Страница 183 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

5.159. Запишите уравнения реакций, протекающих при нагревании: а) $\mathrm{\alpha }$-аминокислот; б) $\mathrm{\beta }$-аминокислот; в) $\mathrm{\gamma }$-аминокислот; г) $\mathrm{\delta }$-аминокислот.

Решение

Поведение аминокислот при нагревании зависит от взаимного расположения аминогруппы ($–NH_2$) и карбоксильной группы ($–COOH$) в их молекулах. В зависимости от этого происходят разные типы реакций.

а) α-аминокислоты

При нагревании α-аминокислоты вступают в реакцию межмолекулярной конденсации. Две молекулы аминокислоты взаимодействуют друг с другом, отщепляя две молекулы воды, и образуют устойчивый шестичленный циклический диамид, называемый дикетопиперазином.

Общее уравнение реакции для α-аминокислоты с радикалом R:

$ \Large 2 \normalsize \cdot \underset{\text{α-аминокислота}}{H_2N-CHR-COOH} \xrightarrow{t^{\circ}} \underset{\text{дикетопиперазин}}{\text{цикло(-NH-CHR-CO-)}_2} + 2H_2O $

Например, при нагревании двух молекул простейшей аминокислоты глицина (где R=H) образуется 2,5-дикетопиперазин (ангидрид глицина). Схематично образование цикла можно представить так:

$ \Large 2 \normalsize \cdot \underset{\text{глицин}}{H_2N-CH_2-COOH} \xrightarrow{t^{\circ}} \quad \begin{matrix} \text{HN} & - & \text{CH}_2 & - & \text{C=O} \\ | & & & & | \\ \text{O=C} & - & \text{CH}_2 & - & \text{NH} \end{matrix} \quad + \Large 2 \normalsize H_2O$

Ответ: При нагревании α-аминокислоты образуют циклические диамиды (дикетопиперазины) и воду в результате межмолекулярной конденсации.

б) β-аминокислоты

При нагревании β-аминокислоты подвергаются реакции элиминирования (отщепления). От β-атома углерода отщепляется аминогруппа, а от α-атома — атом водорода, в результате чего образуется α,β-ненасыщенная карбоновая кислота и выделяется аммиак.

Общее уравнение реакции:

$ \underset{\text{β-аминокислота}}{R-CH(NH_2)-CH_2-COOH} \xrightarrow{t^{\circ}} \underset{\text{α,β-ненасыщенная кислота}}{R-CH=CH-COOH} + NH_3 $

Например, при нагревании β-аминомасляной кислоты образуется кротоновая кислота:

$ \underset{\text{β-аминомасляная кислота}}{CH_3-CH(NH_2)-CH_2-COOH} \xrightarrow{t^{\circ}} \underset{\text{кротоновая кислота}}{CH_3-CH=CH-COOH} + NH_3 $

Ответ: При нагревании β-аминокислоты отщепляют аммиак с образованием α,β-ненасыщенных карбоновых кислот.

в) γ-аминокислоты

При нагревании γ-аминокислоты вступают в реакцию внутримолекулярной конденсации (циклизации). Карбоксильная группа реагирует с аминогруппой в пределах одной молекулы с отщеплением воды. В результате образуются устойчивые пятичленные циклические амиды — γ-лактамы.

На примере γ-аминомасляной кислоты реакция выглядит следующим образом:

$ \underset{\text{γ-аминомасляная кислота}}{H_2N-CH_2-CH_2-CH_2-COOH} \xrightarrow{t^{\circ}} \quad \underset{\text{γ-бутиролактам (2-пирролидон)}}{\begin{matrix} \text{H}_2\text{C} & - & \text{CH}_2 \\ | & & | \\ \text{H}_2\text{C} & & \text{C=O} \\ \backslash & & / \\ & \text{NH} & \end{matrix}} \quad + H_2O $

Ответ: При нагревании γ-аминокислоты образуют γ-лактамы (пятичленные циклические амиды) и воду.

г) δ-аминокислоты

Подобно γ-аминокислотам, δ-аминокислоты при нагревании также вступают в реакцию внутримолекулярной циклизации с образованием лактамов. В этом случае формируется еще более устойчивый шестичленный цикл — δ-лактам.

На примере δ-аминовалериановой кислоты реакция выглядит следующим образом:

$ \underset{\text{δ-аминовалериановая к-та}}{H_2N-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-COOH} \xrightarrow{t^{\circ}} \quad \underset{\text{δ-валеролактам (2-пиперидон)}}{\begin{matrix} \text{H}_2\text{C} & - & \text{CH}_2 & - & \text{CH}_2 \\ | & & & & | \\ \text{H}_2\text{C} & & & & \text{C=O} \\ \backslash & & & & / \\ & & \text{NH} & & \end{matrix}} \quad + H_2O $

Ответ: При нагревании δ-аминокислоты образуют δ-лактамы (шестичленные циклические амиды) и воду.

5.160. Сколько трипептидов можно составить, имея в наличии: а) две аминокислоты; б) три аминокислоты; в) четыре аминокислоты; г) n аминокислот. Каждый аминокислотный остаток можно использовать несколько раз.

Дано:

Длина пептида (трипептид), $k = 3$.
Условие: каждый аминокислотный остаток можно использовать несколько раз.
Количество доступных видов аминокислот:
а) $n = 2$
б) $n = 3$
в) $n = 4$
г) $n$

Найти:

$N$ — общее количество возможных трипептидов для каждого случая.

Решение:

Трипептид представляет собой последовательность из трех аминокислотных остатков. Поскольку порядок аминокислот важен и каждую из них можно использовать многократно, для нахождения общего числа возможных трипептидов мы используем комбинаторный принцип умножения. Эта задача является примером нахождения числа размещений с повторениями.

На каждую из трех позиций в трипептиде можно выбрать любую из $n$ доступных аминокислот.

Число вариантов для первой позиции: $n$.
Число вариантов для второй позиции: $n$.
Число вариантов для третьей позиции: $n$.

Общее количество возможных трипептидов $N$ равно произведению числа вариантов для каждой позиции:

$N = n \times n \times n = n^3$

Эта формула соответствует общей формуле для числа размещений с повторениями из $n$ элементов по $k$ местам, $N = n^k$, где в нашем случае $k=3$.

Теперь применим эту формулу для каждого из подпунктов задачи.

а) При наличии двух аминокислот ($n = 2$), количество возможных трипептидов составляет:

$N = 2^3 = 8$

Ответ: 8.

б) При наличии трех аминокислот ($n = 3$), количество возможных трипептидов составляет:

$N = 3^3 = 27$

Ответ: 27.

в) При наличии четырех аминокислот ($n = 4$), количество возможных трипептидов составляет:

$N = 4^3 = 64$

Ответ: 64.

г) При наличии $n$ аминокислот, количество возможных трипептидов составляет:

$N = n^3$

Ответ: $n^3$.

5.161. Какими методами можно определить: а) аминокислотную последовательность белка; б) пространственную структуру белка?

а) аминокислотную последовательность белка

Определение аминокислотной последовательности (первичной структуры) белка является фундаментальной задачей в протеомике. Для этого используют несколько основных методов.

