Страница 179 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

5.116. Пора-аминосалициловая (4-амино-2-гидроксибензойная) кислота используется в медицине в качестве противотуберкулезного средства. Приведите структурную формулу этой кислоты и напишите уравнения двух реакций с её участием.

Пара-аминосалициловая кислота (4-амино-2-гидроксибензойная кислота) — это органическое соединение, используемое в медицине. Его молекула содержит три функциональные группы, определяющие химические свойства: карбоксильную, гидроксильную (фенольную) и аминогруппу.

Структурная формула 4-амино-2-гидроксибензойной кислоты представляет собой бензольное кольцо, в котором атом углерода в положении 1 (по нумерации ИЮПАК) связан с карбоксильной группой $(–COOH)$, атом в положении 2 – с гидроксильной группой $(–OH)$, а атом в положении 4 – с аминогруппой $(–NH_2)$.

Ответ: Структурная формула 4-амино-2-гидроксибензойной кислоты — это бензольное кольцо, содержащее в положениях 1, 2 и 4 соответственно карбоксильную группу $(–COOH)$, гидроксильную группу $(–OH)$ и аминогруппу $(–NH_2)$.

Будучи амфотерным соединением, пара-аминосалициловая кислота может вступать в реакции, характерные для каждой из её функциональных групп. Ниже приведены два примера.

1. Реакция с избытком щелочи

При взаимодействии с сильным основанием, таким как гидроксид натрия $(NaOH)$, происходит нейтрализация обеих кислотных групп: карбоксильной (более сильной) и фенольной. В результате образуется динатриевая соль и вода.

$\ce{HO-C6H3(NH2)-COOH + 2NaOH -> NaO-C6H3(NH2)-COONa + 2H2O}$

2. Реакция с кислотой

Основная аминогруппа реагирует с сильной кислотой, например, соляной $(HCl)$. Происходит протонирование атома азота аминогруппы с образованием соли — гидрохлорида 4-амино-2-гидроксибензойной кислоты.

$\ce{HO-C6H3(NH2)-COOH + HCl -> [HO-C6H3(NH3+)-COOH]Cl-}$

Ответ:
1. Реакция с избытком щелочи: $\ce{HO-C6H3(NH2)-COOH + 2NaOH -> NaO-C6H3(NH2)-COONa + 2H2O}$
2. Реакция с кислотой: $\ce{HO-C6H3(NH2)-COOH + HCl -> [HO-C6H3(NH3+)-COOH]Cl-}$

5.117. Назовите основные уровни организации белка. Какой уровень организации доступен не для всех белков?

Белки представляют собой сложные биомолекулы, функциональность которых напрямую зависит от их трехмерной пространственной структуры. Существует четыре иерархических уровня организации белковой молекулы.

Первичная структура — это уникальная линейная последовательность аминокислот, соединенных пептидными связями в полипептидную цепь. Порядок аминокислот в цепи определяется генетической информацией (последовательностью нуклеотидов в гене) и является фундаментом для формирования всех последующих уровней структуры.

Вторичная структура — это локальное сворачивание полипептидной цепи в упорядоченные фрагменты. Наиболее распространенными типами вторичной структуры являются $\alpha$-спираль и $\beta$-складчатый лист. Эти структуры образуются и поддерживаются за счет водородных связей между атомами кислорода карбонильных групп и атомами водорода аминогрупп пептидного остова.

Третичная структура — это общая трехмерная укладка (конформация) одной полипептидной цепи в пространстве. Она формируется в результате взаимодействий между боковыми радикалами (R-группами) аминокислот. Эти взаимодействия включают гидрофобные взаимодействия, водородные связи, ионные связи (солевые мостики) и ковалентные дисульфидные мостики между остатками цистеина. Третичная структура определяет биологическую активность белка.

Четвертичная структура — это способ объединения и взаимного расположения нескольких полипептидных цепей (называемых субъединицами) в единый белковый комплекс. Этот уровень организации характерен не для всех белков. Он возникает только у олигомерных белков, состоящих из двух и более субъединиц. Субъединицы в комплексе удерживаются в основном за счет нековалентных взаимодействий (гидрофобных, водородных, ионных).

Таким образом, уровень организации, который доступен не для всех белков, — это четвертичная структура. Белки, состоящие всего из одной полипептидной цепи (например, фермент лизоцим или белок миоглобин), имеют высший уровень организации — третичный. Примером белка со сложной четвертичной структурой является гемоглобин, который состоит из четырех полипептидных цепей.

Ответ: Основные уровни организации белка: первичный, вторичный, третичный и четвертичный. Четвертичный уровень организации доступен не для всех белков, а только для тех, которые состоят из двух или более полипептидных цепей (субъединиц).

5.118. Что такое денатурация белка? Какие факторы могут приводить к денатурации?

Что такое денатурация белка?

