Страница 368 - гдз по химии 10 класс учебник Еремин, Кузьменко

2. Напишите структурные формулы всех аминокислот состава $C_3H_7NO_2$ и назовите их.

Аминокислоты — это органические соединения, в молекуле которых одновременно содержатся карбоксильная группа ($-COOH$) и аминная группа ($-NH_2$). Для общей формулы $C_3H_7NO_2$ возможно существование нескольких структурных изомеров, которые являются аминокислотами. Они определяются строением углеродного скелета из трех атомов и взаимным положением функциональных групп.

α-Аланин (2-аминопропановая кислота)

В этом изомере аминогруппа находится у α-углеродного атома (второго атома углерода, считая от карбоксильной группы). Это одна из 20 протеиногенных аминокислот. Атом C-2 является хиральным центром, поэтому α-аланин существует в виде двух оптических изомеров (L- и D-форм).

Структурная формула:

β-Аланин (3-аминопропановая кислота)

В этом изомере аминогруппа находится у β-углеродного атома (третьего атома углерода). Молекула β-аланина не имеет хиральных центров (ахиральна).

Структурная формула:

Саркозин (N-метилглицин)

Этот изомер является производным простейшей аминокислоты глицина ($\ce{H2N-CH2-COOH}$), у которого один из атомов водорода в аминогруппе замещен на метильную группу ($\ce{-CH3}$).

Структурная формула:

Следует отметить, что существуют и другие структурные изомеры с формулой $C_3H_7NO_2$, например, сложные эфиры (метиловый эфир глицина $\ce{H2N-CH2-COOCH3}$) или нитросоединения (1-нитропропан $\ce{CH3CH2CH2NO2}$). Однако они не являются аминокислотами, так как не содержат одновременно карбоксильную и аминную группы.

Ответ:

Существует три аминокислоты состава $C_3H_7NO_2$. Их структурные формулы и названия:

1. α-Аланин (2-аминопропановая кислота): $\ce{CH3-CH(NH2)-COOH}$
2. β-Аланин (3-аминопропановая кислота): $\ce{H2N-CH2-CH2-COOH}$
3. Саркозин (N-метилглицин): $\ce{CH3-NH-CH2-COOH}$

3. Установите общую формулу гомологического ряда глицина. Сколько природных аминокислот принадлежит этому ряду?

Установите общую формулу гомологического ряда глицина.

Гомологический ряд — это ряд органических соединений с однотипной структурой, химические свойства которых сходны, а состав отличается на одну или несколько групп $-CH_2-$ (гомологическая разность).

Глицин (аминоуксусная кислота) является простейшей α-аминокислотой и первым представителем гомологического ряда насыщенных моноаминомонокарбоновых кислот. Его химическая формула — $NH_2-CH_2-COOH$, а молекулярная — $C_2H_5NO_2$.

Следующий член этого гомологического ряда — аланин, его формула $NH_2-CH(CH_3)-COOH$, а молекулярная — $C_3H_7NO_2$. Разница в составе между глицином и аланином составляет одну группу $CH_2$.

Проанализировав состав членов этого ряда, можно вывести общую формулу. Обозначим число атомов углерода в молекуле аминокислоты через $n$.

• Для глицина: $n=2$, формула $C_2H_5NO_2$. Число атомов водорода: $5 = 2 \times 2 + 1$.
• Для аланина: $n=3$, формула $C_3H_7NO_2$. Число атомов водорода: $7 = 2 \times 3 + 1$.
• Для следующего гомолога, α-аминомасляной кислоты: $n=4$, формула $C_4H_9NO_2$. Число атомов водорода: $9 = 2 \times 4 + 1$.

Таким образом, общая формула для гомологического ряда насыщенных моноаминомонокарбоновых кислот, первым представителем которого является глицин, имеет вид $C_nH_{2n+1}NO_2$, где $n \ge 2$. Эта формула описывает все насыщенные ациклические аминокислоты с одной аминогруппой и одной карбоксильной группой.

Ответ: Общая формула гомологического ряда глицина — $C_nH_{2n+1}NO_2$ (где $n \ge 2$).

Сколько природных аминокислот принадлежит этому ряду?

