CHUYÊN đề hóa học hữu cơ hợp chất thiên nhiên AMINO AXIT và PEPTIT

CHUYÊN ĐỀ HÓA HỌC HỮU CƠ :Hợp chất thiên nhiên: “ AMINO AXIT VÀ PEPTIT” LỜI NÓI ĐẦU Trong quá trình dạy lớp chuyên và tham gia bồi dưỡng đội tuyển HSG QGmôn Hóa học hàng năm, đồng thời

CHUYÊN ĐỀ HÓA HỌC HỮU CƠ :

Hợp chất thiên nhiên: “ AMINO AXIT VÀ PEPTIT”

LỜI NÓI ĐẦU

Trong quá trình dạy lớp chuyên và tham gia bồi dưỡng đội tuyển HSG QGmôn Hóa học hàng năm, đồng thời được kế thừa những kinh nghiệm bồi dưỡngHSG của người chồng thân yêu đã quá cố, cùng với những mong muốn tiếp tụcphát huy sự nghiệp trồng nguời của anh, tôi đã miệt mài nghiên cứu, áp dụng vàodạy học và rút ra được một số kinh nghiệm trong giảng dạy phần hóa học hữu cơ,trong đó có hợp chất thiên nhiên

Hợp chất thiên nhiên có rất nhiều và phức tạp, nhưng trong khuôn khổ củachuyên đề hội thảo lần này cũng như thời lượng để biên soạn có hạn nên tôi chọnhợp chất thiên nhiên là : “AMINO AXIT VÀ PEPTIT” Đây là một chuyên đề

khó về hợp chất thiên nhiên quan trong bậc nhất và trọng tâm của chương trình

thi HSG hàng năm Học sinh thường sợ và lúng túng khi giải các bài tập vêamino axit và peptit vì thiếu cơ sở để tìm ra phương án giải quyết vấn đề và vìcác tài liệu viết đều không đầy đủ, không đáp ứng được yêu cầu đơn giản, chínhxác và giải nhanh nhất

Sau đây là nội dung của chuyên đề:

I.1 Định nghĩa – Danh pháp:

1.1 Định nghĩa: Amino axit là hợp chất hữu cơ tạp chức trong phân tử chứa

Hay: CnH2n+2-2a-x-y(COOH)x(NH2)y

1.2 Danh pháp:

a) Danh pháp thay thế :

Axit + STT nhóm amino- amino+ tên thay thế của axit cacboxylic tương ứng

Thí dụ:

Axit 2-aminopropanoic Axit 2- aminobutanđioic

Axit 4- aminobenzoic

b) Danh pháp bán hệ thống :

axit cacboxylic tương ứng

c) Danh pháp thường :

tên riêng (tên thường) không có hệ thống

Bảng 1 Các amino axit thiên nhiên

Tên Kí hiệu Công thức

Monoaminomonocacboxylic Glyxin Gly H 3 N + CH 2 COO -

Alanin Ala H 3 N + CH(CH 3 )COO

-Valin Val H 3 N + CH(i-Pr)COO

-Leuxin Leu H 3 N + CH(i-Bu)COO

-Isoleuxin Ile H 3 N + CH(s-Bu)COO

-Serin Ser H 3 N + CH(CH 2 OH)COO

-Threonin Thr H 3 N + CH(CHOHCH 3 )COO

-Monoaminođicacboxylic và dẫn xuất amit Axit aspatic Asp HOOC-CH 2 -CH( + NH 3 )COO -

Asparagin Asp(NH 2 ) H 2 NOC-CH 2 -CH( + NH 3 )COO

-Axit glutamic Glu HOOC-(CH 2 ) 2 -CH( + NH 3 )COO

-Glutamin Glu(NH 2 ) H 2 NOC-(CH 2 ) 2 -CH( + NH 3 )COO

-Điaminomonocacboxylic

Lysin Lys H 3 N + -(CH 2 ) 4 -CH(NH 2 )COO

-Hyđroxilysin Hylys H 3 N + -CH 2 CHOH-CH 2 -CH 2 - CH(NH 2 )COO

-Arginin Arg H 3 N + =C(NH 2 )-NH-(CH 2 ) 3 -CH(NH 2 )COO

-Amino axit chứa lưu huỳnh Systein CySH H 3 N + CH(CH 2 SH)COO -

Cystin CySSCy - OOC CH(H 3 N + )CH 2 SSCH 2 CH(H 3 N + )COO

-Methionin Met CH 2 SCH 2 CH 2 CH(H 3 N + )COO

-Amino axit thơm Phenylalanin Phe PhCH 2 CH(H 3 N + )COO -

Tyrosin Tyr p-C 6 H 5 CH 2 CH(H 3 N + )COO

-Amino axit dị vòng Histidin His

Prolin Pro

Tryptophan Try

d) Tên gốc:

- Khi ngắt bỏ -OH ra khỏi nhóm- COOH ta được nhóm axyl

Thí dụ : H2NCH2COOH glixin H2NCH2CO- glixyl

CH3CH(NH2)COOH alanin CH3CH(NH2)CO- alanyl

Thí dụ : H2N-CO-CH2CH(NH2)COOH : Asparagin

- Các monoaminođicacboxylic có 3 gốc tương ứng:

+ Tên của gốc hóa trị 1 có tiếp vĩ ngữ là yl

+ Tên của gốc hóa trị 1 có tiếp vĩ ngữ là oyl

Thí dụ : HOOC-CH2-CH(NH2)COOH : Aspatic

-OC-CH2-CH(NH2)CO- :  -Aspatyl

-OC-CH2-CH(NH2)CO- : Aspatoyl

3 N +

I.2 Cấu tạo phân tử - Tính chất vật lý:

dạng phân tử dạng ion lưỡng cực

- Phân tử chứa nhóm –COOH: Có khả năng cho proton- thể hiện tính axit

Như vậy, amino axit có tính chất lưỡng tính

thể có lực hút ion giống muối amoni nội phân tử

2.2 Tính chất vật lý:

- Amino axit là chất rắn kết tinh, có nhiệt độ nóng chảy khá cao (khoảng từ

ở dạng ion lưỡng cực (muối nội phân tử)

- Các amino axit có nguồn gốc thiên nhiên tồn tại chủ yếu dạng α-amino axit:

dạng phân tử dạng ion lưỡng cực

di chuyển về catot di chuyển về anot

Bảng 2 Tính axit-bazơ của amino axit

a Phân li trong nước:

NH2 - R - COOH ⇄ +H3N – R – COO- quỳ tím

x > y : quỳ hồng

x < y : quỳ xanh

b Tác dụng với dung dịch kiềm:

Mol pư: a a a a

Mol có: 0 (b-a) a a

- Cho dung dịch thu được tác dụng với HCl:

Mol (b-a) (b-a)

H2N-CH2-COOH + HOC2H5 H2N-CH2-COO C2H5 + H2O

- Este thu được tác dụng với HCl tạo Cl H3 N CH2COOC2H5 cần xử lý với

5 2 2

Cl H3 N RCOOH + 2NaOH → Cl H3 N RCOONa+ NaCl + H2O (2) Mol a 2a

 nNaOH p.ứ = b+a = nNaOH p.ứ với HCl + nNaOH p.ứ với a.a

Phản ứng dùng để định lượng amino axit

c- Phản ứng Aryl hóa bằng dẫn xuất 2,4-đinitro flobenzen

+ H-HN-R-COOH   + HF

N

H R-CH + CH – R

O

C

H HO

H

N

OH H

R-CH CH – R + 2H

2 O N

H

O

C C

O

H

N

t

C

O

khí HCl

b- Khi đun nóng β-amino axit bị tách NH 3 tạo axit không no theo phương trình:

là lactam.

a- Phản ứng ngưng tụ:

tách nước tạo hợp chất peptit theo phương trình:

Thí dụ: Phản ứng tạo đipeptit từ hỗn hợp alanin và glyxin: tạo các sản phẩm

có thể gồm Ala-Ala; Gly-Gly; Ala-Gly; Gly-Ala

C

t

NH

CH

2

C

O

C

O

OH+ HOH+ H

H2N-CH(R1) NH CH(R2) COOH

C

O OH+ H

N

C

C

Thí dụ: Phản ứng tạo tripeptit từ hỗn hợp alanin và glyxin: tạo các sản

phẩm có thể gồm

Ala-Ala-Ala Ala-Ala-Gly Gly-Gly-Ala

Gly-Gly-Gly Ala-Gly-Ala Gly-Ala-Gly

Gly-Ala-Ala Ala-Gly-Gly

b- Phản ứng tạo poli-peptit ( phản ứng trùng ngưng):

amino axit đầu C chứa nhóm COOH

- Liên kết amit của nhóm CO với nhóm NH giữa 2 đơn vị α- amino axit được gọi là liên kết peptit

- Tên gọi peptit: ghép tên gốc axyl của các α- amino axit bắt đầu từ đầu

N, rồi kết thúc bằng tên amino axit đầu C (được giữ nguyên)

Thí dụ: Ala-Gly-Gly-Ala; Alanylglyxylglyxylalanin

- Phản ứng trùng ngưng: là sự kết hợp các phân tử monome thành

I.4: Điều chế amino axit:

- Từ protein: + Thuỷ phân protein    3 O α-amino axit: + H 3 N-CH(R)– COOH

+ NaOH, t
0

H 2 N- CH- COONa

R

- Peptit là những hợp chất amit chứa từ 2 đến 50 gốc α-amino axit liên kết với nhau bằng các liên kết peptit.