Денатурация белка — это процесс нарушения нативной (природной) пространственной структуры белковой молекулы под воздействием различных внешних факторов. В ходе этого процесса происходит разрыв слабых связей, которые стабилизируют вторичную, третичную и четвертичную структуры белка. К таким связям относятся водородные, ионные, гидрофобные взаимодействия, а в некоторых случаях и дисульфидные мостики. Важно отметить, что первичная структура белка, то есть последовательность аминокислот, соединенных прочными пептидными связями, при денатурации обычно не затрагивается.

В результате утраты своей уникальной трехмерной конформации белок теряет биологическую активность. Например, ферменты перестают катализировать реакции, а транспортные белки — переносить вещества. Денатурация может быть обратимой (если воздействие было слабым и кратковременным, белок может самопроизвольно восстановить свою структуру — этот процесс называется ренатурацией) или необратимой (при сильном или длительном воздействии, приводящем к агрегации белковых молекул).

Ответ: Денатурация белка — это утрата его природной трехмерной структуры (вторичной, третичной и четвертичной) под действием внешних факторов, что приводит к потере биологической активности, при этом первичная структура белка (последовательность аминокислот) сохраняется.

Какие факторы могут приводить к денатурации?

Существует множество факторов физической и химической природы, способных вызывать денатурацию белков. Их действие направлено на разрушение слабых связей, поддерживающих сложную пространственную организацию белковой молекулы.

Основные группы факторов:

• Физические факторы:
  • Высокая температура: При нагревании увеличивается кинетическая энергия молекул, что приводит к разрыву слабых связей. Яркий пример — сворачивание куриного белка при приготовлении яичницы.
  • Ионизирующее излучение: Ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение обладают достаточной энергией для разрыва связей в молекуле белка.
  • Механическое воздействие: Интенсивное встряхивание, растирание или воздействие ультразвуком могут механически разрушить пространственную структуру белка.
  • Высокое давление: Экстремальные значения давления также могут нарушать конформацию белка.
• Химические факторы:
  • Крайние значения pH: Действие сильных кислот и щелочей приводит к изменению степени ионизации аминокислотных остатков, что нарушает ионные и водородные связи.
  • Соли тяжелых металлов: Ионы таких металлов, как свинец (Pb), ртуть (Hg), медь (Cu), образуют прочные связи с сульфгидрильными группами (-SH) аминокислоты цистеина и карбоксильными группами, разрушая структуру белка.
  • Органические растворители: Вещества, такие как этанол, ацетон, разрушают гидрофобные взаимодействия, которые играют ключевую роль в формировании третичной структуры белка в водной среде.
  • Детергенты (ПАВ): Молекулы моющих средств, подобно органическим растворителям, встраиваются в белковую глобулу и нарушают гидрофобные взаимодействия.
  • Концентрированные растворы некоторых реагентов: Например, мочевина или гуанидинхлорид эффективно разрушают водородные связи.

Ответ: Основными факторами, приводящими к денатурации, являются: физические — высокая температура, ионизирующее излучение, механическое воздействие, высокое давление; химические — крайние значения pH (кислоты, щелочи), соли тяжелых металлов, органические растворители и детергенты.

5.119. Может ли диета человека состоять исключительно из белков? Почему?

Нет, диета человека не может состоять исключительно из белков. Для нормального функционирования и поддержания здоровья организму требуется сбалансированное поступление всех трех макронутриентов — белков, жиров и углеводов, а также микронутриентов (витаминов и минералов) и клетчатки. Диета, основанная только на белках, опасна для здоровья по нескольким ключевым причинам.

1. Энергетический дефицит. Углеводы являются основным и наиболее предпочтительным источником энергии для тела, особенно для мозга и мышц во время интенсивной работы. Хотя организм может преобразовывать белки в глюкозу (этот процесс называется глюконеогенез), он является метаболически сложным и неэффективным. Полагаться только на белок для получения энергии приведет к постоянной усталости, слабости и снижению умственной и физической работоспособности.

2. Отсутствие незаменимых питательных веществ. Исключительно белковая диета приведет к дефициту жизненно важных компонентов:

• Незаменимые жирные кислоты и жирорастворимые витамины. Жиры необходимы для синтеза гормонов, построения клеточных мембран и усвоения жирорастворимых витаминов (A, D, E, K). Их отсутствие приведет к нарушению работы нервной, эндокринной и иммунной систем.

• Клетчатка. Белковые продукты животного происхождения (мясо, рыба, яйца) практически не содержат клетчатки. Клетчатка необходима для нормального пищеварения, поддержания здоровой микрофлоры кишечника и профилактики запоров и более серьезных заболеваний, включая рак толстой кишки.

• Витамины и минералы. Многие важные витамины (например, витамин С, фолиевая кислота) и минералы (калий, магний) содержатся преимущественно в растительной пище (овощах, фруктах, злаках), которая будет отсутствовать в рационе.