К данному гомологическому ряду, описываемому общей формулой $C_nH_{2n+1}NO_2$, относятся природные (протеиногенные) аминокислоты, радикал которых представляет собой атом водорода или насыщенный углеводородный остаток (алкильную группу). Проверим 20 стандартных протеиногенных аминокислот:

1.Глицин (Gly): $C_2H_5NO_2$. Соответствует формуле при $n=2$.
2. Аланин (Ala): $C_3H_7NO_2$. Соответствует формуле при $n=3$.
3. Валин (Val): $C_5H_{11}NO_2$. Соответствует формуле при $n=5$. (Радикал — разветвленный)
4. Лейцин (Leu): $C_6H_{13}NO_2$. Соответствует формуле при $n=6$. (Радикал — разветвленный)
5. Изолейцин (Ile): $C_6H_{13}NO_2$. Соответствует формуле при $n=6$. (Радикал — разветвленный)

Остальные 15 протеиногенных аминокислот содержат дополнительные функциональные группы (гидроксильные, сульфгидрильные, карбоксильные, амидные, основные аминогруппы), ароматические или гетероциклические кольца, поэтому их состав не соответствует выведенной общей формуле. Например, серин ($C_3H_7NO_3$) содержит гидроксильную группу, а аспарагиновая кислота ($C_4H_7NO_4$) — дополнительную карбоксильную группу.

Следовательно, 5 природных аминокислот принадлежат этому ряду.

Ответ: 5 природных аминокислот (глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин).

4. Напишите структурную формулу изомера аланина, не проявляющего кислотные свойства. С помощью какой реакции можно отличить это вещество от аланина?

Аланин — это α-аминокислота с молекулярной формулой $C_3H_7NO_2$. Его структурная формула: $CH_3-CH(NH_2)-COOH$. Кислотные свойства аланина обусловлены наличием в его молекуле карбоксильной группы ($-COOH$).

Напишите структурную формулу изомера аланина, не проявляющего кислотные свойства.

Изомер аланина, который не проявляет кислотных свойств, не должен содержать карбоксильную группу. Этому условию отвечает, например, нитросоединение — 1-нитропропан. Его молекулярная формула также $C_3H_7NO_2$, но вместо карбоксильной и аминогруппы он содержит одну нитрогруппу ($-NO_2$). Отсутствие карбоксильной группы означает отсутствие выраженных кислотных свойств.

Структурная формула 1-нитропропана:

$CH_3-CH_2-CH_2-NO_2$

Ответ: Структурная формула изомера аланина, не проявляющего кислотные свойства: $CH_3-CH_2-CH_2-NO_2$ (1-нитропропан).

С помощью какой реакции можно отличить это вещество от аланина?

Чтобы отличить аланин от его изомера (1-нитропропана), можно провести качественную реакцию на карбоксильную группу, которая и определяет кислотные свойства аланина. Карбоновые кислоты, будучи более сильными, чем угольная кислота, могут вытеснять ее из солей (карбонатов и гидрокарбонатов). Эта реакция сопровождается выделением углекислого газа.

При добавлении к водному раствору аланина раствора гидрокарбоната натрия ($NaHCO_3$) будет наблюдаться выделение пузырьков газа (вскипание):

$CH_3-CH(NH_2)-COOH + NaHCO_3 \rightarrow CH_3-CH(NH_2)-COONa + H_2O + CO_2\uparrow$

1-нитропропан не обладает кислотными свойствами, достаточными для реакции с гидрокарбонатом натрия, поэтому при добавлении $NaHCO_3$ к нему никаких видимых изменений не произойдет.

Ответ: Эти вещества можно отличить с помощью реакции с раствором гидрокарбоната натрия ($NaHCO_3$). Аланин вступит в реакцию с выделением углекислого газа, а 1-нитропропан — нет.

5. Объясните, почему низшие карбоновые кислоты при обычных условиях — жидкости, а аминокислоты — твёрдые вещества.

Решение

Различие в агрегатном состоянии низших карбоновых кислот и аминокислот при обычных условиях объясняется природой и силой межмолекулярных взаимодействий, которые, в свою очередь, определяются их строением.

