Методические указания c органической химии для студентов II курса специальности „Фармация”
Галогено-, окси- и аминокислоты и их функциональные производные.
Цель занятия:
сформировать знание о строении, номенклатуре, химических свойствах, практическом значении аминокислот.
Практические навыки:
завладеть методиками препаратов идентификации аминокислот и выявления пептидной связи в белках.
Программа самоподготовки студентов.
1. Строение и классификация, номенклатура аминокислот. Стереоизомерия -аміноксилот: D- и L-ряди.
2. Физические свойства аминокислот. Способы получения аминокислот.
3. Биполярная структура -амінокислот, образование хелатних соединений. Понятие об изоэлектрической точке.
4. Химические свойства аминокислот как бифункциональных соединений. Отношение б-, в- и грамма-аминокислот к нагреванию.
5. Методы идентификации аминокислот.
6. Классификация, номенклатура, изомерия и способы получения галогенокарбонових кислот.
7. Зависимость кислотных свойств галогенокислот от природы, количества атомов галогенов и расположения их относительно карбоксильной группы.
8. Химические свойства галогенокарбонових килот. Повышена подвижность атому галогена в б-позиції в алифатических, а также орто- и пара- положениях в ароматических галогенокарбонових кислотах.
9. Номенклатура, изомерия и способы получения спирто- и фенолокислот.
10. Химические свойства гідроксикислотот. Отношение б-, в- и грамм-гідроксикислот к нагреванию. Расщепление б-гідроксикислот.
11. Химические свойства салициловой кислоты и получения на ее основе производных, лекарственных препаратов.
Ситуационные задачи. 1, 2
1. Напишите структурные формулы следующих соединений: 1) глицин; 2) серин; 3) орнитин; 4) гистидин; 5) фенілаланін; 6) глутаминовая кислота; 7) пролин; 8) метионин; 9) аргинин; 10) триптофан; 11) g-гідроксилізин; 12) g-аміномасляна кислота (аміналон); 13) диамид глутаминовой кислоты; 14) аммонийная соль аланіну; 15) нитрил -амінокапронової кислоты.
2. Назовите приведенные соединения за международной и тривиальной номенклатурой:
3. В каждой из приведенных соединений укажите хіральний атом карбона и для трех из них напишите проекционные формулы Фишера и назовите их за D,L- и R,S-номенклатурами. На примере L-серину и L-цистеїну покажите, какие взаимоотношения между D,L- и R,S-номенклатурами. Почему не всегда есть прямая корреляция L- с S-ізомером. Среди приведенных аминокислот отметьте незаменимые.
4. Напишите схему взаимодействия,-діаміновалеріанової кислоты (орнитину) и аланіну со следующими реагентами: 1) NAOH (H2O); 2) HCl; 3) CH3ОН (Н+); 4) CH3C(O)Cl; 5) NaNO2 (HCl); 6) C6H5CH2C(O)Cl (бензоксикарбоніл-хлорид); 7) CH3I; 8) 2,4-динітрофлуорбензен; 9) PCl5; 10) Cu(OH)2. Назовите полученные соединения. Какое строение продукта последней реакции? К какому классу соединений принадлежит этот продукт?
5. Какие превращения испытывают -, -, -, -аміновалеріанові кислоты во время их нагревания? Назовите полученные соединения. Чем объяснить отличия в превращениях аминокислот во время нагревания в зависимости от положения аминогруппы в молекуле.
6. С помощью каких реакций можно синтезировать 1) аспарагиновую кислоту из янтарной кислоты; 2) аланін из пировиноградной кислоты; 3) лизин из циклогексанона; 4) валин из -галогензаміщених естерів кислот и фтальіміду.
7. Охараткеризуйте, что такое изоэлектрическая точка аминокислот и белков. Объясните, почему изоэлектрическая точка для аланіну, валина, лейцину лежит в интервале рНі = 6, для лизина рНі = 9,74, для аргинина рНі = 10,76, а для аспарагиновой кислоты рНі = 2,77. От чего зависит положение изоэлектрической точки аминокислот и белков. Как изменяется стойкость белков в этой точке к их взрыву водорастворимыми органическими растворителями и висолення растворами солей?
8. При расписании (декарбоксилировании) каких аминокислот, которые входят в состав белков, образуются ядовитые діаміни – путресцин (тетраметилендиамин) и кадаверин (пентаметилендиамин), которые называют птоамінами, или трупными ядами? Напишите реакции декарбоксилирования этих кислот.