3. Высокая токсическая нагрузка на внутренние органы. Переработка большого количества белка создает чрезмерную нагрузку на печень и почки. При распаде аминокислот образуется токсичный аммиак, который печень преобразует в менее вредную мочевину. Почки, в свою очередь, вынуждены работать в усиленном режиме, чтобы отфильтровать и вывести избыток мочевины из крови. Длительное следование такой диете может привести к обезвоживанию, накоплению токсинов и развитию почечной недостаточности. Это состояние известно как «белковое отравление» или «кроличье голодание» и может быть смертельно опасным.

Ответ: Нет, диета человека не может состоять исключительно из белков. Такой рацион приведет к серьезному дефициту энергии, незаменимых жиров, клетчатки, витаминов и минералов, а также создаст чрезмерную и опасную нагрузку на почки и печень, что в конечном итоге вызовет тяжелые нарушения в работе организма.

5.120. Где заложена информация о первичной структуре белка? В каком органоиде клетки происходит сборка белка из аминокислотных остатков?

Информация о первичной структуре белка, то есть о последовательности аминокислот в его полипептидной цепи, заложена в молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Участок молекулы ДНК, который несет информацию о структуре одного конкретного белка, называется геном. Последовательность нуклеотидов в этом гене в соответствии с правилами генетического кода определяет точную последовательность аминокислот, из которых будет состоять белок. У эукариотических организмов ДНК преимущественно находится в ядре клетки.

Процесс синтеза (сборки) белка из отдельных аминокислотных остатков называется трансляцией. Этот процесс происходит на специальных клеточных органоидах — рибосомах. Рибосомы считывают генетическую информацию с молекулы информационной РНК (иРНК), которая, в свою очередь, является копией соответствующего гена. Двигаясь вдоль иРНК, рибосома связывает аминокислоты в полипептидную цепь в строгом порядке, заданном последовательностью кодонов в иРНК.

Ответ: информация о первичной структуре белка заложена в гене, который является участком молекулы ДНК; сборка белка из аминокислотных остатков происходит на рибосомах.

5.121. Какие функции могут выполнять белки в живом организме? Приведите примеры соответствующих белков.

Решение

Белки выполняют в живых организмах множество разнообразных и жизненно важных функций, которые определяются их уникальной трехмерной структурой. Основные из них:

Белки служат основным строительным материалом для клеток и тканей организма. Они формируют цитоскелет, входят в состав клеточных мембран и межклеточного вещества, обеспечивая прочность и опору.

Ответ: Коллаген (основа соединительной ткани: костей, хрящей, сухожилий), кератин (входит в состав волос, ногтей, перьев, рогов), эластин (обеспечивает эластичность стенок сосудов и кожи).

Белки-ферменты (энзимы) являются биологическими катализаторами, которые ускоряют протекание всех биохимических реакций в клетке в миллионы раз. Каждый фермент высокоспецифичен к определенному веществу (субстрату) и реакции.

Ответ: Пепсин и трипсин (расщепляют белки в пищеварительном тракте), амилаза (расщепляет крахмал), ДНК-полимераза (участвует в удвоении ДНК), каталаза (разлагает пероксид водорода).

Белки способны присоединять и переносить различные вещества (кислород, жирные кислоты, гормоны, ионы металлов) с током крови или через клеточные мембраны.

Ответ: Гемоглобин (переносит кислород в крови), альбумины сыворотки крови (транспортируют жирные кислоты и гормоны), трансферрин (транспортирует ионы железа), белки-каналы в мембранах.

Специальные сократительные белки обеспечивают все виды движения в организме: мышечное сокращение, биение ресничек и жгутиков, движение хромосом во время деления клетки.

Ответ: Актин и миозин (обеспечивают сокращение мышечных волокон), тубулин (образует микротрубочки, составляющие основу жгутиков и ресничек).

Белки защищают организм от вторжения патогенов и от потери крови. Эта функция реализуется через иммунную систему и систему свертывания крови.

Ответ: Иммуноглобулины или антитела (распознают и обезвреживают чужеродные агенты), интерфероны (противовирусные белки), фибриноген и тромбин (участвуют в свертывании крови, образуя тромб).

Многие белки регулируют обмен веществ и другие физиологические процессы. К ним относятся белки-гормоны, а также белки, которые контролируют активность генов (транскрипционные факторы).

Ответ: Инсулин и глюкагон (регулируют уровень глюкозы в крови), соматотропин (гормон роста), факторы транскрипции (регулируют считывание информации с ДНК).

Белки-рецепторы, встроенные в клеточную мембрану, способны распознавать и связывать определенные молекулы (гормоны, медиаторы), запуская тем самым ответную реакцию клетки на внешний сигнал.

Ответ: Родопсин (светочувствительный белок в сетчатке глаза), рецепторы к ацетилхолину в нервно-мышечных синапсах, рецептор инсулина на поверхности клеток.

Некоторые белки могут служить резервным источником аминокислот, которые используются организмом по мере необходимости, например, для развития зародыша или питания новорожденного.

Ответ: Казеин (белок молока), овальбумин (белок куриного яйца), ферритин (запасает железо в печени и селезенке).