- Liên kết amit của nhóm CO với nhóm NH giữa 2 đơn vị α- amino axit được gọi

là liên kết peptit

C chứa nhóm COOH

- Các peptit được phân thành hai loại:

+ Oligopeptit gồm các peptit có từ 2 đến 10 gốc α- amino axit và được gọi tương ứng là đipeptit, tripeptit,…đecapeptit

+ Polipeptit gồm các peptit có từ 11 đến 50 gốc α- amino axit

amino axit đầu N amino axit đầu C

- Đồng phân cấu tạo của peptit:

+ Nếu trong phân tử peptit có chứa n gốc α- amino axit khác nhau thì số đồng phân peptit sẽ là n!

Thí dụ: từ 2 amino axit alanin và glyxin tạo nen được 2 đồng phân(2!=2)

đipeptit là Ala- Gly và Gly-Ala

+ Nếu trong phân tử peptit có chứa 2 α- amino axit giống nhau thì số đồng phân peptit sẽ là n2!

2

! 3

đồng phân là: Ala-Ala- Gly-Gly ; Ala-Gly-Ala-Gly ; Gly-Ala-Ala-Gly

Gly-Ala- Gly- Ala và Gly - Gly-Ala – Ala

Thí dụ: từ 2 α- amino axit có thể tao nên 23=8 loại tripeptit là:

Ala-Ala-Ala Ala-Ala-Gly Ala-Gly-Ala Gly-Ala-Ala

Gly-Gly-Gly Gly-Gly-Ala Gly-Ala-Gly Ala-Gly-Gly

- Chất xúc tác cho phản ứng thủy phân có thể là axit hoặc bazơ, do đó các hợp chất có liên kết peptit kém bền trong môi trường axit hoặc bazơ.

Thí dụ:

- Khi dùng xúc tác enzim các phân tử peptit có thể bị thủy phân từng phần ở một

số liên kết nhất định

Thí dụ: + Enzim cacboxipeptiđaza: xúc tác cho thủy phân liên kết peptit của

amino axit đầu C → peptit X + amino axit đầu C

+ Enzim aminopeptiđaza: xúc tác cho thủy phân liên kết peptit của aminoaxit đầu N → peptit Y + amino axit đầu N

axit đầu N Vì vậy có thể xác định được cấu trúc của đơn vị amino axit đầu N trong peptit

(A) + H2O  H

tăng mật độ điện tích (+) của vòng benzen, do đó nếu thay -F bằng –Cl, -Br hoặc

2.3 Phản ứng màu biure.

trong kiềm cho phức có màu tím hoặc tím đỏ Phản ứng này được gọi là phản ứng

- Các phân tử amino axit hoặc đipeptit (mạch hở) chỉ có một liên kết peptit không

Phân tích peptit để xác định trình tự amino axit trong phân tử peptit.

3.1 Xác định amino axit đầu N

Cách 1: Cho peptit tác dụng với dẫn xuất 2,4-đinitroflobenzen sau đó đem sản

phẩm thủy phân sẽ thu được dẫn xuất của amino axit đầu N

Cách 2: Cho peptit thủy phân nhờ enzim amino peptiđaza sẽ thu được amino

axit đầu N và peptit có mạch ngắn hơn 1 đơn vị

3.2 Xác định amino axit đầu C.

Cho peptit thủy phân nhờ enzim cacboxipeptiđaza sẽ thu được amino axit đầu

C và peptit có mạch ngắn hơn 1 đơn vị

3.3 Xác định số lượng và các amino axit trong phân tử peptit

Thủy phân hoàn toàn peptit sẽ xác định được số đơn vị amino axit và các aminoaxit trong phân tử peptit

3.4 Xác định amino axit trong mạch peptit.

- Thủy phân từng phần mạch peptit sẽ thu được các mạch peptit ngắn hơn để nhận biết