9. Напишите схему взаимодействия аспарагиновой кислоты с формальдегидом. На полученный продукт подействуйте раствором луга. Укажите на практическое использование этих реакций для количественного определения карбоксильных групп (формольное титрование).
10. Напишите схему взаимодействия -амінопропіонової кислоты из HNO2. Какое приложение находит реакціф взаимодействия нитритной кислоты с аминокислотами в органическом анализе? Как количественно определяют содержание белка в пищевых продуктах?
11. Определите строение вещества состава C3H7NO2, которая имеет амфотерні свойства, при реакции с нитритной кислотой выделяет азот, с этиловым спиртом в присутствии HCl образует соединение C5H11NO2, а во время нагревания переходит в вещество C6H10NO2.
12. Назовите пептиды, указав N-i C-кінцеві аминокислоты:
13. Исходя из уксусной кислоты, предложите схемы получения бромоцтової, гідроксіоцтової и аминоуксусной кислот.
14. Дайте определение понятием «спиртокислоти» и «фенолокислоти». Наведите схему и механизм реакции получения салициловой кислоты за методом Кольбе— Шмитта. Почему кислотность салициловой кислоты более высока, чем ее пара- и мета-ізомерів? Напишите схемы качественных реакций, которые позволяют отличить салициловую кислоту: 1) от фенола; 2) бензойной кислоты; 3) ацетилсалициловой кислоты.
15.Сравните отношение к нагреванию б-, в- и грамм-гідроксикислот. Назовите продукты.
16. Напишите уравнение реакций, которые позволяют осуществить такие схемы химических превращений:
Практическая часть.
Опыт 1 Доведение строения молочной кислоты
А. В сухую пробирку вмещают 0,5 мл молочной кислоты и осторожно приливают 0,5 мл концентрированной сульфатной кислоты. Отверстие пробирки закрывают пробкой с газоотводной трубкой. Раствор осторожно нагревают в пламени горелки. Жидкость в пробирке темнеет и пенится. Молочная кислота при нагревании в присутствии концентрированной сульфатной кислоты раскладывается с образованием уксусного альдегида и муравьиной кислоты, которая в свою очередь раскладывается к карбону (II) окисла и воды. При поджоге газа, который выделяется
из газоотводной трубки, наблюдают голубую расцветку пламени, которое свидетельствует о выделении карбону (II) окисла:
Бы. В пробирку вмещают 1 мл воды, 0,5 мл концентрированной сульфатной кислоты и 0,5 мл молочной кислоты. Пробирку закрывают пробкой с газоотводной трубкой, конец которой опускают в пробирку из 1 мл раствора йода в калию йодиде, предварительно обесцвеченного добавлением нескольких капель 10 %-вого раствору натрия гидроксида. Пробирку с молочной кислотой нагревают в пламени горелки. При нагревании молочная кислота раскладывается с образованием газообразного ацетальдегида (см. опыт А), который при пропускании через раствор натрия гіпойодиту образует желтый осадок йодоформа с характерным запахом:
Опыт 2. Доведение строения виновного кислоты
А. В пробирку вмещают 2 капли 15 %-вого раствору виновной кислоты и 4 капли 3 %-вого раствору калию гидроксида. Наблюдают постепенное выделение белого кристаллического осадка кислой калиевой соли виновной кислоты. Эту реакцию используют в аналитической практике для выявления ионов калию:
При последующем добавлении в пробирку 5—10 капель 3 %-вого раствору калию гидроксида осадок растворяется, образовывая водорастворимую среднюю калиевую соль виновной кислоты:
Раствор соли хранят для проведения опыта Бы.
Бы. В пробирку вмещают по 4 капли 2 %-вого раствору купруму (II) сульфата и 10 %-вого раствору натрия гидроксида. Наблюдают образование синего осадка купруму (II) гидроксида, который при добавлении раствору калию тартрату растворяется, образовывая . хелатний медно виннокислый комплекс:
Опыт 3. Расщепление лимонной кислоты под действием концентрированной сульфатной кислоты
В сухую пробирку на высоту 5 мм помещают лимонную кислоту и осторожно приливают 1 мл концентрированной сульфатной кислоты. Пробирку закрывают пробкой с газоотводной трубкой, конец которой опускают в пробирку с известковой водой. Почему проходит помутнение?
Продолжая нагревание вихдної смеси, конец газоотводной трубки опускают в пробирку, которая содержит 1 мл йоду в калий йодиде, предварительно обесцвеченного добавлением нескольких капель 10%-ного натрию гидроксида. Наблюдают образование желтого осадка и чувствуют характерный запах йодоформа:
При поджоге газа, который выделяется из газовідвідноїх трубки, наблюдают голубую расцветку пламени, которое свидетельствует о выделении карбон (ІІ) окисла.