Белки могут служить источником энергии, хотя это и не основная их функция. При полном расщеплении 1 г белка выделяется около 17,6 кДж энергии. Организм использует белки для этих целей в крайних случаях, например, при длительном голодании.

Ответ: В качестве источника энергии могут использоваться любые белки организма, в первую очередь белки мышц.

5.122. Какие есть качественные реакции на белки? Опишите процедуру их проведения.

Качественными реакциями на белки называют химические реакции, которые позволяют обнаружить присутствие белков или определённых аминокислотных остатков в их составе. Эти реакции, как правило, сопровождаются характерным изменением окраски раствора или выпадением осадка. Основными качественными реакциями на белки являются биуретовая и ксантопротеиновая, так как они являются общими для большинства белков.

Биуретовая реакция

Эта реакция является универсальной для обнаружения пептидных связей в молекулах белков и пептидов. Реакция основана на способности пептидных связей в щелочной среде образовывать с ионами двухвалентной меди ($Cu^{2+}$) комплексное соединение фиолетового цвета. Реакцию дают все вещества, содержащие не менее двух пептидных связей.

Процедура проведения:

К 1-2 мл исследуемого раствора белка приливают равный объём 10%-го раствора гидроксида натрия ($NaOH$) и затем добавляют по каплям 1%-ый раствор сульфата меди(II) ($CuSO_4$).

Ответ: Появление красно-фиолетового или сине-фиолетового окрашивания свидетельствует о наличии белка в растворе.

Ксантопротеиновая реакция (реакция Мульдера)

Эта реакция позволяет обнаружить в белках остатки ароматических аминокислот, содержащих бензольное кольцо (тирозин, триптофан, фенилаланин). Суть реакции заключается в нитровании бензольного кольца концентрированной азотной кислотой ($HNO_3$) при нагревании с образованием динитропроизводных, имеющих жёлтый цвет.

Процедура проведения:

К 1-2 мл раствора белка осторожно приливают 0,5 мл концентрированной азотной кислоты ($HNO_3$). Смесь осторожно нагревают. При наличии белка появляется жёлтое окрашивание или выпадает жёлтый осадок. После охлаждения к смеси осторожно добавляют избыток раствора аммиака ($NH_3 \cdot H_2O$) или гидроксида натрия ($NaOH$).

Ответ: Появление жёлтого окрашивания при нагревании с азотной кислотой, которое переходит в оранжевое при добавлении щёлочи, указывает на присутствие ароматических аминокислот в белке.

Нингидриновая реакция

Данная реакция является общей для всех α-аминокислот, а также для пептидов и белков. Нингидрин при нагревании реагирует с α-аминогруппами аминокислот, образуя продукт сине-фиолетового цвета (так называемый "пурпур Руэмана").

Процедура проведения:

К 1 мл исследуемого раствора добавляют несколько капель 0.1%-го раствора нингидрина и нагревают смесь до кипения в течение 1-2 минут.

Ответ: Появление сине-фиолетового окрашивания указывает на наличие α-аминокислот (свободных или в составе белка).

Реакция на серосодержащие аминокислоты (проба Фоля)

Эта реакция используется для обнаружения в белках остатков серосодержащих аминокислот (цистеина, цистина). При кипячении белка со щёлочью происходит отщепление серы с образованием сульфида натрия ($Na_2S$). Ионы свинца ($Pb^{2+}$), добавляемые в виде ацетата свинца, образуют с сульфид-ионами чёрный осадок сульфида свинца(II) ($PbS$).

Процедура проведения:

К 1 мл раствора белка добавляют 1 мл концентрированного раствора $NaOH$ и кипятят смесь 1-2 минуты. Затем в пробирку добавляют несколько капель раствора ацетата свинца(II) ($Pb(CH_3COO)_2$).

Ответ: Образование чёрного или тёмно-коричневого осадка ($PbS$) свидетельствует о наличии серосодержащих аминокислот в белке.

5.123. Получите глицин из неорганических веществ.

Дано:

Неорганические вещества (например, углерод (C), вода ($H_2O$), карбонат кальция ($CaCO_3$), азот ($N_2$), водород ($H_2$), хлор ($Cl_2$)).

Найти:

Способ получения глицина ($NH_2CH_2COOH$).

Решение:

Синтез глицина, простейшей аминокислоты, из неорганических веществ можно осуществить по следующей многостадийной схеме.

1. Получение ацетилена ($C_2H_2$)

Исходным органическим соединением в нашем синтезе будет ацетилен. Его получают из карбида кальция, который, в свою очередь, синтезируют из известняка и кокса.

