Синтез и свойства аминокислот

В состав белков входит до 30 различных аминокислот, которые Moiyr быть выделены при гидролизе белка. Однако разделение смеси громадного количества аминокислот, получающихся при гидролизе белков, представляет непростую задачу. Поэтому в большинстве случаев целесообразно получать аминокислоты синтетическим путем. Обычно применяют следующие методы.

1. Синтез из альдегидов и кетонов. Действие цианида калия и хлорида аммония приводит к синтезу а-аминонитрилов кислот, которые после гидролиза образуют а-аминокислоты:

2. Присоединение Ni l; к солям а, р-непредельных кислот:

Присоединение происходит против правила Марковникова, т. с. атом водорода присоединяется нс к СТЬ-группе. а кСН-, так как а-электрониыи акцептор СООН наводит положительный заряд на О В-группе:

3. Действие NH₃ на галогенопроизводные кислот:

Метод удобен для синтеза самых разнообразных кислот, однако возникают большие трудности отделения солей аминокислот от хлорида аммония.

4. Более сложные аминокислоты получаются действием на малоновый эфир альдегидов и аммиака (синтез Р-амшюкислот по Родионову):

5. Восстановлением оксимов и гидрозонов кетокислот:

6. Ароматические аминокислоты могут быть получены восстановлением нитропроизводных карбоновых кислот аренов:

Эфиры о-аминобензойной (так называемой антраниловой кислоты) содержатся в эфирных маслах жасмина, винограда, мандаринов. Синтетически эта кислота может быть получена аммонолизом о-хлорбензойной кислоты:

л-Аминобензойная кислота (витамин Н) играет большую роль в жизни микроорганизмов, в том числе болезнетворных. Она может быть получена восстановлением л-нитробензойной кислоты. Эта аминокислота w-NH₂—С₆Н₄—СООН входит в состав ряда анестезирующих средств, в том числе новокаина.

Все природные аминокислоты не ароматического ряда, за исключением глицина, являются оптически активными и относятся к L-ряду, т. с. все вращают плоскость поляризации света влево:

Организм животных и человека ассимилирует (усваивает) только Lаминокислоты. Аминокислоты — бесцветные кристаллические вещества с высокой температурой плавления (от 150 до 330 °С). Плавятся с разложением. нелетучи. Большинство из них хорошо растворяются в воде и плохо в органических растворителях. Это свойство связано с тем. что за счет внутримолекулярной ионизации, обусловленной кислотной диссоциацией карбоксильной группы и протонированием NH₂-rpynnbi, образуется внугренняя соль:

Прежде такие биполярные ионы называли «цвиттер"-ионами. Поляризация зарядов приводит к тому, что их физические свойства напоминают свойства солей алкиламмония. В колебательных спектрах у них нет полос, отио;

сящихся кСООН иNH₂, потому, что в равновесии с биполярными ионами находится очень незначительное число молекулярной формы NH₂—R—СООН. В результате этого в электрическом поле аминокислоты не испытывают движения ни к катоду, ни к аноду. Следовательно, электрический ток они не проводят, хотя являются сильными электролитами. Электрические свойства (поведение в электрическом поле) аминокислот зависят от кислотности раствора. Моноаминомонокарбоновые кислоты электрически нейтральны при pH 6. Эта точка кислотности на шкале pH называется изоэлектрической точкой. Аналогичное pH имеет водный раствор ацетата аммония. При pH ниже 6 происходит протонирование карбоксила:

В результате этого катион аминокислоты становится катодно-активным, т. е. частица движется к катоду'. При pH выше 6 происходит нейтрализация аммоний-катиона и образуется анодно-активный анион, движущийся к аноду:

Таким образом, за пределами изоэлектрической точки аминокислоты начинают проводить электрический ток и разряжаются на электродах. Следует иметь в виду, что ароматические аминокарбоновые кислоты находятся в молекулярной форме и слабо подвергаются внутренней ионизации за счет передачи протона, так как «ароматическая» аминогруппа является слабым основанием, находясь в состоянии wc-сопряжения с бензольным ядром:

Химические свойства аминокислот обусловлены наличием в них двух функциональных групп: -NH₂ иСООН. Аминокислоты обладают всеми свойствами карбоновых кислот: образуют соли, сложные эфиры, амиды. Их ангидриды и хлорангидриды неустойчивы из-за наличия NI-Ь-группы. Им присущи все реакции аминов: они алкилируются и ацилируются в NH₂— группе, с HNO3 образуют оксикислоты и т. д. Из вновь приобретенных свойств за счет взаимного влияния группNH₂ иСООН главными являются:

1. Способность вступать в реакцию конденсации друг с другом с отщеплением Н₂0 и образованием линейных, циклических и линейно-циклических полимеров:

В результате этой ферментативной реакции, протекающей в природных условиях, сначала образуются димеры и тримеры, называемые дипептидами и трипсптидами, а затем образуются более сложные полимеры. При /? ^ 100—150 их называют полипептидами, более длинные цепочки полимеров (до п = 500 000) — протеинами, или белками.

На этой реакции, как и на многих других, построена жизнь во Вселенной. Жизнь, как медленно протекающий процесс, строится на взаимодействии предельно сильно экранированных реакционных центров. Это экранирование во всех важнейших биосистемах осуществляют белки, обладающие сложной пространственной структурой.

2. Важнейшей особенностью аминокислот является их высокая комплексообразующая способность. Она обусловлена хелатным эффектом. При этом возникающий цикл, замыкающийся на ионе металла, устойчиво блокирует реакционный центр — ион металла от атаки координирующего растворителя (Н₂0, ROH, R₂CO и т. д.), создавая за счет достаточно прочной ионноковалентной связи атомное экранирование в плоскости ху ив параллельных ей плоскостях:

При этом ошибочно утверждалось, что стабилизация комплекса за счет замыкания цикла на металле является только энергетической (энтальпийной) и связана будто бы с упрочением химических связей в хелате по сравнению с простыми не хелатирующими лигандами (NH₃, NH₂R, RCOO" и т. д.).

В настоящее время подтверждено экспериментально, что макроциклический и хелатный эффект не являются энергетическими и не влияют на прочность связи, а являются эффектами в основном структурно-кинетическими. приводящими к усложнению механизма диссоциации комплекса и снижению скоростей диссоциации хелатного комплекса по сравнению с нехелатными комплексами (Б. Д. Березин).

Особенно велика стабилизация (рост констант устойчивости К_у до 10²⁵ при координационном числе М²* и М³ равном 6) в комплексонатах металлов. В них реакционный центр — атом металла попадает в трехмерную полость из атомов N, О, С и Н. Например, полное стерическое экранирование РЦ иона металла (•) наблюдается в его этилендиаминтетраацетате:

Резко возрастающая кинетическая устойчивость комплекса (снижение скорости диссоциации комплекса на много порядков) приводит, естественно, к термодинамической стабилизации, т. е. к росту К_у комплекса:

Главной причиной большого роста кинетической устойчивости комплекса с хелатообразующими, макроциклическими и полимерными лигандами. если эти последние также экранируют координационный узел химической связи металла с донорными атомами, является малая вероятность образования переходного состояния в реакции диссоциации вследствие усложнения механизма химического взаимодействия реагентов. Эти новые представления в химии разрабатываются в экспериментальном и теоретическом плане.

3. В отличие от монокарбоновых кислот и аминов аминокислоты оказываются термически неустойчивыми и при нагревании отщепляют воду или аммиак. Так, а-аминокислоты вступают друг с другом в реакцию ацилирования. образуя шестичленные циклические диамиды, так называемые дикетогшперазины:

Р-Лминокнслоты отщепляют при нагревании NH₃ и образуют непредельные кислоты:

у-Дминокислоты (а также 6-, еи т. д.) образуют внутримолекулярные циклические амиды — лактамы. При этом у-аминомасляная кислота образует убугиролактам, а с-аминокапроновая кислота — капролактам:

Капролактам, который получают в промышленном масштабе из циклогексанона через оксим и его бекмановскую перегруппировку, используется для производства капрона.