1. Химическое секвенирование по Эдману. Это классический метод, основанный на последовательном отщеплении и идентификации N-концевой аминокислоты полипептидной цепи. Процесс включает реакцию N-концевой аминогруппы с фенилизотиоцианатом (ФИТЦ) с последующим отщеплением производного аминокислоты в кислой среде. Идентификация отщепленного производного (фенилтиогидантоина, ФТГ-аминокислоты) проводится с помощью хроматографии. Цикл повторяется многократно. Метод эффективен для пептидов длиной до 50–60 остатков. Для анализа более крупных белков их предварительно разрезают на более короткие пептиды с помощью ферментов (например, трипсина) или химических реагентов (например, бромциана). Затем последовательности отдельных пептидов определяют и "собирают" полную последовательность белка, используя перекрывающиеся фрагменты.

2. Масс-спектрометрия. Это современный, высокочувствительный и производительный метод. Белок сначала расщепляют на пептиды протеолитическим ферментом. Затем смесь пептидов анализируется. В методе пептидного фингерпринтинга (peptide mass fingerprinting) измеряют массы образовавшихся пептидов и сравнивают их с теоретическими массами пептидов из баз данных, что позволяет идентифицировать белок. Для прямого определения последовательности (de novo секвенирование) используют тандемную масс-спектрометрию (МС/МС). В этом подходе отдельные пептидные ионы отбираются в масс-спектрометре, фрагментируются, и по массам образовавшихся фрагментов восстанавливают аминокислотную последовательность исходного пептида. Масс-спектрометрия также является основным методом для идентификации посттрансляционных модификаций.

3. Секвенирование соответствующего гена. Аминокислотная последовательность белка закодирована в последовательности нуклеотидов гена, который его кодирует. Определив нуклеотидную последовательность ДНК (или мРНК) с помощью методов секвенирования (например, по Сэнгеру или методов нового поколения, NGS), можно, используя генетический код, однозначно "перевести" ее в аминокислотную последовательность. Это наиболее быстрый и дешевый способ узнать теоретическую последовательность белка. Однако этот метод не дает информации о посттрансляционных модификациях и процессинге белка (например, отщеплении сигнального пептида).

Ответ: Аминокислотную последовательность белка можно определить методами химического секвенирования по Эдману, масс-спектрометрии (включая тандемную масс-спектрометрию), а также косвенно — путем секвенирования кодирующего его гена (ДНК) или мРНК с последующим использованием генетического кода.

б) пространственную структуру белка

Определение трехмерной пространственной структуры белка (третичной и четвертичной) является ключевым для понимания его функции. Для этого используются методы структурной биологии с высоким разрешением.

1. Рентгеноструктурный анализ (РСА). Это наиболее распространенный метод. Он требует получения высокоупорядоченного монокристалла белка. Кристалл облучают пучком рентгеновских лучей, которые, рассеиваясь на атомах белка, создают характерную дифракционную картину. Анализ этой картины позволяет рассчитать распределение электронной плотности в кристалле и на его основе построить атомарную модель молекулы белка. Метод позволяет получать структуры с очень высоким разрешением, но его главный недостаток — необходимость кристаллизации, что не всегда возможно, особенно для мембранных белков или гибких белковых комплексов.

2. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Этот метод позволяет определять структуру белков в растворе, что ближе к их нативному состоянию. Метод основан на измерении магнитных свойств атомных ядер (обычно $^1$H, $^{13}$C, $^{15}$N) в сильном магнитном поле. Анализируя сложные многомерные спектры ЯМР, можно определить межатомные расстояния для тысяч пар атомов в молекуле. Этот набор геометрических ограничений используется в компьютерных программах для расчета ансамбля структур, удовлетворяющих экспериментальным данным. Метод ЯМР также предоставляет уникальную информацию о динамике и гибкости белковой молекулы. Основное ограничение — размер белка (обычно до 30-40 кДа).

3. Криоэлектронная микроскопия (крио-ЭМ). Это стремительно развивающийся метод, особенно эффективный для анализа крупных белковых комплексов, которые трудно кристаллизовать. Раствор белка очень быстро замораживают, получая тонкий слой стекловидного (аморфного) льда, в котором молекулы белка зафиксированы в случайных ориентациях. Затем с помощью просвечивающего электронного микроскопа получают тысячи двумерных изображений-проекций отдельных молекул. Эти изображения компьютерным образом объединяются для реконструкции трехмерной карты электронной плотности, в которую затем встраивается атомная модель. Современная крио-ЭМ позволяет достигать разрешения, сопоставимого с РСА.

Существуют также методы с более низким разрешением, дающие общую информацию о структуре. Например, спектроскопия кругового дихроизма позволяет оценить процентное содержание элементов вторичной структуры (α-спиралей, β-листов), а малоугловое рентгеновское рассеяние (МУРР) — определить общую форму и размер белка в растворе.

Ответ: Пространственную структуру белка с высоким разрешением определяют методами рентгеноструктурного анализа (РСА), спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и криоэлектронной микроскопии (крио-ЭМ). Информацию о вторичной структуре и общей форме можно получить с помощью спектроскопии кругового дихроизма и малоуглового рассеяния соответственно.

5.162. Можно ли химическими методами синтезировать пептид с заданной аминокислотной последовательностью?

Да, химическими методами можно синтезировать пептид с заданной аминокислотной последовательностью. Эта задача является одной из фундаментальных в биоорганической химии и была успешно решена в середине XX века. Современные методики позволяют синтезировать не только короткие пептиды, но и целые белковые молекулы.

Основная сложность синтеза заключается в том, что аминокислоты являются бифункциональными соединениями, так как содержат как минимум две реакционноспособные группы: аминогруппу ($–NH_2$) и карбоксильную группу ($–COOH$). Если просто смешать две разные аминокислоты и попытаться создать между ними пептидную связь, то реакция пойдет неконтролируемо. Например, при конденсации аланина (Ала) и глицина (Гли) образуется сложная смесь продуктов: Ала-Гли, Гли-Ала, Ала-Ала, Гли-Гли, а также более длинные полимеры.

Для того чтобы реакция шла направленно и аминокислоты соединялись в строго определенном порядке, используется принцип защиты функциональных групп. Его суть заключается в следующем:

1. У аминокислоты, которая должна стать N-концевой в будущем дипептиде, временно блокируют (защищают) аминогруппу.
2. У второй аминокислоты (С-концевой) активируют карбоксильную группу для облегчения образования пептидной связи.
3. Проводят реакцию конденсации: защищенная аминокислота реагирует своей свободной карбоксильной группой со свободной аминогруппой второй аминокислоты.
4. После образования пептидной связи защитную группу с N-конца снимают, что позволяет присоединять следующую аминокислоту.

Наиболее эффективным и широко используемым методом является твердофазный пептидный синтез (ТФПС), разработанный Р.Б. Меррифилдом (Нобелевская премия 1984 г.). В этом методе растущая пептидная цепь ковалентно связана с нерастворимым полимерным носителем (смолой), что значительно упрощает очистку продукта на каждой стадии — достаточно просто промыть смолу от избытка реагентов и побочных продуктов.