а) Термическое разложение карбоната кальция (известняка) при нагревании для получения оксида кальция (негашеной извести):
$CaCO_3 \xrightarrow{t^\circ} CaO + CO_2$

б) Сплавление оксида кальция с углем (коксом) в электропечи при высокой температуре для получения карбида кальция:
$CaO + 3C \xrightarrow{2000-2500^\circ C} CaC_2 + CO$

в) Гидролиз (реакция с водой) карбида кальция для получения ацетилена:
$CaC_2 + 2H_2O \rightarrow C_2H_2 + Ca(OH)_2$

2. Получение уксусной кислоты ($CH_3COOH$)

Ацетилен является удобным исходным веществом для получения уксусной кислоты через стадию образования ацетальдегида.

а) Гидратация ацетилена в присутствии катализатора — солей ртути(II) (реакция Кучерова). Промежуточный продукт, виниловый спирт, неустойчив и изомеризуется в уксусный альдегид (ацетальдегид):
$C_2H_2 + H_2O \xrightarrow{Hg^{2+}, H^+} CH_3CHO$

б) Окисление ацетальдегида до уксусной кислоты. В качестве окислителя можно использовать перманганат калия или дихромат калия в кислой среде.
$5CH_3CHO + 2KMnO_4 + 3H_2SO_4 \rightarrow 5CH_3COOH + 2MnSO_4 + K_2SO_4 + 3H_2O$

3. Получение α-хлоруксусной кислоты ($ClCH_2COOH$)

Для введения аминогруппы в молекулу необходимо сначала заместить атом водорода у α-углеродного атома на галоген. Это достигается реакцией Гелля-Фольгарда-Зелинского.

Хлорирование уксусной кислоты в присутствии красного фосфора в качестве катализатора:
$CH_3COOH + Cl_2 \xrightarrow{P_{красный}} ClCH_2COOH + HCl$

4. Получение глицина ($NH_2CH_2COOH$)

Заключительная стадия — замещение атома хлора в хлоруксусной кислоте на аминогруппу действием аммиака. Аммиак для реакции можно получить синтезом из простых веществ — азота и водорода (процесс Габера-Боша: $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$).

Реакция хлоруксусной кислоты с избытком водного раствора аммиака. Избыток аммиака необходим для связывания выделяющегося хлороводорода.
$ClCH_2COOH + 2NH_3(изб.) \rightarrow NH_2CH_2COOH + NH_4Cl$

В результате этой последовательности реакций из неорганических веществ получен глицин (аминоуксусная кислота).

Ответ:
Общая схема синтеза глицина из неорганических веществ может быть представлена следующей цепочкой превращений:
$CaCO_3 \xrightarrow{t^\circ} CaO \xrightarrow{+C, t^\circ} CaC_2 \xrightarrow{+H_2O} C_2H_2 \xrightarrow{+H_2O, Hg^{2+}} CH_3CHO \xrightarrow{[O]} CH_3COOH \xrightarrow{+Cl_2, P_{кр.}} ClCH_2COOH \xrightarrow{+2NH_3} NH_2CH_2COOH$

5.124. Получите фенилаланин из бензола.

Решение

Синтез фенилаланина ($C_6H_5CH_2CH(NH_2)COOH$) из бензола ($C_6H_6$) является многостадийным процессом. Ниже представлен один из возможных и распространенных путей синтеза, основанный на использовании диэтилового эфира малоновой кислоты (малонового эфира).

Стадия 1: Получение толуола (алкилирование бензола по Фриделю-Крафтсу)

На первой стадии бензол вступает в реакцию электрофильного замещения с хлорметаном в присутствии катализатора — безводного хлорида алюминия ($AlCl_3$). В результате реакции образуется толуол.

$C_6H_6 + CH_3Cl \xrightarrow{AlCl_3} C_6H_5CH_3 + HCl$

Ответ: Продукт первой стадии — толуол, $C_6H_5CH_3$.

Стадия 2: Получение бензилхлорида (радикальное хлорирование толуола)

Толуол подвергается свободно-радикальному хлорированию по метильной группе. Реакция инициируется ультрафиолетовым излучением ($h\nu$) и протекает селективно по боковой цепи, а не в бензольном кольце.

$C_6H_5CH_3 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} C_6H_5CH_2Cl + HCl$

Ответ: Продукт второй стадии — бензилхлорид, $C_6H_5CH_2Cl$.

Стадия 3: Алкилирование диэтилмалоната

Бензилхлорид используется для алкилирования малонового эфира. Для этого малоновый эфир сначала обрабатывают сильным основанием, например, этилатом натрия ($NaOC_2H_5$), для образования енолят-аниона. Этот анион является сильным нуклеофилом и реагирует с бензилхлоридом, замещая атом хлора.

$C_6H_5CH_2Cl + Na^+[CH(COOC_2H_5)_2]^- \rightarrow C_6H_5CH_2CH(COOC_2H_5)_2 + NaCl$

Ответ: Продукт третьей стадии — диэтил-2-бензилмалонат, $C_6H_5CH_2CH(COOC_2H_5)_2$.

Стадия 4: Введение аминогруппы в α-положение

Для введения аминогруппы к атому углерода, связанному с двумя сложноэфирными группами, используется двухстадийный подход: сначала бромирование, а затем нуклеофильное замещение брома на аминогруппу.