Опыт Сублимация и разложение салициловой кислоты.
В сухую пробирку на высоту 5 мм помещают салициловую кислоту и нагревают в пламени горелки. Салициловая кислота при нагревании сублимируется в виде белого налета на холодных стенках пробирки. Продолжают нагревать не только дно пробирки, но и стенки выше уровня жидкости, чтобы пары кислоты проходили через нагретую зону. В итоге декарбоксилування кислоты образуется фенол, который определяют за характерным запахом:
Видлений карбон (ІV) окисел при пропускании через известковую воду образует белый осадок кальция карбоната.
Опыт 4 Реакции салициловой кислоты.
А. В две пробирки наливают по 1 мл 5%-ного розчиу натрия гидрокарбоната. В одну пробирку на кончике шпателя добавляют салициловую кислоту, в друге – такое же количество фенола. Содержание пробирок стряхивают . в пробирке с салициловой кислотой наблюдают выделение пузырьков газу. В пробирке с фенолом видимых изменений не наблюдают. Почему?
Бы. В пробирке в 1 мл воды растворяют несколько кристаллов салициловой кислоты и добавляют 1 краплю 1%-ного раствору ферум (ІІІ) хлорида.Наблюдают появление интенсивно фиолетовой расцветки.
При добавлении в пробирку ровного объема этанола расцветки комплекса сохраняется, в отличие от хелатного комплекса фенола из ферум (ІІІ) хлориом.
В. В две пробирки вмещают отдельно по нескольку кристаллов салициловой и бензойной кислот, растворив их в 5-10 каплях дистиллированной воды. Стряхивая содержание пробирок, добавляют 2-3 капли бромної воды. В пробирке с салициловой кислотлою, на ввідміну от бензой ної кислоты выпадает осадок белого цвета:
При добавлении избытку бромної воды расцветки осадка становится светло-желтым, что связано из декарбоксилуванням и образованием 2,4,6-трибромфенолу:
Содержание пробирки для удаления избытка брома осторожно кипятят в течение 1 хв и спостеріігають растворение осадка. 2,4,6-Трибромфенол превращается в 2,4,4,6-тетрабромо-2,5-циклогексадієн-1-он.
В фармацевтической практике эта реакция положена в основу броматометричного метода определения салициловой кислоты.
Опыт 5 Гидролиз ацетилсалііцилової кислоты.
В пробирку на кончике шпателя вмещают ацетилсалициловую кислоту и доливают 2 мл воды. Получен раствор роздііляють на 2 части, одну из которых кипятят в течение 2-3 хв, а затем охлаждают.В каждую пробирку добавляют по 3 капли 1%-ного раствора ферум (ІІІ) хлорида. Содержание пробирки, которая поддавалась нагреванию, приобретает фиолетовую расцветку, которая свидетельствует о наличии фенольного гідроксилу, который образовался в результате гидролиза ацетилсаліциової кислоты. Напишите соответствующие уравнения реакций.
Опыт 6. Отношение моноаміномонокарбонових кислот к индикаторам.
Реактивы: 2%-ний раствор аминоацетатной кислоты (глицин); 2%-ний раствор аланіну; 2%-ний раствор лейцина; индикаторы: 1%-ні растворы метилоранжу, метилового красного, лакмуса (синий и красный); универсальная индикаторная бумажка со шкалой рН.
Методика выполнения. В четыре пробирки вносят по 1 мл 2%-ного раствора аминоацетатной кислоты (глицину). Потом в каждую пробирку добавляют по 2-3 капли раствора индикатора: в первую – метилоранжу, в друге – метилового красного, в третью – синего лакмуса, в четвертую – красного. Наблюдают, что расцветка индикаторов не изменяется.
Аналогичные опыты проводят с 2%-ними растворами аланіну и лейцина, которые также не изменяют расцветку индикаторов. После этого на полоску универсальной индикаторной бумажки наносят по одной капле 2%-х растворов глицина, аланіну и лейцина. С помощью шкалы определяют рН этих растворов.