Процесс синтеза по методу Меррифилда (в наиболее распространенном Fmoc-варианте) выглядит так:

• Закрепление. Первая аминокислота (которая будет С-концевой в готовом пептиде) своей карбоксильной группой прикрепляется к смоле. Ее α-аминогруппа защищена временной защитной группой, чаще всего Fmoc (флуоренилметилоксикарбонильной).
• Снятие защиты (депротектирование). Защитная Fmoc-группа удаляется с помощью слабого основания (например, пиперидина), освобождая α-аминогруппу для следующей реакции.
• Конденсация (присоединение). Добавляется следующая аминокислота (с защищенной аминогруппой и активированной карбоксильной группой). Она реагирует со свободной аминогруппой на носителе, образуя новую пептидную связь.
• Повторение цикла. Стадии снятия защиты и конденсации циклически повторяются, последовательно наращивая пептидную цепь в соответствии с заданной последовательностью.
• Отщепление. После присоединения последней аминокислоты готовую пептидную цепь отщепляют от смолы и одновременно удаляют все постоянные защитные группы (с боковых радикалов аминокислот) действием сильной кислоты (например, трифторуксусной).

Этот подход позволяет автоматизировать процесс синтеза и получать с высокой эффективностью пептиды длиной до 50-100 аминокислотных остатков.

Ответ: Да, возможно. Современная химия располагает эффективными методами, в первую очередь твердофазным пептидным синтезом, которые позволяют направленно и с высокой точностью синтезировать пептиды с любой заданной аминокислотной последовательностью.

5.163. Какие защитные группы используют в синтезе полипептидов? Запишите уравнения реакций постановки и снятия таких защитных групп.

В синтезе полипептидов используют защитные группы для временной блокировки реакционноспособных функциональных групп (аминогрупп, карбоксильных групп и функциональных групп в боковых цепях аминокислот), чтобы предотвратить нежелательные побочные реакции и обеспечить образование пептидной связи в строго определенной последовательности. Выбор защитных групп определяется их способностью легко вводиться в молекулу, быть устойчивыми в условиях образования пептидной связи и селективно удаляться в мягких условиях, не затрагивая другие функциональные группы и саму пептидную связь.

Защита аминогруппы ($\alpha$-NH$_2$)

Наиболее распространенными защитными группами для аминогруппы являются группы уретанового типа.

1. трет-Бутоксикарбонильная группа (Boc)

Постановка: Аминогруппу ацилируют ди-трет-бутилдикарбонатом (Boc-ангидридом) в слабощелочной среде.

$$ \text{H}_2\text{N-CHR-COOH} + ((CH_3)_3\text{COCO})_2\text{O} \xrightarrow{\text{Основание}} (CH_3)_3\text{C-O-CO-NH-CHR-COOH} + (CH_3)_3\text{COH} + \text{CO}_2 $$

Снятие: Boc-группа устойчива к основаниям и каталитическому гидрированию, но легко удаляется действием сильных кислот, например, трифторуксусной кислоты (TFA).

$$ (CH_3)_3\text{C-O-CO-NH-CHR-R'} \xrightarrow{\text{TFA}} \text{H}_3\text{N}^+\text{-CHR-R'} + (CH_3)_2\text{C=CH}_2 + \text{CO}_2 $$

Ответ: Boc-группа вводится с помощью Boc-ангидрида и снимается действием сильной кислоты (например, TFA).

2. 9-Флуоренилметоксикарбонильная группа (Fmoc)

Постановка: Аминокислоту обрабатывают N-(9-флуоренилметоксикарбонилокси)сукцинимидом (Fmoc-OSu) или 9-флуоренилметилхлороформатом (Fmoc-Cl).

$$ \text{H}_2\text{N-CHR-COOH} + \text{Fmoc-OSu} \xrightarrow{\text{Основание}} \text{Fmoc-NH-CHR-COOH} + \text{HOSu} $$

Снятие: Fmoc-группа, в отличие от Boc, очень чувствительна к основаниям и удаляется обработкой вторичным амином, обычно 20% раствором пиперидина в диметилформамиде (ДМФА).

$$ \text{Fmoc-NH-CHR-R'} + \text{Пиперидин} \longrightarrow \text{H}_2\text{N-CHR-R'} + \text{Дибензофульвен-пиперидиновый аддукт} $$

Ответ: Fmoc-группа вводится с помощью Fmoc-OSu или Fmoc-Cl и снимается действием основания (например, пиперидина).

3. Бензилоксикарбонильная группа (Cbz или Z)

Постановка: Аминогруппу ацилируют бензилхлороформатом (карбобензоксихлоридом) в щелочной среде (реакция Шоттена-Баумана).

$$ \text{H}_2\text{N-CHR-COOH} + \text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_2\text{OCOCl} \xrightarrow{\text{NaOH}} \text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_2\text{O-CO-NH-CHR-COOH} + \text{HCl} $$

Снятие: Cbz-группа удаляется каталитическим гидрированием (гидрогенолизом) на палладиевом катализаторе. Этот метод не затрагивает большинство других защитных групп.

$$ \text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_2\text{O-CO-NH-CHR-R'} \xrightarrow{\text{H}_2, \text{Pd/C}} \text{H}_2\text{N-CHR-R'} + \text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_3 + \text{CO}_2 $$

Ответ: Cbz-группа вводится с помощью бензилхлороформата и снимается каталитическим гидрированием.

Защита карбоксильной группы (-COOH)

Карбоксильную группу обычно защищают путем превращения ее в сложный эфир.

1. Бензиловый эфир (-OBn)

Постановка: Реакция аминокислоты с бензиловым спиртом в присутствии кислотного катализатора (например, п-толуолсульфокислоты).

$$ \text{H}_2\text{N-CHR-COOH} + \text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_2\text{OH} \xrightarrow{\text{H}^+, -\text{H}_2\text{O}} \text{H}_2\text{N-CHR-COOCH}_2\text{C}_6\text{H}_5 $$

Снятие: Как и Cbz-группа, бензильный эфир удаляется каталитическим гидрированием. Это позволяет одновременно снять защиту с N- и C-концов пептида, если они защищены Cbz и OBn соответственно.

$$ \text{R'-NH-CHR-COOCH}_2\text{C}_6\text{H}_5 \xrightarrow{\text{H}_2, \text{Pd/C}} \text{R'-NH-CHR-COOH} + \text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_3 $$

Ответ: Бензиловый эфир вводится реакцией с бензиловым спиртом и снимается каталитическим гидрированием.

2. трет-Бутиловый эфир (-OtBu)

Постановка: Реакция N-защищенной аминокислоты с изобутиленом в присутствии сильной кислоты (например, серной).

$$ \text{P-NH-CHR-COOH} + \text{CH}_2\text{=C(CH}_3)_2 \xrightarrow{\text{H}_2\text{SO}_4} \text{P-NH-CHR-COOC(CH}_3)_3 $$

Снятие: Аналогично Boc-группе, трет-бутиловый эфир удаляется обработкой кислотой (TFA). Это позволяет одновременно снять защиту с Boc-защищенной аминогруппы и трет-бутилового эфира.

$$ \text{R'-NH-CHR-COOC(CH}_3)_3 \xrightarrow{\text{TFA}} \text{R'-NH-CHR-COOH} + (CH_3)_2\text{C=CH}_2 $$

Ответ: трет-Бутиловый эфир вводится с помощью изобутилена и снимается действием кислоты.