а) Бромирование: α-углеродный атом в диэтилбензилмалонате бромируют с помощью молекулярного брома.

$C_6H_5CH_2CH(COOC_2H_5)_2 + Br_2 \rightarrow C_6H_5CH_2C(Br)(COOC_2H_5)_2 + HBr$

б) Аминирование: Полученный α-бромэфир обрабатывают избытком аммиака ($NH_3$). Аммиак замещает атом брома, образуя аминопроизводное.

$C_6H_5CH_2C(Br)(COOC_2H_5)_2 + 2NH_3 \rightarrow C_6H_5CH_2C(NH_2)(COOC_2H_5)_2 + NH_4Br$

Ответ: Продукт четвертой стадии — диэтил-2-амино-2-бензилмалонат, $C_6H_5CH_2C(NH_2)(COOC_2H_5)_2$.

Стадия 5: Гидролиз и декарбоксилирование

На заключительной стадии полученный диэфир подвергают кислотному гидролизу (например, кипячением с соляной кислотой), что приводит к превращению обеих сложноэфирных групп в карбоксильные. Образующаяся α-амино-β-фенилмалоновая кислота является замещенной малоновой кислотой и нестабильна при нагревании. Она легко декарбоксилируется (теряет молекулу $CO_2$) с образованием фенилаланина. Последующая нейтрализация реакционной смеси до изоэлектрической точки позволяет выделить свободную аминокислоту.

$C_6H_5CH_2C(NH_2)(COOC_2H_5)_2 \xrightarrow{1. H_3O^+, \Delta; 2. OH^-} C_6H_5CH_2CH(NH_2)COOH + 2C_2H_5OH + CO_2$

В результате этого синтеза образуется рацемическая смесь (D,L)-фенилаланина.

Ответ: Конечным продуктом синтеза является фенилаланин, $C_6H_5CH_2CH(NH_2)COOH$.

5.125. Определите неизвестные вещества в цепочках превращений и запишите соответствующие уравнения реакций:

Составьте структурные формулы двух дипептидов, образованных остатками: а) аланина и глицина; б) валина и серина; в) изолейцина и лизина; г) триптофана и глутамина; д) лейцина и фенилаланина.

а) $CH_3COOH \xrightarrow{Cl_2, h\nu} X_1 \xrightarrow{2NH_3} X_2 \xrightarrow{Cu(OH)_2} X_3$

Решение

1. Реакция уксусной кислоты с хлором при УФ-облучении представляет собой радикальное замещение водорода в α-положении на хлор (реакция Гелля-Фольгарда-Зелинского, хотя катализатор не указан, УФ-свет также инициирует α-галогенирование):

$CH_3COOH + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} ClCH_2COOH + HCl$

Вещество $X_1$ — хлоруксусная кислота.

2. Хлоруксусная кислота реагирует с аммиаком, образуя аминоуксусную кислоту (глицин). Второй эквивалент аммиака необходим для нейтрализации образующегося хлороводорода и карбоксильной группы:

$ClCH_2COOH + 2NH_3 \rightarrow NH_2CH_2COOH + NH_4Cl$

Вещество $X_2$ — аминоуксусная кислота (глицин).

3. α-аминокислоты образуют с гидроксидом меди(II) хелатные комплексы ярко-синего цвета. Это качественная реакция на α-аминокислоты:

$2NH_2CH_2COOH + Cu(OH)_2 \rightarrow (NH_2CH_2COO)_2Cu + 2H_2O$

Вещество $X_3$ — глицинат меди(II).

Ответ: $X_1$ — $ClCH_2COOH$ (хлоруксусная кислота); $X_2$ — $NH_2CH_2COOH$ (глицин); $X_3$ — $(NH_2CH_2COO)_2Cu$ (глицинат меди(II)).

б) $CH_3CH(NH_2)COOH \xrightarrow{HNO_2} X_1 \xrightarrow{H_2SO_4, t} X_2 \xrightarrow{H_2, Ni} X_3$

Решение

1. Исходное вещество — аланин. При реакции с азотистой кислотой ($HNO_2$) аминогруппа замещается на гидроксильную группу с выделением азота:

$CH_3CH(NH_2)COOH + HNO_2 \rightarrow CH_3CH(OH)COOH + N_2 \uparrow + H_2O$

Вещество $X_1$ — молочная (2-гидроксипропановая) кислота.

2. При нагревании молочной кислоты с концентрированной серной кислотой происходит дегидратация (отщепление воды) с образованием непредельной кислоты:

$CH_3CH(OH)COOH \xrightarrow{H_2SO_4, t} CH_2=CH-COOH + H_2O$

Вещество $X_2$ — акриловая (пропеновая) кислота.

3. Гидрирование акриловой кислоты на никелевом катализаторе приводит к восстановлению двойной связи:

$CH_2=CH-COOH + H_2 \xrightarrow{Ni} CH_3-CH_2-COOH$

Вещество $X_3$ — пропановая (пропионовая) кислота.