Растворы моноаміномонокарбонових кислот имеют нейтральную реакцию среды, поскольку эти кислоты содержат две противоположных за своим характером функциональных группы: карбоксильную, которая предоставляет им кислотных свойств, и аминогруппу, которая предоставляет им основных свойств. Следовательно, аминокислоты являются амфотерними соединениями и существуют в виде биполярных ионов (цвіттер-йонів). Основность аминогруппы и кислотность карбоксильной группы приблизительно одинаковые и потому водные растворы моноаміномонокарбонових кислот имеют нейтральную реакцию:
Опыт 7. Свойства аминоацетатной кислоты (глицину).
Реактивы: 10%-ний раствор аминоацетатной кислоты; 2%-ний раствор аминоацетатной кислоты; кристаллическая аминоацетатная кислота; насыщен раствор натрий карбоната; 0,1%-ний раствор хлоридної кислоты; порошок купрум(ІІ) окисла; 10%-ний раствор натрий гидроксида; ледяная ацетатная кислота; 10%-ний раствор натрий нитрита; 1%-ний раствор метилоранжу; 0,2%-ний раствор метилового красного; нейтрализован раствор формальдегида.
Оборудование: водяная баня; стакан с льдом.
Методика выполнения. а) амфотерні свойства глицина. В пробирку вносят 0.1 граммов глицина и 1 мл насыщенного раствора натрий карбоната. Наблюдают за реакцией, которая сопровождается выделением газообразного продукта, – карбон(ІV) окисла. Следовательно, глицин имеет кислотные свойства и они сильнее, чем у карбонатной кислоты.
После этого исследуют взаимодействие глицина с хлоридною кислотой. До 1 мл 0,1%-ного раствора хлоридної кислоты добавляют 1-2 капли метилоранжу. Индикатор окрашивающийся в красный цвет. К окрашенному индикатором раствору хлоридної кислоты небольшими порциями добавляют глицин (кристаллический). Наблюдают, как индикатор изменяет свою расцветку из красного на желтое. Это свидетельствует о взаимодействии хлоридної кислоты из аміноацетаною. рН среды реакционной смеси изменяется, поскольку аминогруппа связывает хлоридну кислоту. Следовательно, аминоацетатная кислота (глицин) имеет основные свойства (благодаря аминогруппам) и взаимодействует с хлоридною кислотой. Продуктом такого взаимодействия является соль – гідрогенхлорид глицину.
б) образование комплексной соли купрум(ІІ) аминоацетатной кислоты. В пробирке нагревают 0,5 граммов порошковидного купрум(II) окисла из 2-3 мл 2%-ного раствора аминоацетатной кислоты. После нагревания в течение 2-3 хв. пробирку с реакционной смесью ставят в штатив для отстаивания. Наблюдают, как раствор над купрум(ІІ) окислом, который не вступил в реакцию, окрашен в темно-синий цвет. Получен раствор осторожно декантацией отделяют от купрум(ІІ) окисла в две пробирки, одну из которых ставят в стакан с льдом, а в другую добавляют 2-3 капли 10%-ного раствору натрий гидроксида. При добавлении к полученному раствору соли купрум(ІІ) аміноаміноацетату луга осадок купрум(ІІ) гидроксида не образуется, как это имеет место в случае действия луга на другие соли купруму. Следовательно, в случае взаимодействия аминоацетатной кислоты с купрум(ІІ) окислом образуется не обычная соль купруму, а внутрикомплексная хелатна соединение, в котором атом купруму связан не только с атомом оксигену карбоксильной группы, но и с атомом нітрогену аминогруппы:
Такие внутримолекулярные комплексы -амінокислот с ионами купруму очень стойкие и при действии лугов не раскладываются. Охлаждение реакционной смеси приводит к постепенному выпадению в осадок данного комплексного соединения.
Соль купрум (ІІ) аминоацетата можно добыть также взаимодействием аміноацеьаьної кислоты с купрум(ІІ) гидроксидом. Сначала добывают купрум(ІІ) гидроксид. Для этого в пробирку вносят 0,5 мл 5%-ного раствора купрум(ІІ) сульфата и 1-2 мл 10%-ного раствора натрий гидроксида. К полученному таким способом купрум(ІІ) гидроксида добавляют 2%-ний раствор аминоацетатной кислоты. Обратите внимание, что в процессе перемешивания реакционной смеси осадок купрум(ІІ) гидроксида растворяется. Раствор становится прозрачным и окрашивающийся в темно-синий цвет.
в) взаимодействие глицина с нитритной кислотой. В пробирке смешивают 1 мл 10%-ного раствора глицина из 1 мл ледяной ацетатной кислоты. К полученной реакционной смеси каплями добавляют 1 мл 10%-ного раствора натрий нитрита. Содержание пробирки осторожно перемешивают. Наблюдают за интенсивным выделением пузырьков газу (азоту). К отверстию пробирки подносят тлеющую скалку. Она гаснет.