Защита функциональных групп в боковых цепях

Функциональные группы в боковых радикалах аминокислот (например, -OH у серина, -SH у цистеина, -NH$_2$ у лизина, -COOH у аспарагиновой кислоты) также требуют защиты. Выбор защитной группы зависит от ее природы и должен быть ортогонален (сниматься в других условиях) защитным группам на $\alpha$-амино и $\alpha$-карбоксильной группах.

Пример: Защита гидроксильной группы серина бензильным эфиром (Bn).

Постановка:

$$ \text{P-NH-CH(CH}_2\text{OH)-COOR'} \xrightarrow{\text{NaH, C}_6\text{H}_5\text{CH}_2\text{Br}} \text{P-NH-CH(CH}_2\text{OCH}_2\text{C}_6\text{H}_5\text{)-COOR'} $$

Снятие:

$$ \text{...-NH-CH(CH}_2\text{OCH}_2\text{C}_6\text{H}_5\text{)-CO-...} \xrightarrow{\text{H}_2, \text{Pd/C}} \text{...-NH-CH(CH}_2\text{OH)-CO-...} + \text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_3 $$

Ответ: Функциональные группы боковых цепей защищают группами, устойчивыми к условиям синтеза пептидной цепи, но удаляемыми на конечном этапе. Например, бензильный эфир (Bn) для -OH и -SH групп (снимается гидрогенолизом) или трет-бутильные группы (Boc для -NH$_2$, OtBu для -COOH) (снимаются кислотой).

5.164. Одним из реагентов, применяемых для создания пептидной связи, является N,N'-дициклогексилкарбодиимид (ДЦК). Предложите механизм действия данного реагента, если известно, что сначала к ДЦК добавляют карбоновую кислоту, а затем амин.

Решение

N,N'-дициклогексилкарбодиимид (ДЦК) — это реагент, используемый для синтеза пептидов и других амидов из карбоновых кислот и аминов. Его основная функция — дегидратация, то есть удаление молекулы воды из реагирующих компонентов, что приводит к образованию амидной связи. Механизм реакции включает активацию карбоксильной группы, что делает ее более реакционноспособной по отношению к амину.

Общая схема реакции выглядит следующим образом (где Cy — циклогексильный радикал, $C_6H_{11}$):

$$R-COOH + R'-NH_2 + Cy-N=C=N-Cy \rightarrow R-CO-NH-R' + Cy-NH-C(O)-NH-Cy$$

Механизм можно разделить на следующие стадии:

1. Активация карбоновой кислоты

Карбоновая кислота ($R-COOH$) присоединяется к ДЦК. Механизм начинается с протонирования одного из атомов азота ДЦК кислотой, что создает ионную пару, состоящую из карбоксилат-аниона и протонированного карбодиимида. Затем карбоксилат-анион ($R-COO^-$) нуклеофильно атакует центральный, электрофильный атом углерода в протонированном ДЦК. В результате образуется ключевой интермедиат — O-ацилизомочевина. Этот интермедиат содержит активированную карбонильную группу, так как изомочевинный остаток является хорошей уходящей группой.

$$R-COOH + Cy-N=C=N-Cy \rightleftharpoons R-COO^{-} + Cy-N=C=\stackrel{+}{N}H-Cy$$

$$R-COO^{-} + Cy-N=C=\stackrel{+}{N}H-Cy \rightarrow \underset{\text{(O-ацилизомочевина)}}{R-C(O)-O-C(=NCy)NHCy}$$

2. Нуклеофильная атака амина и образование пептидной связи

На второй стадии амин ($R'-NH_2$) атакует своей неподеленной электронной парой карбонильный углерод O-ацилизомочевины. Эта атака приводит к образованию нестабильного тетраэдрического интермедиата, который быстро распадается. Происходит перегруппировка с переносом протона, в результате которой образуется конечный продукт — пептид (амид) $R-CO-NH-R'$ и отщепляется побочный продукт — N,N'-дициклогексилмочевина (ДЦМ).

$$\underset{\text{O-ацилизомочевина}}{R-C(O)O-C(=NCy)NHCy} + R'-NH_2 \rightarrow \text{[Тетраэдрический интермедиат]}$$

$$\text{[Тетраэдрический интермедиат]} \rightarrow R-CO-NH-R' + \underset{\text{N,N'-дициклогексилмочевина}}{Cy-NH-C(O)-NH-Cy}$$

Движущей силой всего процесса является образование очень стабильной молекулы N,N'-дициклогексилмочевины, которая к тому же обычно нерастворима в реакционной среде и выпадает в осадок, смещая равновесие реакции в сторону продуктов.

Ответ: Механизм действия ДЦК для создания пептидной связи включает две основные стадии. На первой стадии ДЦК активирует карбоновую кислоту, превращая ее в реакционноспособный O-ацилизомочевинный эфир. На второй стадии амин нуклеофильно атакует этот активированный эфир, что приводит к образованию пептидной (амидной) связи и стабильного побочного продукта, N,N'-дициклогексилмочевины, которая удаляется из реакционной смеси (часто в виде осадка), способствуя завершению реакции.

5.165. Скорость большинства химических реакций увеличивается с ростом температуры. Почему температурная зависимость скорости ферментативных реакций имеет максимум, после которого скорость резко снижается?

Зависимость скорости ферментативных реакций от температуры имеет максимум из-за двойственной природы влияния температуры на ферменты, которые являются белками. Этот процесс можно объяснить двумя факторами, действующими одновременно, но с разной силой при разных температурах.

1. Ускорение реакции с ростом температуры. Как и для большинства химических реакций, повышение температуры приводит к увеличению кинетической энергии молекул реагентов (субстрата) и катализатора (фермента). Это увеличивает частоту и энергию их столкновений, что способствует более быстрому образованию фермент-субстратного комплекса и, следовательно, увеличивает скорость реакции. Этот эффект доминирует в диапазоне от низких температур до оптимальной.
2. Тепловая денатурация фермента. Ферменты – это белки со сложной и специфической трехмерной структурой, которая поддерживается слабыми связями (например, водородными). Эта структура, особенно форма активного центра, абсолютно необходима для каталитической функции фермента. При повышении температуры выше определенного порога (оптимальной температуры) интенсивные тепловые колебания атомов начинают разрушать эти слабые связи. Происходит процесс тепловой денатурации — необратимое изменение нативной конформации белка. В результате активный центр фермента деформируется и теряет способность связывать субстрат, что ведет к резкой и необратимой потере каталитической активности.

