомиелита.
Метионин относится к числу незаменимых аминокислот, необходимых для поддержания роста и азотистого равновесия в организме. Метионин содержит подвижную метильную группу, которая может передаваться другим соединениям. Таким образом, эта аминокислота может принимать участие в таких важных процессах, как переметилирование. Отдавая метильную группу, метионин способствует синтезу холина, с недостатком образования которого связывают нарушения липидного обмена, и тем самым способствует удалению жира из печени. Метионин участвует в синтезе адреналина, активирует действие гормонов, витаминов и ферментов. Путём метилирования эта аминокислота обезвреживает токсичные вещества.
Метионин применяют для лечения и предупреждения заболеваний и токсических поражений печени (цирроз, отравление хлороформом, бензолом и другими веществами, а также при алкоголизме и сахарном диабете). Его применяют при атеросклерозе для снижения уровня холестерина в крови и повышения уровня фосфолипидов.
Глицин является нейромедиатором тормозного типа действия. Он улучшает метаболические процессы в мозге и оказывает положительное влияние при мышечной дистрофии. Эта аминокислота применяется в медицине также как средство, ослабляющее влечение к алкоголю и уменьшающее депрессивные нарушения и раздражительность у больных хроническим алкоголизмом.
Цистеин – заменимая аминокислота. Его характерной особенностью является наличие сульфгидрильной группы, которая очень реакционно способна и может легко окисляться с образованием молекулы цистина, которая содержит дисульфидную связь (S – S). Лёгкое превращение цистеина в цистин и обратимость этой реакции играют важную роль в регуляции процессов обмена веществ. В медицинской практике цистеин используется как средство для задержки развития катаракты и просветления хрусталика.
Амбен (п-аминометилбензойная кислота) является антифибрино-литическим средством, применяемым для остановки кровотечений.
4-Аминобутановая (у-аминомасляная) кислота (ГАМК). Образуется в живых организмах при декарбоксилировании глутаминовой кислоты. В медицине ГАМК под названием аминалон или гаммалон применяется при психических заболеваниях, обладает ноотропным действием, т. е. влияет на процессы мышления. На основе ГАМК создан ряд новых ноотропных средств, среди которых известны фенибут, пирацетам и др.
6-Аминогексановая (с-аминокапроновая) кислота получается путем гидролиза ε-капролактама. В медицине используется в качестве кровоостанавливающего средства. ε-Капролактам — крупнотоннажный промышленный продукт, синтезируется из фенола. Основная масса капролактама используется для получения ценного синтетического полиамидного волокна – капрона.
n-Аминобензойная кислота. Получается из 4-нитротолуола путем окисления его в 4-нитробензойную кислоту, которую затем восстанавливают в n-аминобензойную кислоту (ПАБК). Сложные эфиры ПАБК анестезин и новокаин используются в качестве местноанестезирующих средств. Новокаин представляет собой соль, которая как ионное соединение хорошо растворима в воде и поэтому применяется в виде инъекционных растворов. Из двух центров основности в молекуле новокаина (алифатическая и ароматическая аминогруппы) большим сродством к протону обладает третичный атом азота алифатической части молекулы.
В молекуле анестезина ароматическая аминогруппа обладает низкой основностью, поэтому анестезин не образует гидролитически устойчивых солей, а так как свободное основание не растворимо в воде, то анестезин не используется для приготовления инъекционных растворов.
Антраниловая (о-аминобензойная) кислота. Бесцветное кристаллическое вещество, используется для синтеза красителей, например синего индиго, участвует в биосинтезе гетероциклических соединений.
4-Амино-2-гидроксибензойная (n-аминосалициловая) кислота ПАСК. Получается прямым карбоксплированием м-аминофенола. Бензольное кольцо за счет наличия двух сильных электроннодонорных групп очень активно в реакциях электрофильного замещения, поэтому ПАСК образуется в более мягких условиях, чем салициловая кислота. Используется в качестве противотуберкулезного средства.
Многие широко применяемые в народном хозяйстве полимерные вещества — полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, полипропилен и др. — получаются в результате реакции полимеризации непредельных углеводородов пли их производных типа СН2=СНХ. Не менее важную группу полимеров составляют высокомолекулярные вещества, образующиеся в результате реакции поликонденсации. С помощью поликонденсации получают полиэфирные и полиамидные высокомолекулярные соединения, из которых изготавливают синтетические волокна.
Полиэтилентерефталат, используемый для изготовления волокна; лавсан, получается в результате поликонденсации терефталевой кислоты и этиленгликоля. В качестве побочного низкомолекулярного соединения выделяется вода. Остатки кислоты и спирта в макромолекуле связаны сложноэфирными связями, чем обусловлено общее название полимера — полиэфир.
Полиамид нейлон-6,6 получается в результате поликонденсации адипиновой кислоты и гексаметилендиамина (гександиамин-1,6).
Полиамид капрон получается в результате полимеризации е-капролактама.
Капрон может быть получен поликонденсацией ε-аминокапроновой кислоты, поэтому он также относится к поликонденсационным полимерам. В макромолекулах нейлона-6,6 и капрона имеются амидные группировки, поэтому оба соединения относятся к полиамидам.
Полиэфирные и полиамидные волокна используются для производства тканей, трикотажа, канатов, рыбацких сетей и т. п. В медицине капроновые нити применяются в качестве шовного материала.
При поликонденсации силандиолов образуются кремнийорганические полимеры — полиорганосилоксаны (силиконы).
Полисилоксаны обладают такими ценными свойствами, как термостабильность, гидрофобность, химическая и биологическая инертность, благодаря чему используются в различных областях техники, находят применение в медицине и фармации, например в качестве мазевых основ. Синтез полиорганосилоксанов впервые был осуществлен советским химиком К. А Андриановым (1937).