Низшие карбоновые кислоты, имеющие общую формулу $R-COOH$, являются полярными молекулами. Их молекулы способны образовывать между собой прочные водородные связи за счет наличия карбоксильной группы $-COOH$. Две молекулы карбоновой кислоты могут образовывать устойчивые циклические димеры, в которых они связаны двумя водородными связями. Эти сильные межмолекулярные связи приводят к тому, что низшие карбоновые кислоты имеют значительно более высокие температуры кипения по сравнению с другими органическими соединениями сопоставимой молярной массы. Однако при обычных условиях (комнатной температуре) тепловой энергии достаточно, чтобы преодолеть силы, удерживающие молекулы в жесткой кристаллической решетке, но недостаточно для их полного разделения в газовую фазу. Поэтому низшие карбоновые кислоты, такие как муравьиная и уксусная, являются жидкостями.

Аминокислоты являются амфотерными органическими соединениями, поскольку в их молекуле одновременно содержатся кислотная карбоксильная группа ($-COOH$) и основная аминогруппа ($-NH_2$). Общая формула α-аминокислот: $R-CH(NH_2)COOH$. Благодаря наличию этих двух функциональных групп противоположного характера, в аминокислотах происходит внутримолекулярная реакция нейтрализации: протон от карбоксильной группы переходит к аминогруппе. В результате аминокислоты существуют преимущественно не в виде нейтральных молекул, а в виде внутренних солей, называемых биполярными ионами или цвиттер-ионами: $R-CH(NH_3^+)COO^-$.

Таким образом, в твердом состоянии частицы аминокислот представляют собой ионы, а не нейтральные молекулы. Между этими ионами возникают сильные электростатические (кулоновские) взаимодействия, аналогичные ионным связям в кристаллических решетках неорганических солей. Эти ионные связи значительно прочнее водородных связей, существующих между молекулами карбоновых кислот. Для разрушения такой прочной ионной кристаллической решетки требуется очень большое количество энергии. Поэтому все аминокислоты — это кристаллические вещества с очень высокими температурами плавления (часто они разлагаются, не достигнув температуры плавления), и при обычных условиях они являются твёрдыми веществами.

Ответ:
Низшие карбоновые кислоты являются жидкостями из-за наличия между их молекулами водородных связей, которые слабее, чем силы, необходимые для образования твердого кристаллического тела при обычных условиях. Аминокислоты являются твёрдыми веществами, так как они существуют в виде цвиттер-ионов (внутренних солей), между которыми действуют сильные электростатические (ионные) взаимодействия, формирующие прочную кристаллическую решетку.

6. Приведите примеры аминокислот, у которых преобладают:

а) кислотные;

б) основные свойства.

Аминокислоты являются амфотерными соединениями, так как в их молекуле одновременно содержатся кислотная карбоксильная группа ($–COOH$) и основная аминогруппа ($–NH_2$). Общие кислотно-основные свойства аминокислоты определяются строением её боковой цепи (радикала). Если в радикале содержатся дополнительные кислотные или основные группы, то у аминокислоты будут преобладать соответствующие свойства.

а) кислотные;

Кислотные свойства преобладают у тех аминокислот, у которых в боковой цепи (радикале) содержится дополнительная карбоксильная группа ($–COOH$). В молекуле такой аминокислоты общее число карбоксильных групп (две) больше числа аминогрупп (одна). В водном растворе такие аминокислоты создают кислую среду.

Примерами таких аминокислот являются:

• Аспарагиновая кислота (Asp, D). В её боковой цепи находится карбоксильная группа.
• Глутаминовая кислота (Glu, E). Также содержит дополнительную карбоксильную группу в боковой цепи, которая длиннее, чем у аспарагиновой кислоты.

Ответ: аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота.

б) основные свойства.

Основные свойства преобладают у аминокислот, содержащих в боковой цепи дополнительную аминогруппу ($–NH_2$) или другую группу атомов с выраженными основными свойствами (например, гуанидиновую группу или имидазольное кольцо). В молекулах таких аминокислот число основных групп превышает число кислотных. В водном растворе они создают щелочную среду.