- Tổ hợp các mạch peptit lại ta xác định được cấu trúc của peptit

- Nhóm benzyl oxi có thể được loại ra nhờ phản ứng hiđro phân

4.3 Ngưng tụ các amino axit đã được bảo vệ.

- Ngưng tụ các amino axit đã được bảo vệ ra được sản phẩm:

C6H5CH2- OCO(NH – CH- CO)n OCH2C5H5

H2N-CH CO [NH CH CO ]n-2NH CH COOH + (n-1)H2OH2N-CH()-COOH

R1 Rn

NH CH COOCH2C6H5

C

NH CH COOH + C6H5CH3

C

R

dụng pKa của chúng nêu theo trình tự sau: 2,35; 3,55; 4,03; 9,87; 10,24; 10,56.1- Viết công thức cấu tạo của các amino axit, ghi các giá trị pKa vào bên cạnh





COOH CH

NCH H

COO CH

NCH H

) (

) ( 3 3

3

4- Nêu phương pháp phân biệt 3 amino axit

5- Viết sơ đồ tổng hợp xuất phát từ hợp chất hữu cơ thông

Bài giải

1- Công thức cấu tạo:

NH2 - CH2 - CH2 - CH2 - COOH ⇄ +NH3 - CH2 - CH2 - CH2 – COO

NH2 - CH – COOH ⇄ +NH3 - CH – COO-

NH2 – CH2 - CH2 - COOH ⇄ +NH3 - CH2 - CH2 - COO-

proton hóa, do đó giá trị:

10,56 4,03 10,24 3,55 9,87 2,35

hòa điện tích nên không bị điện di

pKa2: pKa của +NH3

COOH (pKa1) COO- COO

2

HO

HO - HO HO2-

N H

COO R

N H H

K a

] [

] ][

] ][

N H

COO R

N H H K

] [

] [

] [

3 2 2

] [

N H

COO R

N H

A

A

2 2

3 R - NH

3 R – NH2 đt: (2+) (1+) → 0  (1-) Điện tích tổng cộng của mỗi dạng được ghi trong dấu ngoặc đơn ở trên, dạng

COOH (pKa1) COO- COO- COO-

CH- NH

3 CH – NH

3 CH-NH2

3 3

1

] )

( ][

[

] )

CH N H H

COOH CH

CH N H

3 3

3

] )

( [

] )

( [

CH CH N

H

COO CH

CH N

a) Viết cân bằng điện li cho lysin và tính điểm đẳng điện của nó

b) Viết cân bằng điện li cho axit aspatic và tính điểm đẳng điện của nó

(CH2)3 (CH2)3 (CH2)3 (CH2)3

H

CH3

CH2-NH

3 CH2-NH

3 CH2-NH2đt: (2+) (1+) → 0  (1-) Điện tích tổng cộng của mỗi dạng được ghi trong dấu ngoặc đơn ở trên, dạng

2

53 , 10 95 , 8 2

3 2







 pKa pKa

b) COOH (pKa1) COO- COO- COO-

3 CH – NH

3 CH-NH2

2 1







pKa pKa

Bài 3: Cho một số amino axit sau:

A : H2N-CH2COOH D :

B: E:

C: F:

1) Gọi tên các chất theo danh pháp IUPAC và danh pháp thường biết rằng

có tên gọi piroliđin

2) Sắp xếp các chất trên theo trình tự tăng dần pHI Biết các giá trị pHI của chúng là: 2,77 ; 3,22 ; 5,68 ; 5,97 ; 6,3 ; 9,74

3) Viết công thức cấu trúc của các amino axit tại điểm đẳng điện và tại pH=1; pH=13

Bài giải1) Gọi tên IUPAC theo nguyên tắc chung

Tên của amino axit = axit số chỉ vị trí –amino/tên thay thế của axit/đuôi oic(hoặcđioic)

NH2

HOOC-(CH

2)

NH2

NH2

N H COOH

N H

HO-CH

NH2

Giải thích:Do

D: Có hai trung tâm axit, một trung tâm bazơ gần nhau

E: Tương tự D nhưng hai trung tâm axit xa nhau hơn

e A: Có một trung tâm axit, một trung tâm bazơ bậc I

F: Có một trung tâm axit, một trung tâm bazơ bậc II mạnh hơn bậc I C: Có một trung tâm axit, hai trung tâm bazơ

3) Công thức cấu trúc của các amino axit:

- Tại điểm đẳng điện:

3N+- (CH

2)

NH2

COOH H

OOC-CH

-NH2

Bài 4:

- Pepsin, vì Pepsin là protit có tính axit mạnh (pHI =1,1): Tại pH=7,0 > pHI =>

pepsin

hemoglobin    HO dạng anion ( -) nên ion chạy về cực (+) => vết B đặc trưngcho hemoglobin

pHI => prolamin     H dạng cation (+) nên ion chạy về cực (-) => vết C đặc trưngcho prolamin

Bài 5:

Thuỷ phân hoàn toàn 0,5 mol peptit (X) thu được 1 mol Phe ; 0,5 mol Ala; 0,5mol Asp và 0,5 mol Lys Cho (X) phản ứng hoàn toàn với 2,4-đinitroflobenzen, sau đó thuỷ phân sản phẩm thu được: Phe, Asp, Lys và dẫn xuất

Mặt khác, thuỷ phân (X) nhờ enzim cacboxipeptiđaza thu được Asp và một tetrapeptit (Y), tiếp tục thuỷ phân (Y) nhờ enzim cacboxipeptiđaza thu được Lys

và tripeptit (Z)

1) Viết công thức cấu tạo và gọi tên (X), (Y), (Z)

3) Viết công thức cấu trúc dạng ion của các amino axit trên ở giá trị pH = 2 ; 12

Bài giải

Theo giả thiết:

X    3 O Phe + Ala + Asp + Lys

(X) + H2O Asp + (Y) nên amino axit đầu C là Asp

(Y) + H2O Lys + (Z) nên amino axit đầu C là Lys

Vậy trình tự của (X) là: Ala-Phe-Phe-Lys-Asp

Phe có –C6H5 gây hiệu ứng –I

3) Viết công thức cấu trúc dạng ion của các amino axit trên ở giá trị pH = 2 ; 12

Hợp chất X được tách từ thịt mà qua phản ứng biure thấy X là peptit hoặc

protein Thuỷ phân hoàn toàn X thu được 3 amino axit có số mol bằng nhau A, B,

C Người ta tổng hợp A và B theo sơ đồ sau:

Ia  II  III  IV  V  A

en zim cacboxipeptiđaza

en zim cacboxipeptiđaza

H

CH3C

6H

5- CH

NH2

NH2

H

CH3

OOC-CH

-NH2

Ib  III  VI  VII  B

Ia và Ib là các CxHy.

4) Nêu cấu trúc có thể có đối với X

5) Cho biết cấu trúc lập thể đối với B và C

Bài giải

C được tổng hợp theo sơ đổtên nên C là :

   (H )     3 O

- Từ sơ đồ Ia thấy thỏa mãn:

CH2=CH2    3 O CH3-CH2OH  O2 CH3-CHO   O2 CH3-COOH  Cl2

ClCH2-COOH  NH 3 H2N-CH2COOH (A)

- Từ sơ đồ Ib thấy thỏa mãn:

CH

2 CH

2 CH

VIII C

NO2

NH

2

NH2(Lys)

CH3-CH-CN OH CH

3 -CH-COOH NH

2

CH3-CH-COOH OH

3) Gọi tên:

B: Alanin (axit 2-aminopropanoic)

C: Lysin (axit 2,6-điaminohexanoic)

4) X có cấu trúc? Khi thuỷ phân X thấy : Mx < (MA + MB + MC)

=> X là tripeptit tạo ra từ 1 đơn vị A, B, C

-bromomalonat), phương pháp Steckơ (từ anđehit và metanthiol) và phương pháp Peckin( từ  - bromocacboxylic, NH3 dư)

Bài giải Tổng hợp methionin theo 3 phương pháp :

N – CH(COOEt
)

2

C O

- OEt

MeSCH2CH2Cl H

H

HH

- Phương pháp Steckơ (từ anđehit và metanthiol)

2)Viết phương trình phản ứng tổng hợp X từ Phe, Gly, Ser và các chất cầnthiết

Bài giải 1) Công thức cấu tạo của X:

2) Để tổng hợp X có trật tự xác định các đơn vị aminoaxit trong phân tử cầnphải “bảo vệ” nhóm amino của amino axit này và “bảo vệ” nhóm cacboxyl củaamino axit kia khi không cần chúng phản ứng với nhau

- Bảo vệ nhóm –COOH của Ser :

- Ngưng tụ hai aminoaxit đã được bảo vệ :

Dẫn xuất của đipeptit

- Bảo vệ nhóm –COOH của Phe bằng cách tạo metyl este :

- Ngưng tụ dẫn xuất của đipeptit với Phe đã được bảo vệ :

3 OH CH

3

O O CH

2 OH

O O CH

2 OH

O O CH

2 OH

NH

2 – CH – COOCH