Ответ: $X_1$ — $CH_3CH(OH)COOH$ (молочная кислота); $X_2$ — $CH_2=CH-COOH$ (акриловая кислота); $X_3$ — $CH_3CH_2COOH$ (пропановая кислота).

в) $CH_3CCl_3 \xrightarrow{NaOH} X_1 \xrightarrow{HCl} X_2 \xrightarrow{Br_2, P_{кр.}} X_3 \xrightarrow{2NH_3} X_4$

Решение

1. Гидролиз 1,1,1-трихлорэтана в щелочной среде. Промежуточно образующийся 1,1,1-тригидроксиэтан неустойчив и отщепляет воду, образуя уксусную кислоту, которая в щелочной среде дает соль:

$CH_3CCl_3 + 4NaOH \xrightarrow{t} CH_3COONa + 3NaCl + 2H_2O$

Вещество $X_1$ — ацетат натрия.

2. Ацетат натрия, будучи солью слабой кислоты, реагирует с сильной соляной кислотой с образованием уксусной кислоты:

$CH_3COONa + HCl \rightarrow CH_3COOH + NaCl$

Вещество $X_2$ — уксусная кислота.

3. Реакция Гелля-Фольгарда-Зелинского: бромирование уксусной кислоты в α-положение в присутствии катализатора (красного фосфора):

$CH_3COOH + Br_2 \xrightarrow{P_{кр.}} BrCH_2COOH + HBr$

Вещество $X_3$ — бромуксусная кислота.

4. Реакция бромуксусной кислоты с избытком аммиака приводит к образованию глицина:

$BrCH_2COOH + 2NH_3 \rightarrow NH_2CH_2COOH + NH_4Br$

Вещество $X_4$ — аминоуксусная кислота (глицин).

Ответ: $X_1$ — $CH_3COONa$ (ацетат натрия); $X_2$ — $CH_3COOH$ (уксусная кислота); $X_3$ — $BrCH_2COOH$ (бромуксусная кислота); $X_4$ — $NH_2CH_2COOH$ (глицин).

г) $C_6H_5CH_2CH(NH_2)COOH \xrightarrow{(CH_3CO)_2O} X_1 \xrightarrow{CH_3OH, H^+} X_2 \xrightarrow{CH_3ONa, CH_3OH} X_3$

Решение

1. Исходное вещество — фенилаланин. Аминогруппа как более сильный нуклеофил реагирует с уксусным ангидридом (ацилирование):

$C_6H_5CH_2CH(NH_2)COOH + (CH_3CO)_2O \rightarrow C_6H_5CH_2CH(NHCOCH_3)COOH + CH_3COOH$

Вещество $X_1$ — N-ацетилфенилаланин.

2. Реакция этерификации карбоксильной группы метанолом в кислой среде (реакция Фишера):

$C_6H_5CH_2CH(NHCOCH_3)COOH + CH_3OH \xrightarrow{H^+} C_6H_5CH_2CH(NHCOCH_3)COOCH_3 + H_2O$

Вещество $X_2$ — метиловый эфир N-ацетилфенилаланина.

3. В присутствии сильного основания (метоксида натрия) происходит отщепление протона от α-атома углерода. Образующийся енолят-ион имеет плоское строение, и последующее протонирование спиртом приводит к образованию рацемической смеси (смеси R- и S-изомеров):

$L-C_6H_5CH_2CH(NHCOCH_3)COOCH_3 \xrightarrow{CH_3ONa, CH_3OH} (R,S)-C_6H_5CH_2CH(NHCOCH_3)COOCH_3$

Вещество $X_3$ — рацемический метиловый эфир N-ацетилфенилаланина.

Ответ: $X_1$ — $C_6H_5CH_2CH(NHCOCH_3)COOH$ (N-ацетилфенилаланин); $X_2$ — $C_6H_5CH_2CH(NHCOCH_3)COOCH_3$ (метиловый эфир N-ацетилфенилаланина); $X_3$ — рацемическая смесь $(R,S)-C_6H_5CH_2CH(NHCOCH_3)COOCH_3$.

д) $HOOC-CH_2-NH-C(O)-CH_2-NH_2 \xrightarrow{NaOH, H_2O} X_1 \xrightarrow{HCl} X_2 \xrightarrow{Cu(OH)_2} X_3$

Решение

1. Исходное вещество — дипептид глицилглицин. В щелочной среде при нагревании происходит гидролиз пептидной связи. Образующаяся аминокислота (глицин) в щелочной среде существует в виде соли:

$NH_2CH_2C(O)NHCH_2COOH + 2NaOH \xrightarrow{H_2O, t} 2NH_2CH_2COONa + H_2O$

Вещество $X_1$ — глицинат натрия.

