ЗАНЯТИЕ №3

Методические указания для студентов

по теме «Кислотно-основные свойства биоорганических соединений: спиртов, тиолов, аминов, карбоновых кислот»

Цель занятия: Изучить закономерности проявления кислотности и основности как важнейших свойств, определяющих реакционную способность биологически активных соединений.

Значение изучения темы: Важным аспектом реакционной способности биологически активных органически соединений являются их кислотные и основные свойства, обуславливающие существование в ионном состоянии большинства органических биомолекул в условиях организма. Перенос протона происходит в ходе многих биохимических реакций. Образование водородных связей обеспечивает стабилизацию структуры ДНК, определяет вторичную структуру белка. Большую роль в биохимических процессах играет кислотный или основной катализ, осуществляемый с участием соответствующих ионогенных групп ферментов.

I. Теоретические вопросы

1. Кислоты и основания как сопряженные кислотно-основные пары согласно протеолитической теории Бренстеда.

2. Константы кислотности и основности как мера кислотно-основных свойств органических соединений.

3. Влияние размера атома, делокализации заряда, электроотрицательности атома, поляризуемости аниона на кислотно-основные свойства органических соединений.

4. Влияние природы заместителей на кислотно-основные свойства соединений.

5. Типы взаимодействий между кислотными и основными центрами биологически активных молекул.

6. Реакции, доказывающие наличие кислотных и основных свойств у органических соединений.

7. Амфолиты.

8. Понятие о водородной связи. Типы водородных связей. Роль водородной связи в формировании пространственной организации белков и нуклеиновых кислот.

II. Обучающие упражнения

Задание 1. На основе приведенных в таблице показателей кислотности, рассчитать константы и расположить указанные органические соединения в ряд по увеличению кислотности. Ответ обосновать с позиций электронного строения.

	FCH2COOH (фторуксусная к-та)	CH3COOH (уксусная к-та)	CH3OH (метанол)	H2O	C2H5OH (этанол)
Водный раствор, pKa	2,59	4,76	15,49	15,74	15,90

Решение: К_а – константа кислотности. Для количественной характеристики кислотных свойств используется величина pK_a = - lg K_a.

Чем меньше рК_а, тем больше кислотность по Бренстеду.

Рассчитаем константы кислотности:

FCH₂COOH (фторуксусная кислота): ;

CH₃COOH (уксусная кислота): ;

CH₃OH (метанол): ;

H₂O: ;

C₂H₅OH (этанол): .

На основании данных таблицы и рассчитанных значений констант ряд по увеличению кислотности будет выглядеть так:

C₂H₅OH  H₂O  CH₃OH  CH₃COOH  FCH₂COOH;

С позиций электронного строения ряд можно обосновать таким образом: кислотные свойства представленных соединений обусловлена наличием ОН-групп, кислотность которых определяется влиянием непосредственно связанных с ними фрагментов молекулы: карбонильной крупы (фторуксусная и уксусная кислоты) и алкильного радикала (метанол и этанол). Для качественно оценки кислотности этих центров сравним стабильность соответствующих им анионов: карбоксилат-аниона – СОО^– и алкоксид-аниона – RO^–. В карбоксилат-анионе отрицательный заряд в результате р-сопряжения равномерно распределён между двумя атомами кислорода, что обуславливает высокую стабильность аниона:

В алкоксид-анионе R→O^– сопряжение отсутствует, следовательно, его стабильность мала.

Более сильные кислотные свойства фторуксусной кислоты, по сравнению с уксусной, объясняются присутствием атома фтора, проявляющего –I-эффект. Длина углеводородного радикала, проявляющего +I-эффект, также сказывается на силе кислотных центров, в примере: метанол более сильная кислота, чем этанол.

Задание 2. Сравните основность следующих соединений: 2-аминоэтанол и этиламин, анилин. Для более сильного основания напишите реакцию образования соли.

Решение:

HO ← СH₂ – СН₂ → NH₂ 2-аминоэтанол CH₃ – CH₂ → NH₂ этиламин

анилин

Центрами, обуславливающими основными свойствами – основными центрами – в 2-аминоэтаноле являются атомы кислорода и азота, а в этиламине и анилине – атомы азота. Электроотрицательность атома азота ниже, чем у кислорода, поэтому основные свойства у этого центра выше. Влияние природы радикала: в анилине и 2-аминоэтаноле имеются электроноакцепторные заместители: бензольное кольцо и гидрокси-группа соответсвенно, которые снижают основные свойства соединений. Кроме того, в анилине пара электронов атома азота вступает в р-сопряжение с р-электронами бензольного кольца, что дополнительно снижает основность этого соединения. Таким образом, ряд пол уменьшению основных свойств представленных выше соединений будет выглядеть следующим образом: этиламин  2-аминоэтанол  анилин.