Примерами таких аминокислот являются:

• Лизин (Lys, K). Содержит в боковой цепи дополнительную аминогруппу.
• Аргинин (Arg, R). Содержит в боковой цепи сильноосновную гуанидиновую группу.
• Гистидин (His, H). Содержит в боковой цепи имидазольное кольцо, которое проявляет основные свойства.

Ответ: лизин, аргинин, гистидин.

7. Какие частицы преобладают в растворе аланина при pH, равном:

а) 2;

б) 6;

в) 10?

Аланин ($CH_3-CH(NH_2)-COOH$) – это аминокислота, которая в водном растворе может существовать в трех основных формах в зависимости от кислотности (pH) среды. Это связано с наличием кислотной карбоксильной группы ($-COOH$) и основной аминогруппы ($-NH_2$).

Состояние этих групп характеризуется константами кислотности ($pKa$):

• Карбоксильная группа: $pKa_1 \approx 2.34$
• Аминогруппа (в протонированной форме $-NH_3^+$): $pKa_2 \approx 9.69$

Равновесия в растворе можно представить следующей схемой:

$ \underset{\text{Катион (pH < pKa}_1\text{)}}{H_3N^+-CH(CH_3)-COOH} \xrightleftharpoons[H^+]{pKa_1} \underset{\text{Цвиттер-ион (pKa}_1\text{ < pH < pKa}_2\text{)}}{H_3N^+-CH(CH_3)-COO^-} \xrightleftharpoons[H^+]{pKa_2} \underset{\text{Анион (pH > pKa}_2\text{)}}{H_2N-CH(CH_3)-COO^-} $

Изоэлектрическая точка (pI) — это значение pH, при котором преобладает цвиттер-ион (биполярный ион), а суммарный заряд молекулы равен нулю. Для аланина $pI = (pKa_1 + pKa_2) / 2 = (2.34 + 9.69) / 2 \approx 6.02$.

Рассмотрим каждый случай:

а) при pH = 2

Значение $pH = 2$ меньше, чем $pKa_1$ (2 < 2.34). В такой сильнокислой среде концентрация ионов $H^+$ высока. Это приводит к тому, что основная аминогруппа присоединяет протон, превращаясь в $-NH_3^+$, а кислотная карбоксильная группа также остается протонированной (недиссоциированной) в виде $-COOH$. Таким образом, молекула аланина имеет положительный заряд и существует преимущественно в катионной форме.

Ответ: Преобладает катионная форма аланина: $H_3N^+-CH(CH_3)-COOH$.

б) при pH = 6

Значение $pH = 6$ очень близко к изоэлектрической точке аланина ($pI \approx 6.02$). В этих условиях карбоксильная группа, у которой $pKa_1 = 2.34$, уже отдала свой протон (так как $6 > 2.34$) и превратилась в отрицательно заряженную группу $-COO^-$. В то же время аминогруппа, у которой $pKa_2 = 9.69$, еще не отдала свой протон (так как $6 < 9.69$) и остается в протонированной, положительно заряженной форме $-NH_3^+$. В результате молекула представляет собой биполярный ион (цвиттер-ион) с нулевым суммарным зарядом.

Ответ: Преобладает биполярный ион (цвиттер-ион): $H_3N^+-CH(CH_3)-COO^-$.

в) при pH = 10

Значение $pH = 10$ больше, чем $pKa_2$ (10 > 9.69). В такой сильнощелочной среде концентрация ионов $H^+$ низка. Это приводит к тому, что не только карбоксильная группа (так как $10 > 2.34$), но и протонированная аминогруппа отдает протон, превращаясь в нейтральную группу $-NH_2$. Молекула аланина приобретает отрицательный заряд и существует преимущественно в анионной форме.

Ответ: Преобладает анионная форма аланина: $H_2N-CH(CH_3)-COO^-$.

8. Установите формулу аминокислоты, 10,0 г которой могут про-реагировать с 18,0 г 25%-го раствора гидроксида натрия.

Дано:

$m(\text{аминокислоты}) = 10,0 \text{ г}$

$m(\text{раствора } NaOH) = 18,0 \text{ г}$

$\omega(NaOH) = 25\% = 0,25$

Найти:

Формулу аминокислоты.