Таким образом, кривая зависимости скорости ферментативной реакции от температуры является результатом суперпозиции этих двух процессов. Сначала скорость реакции растет с температурой до достижения точки максимума, называемой температурным оптимумом. В этой точке фермент проявляет наибольшую активность. При дальнейшем увеличении температуры процесс денатурации начинает преобладать, и скорость реакции резко падает из-за разрушения структуры фермента.

Ответ: Температурная зависимость скорости ферментативных реакций имеет максимум, поскольку повышение температуры, с одной стороны, увеличивает кинетическую энергию молекул и ускоряет реакцию, а с другой — вызывает тепловую денатурацию (разрушение структуры) белка-фермента, что приводит к потере его активности. До оптимума преобладает первый эффект, а после него — второй, вызывая резкое снижение скорости.

5.166. Изобразите структурные формулы всех аминокислот состава ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{13}{\mathrm{NO}}_2.$ Какие из изображённых изомеров могут входить в состав белка?

Изобразите структурные формулы всех аминокислот состава $C_6H_{13}NO_2$.

Молекулярная формула $C_6H_{13}NO_2$ соответствует насыщенным ациклическим моноаминомонокарбоновым кислотам. В решении будут рассмотрены структурные изомеры, содержащие одну первичную аминогруппу ($-NH_2$) и одну карбоксильную группу ($-COOH$). Всего существует 25 таких изомеров. Их можно систематизировать, сгруппировав по строению углеродного скелета соответствующей карбоновой кислоты.

1. Производные гексановой кислоты (5 изомеров)

1. 2-аминогексановая кислота (Норлейцин)
   $CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH(NH_2)-COOH$
2. 3-аминогексановая кислота
   $CH_3-CH_2-CH_2-CH(NH_2)-CH_2-COOH$
3. 4-аминогексановая кислота
   $CH_3-CH_2-CH(NH_2)-CH_2-CH_2-COOH$
4. 5-аминогексановая кислота
   $CH_3-CH(NH_2)-CH_2-CH_2-CH_2-COOH$
5. 6-аминогексановая кислота
   $H_2N-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-COOH$

2. Производные метилпентановых кислот

Производные 4-метилпентановой кислоты (4 изомера):

6. 2-амино-4-метилпентановая кислота (Лейцин)
   $(CH_3)_2CH-CH_2-CH(NH_2)-COOH$
7. 3-амино-4-метилпентановая кислота
   $(CH_3)_2CH-CH(NH_2)-CH_2-COOH$
8. 4-амино-4-метилпентановая кислота
   $(CH_3)_2C(NH_2)-CH_2-CH_2-COOH$
9. 5-амино-4-метилпентановая кислота
   $H_2N-CH_2-CH(CH_3)-CH_2-CH_2-COOH$

Производные 3-метилпентановой кислоты (5 изомеров):

10. 2-амино-3-метилпентановая кислота (Изолейцин)
    $CH_3-CH_2-CH(CH_3)-CH(NH_2)-COOH$
11. 3-амино-3-метилпентановая кислота
    $CH_3-CH_2-C(NH_2)(CH_3)-CH_2-COOH$
12. 4-амино-3-метилпентановая кислота
    $CH_3-CH(NH_2)-CH(CH_3)-CH_2-COOH$
13. 5-амино-3-метилпентановая кислота
    $H_2N-CH_2-CH_2-CH(CH_3)-CH_2-COOH$
14. 3-(аминометил)пентановая кислота
    $CH_3-CH_2-CH(CH_2NH_2)-CH_2-COOH$

Производные 2-метилпентановой кислоты (4 изомера):

15. 2-амино-2-метилпентановая кислота
    $CH_3-CH_2-CH_2-C(NH_2)(CH_3)-COOH$
16. 3-амино-2-метилпентановая кислота
    $CH_3-CH_2-CH(NH_2)-CH(CH_3)-COOH$
17. 4-амино-2-метилпентановая кислота
    $CH_3-CH(NH_2)-CH_2-CH(CH_3)-COOH$
18. 5-амино-2-метилпентановая кислота
    $H_2N-CH_2-CH_2-CH_2-CH(CH_3)-COOH$

3. Производные диметилбутановых кислот

Производные 3,3-диметилбутановой кислоты (2 изомера):

19. 2-амино-3,3-диметилбутановая кислота (трет-Лейцин)
    $(CH_3)_3C-CH(NH_2)-COOH$
20. 4-амино-3,3-диметилбутановая кислота
    $H_2N-CH_2-C(CH_3)_2-CH_2-COOH$

Производные 2,2-диметилбутановой кислоты (2 изомера):

21. 3-амино-2,2-диметилбутановая кислота
    $CH_3-CH(NH_2)-C(CH_3)_2-COOH$
22. 4-амино-2,2-диметилбутановая кислота
    $H_2N-CH_2-CH_2-C(CH_3)_2-COOH$

Производные 2,3-диметилбутановой кислоты (3 изомера):

23. 2-амино-2,3-диметилбутановая кислота
    $(CH_3)_2CH-C(NH_2)(CH_3)-COOH$
24. 3-амино-2,3-диметилбутановая кислота
    $(CH_3)_2C(NH_2)-CH(CH_3)-COOH$
25. 4-амино-2,3-диметилбутановая кислота
    $H_2N-CH_2-CH(CH_3)-CH(CH_3)-COOH$

Ответ: Структурные формулы 25 изомеров аминокислот состава $C_6H_{13}NO_2$ представлены выше.

Какие из изображённых изомеров могут входить в состав белка?

В состав белков живых организмов входят преимущественно $\alpha$-аминокислоты, у которых аминогруппа присоединена к $\alpha$-атому углерода (атом C-2, соседний с карбоксильной группой). Из 20 стандартных протеиногенных аминокислот две имеют брутто-формулу $C_6H_{13}NO_2$.

Из всех перечисленных выше изомеров, только два являются стандартными протеиногенными аминокислотами:

• Лейцин (Leu, L), или 2-амино-4-метилпентановая кислота:
  $(CH_3)_2CH-CH_2-CH(NH_2)-COOH$
• Изолейцин (Ile, I), или 2-амино-3-метилпентановая кислота:
  $CH_3-CH_2-CH(CH_3)-CH(NH_2)-COOH$

Стоит отметить, что норлейцин (2-аминогексановая кислота) является изомером лейцина и, хотя и не входит в число 20 стандартных аминокислот, в редких случаях может неспецифически встраиваться в полипептидные цепи белков.

Ответ: В состав белка могут входить лейцин и изолейцин.

5.167. При гидролизе тетрапептида образовалась эквимолярная смесь аланина и валина. Какие тетрапептиды удовлетворяют данному условию?

Дано:

Тетрапептид, который при полном гидролизе образует эквимолярную смесь аминокислот: аланина (Ала) и валина (Вал).

Найти:

Возможные последовательности аминокислотных остатков в данном тетрапептиде.

Решение:

Тетрапептид — это пептид, состоящий из четырех аминокислотных остатков. Условие, что при гидролизе образуется эквимолярная смесь аланина и валина, означает, что мольные количества этих аминокислот в продуктах гидролиза равны. Следовательно, исходный тетрапептид должен состоять из равного числа остатков аланина и валина.