г) взаимодействие аминоацетатной кислоты с формальдегидом. В пробирку вносят 2 мл 2%-ного раствора аминоацетатной кислоты и 1-2 капли индикатора метилового красного. Раствор окрашивающийся в желтый цвет. После этого в пробирку к раствору аминоацетатной кислоты добавляют 1 мл нейтрализованного раствора формальдегида. Наблюдают, как желтая расцветка раствора изменяется на красную. Следовательно, среда в реакционной смеси стала кислой. Это предопределено тем, что формальдегид взаимодействует с аминогруппой молекулы аминокислоты, связывает ее, а карбоксильная группа при этом высвобождается и предопределяет кислую реакцию раствора.
В случае добавления раствору формальдегида к моноамінокарбонових кислотам можно определить их концентрацию титрованием с помощью луга (формольное титрование за Серенсеном).
Опыт 8. Реакция -амінокислот из нінгідрином.
Реактивы: 1%-ний раствор аминоацетатной кислоты; 1%-ний раствор аланіну; 1%-ний раствор лейцина; 0,1%-ний раствор нінгідрину.
Методика выполнения. Опыт проводят в трех пробирках, в первую из которых вносят 2 мл 1%-ного раствора аминоацетатной кислоты, в друге – 2 мл 1%-ного раствора аланіну (a-амінопропіонової кислоты), в третью – 2 мл 1%-ного раствора лейцина. К раствору аминокислот в каждую пробирку добавляют 2-3 капли 0,1%-ного раствору нінгідрину в ацетоне. Реакционные смеси в пробирках хорошо перемешивают и ставят в горячую водяную баню. Спустя некоторое время реакционные смеси в пробирках окрашивающиеся в сине-фиолетовый цвет. Интенсивность расцветки пропорциональна концентрации -амінокислоти.
Аминокислота взаимодействует из нінгідрином и образует продукт конденсации типа азометинов:
Продукт конденсации путем перегруппировки и последующего гидролиза образует 2-аміноіндандіон, который взаимодействует из нінгідрином и образует краситель (синей Руемана):
Реакция из нінгідрином очень чувствительна. Ее используют для качественного и количественного анализа -амінокислот.
Контрольные вопросы:
1. Для каких еще классов органических соединений характерной является реакция с солями купруму(ІІ)?
2. Какое практическое значение имеет реакция из нінгідрином?
3. Напишите схему расщепления молочной кислоты под действием концентрова-
ної сульфатной кислоты при нагревании. С помощью каких химических
реакций обнаруживают продукты расщепления?
4. Напишите схемы реакций, которые доводят наличие в молекуле виновной
кислоты карбоксильных групп и ос-глікольного фрагменту.
5. Сравните растворимость кислых и средних солей виновной кислоты.
6. Сравните отношение фенола и салициловой кислоты к действию натрия
гидрокарбонату.
7. О наличии какой функциональной группы свидетельствует реакция салициловой
кислоты с феруму (III) хлоридом? Можно ли с помощью этой реакции
отличить фенол от салициловой кислоты? Ответ объясните.
8. Наведите схемы реакций, которые подтверждают наличие в молекуле са-
ліцилової кислоты: 1) фенольного гідроксилу; 2) карбоксильной гру-
пи; 3) ароматического кольца. Назовите продукты.
9. Наведите схемы реакций, которые перебегают при взаимодействии молочной, вин-
ної, салициловой и аминоуксусной кислот с купруму (II) гидроксидом.
Студент должен знать:
– способы получения, физические и химические свойства гетерофункціональних карбоновых кислот на примере гидрокс и аминокислот.
Студент должен уметь:
– идентифицировать вещества с помощью физических методов анализа.
Список заказной литературы: 1. В.П. Черних, Б.С. Зименковский, И.С. Грищенко. Органическая химия. В 3-х ч. Харьков “Основа”, 1986. Ч.
2. С. 438-445. 2. Ю.О. Ластухин, С.А. Воронов. Органическая химия. Львов “Центр Европы”, 2000. С. 494-506.
3. Тексты лекций.
Методическое указание составил: к.х. н., доц. Загричук Г.Я.
асист. Демид А.Е.
Утверждено на заседании кафедры
“___” ___________ 200__ г. Протокол № _____
Пересмотрено на заседании кафедры
“___” ___________ 200__ г. Протокол № _____