Решение:

Аминокислоты являются амфотерными соединениями, содержащими как минимум одну аминогруппу ($-NH_2$) и одну карбоксильную группу ($-COOH$). Гидроксид натрия ($NaOH$) является сильным основанием и реагирует с кислотной карбоксильной группой аминокислоты.

Вычислим массу чистого гидроксида натрия в растворе:

$m(NaOH) = m(\text{раствора } NaOH) \cdot \omega(NaOH) = 18,0 \text{ г} \cdot 0,25 = 4,5 \text{ г}$

Рассчитаем количество вещества (число молей) гидроксида натрия. Молярная масса $NaOH$ составляет $M(NaOH) = 23 + 16 + 1 = 40 \text{ г/моль}$.

$n(NaOH) = \frac{m(NaOH)}{M(NaOH)} = \frac{4,5 \text{ г}}{40 \text{ г/моль}} = 0,1125 \text{ моль}$

Рассмотрим два возможных случая стехиометрии реакции в зависимости от строения аминокислоты.

Случай 1: Аминокислота содержит одну карбоксильную группу.

В этом случае реакция протекает в мольном соотношении 1:1. Общее уравнение реакции:

$H_2N-R-COOH + NaOH \rightarrow H_2N-R-COONa + H_2O$

Следовательно, количество вещества аминокислоты равно количеству вещества гидроксида натрия:

$n(\text{аминокислоты}) = n(NaOH) = 0,1125 \text{ моль}$

Теперь мы можем найти молярную массу аминокислоты:

$M(\text{аминокислоты}) = \frac{m(\text{аминокислоты})}{n(\text{аминокислоты})} = \frac{10,0 \text{ г}}{0,1125 \text{ моль}} \approx 89 \text{ г/моль}$

Эта молярная масса соответствует аминокислоте аланин ($CH_3-CH(NH_2)-COOH$), химическая формула которой $C_3H_7NO_2$. Проверим ее молярную массу:

$M(C_3H_7NO_2) = 3 \cdot 12 + 7 \cdot 1 + 14 + 2 \cdot 16 = 89 \text{ г/моль}$.

Это предположение верно, так как аланин является моноаминомонокарбоновой кислотой.

Случай 2: Аминокислота содержит две карбоксильные группы.

В этом случае реакция протекает в мольном соотношении 1:2. Общее уравнение реакции:

$HOOC-R'(NH_2)-COOH + 2NaOH \rightarrow NaOOC-R'(NH_2)-COONa + 2H_2O$

Количество вещества аминокислоты будет в два раза меньше:

$n(\text{аминокислоты}) = \frac{n(NaOH)}{2} = \frac{0,1125 \text{ моль}}{2} = 0,05625 \text{ моль}$

Молярная масса аминокислоты в этом случае была бы:

$M(\text{аминокислоты}) = \frac{10,0 \text{ г}}{0,05625 \text{ моль}} \approx 178 \text{ г/моль}$

Такая молярная масса не соответствует известным дикарбоновым аминокислотам (например, аспарагиновая кислота, $M=133$ г/моль; глутаминовая кислота, $M=147$ г/моль).

Следовательно, верным является первый случай, и искомая аминокислота — аланин.

Ответ:

Формула аминокислоты — $CH_3-CH(NH_2)-COOH$ (аланин).

9. Напишите уравнения реакций (с указанием структурных формул веществ), соответствующие схеме:

$C_2H_6NO_2Cl \leftarrow C_2H_5NO_2 \rightarrow C_3H_7NO_2$

Решение

В центре представленной схемы находится вещество с молекулярной формулой $C_2H_5NO_2$. Эта формула может соответствовать нескольким классам соединений, например, нитроэтану ($CH_3-CH_2-NO_2$) или аминоуксусной кислоте (глицину, $H_2N-CH_2-COOH$).

Характер реакций, в которые вступает это вещество, позволяет однозначно определить его структуру. Это аминоуксусная кислота (глицин), так как она обладает амфотерными свойствами и способна реагировать как с кислотами (по аминогруппе), так и со спиртами (по карбоксильной группе).