Поскольку общее число аминокислотных остатков равно 4, то в состав молекулы тетрапептида входят два остатка аланина (Ала) и два остатка валина (Вал).

Задача сводится к определению всех возможных уникальных последовательностей расположения двух остатков аланина (обозначим А) и двух остатков валина (обозначим В) в цепи из четырех позиций. Это является комбинаторной задачей на нахождение числа перестановок с повторениями.

Количество различных перестановок можно рассчитать по формуле:

$N = \frac{n!}{n_1! \cdot n_2!}$

где $n$ — общее число аминокислотных остатков в пептиде ($n=4$), $n_1$ — число остатков аланина ($n_1=2$), $n_2$ — число остатков валина ($n_2=2$).

Подставим значения в формулу:

$N = \frac{4!}{2! \cdot 2!} = \frac{1 \cdot 2 \cdot 3 \cdot 4}{(1 \cdot 2) \cdot (1 \cdot 2)} = \frac{24}{4} = 6$

Таким образом, существует 6 возможных изомерных тетрапептидов. Перечислим их все:

1. Ала-Ала-Вал-Вал
2. Ала-Вал-Ала-Вал
3. Ала-Вал-Вал-Ала
4. Вал-Вал-Ала-Ала
5. Вал-Ала-Вал-Ала
6. Вал-Ала-Ала-Вал

Ответ: Условию удовлетворяют 6 тетрапептидов: Ала-Ала-Вал-Вал, Ала-Вал-Ала-Вал, Ала-Вал-Вал-Ала, Вал-Вал-Ала-Ала, Вал-Ала-Вал-Ала, Вал-Ала-Ала-Вал.

5.168. Определите неизвестные вещества в цепочках превращений.

а) Решение

1. Пропановая кислота вступает в реакцию радикального хлорирования под действием УФ-света ($hv$). Хлорирование происходит преимущественно в $\alpha$-положение к карбоксильной группе. Образуется 2-хлорпропановая кислота (X₁).

$CH_3CH_2COOH + Cl_2 \xrightarrow{hv} CH_3CHClCOOH + HCl$

2. 2-хлорпропановая кислота реагирует с азидом натрия ($NaN_3$) в реакции нуклеофильного замещения, где азид-ион замещает атом хлора. Продуктом является 2-азидопропановая кислота (X₂).

$CH_3CHClCOOH + NaN_3 \rightarrow CH_3CH(N_3)COOH + NaCl$

3. Каталитическое гидрирование 2-азидопропановой кислоты на палладиевом катализаторе ($Pd$) приводит к восстановлению азидной группы до аминогруппы. Образуется аминокислота аланин (X₃).

$CH_3CH(N_3)COOH + 2H_2 \xrightarrow{Pd} CH_3CH(NH_2)COOH + N_2$

4. Взаимодействие аланина с азотистой кислотой ($HNO_2$, которая образуется из $HNO_3$ в реакционной смеси или $HNO_3$ используется как ее источник) приводит к дезаминированию с заменой аминогруппы на гидроксильную. Продуктом является молочная (2-гидроксипропановая) кислота (X₄).

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

5. Нагревание молочной кислоты в присутствии концентрированной серной кислоты ($H_2SO_4$) приводит к межмолекулярной этерификации двух молекул с образованием циклического диэфира – лактида (X₅).

$2 \ CH_3CH(OH)COOH \xrightarrow{H_2SO_4, t} \text{лактид} + 2H_2O$

Ответ: X₁ – 2-хлорпропановая кислота ($CH_3CHClCOOH$); X₂ – 2-азидопропановая кислота ($CH_3CH(N_3)COOH$); X₃ – аланин ($CH_3CH(NH_2)COOH$); X₄ – молочная кислота ($CH_3CH(OH)COOH$); X₅ – лактид (3,6-диметил-1,4-диоксан-2,5-дион).

б) Решение

1. Бензиловый спирт окисляется оксидом марганца(IV) ($MnO_2$), который является селективным реагентом для окисления бензиловых спиртов до альдегидов. Образуется бензальдегид (X₁).

$C_6H_5CH_2OH + MnO_2 \xrightarrow{t} C_6H_5CHO + MnO + H_2O$

2. Бензальдегид вступает в реакцию Штрекера с хлоридом аммония ($NH_4Cl$) и цианидом натрия ($NaCN$). Образуется α-аминонитрил – 2-амино-2-фенилацетонитрил (X₂).

$C_6H_5CHO + NH_4Cl + NaCN \rightarrow C_6H_5CH(NH_2)CN + NaCl + H_2O$

3. Кислотный гидролиз нитрильной группы в (X₂) приводит к образованию карбоксильной группы. Продуктом является α-аминокислота фенилглицин (X₃).

$C_6H_5CH(NH_2)CN + 2H_2O \xrightarrow{H^+} C_6H_5CH(NH_2)COOH + NH_3$

4. При нагревании α-аминокислоты, такой как фенилглицин, происходит межмолекулярная конденсация двух молекул с образованием циклического диамида – дикетопиперазина. Продукт – 3,6-дифенилпиперазин-2,5-дион (X₄).

$2 \ C_6H_5CH(NH_2)COOH \xrightarrow{t} \text{3,6-дифенилпиперазин-2,5-дион} + 2H_2O$

5. Восстановление дикетопиперазина сильным восстановителем алюмогидридом лития ($LiAlH_4$) приводит к восстановлению обеих амидных карбонильных групп до метиленовых. Образуется 2,5-дифенилпиперазин (X₅).

$\text{3,6-дифенилпиперазин-2,5-дион} \xrightarrow{LiAlH_4} \text{2,5-дифенилпиперазин}$

Ответ: X₁ – бензальдегид ($C_6H_5CHO$); X₂ – 2-амино-2-фенилацетонитрил ($C_6H_5CH(NH_2)CN$); X₃ – фенилглицин ($C_6H_5CH(NH_2)COOH$); X₄ – 3,6-дифенилпиперазин-2,5-дион; X₅ – 2,5-дифенилпиперазин.

в) Решение

1. Аминокислота аланин реагирует с соляной кислотой ($HCl$), протонируя аминогруппу с образованием соли – хлорида 2-аммонийпропановой кислоты (гидрохлорида аланина) (X₁).

$CH_3CH(NH_2)COOH + HCl \rightarrow CH_3CH(NH_3^+)Cl^-COOH$

2. Взаимодействие гидрохлорида аланина с метанолом ($CH_3OH$, в условии опечатка $CH_2OH$) в присутствии кислоты-катализатора ($H^+$) приводит к реакции этерификации по Фишеру. Образуется метиловый эфир аланина в виде гидрохлорида (X₂).

$CH_3CH(NH_3^+)Cl^-COOH + CH_3OH \leftrightarrow CH_3CH(NH_3^+)Cl^-COOCH_3 + H_2O$

3. Обработка X₂ основанием, карбонатом натрия ($Na_2CO_3$), нейтрализует кислоту и депротонирует аммонийную группу, высвобождая свободный аминоэфир – метиловый эфир аланина (X₃).