2. При добавлении сильной кислоты (HCl) к раствору глицината натрия происходит протонирование. При добавлении избытка кислоты протонируется и карбоксилат-ион, и аминогруппа:

$NH_2CH_2COONa + 2HCl \rightarrow [H_3N^+-CH_2-COOH]Cl^- + NaCl$

Вещество $X_2$ — гидрохлорид глицина.

3. Гидрохлорид глицина реагирует с основанием $Cu(OH)_2$. Сначала происходит нейтрализация, а затем образование характерного синего комплекса глицината меди(II):

$2[H_3N^+-CH_2-COOH]Cl^- + 2Cu(OH)_2 \rightarrow (NH_2CH_2COO)_2Cu + CuCl_2 + 4H_2O$

Вещество $X_3$ — глицинат меди(II).

Ответ: $X_1$ — $NH_2CH_2COONa$ (глицинат натрия); $X_2$ — $[H_3N^+-CH_2-COOH]Cl^-$ (гидрохлорид глицина); $X_3$ — $(NH_2CH_2COO)_2Cu$ (глицинат меди(II)).

Составьте структурные формулы двух дипептидов, образованных остатками:

а) аланина и глицина

Решение

Возможны два изомерных дипептида: аланилглицин (Ala-Gly) и глицилаланин (Gly-Ala).

1. Аланилглицин: $NH_2-CH(CH_3)-C(O)NH-CH_2-COOH$

2. Глицилаланин: $NH_2-CH_2-C(O)NH-CH(CH_3)-COOH$

Ответ: $NH_2-CH(CH_3)-C(O)NH-CH_2-COOH$ (аланилглицин) и $NH_2-CH_2-C(O)NH-CH(CH_3)-COOH$ (глицилаланин).

б) валина и серина

Решение

Возможны два изомерных дипептида: валилсерин (Val-Ser) и серилвалин (Ser-Val).

1. Валилсерин: $NH_2-CH(CH(CH_3)_2)-C(O)NH-CH(CH_2OH)-COOH$

2. Серилвалин: $NH_2-CH(CH_2OH)-C(O)NH-CH(CH(CH_3)_2)-COOH$

Ответ: $NH_2-CH(CH(CH_3)_2)-C(O)NH-CH(CH_2OH)-COOH$ (валилсерин) и $NH_2-CH(CH_2OH)-C(O)NH-CH(CH(CH_3)_2)-COOH$ (серилвалин).

в) изолейцина и лизина

Решение

Возможны два изомерных дипептида: изолейциллизин (Ile-Lys) и лизилизолейцин (Lys-Ile). Пептидная связь образуется с участием α-аминогруппы лизина.

1. Изолейциллизин: $NH_2-CH(CH(CH_3)CH_2CH_3)-C(O)NH-CH((CH_2)_4NH_2)-COOH$

2. Лизилизолейцин: $NH_2-CH((CH_2)_4NH_2)-C(O)NH-CH(CH(CH_3)CH_2CH_3)-COOH$

Ответ: $NH_2-CH(CH(CH_3)CH_2CH_3)-C(O)NH-CH((CH_2)_4NH_2)-COOH$ (изолейциллизин) и $NH_2-CH((CH_2)_4NH_2)-C(O)NH-CH(CH(CH_3)CH_2CH_3)-COOH$ (лизилизолейцин).

г) триптофана и глутамина

Решение

Возможны два изомерных дипептида: триптофилглутамин (Trp-Gln) и глутамилтриптофан (Gln-Trp). Боковая цепь триптофана содержит индольное кольцо ($C_8H_6N$).

1. Триптофилглутамин: $NH_2-CH(CH_2-C_8H_6N)-C(O)NH-CH(CH_2CH_2C(O)NH_2)-COOH$

2. Глутамилтриптофан: $NH_2-CH(CH_2CH_2C(O)NH_2)-C(O)NH-CH(CH_2-C_8H_6N)-COOH$

Ответ: $NH_2-CH(CH_2-C_8H_6N)-C(O)NH-CH(CH_2CH_2C(O)NH_2)-COOH$ (триптофилглутамин) и $NH_2-CH(CH_2CH_2C(O)NH_2)-C(O)NH-CH(CH_2-C_8H_6N)-COOH$ (глутамилтриптофан).

д) лейцина и фенилаланина

Решение

Возможны два изомерных дипептида: лейцилфенилаланин (Leu-Phe) и фенилаланиллейцин (Phe-Leu).

1. Лейцилфенилаланин: $NH_2-CH(CH_2CH(CH_3)_2)-C(O)NH-CH(CH_2C_6H_5)-COOH$

2. Фенилаланиллейцин: $NH_2-CH(CH_2C_6H_5)-C(O)NH-CH(CH_2CH(CH_3)_2)-COOH$

Ответ: $NH_2-CH(CH_2CH(CH_3)_2)-C(O)NH-CH(CH_2C_6H_5)-COOH$ (лейцилфенилаланин) и $NH_2-CH(CH_2C_6H_5)-C(O)NH-CH(CH_2CH(CH_3)_2)-COOH$ (фенилаланиллейцин).