1. Превращение $C_2H_5NO_2 \rightarrow C_2H_6NO_2Cl$

Данное превращение представляет собой реакцию глицина с сильной кислотой, такой как соляная кислота ($HCl$). Аминогруппа ($-NH_2$) в молекуле глицина проявляет основные свойства и присоединяет протон водорода из кислоты. В результате образуется соль — хлорид глициния. Состав полученного продукта $C_2H_6NO_2Cl$ соответствует сумме атомов в $C_2H_5NO_2$ и $HCl$.

Уравнение реакции с использованием структурных формул:

$$ \underset{\text{глицин}}{H_2N-CH_2-COOH} + HCl \rightarrow \underset{\text{хлорид глициния}}{[H_3N^+-CH_2-COOH]Cl^-} $$

2. Превращение $C_2H_5NO_2 \rightarrow C_3H_7NO_2$

Это превращение является реакцией этерификации. Карбоксильная группа ($-COOH$) глицина реагирует с метиловым спиртом ($CH_3OH$) в присутствии кислотного катализатора. В результате образуется сложный эфир — метиловый эфир аминоуксусной кислоты (также известный как метиламиноацетат) и вода. Брутто-формула полученного эфира ($C_3H_7NO_2$) совпадает с указанной в схеме.

Уравнение реакции с использованием структурных формул:

$$ \underset{\text{глицин}}{H_2N-CH_2-COOH} + \underset{\text{метанол}}{CH_3OH} \rightleftharpoons \underset{\text{метиламиноацетат}}{H_2N-CH_2-COOCH_3} + H_2O $$

Ответ:

Уравнения реакций, соответствующие схеме превращений:

1) $ H_2N-CH_2-COOH + HCl \rightarrow [H_3N^+-CH_2-COOH]Cl^- $

2) $ H_2N-CH_2-COOH + CH_3OH \rightleftharpoons H_2N-CH_2-COOCH_3 + H_2O $

10. Напишите уравнения реакций, соответствующие схеме:

$ \text{пропанол-1} \rightarrow \text{X} \rightarrow \text{Y} \rightarrow \text{аланин}. $

Определите неизвестные вещества X и Y.

Решение:

Для осуществления данной цепи превращений необходимо последовательно провести три химические реакции. Проанализируем каждый этап, чтобы определить неизвестные вещества X и Y и составить уравнения реакций.

1. На первой стадии пропанол-1 ($CH_3CH_2CH_2OH$), являющийся первичным спиртом, превращается в вещество X. Так как конечным продуктом всей цепочки является аминокислота аланин ($CH_3CH(NH_2)COOH$), которая содержит карбоксильную группу, логично предположить, что на первом этапе происходит окисление спирта до карбоновой кислоты с сохранением углеродного скелета. Следовательно, вещество X — это пропановая кислота ($CH_3CH_2COOH$). Реакцию проводят с помощью сильного окислителя, например, перманганата калия в кислой среде.

Уравнение первой реакции:

$5CH_3CH_2CH_2OH + 4KMnO_4 + 6H_2SO_4 \rightarrow 5CH_3CH_2COOH + 4MnSO_4 + 2K_2SO_4 + 11H_2O$

2. На второй стадии пропановая кислота (X) превращается в вещество Y. Для последующего синтеза аланина (2-аминопропановой кислоты) необходимо ввести функциональную группу в $\alpha$-положение (к атому углерода, соседнему с карбоксильной группой), которую затем можно будет заменить на аминогруппу. Для этого используется реакция галогенирования карбоновых кислот в $\alpha$-положение (реакция Геля–Фольгарда–Зелинского). В качестве галогенирующего агента используют бром в присутствии красного фосфора. Таким образом, вещество Y — это 2-бромпропановая кислота ($CH_3CH(Br)COOH$).

Уравнение второй реакции:

$CH_3CH_2COOH + Br_2 \xrightarrow{P_{красный}} CH_3CH(Br)COOH + HBr$

3. На третьей стадии из 2-бромпропановой кислоты (Y) получают аланин. Это достигается путем реакции с избытком аммиака, в ходе которой атом брома в $\alpha$-положении замещается на аминогруппу ($-NH_2$).