$2CH_3CH(NH_3^+)Cl^-COOCH_3 + Na_2CO_3 \rightarrow 2CH_3CH(NH_2)COOCH_3 + 2NaCl + H_2O + CO_2$

4. Ацилирование аминогруппы метилового эфира аланина бензоилхлоридом ($PhCOCl$) в присутствии триэтиламина ($NEt_3$) в качестве основания для связывания выделяющегося $HCl$. Образуется метиловый эфир N-бензоилаланина (X₄).

$CH_3CH(NH_2)COOCH_3 + C_6H_5COCl \xrightarrow{NEt_3} CH_3CH(NHCOC_6H_5)COOCH_3 + NEt_3 \cdot HCl$

5. Реакция X₄ с аммиаком ($NH_3$) приводит к аминолизу сложноэфирной группы, в результате чего образуется амид – N-бензоилаланинамид (X₅).

$CH_3CH(NHCOC_6H_5)COOCH_3 + NH_3 \rightarrow CH_3CH(NHCOC_6H_5)CONH_2 + CH_3OH$

Ответ: X₁ – гидрохлорид аланина ($CH_3CH(NH_3^+)Cl^-COOH$); X₂ – гидрохлорид метилового эфира аланина ($CH_3CH(NH_3^+)Cl^-COOCH_3$); X₃ – метиловый эфир аланина ($CH_3CH(NH_2)COOCH_3$); X₄ – метиловый эфир N-бензоилаланина ($CH_3CH(NHCOC_6H_5)COOCH_3$); X₅ – N-бензоилаланинамид ($CH_3CH(NHCOC_6H_5)CONH_2$).

г) Решение

1. N-ацетилфенилаланин ($Ac-Phe-OH$) реагирует с метиловым эфиром аланина ($Ala-OMe$) в присутствии дициклогексилкарбодиимида (ДЦК, $DCC$) – реагента для образования пептидной связи. Происходит образование дипептида – метилового эфира N-ацетилфенилаланилаланина (X₁).

$Ac-Phe-OH + H_2N-Ala-OMe \xrightarrow{DCC} Ac-Phe-Ala-OMe + \text{дициклогексилмочевина}$

2. Обработка дипептида X₁ метоксидом натрия ($NaOCH_3$) в метаноле ($CH_3OH$) приводит к омылению сложноэфирной группы. Образуется натриевая соль N-ацетилфенилаланилаланина (X₂).

$Ac-Phe-Ala-OMe + NaOCH_3 \rightarrow Ac-Phe-Ala-ONa + CH_3OCH_3$

3. Подкисление соли X₂ азотной кислотой ($HNO_3$) приводит к протонированию карбоксилатной группы и образованию свободной кислоты – N-ацетилфенилаланилаланина (X₃).

$Ac-Phe-Ala-ONa + HNO_3 \rightarrow Ac-Phe-Ala-OH + NaNO_3$

4. Реакция X₃ с уксусным ангидридом ($Ac_2O$) в пиридине приводит к образованию азлактона (оксазолона) из С-концевого аминокислотного остатка. Карбоксильная группа активируется и циклизуется с участием кислорода карбонильной группы пептидной связи. (X₄).

$Ac-Phe-Ala-OH + Ac_2O \rightarrow \text{азлактон} + CH_3COOH$

Ответ: X₁ – метиловый эфир N-ацетилфенилаланилаланина ($Ac-Phe-Ala-OMe$); X₂ – натриевая соль N-ацетилфенилаланилаланина ($Ac-Phe-Ala-ONa$); X₃ – N-ацетилфенилаланилаланин ($Ac-Phe-Ala-OH$); X₄ – азлактон (оксазолон) дипептида.

д) Решение

1. 1-бром-2-фенилэтан реагирует с цианидом натрия ($NaCN$) в реакции нуклеофильного замещения ($S_N2$). Атом брома замещается на цианогруппу, образуется 3-фенилпропаннитрил (X₁).

$C_6H_5CH_2CH_2Br + NaCN \rightarrow C_6H_5CH_2CH_2CN + NaBr$

2. Радикальное бромирование X₁ под действием УФ-света ($hv$) происходит в бензильном положении, которое является наиболее реакционноспособным. Образуется 2-бром-3-фенилпропаннитрил (X₂).

$C_6H_5CH_2CH_2CN + Br_2 \xrightarrow{hv} C_6H_5CH(Br)CH_2CN + HBr$

3. Кислотный гидролиз ($H_2O, H^+$) нитрильной группы в X₂ приводит к образованию карбоксильной группы. Продукт – 2-бром-3-фенилпропановая кислота (X₃).

$C_6H_5CH(Br)CH_2CN + 2H_2O \xrightarrow{H^+} C_6H_5CH(Br)CH_2COOH + NH_4^+$

4. Этерификация X₃ метанолом ($CH_3OH$) в кислой среде ($H^+$) дает соответствующий сложный эфир – метил-2-бром-3-фенилпропаноат (X₄).

$C_6H_5CH(Br)CH_2COOH + CH_3OH \leftrightarrow C_6H_5CH(Br)CH_2COOCH_3 + H_2O$

5. Реакция X₄ с аммиаком ($NH_3$) включает две стадии: сначала нуклеофильное замещение брома на аминогруппу, а затем внутримолекулярная циклизация (аминолиз эфира) с образованием β-лактама. Продукт – 4-фенилазетидин-2-он (X₅).

$C_6H_5CH(Br)CH_2COOCH_3 \xrightarrow{NH_3} [C_6H_5CH(NH_2)CH_2COOCH_3] \rightarrow \text{4-фенилазетидин-2-он} + CH_3OH$

Ответ: X₁ – 3-фенилпропаннитрил ($C_6H_5CH_2CH_2CN$); X₂ – 2-бром-3-фенилпропаннитрил ($C_6H_5CH(Br)CH_2CN$); X₃ – 2-бром-3-фенилпропановая кислота ($C_6H_5CH(Br)CH_2COOH$); X₄ – метил-2-бром-3-фенилпропаноат ($C_6H_5CH(Br)CH_2COOCH_3$); X₅ – 4-фенилазетидин-2-он.

е) Решение

1. Метил-2-метоксиакрилат вступает в реакцию сопряженного присоединения (реакция Михаэля) с цианидом натрия ($NaCN$). Цианид-ион атакует β-углеродный атом двойной связи. После протонирования образуется метил-3-циано-2-метоксипропаноат (X₁).

$CH_2=C(OCH_3)COOCH_3 + NaCN \rightarrow [NCCH_2C^-(OCH_3)COOCH_3] \xrightarrow{H^+} NCCH_2CH(OCH_3)COOCH_3$

2. Каталитическое гидрирование X₁ на никелевом катализаторе ($H_2, Ni$) приводит к восстановлению нитрильной группы до первичной аминогруппы. Образуется метил-4-амино-2-метоксибутаноат (X₂).

$NCCH_2CH(OCH_3)COOCH_3 + 2H_2 \xrightarrow{Ni} H_2NCH_2CH_2CH(OCH_3)COOCH_3$

3. При нагревании γ-аминоэфира X₂ происходит внутримолекулярная циклизация (аминолиз) с образованием пятичленного циклического амида – γ-лактама. Продукт – 4-метоксипирролидин-2-он (X₃).