Реакция образования соли:

CH₃ – CH₂ → NH₂ + HCl ↔ CH₃ – CH₂ → NH₃⁺ Cl^–.

Задание 3. Укажите центры основности в молекуле новокаина — сложного эфира n-аминобензойной кислоты и диэтиламиноэтанола, который применяется в хирургической практике для местной анестезии. Напишите реакцию образования соли новокаина с хлороводородной кислотой.

Решение:

В новокаине два наиболее выраженных основных центра: 1) атом азота, связанный с бензольным ядром, 2)атом азота, связанный с алифатическими радикалами. Электронодонорные заместители повышают основные свойства, так как увеличивают электронную плотность на атоме основного центра, а электроноакцепторные заместители понижают электронную плотность и выраженность основных свойств. Неподеленная пара электронов атома азота (1) вступает в р,-сопряжение с -системой ароматического кольца, что приводит к уменьшению основных свойств. Алкильные радикалы, являясь электронодонорами, увеличивают электронную плотность на атоме азота (2) второго основного центра и его основные свойства. Следовательно, протон от кислоты присоединяется ко второму центру.

Задание 4. Сравнить кислотные свойства спиртов и тиолов. Объяснить различия с позиций электронного строения атомов, образующих кислотный центр. Привести схемы реакций, доказывающих кислотные свойства указанных соединений.

Решение: Качественной характеристикой кислотных свойств может служить стабильность образующегося аниона. Сила кислоты определяется стабильностью аниона, образующегося из этой кислоты: чем стабильнее анион, тем сильнее кислота. В пределах группы таблицы элементов Менделеева стабильность анионов возрастает с увеличением атомного номера элемента, так как увеличивается объем электронных орбиталей, и создается лучшая возможность для делокализации отрицательного заряда. Поэтому SH-кислоты (тиолы) являются более сильными кислотами, чем ОН-кислоты.

Тиолы, как более сильные кислоты, в отличие от спиртов, реагируют не только со щелочными металлами, но и со щелочами, а также оксидами и солями тяжелых металлов (ртуть, свинец, мышьяк, хром, висмут и др.):

Задание 5. Возможно ли образование водородных связей в спиртах. Ответ пояснить. Влияет ли образование водородных связей на свойства соединений?

Решение: Водородная связь – это взаимодействие между двумя электроотрицательными атомами одной или разных молекул посредством атома водорода: А−Н ... В (чертой обозначена ковалентная связь, тремя точками – водородная связь). Связь обусловлена электростатическим притяжением атома водорода (несущим положительный заряд δ+) к атому электроотрицательного элемента, имеющего отрицательный заряд δ−.

В спиртах в одной и той же молекуле одновременно присутствуют слабые кислотные (-ОН) и основные центры (), что приводит к образованию межмолекулярных водородных связей по схеме:

Энергия водородной связи небольшая, примерно 10-30 кДж моль, но обычно их образуется много и действует кооперативный эффект. Образование водородных связей в спиртах приводит к повышению температуры кипения по сравнению с углеводородами.

Задание 6. Проанализировать кислотные и основные свойства аминокислот на примере глицина. Ответ обосновать с помощью схем реакций, доказывающих амфотерные свойства аминокислот. Что такое изоэлектрическая точка?

Решение: Аминокислоты проявляют свойства оснований за счет аминогруппы и свойства кислот за счет карбоксильной группы, т.е. являются амфотерными соединениями. Подобно аминам, они реагируют с кислотами с образованием солей аммония:

H₂N–CH₂–COOH + HCl → Cl ^– [H₃N–CH₂–COOH]⁺

Как карбоновые кислоты они образуют соли с основаниями:

H₂N–CH₂–COOH + NaOH → H₂N–CH₂–COO Na + H₂O

а так же другие функциональные производные: сложные эфиры и амиды.

Кроме того, возможно взаимодействие амино- и карбоксильной групп как внутри одной молекулы (внутримолекулярная реакция), так и принадлежащих разным молекулам (межмолекулярная реакция).

NH₂ – CH₂COOH N⁺H₃ – CH₂COO^–

Благодаря амфотерности растворы аминокислот в воде обладают свойствами буферных растворов.

Изоэлектрической точкой (pI) аминокислоты называют значение pH, при котором максимальная доля молекул аминокислоты обладает нулевым зарядом (биполярный ион, цвиттер-ион, бетаиновая структура).

При таком pH аминокислота наименее подвижна в электрическом поле, и данное свойство можно использовать для разделения аминокислот, а также белков и пептидов.