Уравнение третьей реакции:

$CH_3CH(Br)COOH + 2NH_3 \rightarrow CH_3CH(NH_2)COOH + NH_4Br$

Ответ:

Уравнения реакций:

1) $5CH_3CH_2CH_2OH + 4KMnO_4 + 6H_2SO_4 \rightarrow 5CH_3CH_2COOH + 4MnSO_4 + 2K_2SO_4 + 11H_2O$

2) $CH_3CH_2COOH + Br_2 \xrightarrow{P} CH_3CH(Br)COOH + HBr$

3) $CH_3CH(Br)COOH + 2NH_3 \rightarrow CH_3CH(NH_2)COOH + NH_4Br$

Неизвестные вещества: X — пропановая кислота, Y — 2-бромпропановая кислота.

11. Какое вещество образуется при декарбоксилировании глутаминовой кислоты?

Какое вещество образуется при декарбоксилировании глутаминовой кислоты?

Решение

Декарбоксилирование — это химическая реакция, в результате которой происходит отщепление карбоксильной группы ($ -COOH $) от молекулы органического соединения в виде диоксида углерода ($ CO_2 $). В случае α-аминокислот, как правило, декарбоксилируется карбоксильная группа, связанная с α-атомом углерода.

Глутаминовая кислота (или 2-аминопентандиовая кислота) — это алифатическая аминокислота с двумя карбоксильными группами. Её химическая формула:

$ HOOC-CH(NH_2)-CH_2-CH_2-COOH $

В живых организмах декарбоксилирование глутаминовой кислоты катализируется ферментом глутаматдекарбоксилазой. В ходе этой реакции отщепляется α-карбоксильная группа (та, что связана с тем же атомом углерода, что и аминогруппа).

Уравнение реакции можно записать следующим образом:

$ \underset{\text{Глутаминовая кислота}}{HOOC-CH(NH_2)-CH_2-CH_2-COOH} \xrightarrow{\text{-CO}_2} \underset{\text{γ-Аминомасляная кислота (ГАМК)}}{H_2N-CH_2-CH_2-CH_2-COOH} $

В результате реакции образуется γ-аминомасляная кислота (гамма-аминомасляная кислота, сокращенно ГАМК). Систематическое название этого соединения — 4-аминобутановая кислота. ГАМК играет роль важнейшего тормозного нейромедиатора в центральной нервной системе.

Ответ: При декарбоксилировании глутаминовой кислоты образуется γ-аминомасляная кислота (ГАМК).

12. Как из аланина получить молочную кислоту?

Чтобы получить молочную кислоту из аланина, необходимо провести реакцию дезаминирования. Эта реакция заключается в замене аминогруппы ($–NH_2$) в молекуле аминокислоты на гидроксогруппу ($–OH$).

Аланин (α-аминопропионовая кислота) имеет формулу $CH_3-CH(NH_2)-COOH$.

Молочная кислота (α-гидроксипропионовая кислота) имеет формулу $CH_3-CH(OH)-COOH$.

Решение

Превращение аланина в молочную кислоту осуществляют путем его взаимодействия с азотистой кислотой ($HNO_2$). Азотистая кислота — это неустойчивое соединение, поэтому ее получают непосредственно в реакционной смеси (in situ) при действии сильной минеральной кислоты (например, соляной $HCl$ или серной $H_2SO_4$) на нитрит натрия ($NaNO_2$) или калия ($KNO_2$).

Сначала происходит образование азотистой кислоты:
$NaNO_2 + HCl \rightarrow HNO_2 + NaCl$

Затем образовавшаяся азотистая кислота реагирует с аланином. В ходе реакции аминогруппа замещается на гидроксильную группу, с образованием молочной кислоты. Также в качестве побочных продуктов выделяются газообразный азот ($N_2$) и вода ($H_2O$).

Уравнение основной реакции:
$CH_3-CH(NH_2)-COOH + HNO_2 \rightarrow CH_3-CH(OH)-COOH + N_2 \uparrow + H_2O$

Таким образом, для синтеза молочной кислоты из аланина необходимо провести реакцию аланина с раствором нитрита натрия в кислой среде.