$H_2NCH_2CH_2CH(OCH_3)COOCH_3 \xrightarrow{t} \text{4-метоксипирролидин-2-он} + CH_3OH$

4. Восстановление лактама X₃ алюмогидридом лития ($LiAlH_4$) превращает амидную группу в амин. Образуется цикличесий амин – 3-метоксипирролидин (X₄).

$\text{4-метоксипирролидин-2-он} \xrightarrow{LiAlH_4} \text{3-метоксипирролидин}$

Ответ: X₁ – метил-3-циано-2-метоксипропаноат ($NCCH_2CH(OCH_3)COOCH_3$); X₂ – метил-4-амино-2-метоксибутаноат ($H_2NCH_2CH_2CH(OCH_3)COOCH_3$); X₃ – 4-метоксипирролидин-2-он; X₄ – 3-метоксипирролидин.

ж) Решение

1. Радикальное хлорирование уксусной кислоты ($CH_3COOH$) под действием УФ-излучения ($hv$) приводит к замещению атома водорода в метильной группе на хлор. Образуется хлоруксусная кислота (X₁).

$CH_3COOH + Cl_2 \xrightarrow{hv} ClCH_2COOH + HCl$

2. Хлоруксусная кислота реагирует с избытком аммиака ($NH_3$). Аммиак выступает как нуклеофил, замещая хлор, и как основание, нейтрализуя кислотную группу. Продуктом является аминокислота глицин (X₂).

$ClCH_2COOH + 2NH_3 \rightarrow H_2NCH_2COOH + NH_4Cl$

3. Глицин, будучи амфотерным соединением, реагирует с гидроксидом натрия ($NaOH$) с образованием соли – глицината натрия (X₃).

$H_2NCH_2COOH + NaOH \rightarrow H_2NCH_2COONa + H_2O$

4. Глицинат натрия реагирует с гидроксидом меди(II) ($Cu(OH)_2$). Аминокислота образует с ионом $Cu^{2+}$ хелатный комплекс характерного синего цвета – бис(глицинато)медь(II) (X₄).

$2H_2NCH_2COONa + Cu(OH)_2 \rightarrow Cu(H_2NCH_2COO)_2 + 2NaOH$

Ответ: X₁ – хлоруксусная кислота ($ClCH_2COOH$); X₂ – глицин ($H_2NCH_2COOH$); X₃ – глицинат натрия ($H_2NCH_2COONa$); X₄ – бис(глицинато)медь(II) ($Cu(H_2NCH_2COO)_2$).

з) Решение

1. Сульфирование толуола концентрированной серной кислотой ($H_2SO_4$) при нагревании. Метильная группа является орто-, пара-ориентантом, а при повышенной температуре образуется преимущественно термодинамически стабильный пара-изомер – п-толуолсульфокислота (X₁).

$C_6H_5CH_3 + H_2SO_4 \xrightarrow{t} p-CH_3C_6H_4SO_3H + H_2O$

2. Нитрование X₁ нитрующей смесью ($HNO_3, H_2SO_4$). Сульфогруппа – мета-ориентант, а метильная – орто-, пара-. Нитрование идет в положение орто- к метильной и мета- к сульфогруппе. Образуется 4-метил-3-нитробензолсульфокислота (X₂).

$p-CH_3C_6H_4SO_3H + HNO_3 \xrightarrow{H_2SO_4} \text{4-метил-3-нитробензолсульфокислота} + H_2O$

3. Реакция десульфирования. Нагревание X₂ с разбавленной кислотой ($H_2O, H^+$) приводит к отщеплению сульфогруппы. Образуется м-нитротолуол (X₃).

$\text{4-метил-3-нитробензолсульфокислота} + H_2O \xrightarrow{H^+, t} m-NO_2C_6H_4CH_3 + H_2SO_4$

4. Окисление метильной группы в X₃ сильным окислителем, перманганатом калия ($KMnO_4$) в кислой среде. Образуется м-нитробензойная кислота (X₄).

$5 \ m-NO_2C_6H_4CH_3 + 6KMnO_4 + 9H_2SO_4 \rightarrow 5 \ m-NO_2C_6H_4COOH + 3K_2SO_4 + 6MnSO_4 + 14H_2O$

5. Каталитическое гидрирование ($H_2, Ni$) нитрогруппы в X₄ до аминогруппы. Образуется м-аминобензойная кислота (X₅).

$m-NO_2C_6H_4COOH + 3H_2 \xrightarrow{Ni} m-NH_2C_6H_4COOH + 2H_2O$

6. При нагревании м-аминобензойной кислоты происходит межмолекулярная поликонденсация с образованием полиамида – поли(м-бензамида) (X₆).

$n \ m-NH_2C_6H_4COOH \xrightarrow{t} -[-NH-C_6H_4-CO-]_n- + nH_2O$

Ответ: X₁ – п-толуолсульфокислота; X₂ – 4-метил-3-нитробензолсульфокислота; X₃ – м-нитротолуол; X₄ – м-нитробензойная кислота; X₅ – м-аминобензойная кислота; X₆ – поли(м-бензамид).

и) Решение

1. Гидроборирование-окисление 3-метилбут-1-ина. Реакция протекает против правила Марковникова, гидроксильная группа присоединяется к терминальному атому углерода. Образующийся енол таутомеризуется в альдегид – 3-метилбутаналь (X₁).

$(CH_3)_2CH-C \equiv CH \xrightarrow{1)B_2H_6 \ 2)H_2O_2, NaOH} (CH_3)_2CH-CH_2-CHO$

2. 3-метилбутаналь вступает в реакцию Штрекера с хлоридом аммония ($NH_4Cl$) и цианидом натрия ($NaCN$). Образуется α-аминонитрил – 2-амино-4-метилпентаннитрил (X₂).

$(CH_3)_2CH-CH_2-CHO + NH_4Cl + NaCN \rightarrow (CH_3)_2CH-CH_2-CH(NH_2)CN + NaCl + H_2O$

3. Кислотный гидролиз ($H_2O, HCl$) нитрильной группы в X₂ приводит к образованию карбоксильной группы. Продуктом является аминокислота лейцин (X₃).

$(CH_3)_2CH-CH_2-CH(NH_2)CN + 2H_2O \xrightarrow{HCl} (CH_3)_2CH-CH_2-CH(NH_2)COOH + NH_4Cl$

4. Лейцин (X₃) реагирует с нингидрином в присутствии основания ($KOH$) с образованием интенсивно окрашенного продукта, известного как Руманов пурпур (X₄). Это качественная реакция на α-аминокислоты.

$\text{Лейцин} + 2 \ \text{Нингидрин} \xrightarrow{KOH} \text{Руманов пурпур} + CO_2 + (CH_3)_2CH-CH_2-CHO + 3H_2O$

Ответ: X₁ – 3-метилбутаналь; X₂ – 2-амино-4-метилпентаннитрил; X₃ – лейцин; X₄ – Руманов пурпур.