Ответ: Молочную кислоту из аланина получают действием азотистой кислоты ($HNO_2$), образующейся в реакционной смеси из нитрита натрия и сильной кислоты. В результате реакции дезаминирования аминогруппа аланина замещается на гидроксильную группу.

13. Как отличить раствор глицина от раствора уксусной кислоты? Укажите признак реакции.

Для того чтобы отличить водный раствор глицина от водного раствора уксусной кислоты, можно использовать качественную реакцию на α-аминокислоты с гидроксидом меди(II). Глицин ($NH_2CH_2COOH$) является α-аминокислотой, а уксусная кислота ($CH_3COOH$) — карбоновой кислотой. Их взаимодействие с одним и тем же реагентом будет приводить к разным наблюдаемым эффектам.

Решение

В две пробирки, содержащие растворы глицина и уксусной кислоты, необходимо добавить свежеосажденный гидроксид меди(II) ($Cu(OH)_2$), который представляет собой осадок синего цвета.

1.Взаимодействие с глицином: При добавлении $Cu(OH)_2$ к раствору глицина происходит растворение синего осадка и образование раствора ярко-синего (интенсивного сине-фиолетового) цвета. Это обусловлено образованием внутренней комплексной соли — глицината меди(II), где ион меди(II) связан как с карбоксильной, так и с аминогруппой, образуя устойчивый хелатный комплекс.
Уравнение реакции:
$2NH_2CH_2COOH + Cu(OH)_2 \rightarrow [Cu(NH_2CH_2COO)_2] + 2H_2O$

2.Взаимодействие с уксусной кислотой: Уксусная кислота, как и любая другая кислота, реагирует с основанием $Cu(OH)_2$. В результате реакции осадок гидроксида меди(II) также растворяется, но образуется раствор ацетата меди(II) ($ (CH_3COO)_2Cu $), который имеет светло-голубую или просто голубую окраску, значительно менее интенсивную по сравнению с цветом раствора глицината меди.
Уравнение реакции:
$2CH_3COOH + Cu(OH)_2 \rightarrow (CH_3COO)_2Cu + 2H_2O$

Таким образом, по разнице в цвете образующихся растворов можно однозначно различить эти два вещества.

Признак реакции: Образование раствора ярко-синего цвета в случае с глицином и раствора голубого цвета в случае с уксусной кислотой.

Ответ: Чтобы отличить раствор глицина от раствора уксусной кислоты, нужно в оба раствора добавить свежеосажденный гидроксид меди(II). С глицином образуется раствор ярко-синего цвета (глицинат меди), а с уксусной кислотой — раствор голубого цвета (ацетат меди).

14. Почему кожа желтеет при попадании на неё азотной кислоты?

Решение

Пожелтение кожи при контакте с азотной кислотой ($HNO_3$) объясняется химическим процессом, который называется ксантопротеиновой реакцией. Эта реакция является качественным тестом на наличие белков, содержащих в своей структуре ароматические кольца.

Кожа человека богата белками, в частности кератином. В состав этих белков входят аминокислоты с ароматическими группами (бензольными кольцами), в первую очередь тирозин и триптофан. Концентрированная азотная кислота, будучи сильным нитрующим агентом, вступает во взаимодействие с этими аминокислотами.

Происходит реакция нитрования, в ходе которой к бензольным кольцам аминокислотных остатков присоединяется нитрогруппа ($-NO_2$). Образующиеся в результате этого нитропроизводные аминокислот (например, нитротирозин) имеют интенсивную жёлтую окраску. Именно эти новообразованные соединения и придают коже жёлтый цвет в месте контакта с кислотой.

Так как реакция происходит с белками самой кожи, жёлтое пятно нельзя смыть. Оно исчезает естественным путем вместе с отмершими и отшелушившимися клетками верхнего слоя эпидермиса, что занимает несколько дней.

Ответ: Кожа желтеет из-за ксантопротеиновой реакции — химического взаимодействия азотной кислоты с белками кожи, содержащими ароматические аминокислоты (тирозин, триптофан). В результате этой реакции образуются нитросоединения жёлтого цвета, которые и окрашивают пораженный участок.